淺談OMAP5912在語(yǔ)音采集系統(tǒng)的應(yīng)用

0 引 言

語(yǔ)音信號(hào)處理是研究用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理的一門新興學(xué)科。語(yǔ)音信號(hào)處理的應(yīng)用極為廣泛，其中的主要技術(shù)包括語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音增強(qiáng)等。語(yǔ)音識(shí)別就是讓計(jì)算機(jī)聽懂人的話，并做出正確的反應(yīng)。目前主流的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)是基于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的基本理論。同時(shí)，隨著高性能數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）的日益普及，數(shù)字信號(hào)處理是將信號(hào)以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)。數(shù)字信號(hào)處理與模擬信號(hào)處理是信號(hào)處理的子集。數(shù)字信號(hào)處理的目的是對(duì)真實(shí)世界的連續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量或?yàn)V波。因此在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理之前需要將信號(hào)從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字信號(hào)處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域，這是通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的。利用DSP對(duì)語(yǔ)音信號(hào)處理進(jìn)行算法研究和實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)正成為新的熱點(diǎn)。在此設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種語(yǔ)音采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)為語(yǔ)音信號(hào)處理的算法研究和實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)提供一個(gè)通用平臺(tái)。

1 芯片簡(jiǎn)介

OMAP5912采用獨(dú)特的雙核結(jié)構(gòu)，內(nèi)含1個(gè)實(shí)現(xiàn)控制功能的帶有TI增強(qiáng)型ARM926EJ—S（簡(jiǎn)稱ARM9）內(nèi)核的處理器和1個(gè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能的高性能、低功耗TMS320C55x DSP（簡(jiǎn)稱DSP）內(nèi)核。ARM9處理器可用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種通信協(xié)議、通信協(xié)議（communications protocol）是指雙方實(shí)體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。協(xié)議定義了數(shù)據(jù)單元使用的格式，信息單元應(yīng)該包含的信息與含義，連接方式，信息發(fā)送和接收的時(shí)序，從而確保網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)順利地傳送到確定的地方。通過(guò)通信信道和設(shè)備互連起來(lái)的多個(gè)不同地理位置的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，要使其能協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)信息交換和資源共享，它們之間必須具有共同的語(yǔ)言。這個(gè)規(guī)則就是通信協(xié)議?？刂坪腿藱C(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（簡(jiǎn)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(duì)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(guò)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100dB。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

語(yǔ)音采集系統(tǒng)主要包括兩個(gè)模塊：以AIC23為核心的語(yǔ)音采集模塊；以O(shè)MAP5912的DSP為核心的語(yǔ)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(guò)I2C總線對(duì)其進(jìn)行配置。AIC23采集的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換后，通過(guò)McBSPl傳送到接收寄存器DRR，然后經(jīng)DMA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(guò)DMA通道傳送到McBSPl的發(fā)送寄存器DXR，DMA---Direct Memory Access，直接內(nèi)存訪問，是一種數(shù)據(jù)傳輸模式。DMA方式下不直接訪問CPU，而在RAM與設(shè)備之間傳輸，從而大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。然后傳送至AIC23，經(jīng)過(guò)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(jì)

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

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件分兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)明：主程序和中斷服務(wù)程序。

3.1 主程序

因?yàn)镺MAP5912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 Library中的OSK5912_init（）函數(shù)即可。然后在DSP側(cè)進(jìn)行CPU、I2C總線、McBSPl、DMA的初始化，以及AIC23芯片的配置，如圖3所示。

限于篇幅，在此僅說(shuō)明通過(guò)I2C總線配置AIC23的過(guò)程。AIC23芯片是一個(gè)可編程的芯片，內(nèi)部有11個(gè)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=O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(guò)I2C總線完成對(duì)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DSPI2C 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，I2C（Inter－Integrated Circuit）總線是由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。是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。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(gè)接收緩存數(shù)組Rxbuffer[]和發(fā)送緩存數(shù)組Txbuffer[]，一個(gè)接收標(biāo)志RxFlag和一個(gè)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(shí)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，CPU在處理其中一個(gè)部分的時(shí)候，DMA自動(dòng)操作另一部分，如圖4（a）所示。

該語(yǔ)音采集系統(tǒng)以中斷的方式工作，在工作的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)中斷：DMA接收中斷；DMA發(fā)送中斷。以DMA接收中斷為例來(lái)說(shuō)明中斷服務(wù)程序。

當(dāng)產(chǎn)生DMA接收中斷時(shí)，首先判斷RxFlag的值，若為O，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(shí)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(shí)置RxFlag為O，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(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測(cè)試。仿真軟件為CCS（Code Composer Studio）2.21。系統(tǒng)由硬件仿真器TDS560USB通過(guò)JTAG仿真接口與計(jì)算機(jī)相連，用戶可以通過(guò)該接口向OMAP5912芯片加載程序并觀察芯片內(nèi)部存儲(chǔ)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(yǔ)音信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行8 kHz，16 b的采樣。不考慮圖4（a）中的信號(hào)處理過(guò)程，將采集到的語(yǔ)音直接送回AIC23芯片，經(jīng)D／A后，由HEADPHONE輸出，此時(shí)，聽到的正是輸入的語(yǔ)音信號(hào)。

5 結(jié) 語(yǔ)

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(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于OMAP5912的語(yǔ)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(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，有效地利用DSP的硬件資源，提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率。