基于ＯＭＡＰ５９１２的語音采集系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

李　斌　楊　震　戴　煜

摘 要：隨著DSP及語音信號處理技術(shù)的發(fā)展,DSP已經(jīng)成為語音信號處理的基本工具。基于不同型號的DSP,可以設(shè)計出多種語音采集系統(tǒng)。首先介紹OMAP5912和CODEC芯片TLV320AIC23的特性,然后設(shè)計了一種基于這兩種芯片的語音采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)在硬件平臺上得以實(shí)現(xiàn),實(shí)踐證明,該系統(tǒng)具有很高的效率,能夠滿足實(shí)時信號處理的要求,可以作為一種語音信號處理進(jìn)行算法研究和實(shí)時實(shí)現(xiàn)的通用平臺。

關(guān)鍵詞：OMAP5912；TLV320AIC23；DSP；語音采集

中圖分類號：TN912.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-158-03

Design and Implementation of Speech Acquisition System Based on OMAP5912

LI Bin,YANG Zhen,DAI Yu

(College of Telecommunications and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing,210003,China)

Abstract：With the development of the technology of DSP and speech signal processing,DSP has become the basic tool of speech signal processing.Many kinds of speech acquisition systems can be designed based on DSP of different types.The characteristics and properties of OMAP5912 and TLV320AIC23 are introduced,a speech acquisition system based on them is designed.The system has been implemented on the hardware platform.It proves that this system can meet the requirements of real-time signal processing with high efficiency,and it can be used as universal platform for the research of audio processing algorithms and real-time implementation.

Keywords：OMAP5912;TLV320AIC23;DSP;speech acquisition

0 引 言

近年來,高速發(fā)展的語音信號處理技術(shù)已在音頻信息的處理、傳輸和存儲等方面得到廣泛應(yīng)用。同時,隨著高性能數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)的日益普及,利用DSP對語音信號處理進(jìn)行算法研究和實(shí)時實(shí)現(xiàn)正成為新的熱點(diǎn)。在此設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種語音采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)為語音信號處理的算法研究和實(shí)時實(shí)現(xiàn)提供一個通用平臺。同時,與已有的聲卡等具有語音采集功能的設(shè)備相比,該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單,效率高,便于攜帶等特點(diǎn),因此也可以作為便攜式設(shè)備或手持終端的一部分進(jìn)一步加以開發(fā)和應(yīng)用。

1 芯片簡介

OMAP5912［1］采用獨(dú)特的雙核結(jié)構(gòu),內(nèi)含1個實(shí)現(xiàn)控制功能的帶有TI增強(qiáng)型ARM926EJ-S(簡稱ARM9)內(nèi)核的處理器和1個實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能的高性能、低功耗TMS320C55x DSP(簡稱DSP)內(nèi)核。ARM9處理器可用來實(shí)現(xiàn)各種通信協(xié)議、控制和人機(jī)接口；DSP具有多條數(shù)據(jù)地址總線,非常適合數(shù)據(jù)密集的多媒體處理,并具有極低的功耗。

TLV320AIC23［2］(簡稱AIC23)是TI推出的一款高性能的立體聲音頻Codec芯片,內(nèi)置耳機(jī)輸出放大器,支持MIC和LINE IN兩種輸入方式(二選一),且對輸入和輸出都具有可編程增益調(diào)節(jié)。AIC23的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADCs)和數(shù)模轉(zhuǎn)換(DACs)部件高度集成在芯片內(nèi)部,采用了先進(jìn)的Sigma-delta過采樣技術(shù),可以在 8~96 kHz的頻率范圍內(nèi)提供16 b,20 b,24 b和32 b的采樣,ADC和DAC的輸出信噪比分別可以達(dá)到 90 dB和100 dB。與此同時,AIC23還具有很低的能耗,回放模式下功率僅為23 mW,省電模式下更是小 于15 μW。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

語音采集系統(tǒng)主要包括兩個模塊：以AIC23為核心的語音采集模塊;以O(shè)MAP5912的DSP為核心的語音數(shù)據(jù)接收處理模塊。

為使AIC23正常工作在需要的狀態(tài)下,必須通過I2C［3］總線對其進(jìn)行配置。AIC23采集的語音信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后,通過McBSP1［4］傳送到接收寄存器DRR,然后經(jīng)DMA［5］通道傳送至接收緩沖區(qū)。存放在發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù),通過DMA通道傳送到McBSP1的發(fā)送寄存器DXR,然后傳送至AIC23,經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后,由HEADPHONE輸出,如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)的硬件接口設(shè)計［6,7］

利用OMAP5912的I2C總線和McBSP1完成對AIC23的控制和通信。I2C總線與AIC23的控制口相連,McBSP1與AIC23的數(shù)據(jù)口相連。AIC23設(shè)置為Master模式,向McBSP1提供時鐘和幀同步信號。McBSP1.DX作為AIC23的輸入通道,McBSP1.DR作為AIC23的輸出通道,如圖2所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件分兩個方面來說明：主程序和中斷服務(wù)程序。

3.1 主程序

因為OMAP5912為雙核結(jié)構(gòu),且ARM9為主控制器,所以首先必須在ARM9側(cè)進(jìn)行OMAP5912的初始化,讓DSP退出復(fù)位狀態(tài),這里僅需調(diào)用TI提供的OSK5912 Board Support L

