基于DSP雙路音頻信號(hào)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁茹軒，尉樂，何天璐，高中山

(西安電子科技大學(xué)本科生創(chuàng)新實(shí)踐基地，陜西西安710126)

現(xiàn)代音頻信號(hào)處理領(lǐng)域，通常需要采集大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并且逐步從處理單路信號(hào)發(fā)展為處理多路信號(hào)。對(duì)語音信號(hào)而言，采用元音強(qiáng)度與元音間隔作為聽者識(shí)別信號(hào)的基礎(chǔ)參數(shù)。另外音頻信號(hào)處理的器件也從傳統(tǒng)的模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器發(fā)展成為多款高性能專用芯片。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以工控機(jī)或普通單片機(jī)為核心，整個(gè)系統(tǒng)體積大、功耗高，未考慮語音數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和發(fā)送。設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)語音處理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量大、緩沖更新迅速、穩(wěn)定性高、采集發(fā)送延時(shí)小等特點(diǎn)。該系統(tǒng)利用DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，DMA與McBSP實(shí)現(xiàn)雙路音頻信號(hào)的實(shí)時(shí)并行采集發(fā)送，便于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、算法仿真和過優(yōu)化處理流程等，也可用于個(gè)人便攜式音頻通信設(shè)備的驅(qū)動(dòng)開發(fā)。

1 硬件概述

該系統(tǒng)采用美國TexasInstruments公司TMS320VC55X處理器，其繼承了C54X系列的發(fā)展趨勢(shì)，低功耗、低成本，在有限的功率條件下能夠保持優(yōu)良的性能。工作在0.9 V，其核的功率僅為0.05 W/MIPS，性能可達(dá)800 MIPS，對(duì)數(shù)字通信、語音處理等便攜式應(yīng)用提出的挑戰(zhàn)提供了有效的解決方案［1］。以TMS320VC5509A為例，該芯片共有3個(gè)多通道緩沖串口，分別為McBSP0、McBSP1、McBSP2，每個(gè)串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)使用獨(dú)立的時(shí)鐘，支持連續(xù)傳送，可直接與多媒體數(shù)字信號(hào)編碼器的工業(yè)接口以及ADC/DAC接口實(shí)現(xiàn)無縫連接，通過CPU或DMA對(duì)16 bit寄存器訪問實(shí)現(xiàn)通信，由DX引腳發(fā)送數(shù)據(jù)，RX引腳接收數(shù)據(jù)。通信時(shí)鐘和幀同步有CLKX，CLKR，F(xiàn)SX以及FSR引腳來控制。TMS320VC5509A芯片提供6個(gè)通道DMA控制器，可獨(dú)立于CPU完成4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口的數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)通道可從一個(gè)數(shù)據(jù)源地址讀取數(shù)據(jù)后寫入另一個(gè)口或目標(biāo)地址。特別指出5509芯片具有64 kB雙訪問RAM，其結(jié)構(gòu)由8個(gè)4 kB×16位的塊組成，允許兩個(gè)端口同時(shí)訪問，提高了系統(tǒng)速度［2］。

TLV320AIC23B是TI公司推出的一款高性能立體聲音頻編解碼器，內(nèi)置耳機(jī)輸出放大器，支持MIC

表1 SPI與I2C接口控制

AIC23b數(shù)據(jù)傳輸格式支持右判斷模式、左判斷模式、I2C模式和DSP模式4種方式，其中DSP模式專門針對(duì)TI DSP設(shè)計(jì)。這兩款芯片的I/O電壓兼容，從而使得二者可以無縫連接，因此，基于DSP和音頻Codec芯片AIC23B構(gòu)建的硬件系統(tǒng)是一種理想的語音信號(hào)處理系統(tǒng)。在語音信號(hào)處理系統(tǒng)中，AIC23主頻為12 MHz，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的抽樣頻率為8 kHz［6］，模擬音頻信號(hào)由LINEIN/MICIN輸入到該芯片，這些參數(shù)需要通過McBSP1對(duì)AIC23進(jìn)行配置實(shí)現(xiàn)。模擬音頻信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換、編碼后，由數(shù)字音頻接口傳送給DSP的串口McBSP0，并接收DSP處理后的數(shù)據(jù)，收到的數(shù)字音頻信號(hào)經(jīng)解碼、D/A轉(zhuǎn)換后，從HEADPHO/LINEOUT輸出［4］。本系統(tǒng)采用DSP模式，如圖1所示。

