嵌入式語音通信系統(tǒng)中VxWorks BSP的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

0 引 言
    當(dāng)前普遍使用的DSP語音處理技術(shù)只能對語音進(jìn)行簡單處理，不能適應(yīng)語音業(yè)務(wù)的多樣化趨勢。本文介紹利用MPC860和VxWorks實(shí)現(xiàn)綜合語音通信平臺，支持多板卡、多路語音實(shí)時(shí)傳輸，可擴(kuò)展多路語音共聽功能。利用MPC860的通信和信號處理功能，且Vx-Works具有占用空間小、執(zhí)行效率高、方便進(jìn)行個(gè)性化定制和較好的兼容性等特點(diǎn)，所以該綜合語音通信平臺在功能、硬件結(jié)構(gòu)、體積、功耗以及靈活性上具有較大優(yōu)勢。
    在設(shè)計(jì)中盡量采用嵌入式開發(fā)中的常用器件，以便稍加改動即可應(yīng)用于其他設(shè)計(jì)?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需要更改系統(tǒng)中語音通道的數(shù)目和擴(kuò)展多路語音共聽功能等。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
1．1 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)
    整個(gè)通信平臺由語音通信處理主板和語音采集回放子板組成。語音通信處理主板包括CPU MPC860、FLASH存儲器、SDRAM存儲器、10／100Mb／s網(wǎng)絡(luò)接口、RS 232串口、BDM調(diào)試接口、Console接口、供電和復(fù)位電路及120pin連接器。通信處理主板的核心MPC860是Motorola公司的一款由MC68360演變而來的通用單片集成嵌入式微處理器，適用于通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該微處理器內(nèi)部有兩個(gè)處理器：PowerPC和32位RISC處理器。PowerPC核同內(nèi)存管理單元(MMU)、指令和數(shù)據(jù)Cache一同處理高層次應(yīng)用，CPM則負(fù)責(zé)完成低層數(shù)據(jù)通信。兩個(gè)處理器主要通過共享內(nèi)存交互。通信處理模塊利用SCC，SMC，SPI和I2C串行通道與外部設(shè)備通信，其中SCC和SMC支持時(shí)分復(fù)用。設(shè)計(jì)中，SCC工作在QMC協(xié)議Trans-parent Mode。通信處理模塊(CPM)新增了數(shù)字信號處理(DSP)功能。語音采集回放子板由語音采集電路、語音回放電路、基于FPGA實(shí)現(xiàn)的通信控制器和與語音通信處理主板連接的120pin連接器組成。
    由于MPC860的數(shù)據(jù)傳輸速度相比ADC和DAC要快很多，設(shè)計(jì)相應(yīng)的邏輯電路控制語音的采集和回放、協(xié)調(diào)MPC860和數(shù)據(jù)采集、回放電路之間的通信是保證系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。文中設(shè)計(jì)了基于Altera公司的CycloneⅡEP2C8芯片實(shí)現(xiàn)的通信控制器來解決這一問題。
    將通信平臺分為語音通信處理主板和語音采集回放子板分別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，是為了降低系統(tǒng)開發(fā)難度和便于系統(tǒng)維護(hù)、升級和擴(kuò)展。例如語音通信處理主板無需改動即可利用已有的連接器、FEC網(wǎng)絡(luò)接口和SDRAM存儲器等資源與視頻編解碼芯片、視頻壓縮／解壓縮芯片組成網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器。
1．2 功能結(jié)構(gòu)和工作原理
