基于ＯＭＡＰ５９１２的語音采集系統的設計與實現

李　斌　楊　震　戴　煜

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

關鍵詞：OMAP5912；TLV320AIC23；DSP；語音采集

中圖分類號：TN912.3 文獻標識碼：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,高速發展的語音信號處理技術已在音頻信息的處理、傳輸和存儲等方面得到廣泛應用。同時,隨著高性能數字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)的日益普及,利用DSP對語音信號處理進行算法研究和實時實現正成為新的熱點。在此設計并實現了一種語音采集系統。該系統為語音信號處理的算法研究和實時實現提供一個通用平臺。同時,與已有的聲卡等具有語音采集功能的設備相比,該系統具有結構簡單,效率高,便于攜帶等特點,因此也可以作為便攜式設備或手持終端的一部分進一步加以開發和應用。

1 芯片簡介

OMAP5912［1］采用獨特的雙核結構,內含1個實現控制功能的帶有TI增強型ARM926EJ-S(簡稱ARM9)內核的處理器和1個實現數據處理功能的高性能、低功耗TMS320C55x DSP(簡稱DSP)內核。ARM9處理器可用來實現各種通信協議、控制和人機接口；DSP具有多條數據地址總線,非常適合數據密集的多媒體處理,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,內置耳機輸出放大器,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節。AIC23的模數轉換(ADCs)和數模轉換(DACs)部件高度集成在芯片內部,采用了先進的Sigma-delta過采樣技術,可以在 8~96 kHz的頻率范圍內提供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 系統的硬件設計

2.1 系統的硬件結構

語音采集系統主要包括兩個模塊：以AIC23為核心的語音采集模塊;以OMAP5912的DSP為核心的語音數據接收處理模塊。

為使AIC23正常工作在需要的狀態下,必須通過I2C［3］總線對其進行配置。AIC23采集的語音信號經過A/D轉換后,通過McBSP1［4］傳送到接收寄存器DRR,然后經DMA［5］通道傳送至接收緩沖區。存放在發送緩沖區的數據,通過DMA通道傳送到McBSP1的發送寄存器DXR,然后傳送至AIC23,經過D/A轉換后,由HEADPHONE輸出,如圖1所示。

2.2 系統的硬件接口設計［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的數據口相連。AIC23設置為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 系統的軟件設計

系統的軟件分兩個方面來說明：主程序和中斷服務程序。

3.1 主程序

因為OMAP5912為雙核結構,且ARM9為主控制器,所以首先必須在ARM9側進行OMAP5912的初始化,讓DSP退出復位狀態,這里僅需調用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,內部有 11個16位寄存器決定芯片的工作狀態。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的共享設備,其使用權由圖1中的寄存器I2C_SSW_MPU_CONF和DSP_I2C_SSW_CONF 決定,在默認的情況下由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總線首先發送AIC23的地址,然后再把相應的AIC23內部映射寄存器的地址和配置參數合并為16位的控制字發送給AIC23。

3.2 中斷服務程序

在DSP的RAM空間中定義一個接收緩存數組Rxbuffer［］和發送緩存數組Txbuffer［］,一個接收標志RxFlag和一個發送標志TxFlag。為了防止出現在執行中斷服務程序的時候,接收的新數據將緩存區未取走的數據覆蓋,將緩存數組分為上下兩部分［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。

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

發送中斷。以DMA接收中斷為例來說明中斷服務程序。

當產生DMA接收中斷時,首先判斷RxFlag的值,若為0,則取接收數組Rxbuffer下半部分的數據作進一步的處理,同時置RxFlag為1；若為1,則取接收數組Rxbuffer上半部分的數據作進一步的處理,同時置RxFlag為0,然后退出中斷服務程序,進入主程序,等待中斷的再次產生,如圖4(b)所示。

4 仿真驗證

為了驗證設計的可行性,對該系統進行了仿真測試。仿真軟件為CCS(Code Composer Studio)2.21［10］。系統由硬件仿真器TDS560USB通過JTAG仿真接口與計算機相連,用戶可以通過該接口向OMAP5912芯片加載程序并觀察芯片內部存儲器的數據,完成系統仿真及程序調試的任務。

在ARM和DSP側分別加載程序編譯后生成的.out文件,然后運行。經配置后的AIC23從MIC IN輸入語音信號,并對其進行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：該設計是確實可行的。

5 結 語

根據TI公司的OMAP5912和CODEC芯片TLV320AIC23的特性,根據TI公司的設計并實現了一種基于OMAP5912的語音采集系統。在該系統中,DMA通道結合McBSP的使用,可以大大減少CPU的工作量,簡化軟件設計,有效地利用DSP的硬件資源,提高系統的執行效率。實踐證明,該系統能夠滿足實時信號處理的要求,可以作為語音信號處理的算法研究和實時實現的一種通用平臺,也可以作為便攜式設備或手持終端的一部分進一步加以開發和應用。

參考文獻

［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［J］.微計算機信息,2007,23(8Z):184-186.

［8］Texas Instrument Incorporated.OSK5912 Board Support L

［9］陳明義,夏玥.基于DSP的語音通信系統的設計［J］.湖南大學學報,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。

楊 震 男,1961年出生,江蘇蘇州人,教授,博士生導師。主要研究領域為語音信號處理、現代語音通信技術和無線通信與網絡信號處理。

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。