圖1 DSP模式時(shí)序

I2C總線協(xié)議是由Philips公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備，該協(xié)議已廣泛地應(yīng)用于數(shù)字通信系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)中。

AIC23B與微處理器的接口有兩個(gè)，一個(gè)是控制口，用于設(shè)置AIC23B的工作參數(shù)，另一個(gè)是數(shù)據(jù)口，用于傳輸AIC23B的A/D、D/A數(shù)據(jù)。用I2C總線與AIC23B的控制口接口，對(duì)AIC23B的各個(gè)控制寄存器進(jìn)行設(shè)置。McBSP的發(fā)送與接收時(shí)鐘均由AIC23B提供。

在DMA應(yīng)用中，可以賦予每個(gè)通道的bit流高低的優(yōu)先級(jí)。每個(gè)DMA通道的同步事件為MCBSP串口收發(fā)事件，同時(shí)每個(gè)通道某個(gè)事件完成后可向CPU發(fā)送一個(gè)中斷。用戶可以編寫代碼修改寄存器配置，當(dāng)DMA在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，只要用戶使能該通道，就可將配置寄存器復(fù)制到工作寄存器中［5］。另外DMA支持自動(dòng)初始化模式，可以在塊傳輸過程中反復(fù)復(fù)制，連接示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件接口原理圖

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方案中兩路麥克風(fēng)輸入數(shù)據(jù)，兩路耳機(jī)輸出數(shù)據(jù)。在此給出一路信號(hào)的接收處理發(fā)送過程，另一路信號(hào)設(shè)計(jì)思路相同。

在DARAM中開辟緩沖和處理單元，數(shù)據(jù)傳輸均采用DMA獨(dú)立于CPU的方式。CPU只有在接收DMA觸發(fā)中斷后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后數(shù)據(jù)拷貝到DMA發(fā)送緩沖。為保證整個(gè)傳輸過程中無數(shù)據(jù)丟失，DMA接收端采用半幀中斷的方式接收數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)載入過程中，可以選擇兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行操作，將數(shù)據(jù)區(qū)分為receive1與receive2用于保存載入的數(shù)據(jù)，同時(shí)開辟程序運(yùn)行區(qū)process1和process2用于運(yùn)行程序。當(dāng)receive區(qū)域觸發(fā)半幀中斷，CPU讀取receive1中的數(shù)據(jù)并將其復(fù)制到process1中，調(diào)用處理函數(shù)proc1，在CPU進(jìn)行相關(guān)信號(hào)處理時(shí)，DMA繼續(xù)將數(shù)據(jù)載入receive2，其滿時(shí)觸發(fā)整幀中斷，DMA自動(dòng)初始化將receive1覆蓋。CPU此時(shí)即可將receive2中的數(shù)據(jù)復(fù)制到process2中，調(diào)用處理函數(shù)proc2，這樣receive區(qū)域交替更新，即可實(shí)現(xiàn)程序的不間斷運(yùn)行。

每次中斷服務(wù)程序的運(yùn)行時(shí)間必須小于半幀中斷的間隔時(shí)間。此方案可以保證系統(tǒng)的延時(shí)足夠小。在使用該方案時(shí)，用戶必須根據(jù)自己的需要設(shè)計(jì)合適的采樣頻率和緩沖數(shù)據(jù)區(qū)的大小。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)中斷的優(yōu)先級(jí)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理圖

3 結(jié)束語

系統(tǒng)采用DSPVC5509作為核心處理器，充分利用了DSP片上資源，采用獨(dú)立于CPU的DMA實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集處理以及發(fā)送，降低了總線占用率。設(shè)計(jì)的可更新緩沖區(qū)不僅符合DMA傳輸要求而且避免了數(shù)據(jù)丟失，實(shí)時(shí)更新減少了數(shù)據(jù)空間的浪費(fèi)。另外該系統(tǒng)具有低功耗、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，可以根據(jù)用戶需求進(jìn)一步擴(kuò)展。

［1］ TI Conpration．TMS320VC5509 fixed－point digital signal processor data manual［M］．Texas:TI Conpration，2001．

［2］ 劉向宇．DSP嵌入式常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2009．

［3］ 丁玉美，高西全．?dāng)?shù)字信號(hào)處理［M］．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2005．

［4］ TI Conpration．Stereo Audio CODEC，8 to 96 kHz［M］．Texas:TI Conpration，2001．

［5］ 王念旭．DSP基礎(chǔ)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001．

［6］ 尹勇，歐光軍．DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS開發(fā)指南［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003．