基于DSP語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 顯，賀秀玲

（防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201）

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要以DSP為核心完成語(yǔ)音信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其電路主要由三部分電路組成，DSP芯片及其外圍電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和接口電路組成，基本的工作原理和芯片的選擇是：首先選擇TLC320AD50對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再選擇DSP芯片TMS320C5510對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、端點(diǎn)檢測(cè)、語(yǔ)音信號(hào)增強(qiáng)、特征參數(shù)提取等語(yǔ)音信號(hào)處理進(jìn)而進(jìn)行識(shí)別，并通過(guò)LED檢測(cè)識(shí)別結(jié)果進(jìn)而報(bào)警。

1.1 DSP的特點(diǎn)及語(yǔ)音處理識(shí)別上的優(yōu)勢(shì)

選用DSP器件作為語(yǔ)音信號(hào)處理的專用微處理器，因?yàn)榫哂幸韵?個(gè)特點(diǎn)：

（1）DSP內(nèi)部采用改進(jìn)的哈佛架構(gòu)（Modified Harvard），即程序空間與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分開(kāi)各有獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，允許同時(shí)訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)高度并行操作。如可以在一條指令中，同時(shí)執(zhí)行3次讀操作和1次寫(xiě)操作。此外，還可以在數(shù)據(jù)總線與程序總線之間相互傳送數(shù)據(jù)，使處理器的性能大大提高。

（2）采用流水線結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了軟件程序的處理能力。每條指令的執(zhí)行可劃分為取指令、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等幾個(gè)階段。在DSP中，采用流水線結(jié)構(gòu)，在程序運(yùn)行過(guò)程中這幾個(gè)階段是重疊的，這樣將指令周期降低到最小值。

（3）多處理單元。DSP內(nèi)部一般都包括多個(gè)處理單元，如算術(shù)邏輯運(yùn)算單元、累加器、輔助寄存器運(yùn)算單元以及硬件乘法器等。它們可以在一個(gè)指令周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算。因此，DSP在進(jìn)行連續(xù)的乘加運(yùn)算時(shí)，每一次乘加運(yùn)算都是單周期的。DSP的這種多處理單元結(jié)構(gòu)，特別適用于FIR和IIR濾波器。

（4）運(yùn)算精度高。早期DSP的字長(zhǎng)為8位，后來(lái)逐步提高到16位、24位、32位。為防止運(yùn)算過(guò)程中溢出，有的累加器達(dá)到40位。此外，一批浮點(diǎn)DSP，則提供了更大的動(dòng)態(tài)范圍。

1.2 DSP芯片的濾波實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)核心芯片DSP選用TMS320VC5410DSP，該芯片采用了專用硬件邏輯CPU、片內(nèi)存儲(chǔ)器、片內(nèi)外設(shè)及高度專業(yè)化的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算（RISC），其結(jié)構(gòu)采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，獨(dú)立的數(shù)據(jù)和地址總線，保證了指令和數(shù)據(jù)能得以并行處理。在語(yǔ)音識(shí)別中，首先是濾波器的設(shè)計(jì)，TMS320VC5410在指令集和硬件結(jié)構(gòu)上，對(duì)濾波器算法的實(shí)現(xiàn)，有專門(mén)的考慮。其基本實(shí)現(xiàn)方法是：首先是在指令中設(shè)置了MACD指令，它的功能是將數(shù)據(jù)區(qū)的兩個(gè)數(shù)相乘以后，再與累加器中的值累加，運(yùn)算結(jié)果仍保留于累加器中，而為下一次操作準(zhǔn)備；其次在硬件上，設(shè)計(jì)了間接尋址時(shí)的循環(huán)尋址功能，即將濾波器系數(shù)保存于一個(gè)可循環(huán)尋址的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，尋址指針由低地址自動(dòng)增長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到緩沖區(qū)頂部時(shí)，自動(dòng)返回低地址重新尋址，這樣，配合單指令重復(fù)指令RPT，就可以快速實(shí)現(xiàn)卷積操作。

1.3 DSP芯片語(yǔ)音信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)語(yǔ)音信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)軟件來(lái)完，軟件設(shè)計(jì)主要包括DSP編程和PC編程，要完成的功能是通過(guò)外部設(shè)備采集語(yǔ)音信號(hào)，經(jīng)TLC320AD50進(jìn)行模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)入TMS320C5510和PC機(jī)進(jìn)行處理，整個(gè)程序處理過(guò)程基本是在PC機(jī)上完成，包括語(yǔ)音信號(hào)預(yù)處理、端點(diǎn)檢測(cè)，語(yǔ)音信號(hào)增強(qiáng)等，處理后的信號(hào)在PC機(jī)上進(jìn)行波形顯示、頻譜分析等。DSP編程的主要任務(wù)是初始化管理板上的資源和完成語(yǔ)音處理的算法。PC機(jī)編程重點(diǎn)則是完成與"DSP的串行通信，用戶使用系統(tǒng)界面和對(duì)信號(hào)的存儲(chǔ)分析顯示等功能。本軟件設(shè)計(jì)以TI提供的功能強(qiáng)大的CCS（Code Composer Studio）為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