    語音通信處理主板的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)上電后，語音通信處理主板復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號，MPC860接收到復(fù)位信號后，跳轉(zhuǎn)到0X100處開始執(zhí)行啟動代碼。按照BSP配置逐步執(zhí)行CPU初始化、板上其他硬件電路的初始化、操作系統(tǒng)運(yùn)行所需數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化、啟動VxWorks WIND內(nèi)核、創(chuàng)建UserRoot任務(wù)、初始化系統(tǒng)中用到的可選擴(kuò)展模塊(如I／O系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等)、創(chuàng)建任務(wù)usrAppInit()，此時(shí)語音通信平臺準(zhǔn)備就緒，可以執(zhí)行語音通信任務(wù)。采集板的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，語音通信處理主板啟動完畢后，語音采集回放子板可在通信控制器控制下采集和回放語音，并對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編解碼和IP封裝、解封裝處理。

1．3 數(shù)據(jù)處理流程
    MPC860T和ADC AD7825，DAC AD7305之間的通信由通信控制器控制。通信控制器由數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(Rx FIFO，Tx FIFO)，基于FSM(有限狀態(tài)機(jī))實(shí)現(xiàn)的控制邏輯(Rx control，Tx control)和8位串并、并串轉(zhuǎn)換器，時(shí)鐘電路組成。其數(shù)據(jù)接收過程為：接收控制邏輯(Rx control)控制ADC AD7825將各個(gè)通道的語音數(shù)字化，并把轉(zhuǎn)換結(jié)果存入接收緩沖區(qū)(Rx FIFO)，直至Rx FIFO滿時(shí)Rx control開始向MPC860T提供周期性幀同步信號，頻率為32 kHz。MPC860在幀同步信號和時(shí)鐘信號的驅(qū)動下讀取Rx FIFO中的數(shù)據(jù)到SCC數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)。Rx FIFO讀空(即讀指針追上了寫指針)后，Rx control停止向MPC860發(fā)送幀同步信號終止數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)向MPC860發(fā)送中斷信號IRQ3，MPC860響應(yīng)中斷把數(shù)據(jù)從接收緩沖區(qū)讀到接收ring buffer中等待應(yīng)用程序處理。其數(shù)據(jù)發(fā)送過程為：MPC860完成IP解封裝、解壓縮后的語音數(shù)據(jù)將會在檢測到發(fā)送緩沖區(qū)可用時(shí)，輸出到SCC發(fā)送緩沖區(qū)，通信控制器提供發(fā)送幀同步信號驅(qū)動數(shù)據(jù)傳輸?shù)絋x FIFO(發(fā)送緩沖區(qū))，待到Tx FIFO滿時(shí)停止發(fā)送幀同步信號。數(shù)據(jù)發(fā)送完后，CPM會清零，TxBD)中的R位表示MPC860可向SCC發(fā)送緩沖區(qū)中裝入新的數(shù)據(jù)，為下次傳輸做準(zhǔn)備。
1．4 QMC通信協(xié)議
    多通道控制器(QUICC Multichannel Controler，QMC)是為了實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的，它可以把時(shí)分復(fù)用幀的數(shù)據(jù)分發(fā)到多達(dá)64個(gè)邏輯通道。該模式下把每一幀的數(shù)據(jù)劃分成若干個(gè)時(shí)隙(Timeslots)，每時(shí)隙8 b。在時(shí)隙分配表中規(guī)定每時(shí)隙數(shù)據(jù)從屬于某個(gè)通道，每個(gè)通道都有一組特定的緩沖區(qū)描述符和相應(yīng)的緩沖區(qū)。一個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)在收發(fā)時(shí)被放置在特定的緩沖區(qū)里，MPC860T就可把分散的數(shù)據(jù)聚集在一起發(fā)送，或把聚集在一起的數(shù)據(jù)分發(fā)到各自專用的緩沖區(qū)，而不需要額外的處理來區(qū)分各種各樣的數(shù)據(jù)流。