限于篇幅,在此僅說明通過I2C總線配置AIC23的過程。AIC23芯片是一個可編程的芯片,內(nèi)部有 11個16位寄存器決定芯片的工作狀態(tài)。圖2中的MODE引腳決定控制接口的工作模式：MODE=0為I2C模式,MODE＝1為SPI模式。系統(tǒng)采用的是I2C模式,即由DSP通過I2C總線完成對AIC23的初始化。I2C總線作為ARM9和DSP的共享設(shè)備,其使用權(quán)由圖1中的寄存器I2C_SSW_MPU_CONF和DSP_I2C_SSW_CONF 決定,在默認(rèn)的情況下由ARM9使用。為了讓DSP能使用I2C總線,需對上述兩個寄存器做如下修改：MCBSP_SSW_MPU_CONF=0x00000000,DSP_I2C_SSW_CONF=0x0002。每個連接到I2C總線上的設(shè)備,都有1個惟一的地址,AIC23的地址由圖2中的CS#引腳決定,即CS＝0地址為0011010；CS=1地址為0011011。I2C總線首先發(fā)送AIC23的地址,然后再把相應(yīng)的AIC23內(nèi)部映射寄存器的地址和配置參數(shù)合并為16位的控制字發(fā)送給AIC23。

3.2 中斷服務(wù)程序

在DSP的RAM空間中定義一個接收緩存數(shù)組Rxbuffer［］和發(fā)送緩存數(shù)組Txbuffer［］,一個接收標(biāo)志RxFlag和一個發(fā)送標(biāo)志TxFlag。為了防止出現(xiàn)在執(zhí)行中斷服務(wù)程序的時候,接收的新數(shù)據(jù)將緩存區(qū)未取走的數(shù)據(jù)覆蓋,將緩存數(shù)組分為上下兩部分［9］,CPU在處理其中一個部分的時候,DMA自動操作另一部分,如圖4(a)所示。

該語音采集系統(tǒng)以中斷的方式工作,在工作的過程中,會產(chǎn)生兩個中斷：DMA接收中斷;DMA

發(fā)送中斷。以DMA接收中斷為例來說明中斷服務(wù)程序。

當(dāng)產(chǎn)生DMA接收中斷時,首先判斷RxFlag的值,若為0,則取接收數(shù)組Rxbuffer下半部分的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理,同時置RxFlag為1；若為1,則取接收數(shù)組Rxbuffer上半部分的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理,同時置RxFlag為0,然后退出中斷服務(wù)程序,進(jìn)入主程序,等待中斷的再次產(chǎn)生,如圖4(b)所示。

4 仿真驗證

為了驗證設(shè)計的可行性,對該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測試。仿真軟件為CCS(Code Composer Studio)2.21［10］。系統(tǒng)由硬件仿真器TDS560USB通過JTAG仿真接口與計算機(jī)相連,用戶可以通過該接口向OMAP5912芯片加載程序并觀察芯片內(nèi)部存儲器的數(shù)據(jù),完成系統(tǒng)仿真及程序調(diào)試的任務(wù)。

在ARM和DSP側(cè)分別加載程序編譯后生成的.out文件,然后運(yùn)行。經(jīng)配置后的AIC23從MIC IN輸入語音信號,并對其進(jìn)行8 kHz,16 b的采樣。不考慮圖4(a)中的信號處理過程,將采集到的語音直接送回AIC23芯片,經(jīng)D/A后,由HEADPHONE輸出,此時,聽到的正是輸入的語音信號。由此說明：該設(shè)計是確實(shí)可行的。

5 結(jié) 語

根據(jù)TI公司的OMAP5912和CODEC芯片TLV320AIC23的特性,根據(jù)TI公司的設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于OMAP5912的語音采集系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,DMA通道結(jié)合McBSP的使用,可以大大減少CPU的工作量,簡化軟件設(shè)計,有效地利用DSP的硬件資源,提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率。實(shí)踐證明,該系統(tǒng)能夠滿足實(shí)時信號處理的要求,可以作為語音信號處理的算法研究和實(shí)時實(shí)現(xiàn)的一種通用平臺,也可以作為便攜式設(shè)備或手持終端的一部分進(jìn)一步加以開發(fā)和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

［1］Texas Instrument Incorporated.OMAP5912 Applications Processor Data Manual［Z］.2004.

［2］TI Corporation.TLV320AIC23 Stereo Audio CODEC,8~ 96 kHz with Integrated Headphone Amplifier［Z］.2001.

［3］Texas Instrument Incorporated.OMAP5912 Multimedia Processor Serial Interfaces Reference Guide［Z］.2004.

［4］Texas Instrument Incorporated.OMAP5912 Multimedia Processor Multichannel Buffered Serial Ports(McBSPs) Reference Guide［Z］.2004.

［5］Texas Instrument Incorporated.OMAP5912 Multimedia Processor Direct Memory Access(DMA) Support Refe-rence Guide［Z］.2004.

［6］Texas Instrument Incorporated.OSK5912 Schematics［Z］.2004.

［7］孫紅,張濤.基于TMS320C5509 DSP的無線語音傳輸采集傳輸系統(tǒng)［J］.微計算機(jī)信息,2007,23(8Z):184-186.

［8］Texas Instrument Incorporated.OSK5912 Board Support L

［9］陳明義,夏玥.基于DSP的語音通信系統(tǒng)的設(shè)計［J］.湖南大學(xué)學(xué)報,2002,29(4):63-66.

［10］Texas Instrument Incorporated.Code Composer Studio User′s Guider［Z］.2000.

作者簡介李 斌 男,1982年出生,江蘇鹽城人,碩士研究生。目前研究方向為無線通信與信號處理技術(shù)。

楊 震 男,1961年出生,江蘇蘇州人,教授,博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域為語音信號處理、現(xiàn)代語音通信技術(shù)和無線通信與網(wǎng)絡(luò)信號處理。

戴 煜 男,1982年出生,江蘇常州人,碩士研究生。目前研究方向為無線通信與信號處理技術(shù)。