基于DSP雙路音頻信號實時處理系統(tǒng)設(shè)計

摘要 采用TMS320C5509A作為核心處理器，給出了一種利用DMA結(jié)合多通道緩沖串口McBSP組成的語音信號采集系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。合理分配了數(shù)據(jù)緩沖空間，可靠穩(wěn)定地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時更新，完成雙路立體聲信號的實時采集、處理和發(fā)送。闡述了AIC芯片與DSP連接的配置和數(shù)據(jù)接口的設(shè)計方法，給出CODEC與DSP之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蚴纠Ｔ囼炞C明。該系統(tǒng)能夠高精度、高穩(wěn)定地完成音頻信號的采集處理和發(fā)送任務(wù)，適用于個人便攜式音頻通信設(shè)備的驅(qū)動開發(fā)。
關(guān)鍵詞 DSP；DMA；TLV320AIC23B；實時采集處理；緩沖更新

    現(xiàn)代音頻信號處理領(lǐng)域，通常需要采集大量的數(shù)據(jù)進行實時分析，并目逐步從處理單路信號發(fā)展為處理多路信號。對語音信號而言，采用元音強度與元音間隔作為聽者識別信號的基礎(chǔ)參數(shù)。另外音頻信號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)以工控機或普通單片機為核心，整個系統(tǒng)體積大、功耗高，未考慮語音數(shù)據(jù)實時處理和發(fā)送。設(shè)計的實時語音處理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量大、緩沖更新迅速、穩(wěn)定性高、采集發(fā)送延時小等特點。該系統(tǒng)利用DSP進行數(shù)據(jù)處理，DMA與McBSP實現(xiàn)雙路音頻信號的實時并行采集發(fā)送，便于實驗室進行數(shù)據(jù)分析、算法仿真和過優(yōu)化處理流程等，也可用于個人便攜式音頻通信設(shè)備的驅(qū)動開發(fā)。

1 硬件概述
    該系統(tǒng)采用美國Texas Instruments公司TMS320VC55X處理器，其繼承了C54X系列的發(fā)展趨勢，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0．05W／MIPS，性能可達800 MIPS，對數(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。以TMS320VC5509A為例，該芯片共有3個多通道緩沖串口，分別為McBSP0、McBSP1、McBSP2，每個串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)使用獨立的時鐘，支持連續(xù)傳送，可直接與多媒體數(shù)字信號編碼器的工業(yè)接口以及ADC／DAC接口實現(xiàn)無縫連接，通過CPU或DMA對16 bit寄存器訪問實現(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個通道DMA控制器，可獨立于CPU完成4個標(biāo)準(zhǔn)接口的數(shù)據(jù)傳輸。每個通道可從一個數(shù)據(jù)源地址讀取數(shù)據(jù)后寫入另一個口或目標(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4 kB×16位的塊組成，允許兩個端口同時訪問，提高了系統(tǒng)速度。
    TLV320AIC23B是TI公司推出的一款高性能立體聲音頻編解碼器，內(nèi)置耳機輸出放大器，支持MIC和LINE二選一的輸入方式。輸入和輸出都具有可編程的增益調(diào)節(jié)功能。TLV320AIC23B的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(DAC)集成在芯片內(nèi)部，可以在8～96 kHz的采樣率下，提供16 bit、20 bit、24 bit和32 bit的采樣數(shù)據(jù)。ADC和DAC的輸出信噪比分別可達90 dB和100 dB。AIC23B通過外圍器件對其內(nèi)部寄存器進行編程配置，其配置接口支持SPI總線接口和I2C總線接口，如表1所示。

    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TI DSP設(shè)計。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處理系統(tǒng)。在語音信號處理系統(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，模擬音頻信號由LINEIN／MICIN輸入到該芯片，這些參數(shù)需要通過McBSP1對AIC23進行配置實現(xiàn)。模擬音頻信號通過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)字音頻信號經(jīng)解碼、D／A轉(zhuǎn)換后，從HEADPHO／LINEOUT輸出。本系統(tǒng)采用DSP模式，如圖1所示。

    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)計中。
    AIC23B與微處理器的接口有兩個，一個是控制口，用于設(shè)置MC23B的工作參數(shù)，另一個是數(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AIC23B的各個控制寄存器進行設(shè)置。McBSP的發(fā)送與接收時鐘均由AIC23B提供。[!--empirenews.page--]
    在DMA應(yīng)用中，可以賦予每個通道的bit流高低的優(yōu)先級。每個DMA通道的同步事件為MCBSP串口收發(fā)事件，同時每個通道某個事件完成后可向CPU發(fā)送一個中斷。用戶可以編寫代碼修改寄存器配置，當(dāng)DMA在進行數(shù)據(jù)傳輸時，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。另外DMA支持自動初始化模式，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。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計
    方案中兩路麥克風(fēng)輸入數(shù)據(jù)，兩路耳機輸出數(shù)據(jù)。在此給出一路信號的接收處理發(fā)送過程，另一路信號設(shè)計思路相同。
    在DARAM中開辟緩沖和處理單元，數(shù)據(jù)傳輸均采用DMA獨立于CPU的方式。CPU只有在接收DMA觸發(fā)中斷后對數(shù)據(jù)進行處理，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，可以選擇兩個區(qū)域進行操作，將數(shù)據(jù)區(qū)分為receive1與receive2用于保存載入的數(shù)據(jù)，同時開辟程序運行區(qū)process1和process2用于運行程序。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進行相關(guān)信號處理時，DMA繼續(xù)將數(shù)據(jù)載入receive2，其滿時觸發(fā)整幀中斷，DMA自動初始化將receive1覆蓋。CPU此時即可將receive2中的數(shù)據(jù)復(fù)制到process2中，調(diào)用處理函數(shù)proc 2，這樣receive區(qū)域交替更新，即可實現(xiàn)程序的不間斷運行。
    每次中斷服務(wù)程序的運行時間必須小于半幀中斷的間隔時間。此方案可以保證系統(tǒng)的延時足夠小。在使用該方案時，用戶必須根據(jù)自己的需要設(shè)計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，實驗可以根據(jù)要求設(shè)計中斷的優(yōu)先級。系統(tǒng)軟件設(shè)計如圖3所示。

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，采用獨立于CPU的DMA實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集處理以及發(fā)送，降低了總線占用率。設(shè)計的可更新緩沖區(qū)不僅符合DMA傳輸要求而且避免了數(shù)據(jù)丟失，實時更新減少了數(shù)據(jù)空間的浪費。另外該系統(tǒng)具有低功耗、穩(wěn)定性高的特點，可以根據(jù)用戶需求進一步擴展。