2 BSP 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    設(shè)計(jì)中軟件開發(fā)主要包括啟動代碼的編寫、操作系統(tǒng)的移植、硬件驅(qū)動程序和語音編、解碼和IP封裝、解封裝應(yīng)用程序。篇幅有限，本文僅介紹BSP移植。BSP即板級支持包，其功能為硬件、軟件初始化、工程影像的下載和設(shè)備驅(qū)動等。
2．1 BSP的定制
    無論是BootRom還是VxWorks都要使用BSP代碼，BSP定制需要根據(jù)硬板配置、系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求、軟件功能等實(shí)際情況。實(shí)際開發(fā)過程中，為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，通常以WINDRIVER公司的BSP模板或者第三方公司提供的可供參考的BSP為基礎(chǔ)，根據(jù)軟硬件具體配置進(jìn)行修改，添加新的程序驅(qū)動新增硬件和功能。本課題中先把APC860開發(fā)板的BSPMPC860TEVB拷貝到installdir：＼Tornado＼target＼collfig＼ppcs860目錄下，主要做下列修改。
2．1．1 config．h文件
    根據(jù)實(shí)際情況，需要修改啟動行，內(nèi)存地址、容量等配置，修改部分代碼如下：

   
2．1．2 makefile文件的修改
    makefile文件的修改，部分程序如下：

   
[!--empirenews.page--]2．1．3 romInit文件修改
    romlnit．s模塊包含了VxWorks在ROM中的入口點(diǎn)romlnit()，它是單板上電以后最先執(zhí)行的匯編程序代碼。該函數(shù)功能包括處理器的復(fù)位、內(nèi)存的初始化以及其他的最基本和必要的初始化工作。需要修改的內(nèi)容如下：
    內(nèi)部存儲器映射寄存器IMMR。該寄存器用來標(biāo)識內(nèi)部地址空間的基址，將該寄存器設(shè)置為“FF000000”。
    SIU模式配置寄存器SIUMCR。包括有外部總線仲裁器配置，外部master的支持，DEBUG調(diào)試端口配置，系統(tǒng)接口引腳配置以及奇偶校驗(yàn)支持，將該寄存器設(shè)置為“00E10000”。
    BSP中討論SDRAM的初始化過程，首先對MAMR寄存器的初始化，再得到UPM的RAM陣列表的地址，然后將RAM陣列表地址中的值寫入MPC860 RAM WORDS ARRAY中，最后初始化OR以及BR寄存器。
2．1．4 ppcs860．h
    ppcs860．h是參數(shù)配置頭文件，該文件包含大量宏定義，為使MPC860T正常運(yùn)行且SCC串口工作在QMC協(xié)議透明模式，根據(jù)實(shí)際需要做了如下配置：
    (1)修改系統(tǒng)常量對應(yīng)的宏定義：SCCx參數(shù)在雙端口RAM中存儲的起始地址、緩沖區(qū)描述符(BD)的基地址、緩沖區(qū)和BD的數(shù)目等；
    (2)串口和時(shí)隙分配表的初始化，主要包括時(shí)隙分配、引腳分配等，通過設(shè)置SI RAM參數(shù)，規(guī)定了每個(gè)邏輯通道對應(yīng)的時(shí)隙和數(shù)據(jù)路由，本系統(tǒng)中選擇SCC2和TDMB接口實(shí)現(xiàn)QMC通信，引腳配置如下：
    PC6 RSYNC，PA2 RXC，PA10 RXD，PA0 TXC。PA11 TXD
    (3)SCC2初始化：設(shè)置SCC2工作在QMC模式；
    (4)QMC全局參數(shù)初始化：MCBASE(多通道基地址指針)，初始化為SCC2對應(yīng)外部BD表的基地址，MRBLR(最大接收緩沖區(qū)長度)，接收、發(fā)送時(shí)隙分配表起始地址的指針(Rx S PTR，Tx S PTR)，接收、發(fā)送時(shí)隙分配表當(dāng)前時(shí)隙的指針(Rx PTR，TxPTR)，中斷循環(huán)表基地址(INTBASE)，中斷循環(huán)表下一可用入口的指針(INTPTR)等；
    (5)QMC特定通道參數(shù)初始化：TBASE，RBASE(該邏輯通道的緩沖區(qū)描述符的起始地址)，TBPTR，RBPTR(當(dāng)前發(fā)送、接收緩沖區(qū)描述符指針)，TMR-BLR(最大接收幀長度)等。
2．1．5 驅(qū)動程序