TMS320C5510控制著整個(gè)系統(tǒng)的工作流程和運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)上電CPU復(fù)位后，首先由TMS320C5510完成自身的初始化，包括配置RAM塊，設(shè)置數(shù)據(jù)頁(yè)指針、中斷和I/O模式，設(shè)置中斷屏蔽位和等待狀態(tài)位，設(shè)置定時(shí)器模式、初值、串行口等，然后開(kāi)始啟動(dòng)TLC320AD50，等待中斷。TLC320AD50負(fù)責(zé)信號(hào)采集，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存入到一級(jí)緩存器FIFO中。當(dāng)FIFO達(dá)到半時(shí)向TMS320C5510提出中斷申請(qǐng),TMS320C5510響應(yīng)中斷，讀取采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)端點(diǎn)檢測(cè)等處理后，存入二級(jí)緩沖器CRAM中，并通過(guò)USB接口與PC機(jī)連接，可以在PC機(jī)上進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)處理、存儲(chǔ)示波顯示、波形實(shí)時(shí)顯示等。要輸出的數(shù)據(jù)再送入TLC320AD50進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)聲音回放。主程序和中斷服務(wù)程序流程框圖如圖1、圖2所示。

圖1 主程序流程框圖

圖1 中斷服務(wù)程序流程框圖

2 A/D轉(zhuǎn)換電路

數(shù)據(jù)采集與處理是采用DSP與TLC320AD50組成，TLC320AD50集成了16位A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，采用速率可達(dá)22Kbit/s，它具有7個(gè)控制寄存器，AD50的采用速率有寄存器4設(shè)定。

當(dāng)選用PLL模式時(shí)（D7=0），采樣速率為：FS=MCLK/128×N；

當(dāng)不選用PLL模式時(shí)（D7=1），采樣速率為：FS=MCLK/256×N；其中：N=1~8的整數(shù)。

其TLC320AD50的16位傳輸?shù)臅r(shí)序圖如圖3所示，F(xiàn)S為幀同步信號(hào)。DSP提供了3個(gè)多通道緩沖串行口（MCBSP），為魔術(shù)接口提供了極大的便利。MCBSP提供了雙工的傳輸機(jī)制，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可為8、12、16、20、24、32位。數(shù)據(jù)經(jīng)MCBSP的DR和DX引腳傳輸，控制信號(hào)經(jīng)CLKR、CLKX、FSR、FSX 4個(gè)引腳決定，如圖4所示。

圖3 TLC320AD50的16位傳輸?shù)臅r(shí)序圖

圖4 DSP與TLC320AD50硬件接口

3 其它功能模塊

（1）TMS320VC5510采用雙電源供電，其中I/O供電電壓為3.3 V，內(nèi)核供電電壓僅為1.26V。由于實(shí)際系統(tǒng)使用5V電源，所以必須采用電源轉(zhuǎn)換芯片。選用PT75233和PT70302兩塊電源轉(zhuǎn)換芯片，與DSP可以進(jìn)行無(wú)縫連接，分別接上少量的外圍電路，即可調(diào)整兩塊芯片的輸出電壓分別為3.3 V和1.26V。

（2）由于TMS320VC5510片上沒(méi)有FLASH且片內(nèi)RAM只有64K，要想使其成為獨(dú)立系統(tǒng)就必須外擴(kuò)外部存儲(chǔ)器，這里選用了存儲(chǔ)容量為256K的低功耗FLASH芯片SST39VF400A。當(dāng)系統(tǒng)上電后，DSP芯片自動(dòng)讀取FLASH芯片中保存的程序并自主運(yùn)行程序。

（3）JTAG可以對(duì)DSP片上的各引腳邏輯值進(jìn)行掃描和測(cè)試，片內(nèi)的各種資源都能通過(guò)JTAG口進(jìn)行訪問(wèn)，包括各寄存器、ROM、RAM、各片內(nèi)外設(shè)等，還可通過(guò)JTAG口下載程序進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，功能很強(qiáng)大。

4 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)以TMS320VC5510DSP為核心，結(jié)合A/D和D/A轉(zhuǎn)換器TLC320AD50構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可自發(fā)自收，而算法主要集中在TMS320VC5510DSP芯片內(nèi)部進(jìn)行模塊化處理，這給系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便，這種設(shè)計(jì)思路還可用于各種信號(hào)處理儀器中。經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功后可以有效識(shí)別災(zāi)后生命體。