    驅(qū)動程序直接對硬件操作，實(shí)現(xiàn)硬件和操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序之間的交互。需要自行編寫MPC860 SCC串口驅(qū)動程序ppcs860QmcSio．c，通信平臺中SCC工作在QMC Transparent模式。ppcs860QmcSio．c文件中包含SIO_DRV_FUNCS結(jié)構(gòu)體中定義的5個(gè)函數(shù)和中斷處理函數(shù)ppc860QmcInt()、Qmc邏輯通道復(fù)位函數(shù)ppc860QmcChannelReset()。ppc860SccIoctl()提供了一些設(shè)備控制選項(xiàng)，包括停止數(shù)據(jù)傳送、察看當(dāng)前通信狀態(tài)(空閑還是忙)、輪詢或中斷模式選擇等；ppc860sccInt()處理QMC通道的中斷請求，通過中斷方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能；ppc860SccStartuP()函數(shù)啟動一個(gè)發(fā)送周期；ppc860SccCallbackInstall()安裝回調(diào)函數(shù)。中斷處理函數(shù)的功能有：
    (1)提供接收、發(fā)送中斷處理函數(shù)，調(diào)用回調(diào)函數(shù)完成設(shè)備和較高層協(xié)議之間的數(shù)據(jù)傳送。
    (2)處理數(shù)據(jù)接收過程中出現(xiàn)的接收數(shù)據(jù)過長，數(shù)據(jù)傳送被迫終止等異常。由于不需要QMC的輪詢模式，因此ppc860SccPollInput()和ppc860SccPollOutput()以NULL函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)。同時(shí)還要編寫sysSccSeri-al．c文件，修改sysLib．c文件和usrConfig．c文件。在sysSccQmc．c中提供SCC設(shè)備描述符的初始化例程、SCC中斷連接例程等；通過修改sysLib．c和usrCon-fig．c文件以實(shí)現(xiàn)VxWorks對QMC驅(qū)動程序的調(diào)用和QMC驅(qū)動程序與TTY系統(tǒng)的掛接。
2．1．6 通道中斷處理過程
    數(shù)據(jù)收發(fā)的核心是中斷處理函數(shù)。QMC中的所有邏輯通道共享SCC2的中斷，SCC2維持有一個(gè)全局中斷表，表中每一項(xiàng)里面都含有邏輯通道號和中斷源，可以被驅(qū)動識別以處理不同情況下出現(xiàn)的事件。中斷發(fā)生時(shí)，驅(qū)動從SCCE寄存器里面判斷全局中斷源，如果中斷是由邏輯通道引起，中斷服務(wù)程序便查找全局中斷表以找到該邏輯通道，并從中斷條目里面檢查中斷信息以確定是什么類型，再調(diào)用相應(yīng)的收發(fā)和錯(cuò)誤處理函數(shù)。
2．1．7 數(shù)據(jù)接收和發(fā)送
    多通道語音通信系統(tǒng)中MPC860T SCC串口時(shí)分復(fù)用即工作在QMC模式，邏輯通道的通信協(xié)議為Trasparent mode，該協(xié)議僅傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)，不對數(shù)據(jù)流進(jìn)行位級操作，不區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀中的格式位、起止位和數(shù)據(jù)位等，不對接收的數(shù)據(jù)做檢錯(cuò)處理，因而具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。
    接收函數(shù)由中斷服務(wù)例程調(diào)用。由于是每接收一幀產(chǎn)生一次中斷，故接收函數(shù)也每次處理一幀的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的接收由接收描述符RxBD控制。當(dāng)要接收數(shù)據(jù)時(shí)，接收函數(shù)首先需要確定RxBD有效；確定沒有問題后，才將數(shù)據(jù)從接收緩沖區(qū)拷貝到接收Ring buffer，并復(fù)位RxBD；否則在進(jìn)行相應(yīng)錯(cuò)誤處理后復(fù)位RxBD。接收函數(shù)流程如圖3所示。

    數(shù)據(jù)發(fā)送不調(diào)用中斷處理函數(shù)，發(fā)送函數(shù)檢測到發(fā)送緩沖區(qū)可用(即TxBD中R位為1)后，調(diào)用回調(diào)函數(shù)將數(shù)據(jù)從發(fā)送Ring buffer拷貝到串口發(fā)送緩沖區(qū)(Txbuffer)。這里為發(fā)送功能開辟足夠大的環(huán)形緩沖區(qū)(足以容納應(yīng)用程序每一幀的數(shù)據(jù))。發(fā)送函數(shù)流程如圖4所示。
2．2 BSP調(diào)試方法和遇到的問題
2．2．1 調(diào)試方法
    開發(fā)調(diào)試有兩種方法，一種是使用仿真器通過BDM(后端調(diào)試模式)一步步地跟蹤調(diào)試，另一種是通過點(diǎn)燈的方式進(jìn)行所謂的“黑”調(diào)?！昂凇闭{(diào)的方法是通過“燈”閃、用示波器測片選等，根據(jù)外部現(xiàn)象和所編的測試代碼進(jìn)行比較分析來調(diào)試程序。進(jìn)行“黑”調(diào)的目的是調(diào)通信串口部分代碼，宿主機(jī)可以通過串口與目標(biāo)機(jī)的通信，然后再調(diào)試其他部分。調(diào)試流程分成兩部分。首先是預(yù)內(nèi)核啟動代碼(Pre-Kernel Initializa-tion)，待最小內(nèi)核啟動正常后再添加I／O系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等組件和調(diào)試應(yīng)用程序。使用仿真器Vi-sion Probe通過BDM方式調(diào)試BSP并將BootRom映像燒入FLASH。
2．2．2 調(diào)試中遇到的問題
    (1)系統(tǒng)無法正常復(fù)位
    在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)MPC860T的CLKOUT引腳無輸出信號，系統(tǒng)上電復(fù)位過程沒有完成，系統(tǒng)無法正常工作。初步判斷是硬件問題。用萬用表和示波器逐步檢查上電復(fù)位、硬件復(fù)位、軟件復(fù)位、時(shí)鐘輸入和BDM調(diào)試等模塊電路，發(fā)現(xiàn)正常。判斷是BGA焊接出現(xiàn)問題，將芯片取下，重新焊接，系統(tǒng)復(fù)位正常，時(shí)鐘信號輸出穩(wěn)定正常。
    (2)網(wǎng)絡(luò)無法與外界通信
    100 Mb／s快速以太網(wǎng)驅(qū)動加載中，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議無法運(yùn)行，目標(biāo)板無法與外界網(wǎng)絡(luò)建立聯(lián)系。目標(biāo)板網(wǎng)絡(luò)啟動時(shí)發(fā)出的MAC地址信息幀外界無法收到。通過仿真器發(fā)現(xiàn)程序單步運(yùn)行正常。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和測試，最終發(fā)現(xiàn)因SDRAM初始化程序沒有運(yùn)行導(dǎo)致程序運(yùn)行(需要SDRAM支持突發(fā)模式)出錯(cuò)。更改調(diào)試方式，將BootRom開始的所有程序燒入FLASH，上電啟動，網(wǎng)絡(luò)正常，目標(biāo)板與外界建立良好的網(wǎng)絡(luò)通信。

3 結(jié) 語
    該系統(tǒng)在實(shí)際測試中話音質(zhì)量穩(wěn)定，測試時(shí)聲音清晰，沒有串?dāng)_和雜音，沒有較大延遲，說明硬件設(shè)計(jì)正確完備，QMC驅(qū)動程序和語音編解碼和IP封裝與解封裝應(yīng)用程序性能優(yōu)良。
    如果板卡上語音通道更多，則每幀的時(shí)隙增多、長度增大，因?yàn)镕PGA內(nèi)部電路所提供的的幀同步信號周期并不改變，所以只是實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率提高，可以保證各路語音的同步和實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)中QMC工作在Transparent Mode限制了它的應(yīng)用范圍，如何改進(jìn)使系統(tǒng)支持多種通信協(xié)議是需要進(jìn)一步研究的問題。