基于DSP語音識別系統的設計

張 顯，賀秀玲

（防災科技學院，河北 三河 065201）

1 系統的硬件設計方案

本系統主要以DSP為核心完成語音信號識別系統的設計，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對語音信號進行A/D轉換，再選擇DSP芯片TMS320C5510對信號進行濾波、端點檢測、語音信號增強、特征參數提取等語音信號處理進而進行識別，并通過LED檢測識別結果進而報警。

1.1 DSP的特點及語音處理識別上的優勢

選用DSP器件作為語音信號處理的專用微處理器，因為具有以下4個特點：

（1）DSP內部采用改進的哈佛架構（Modified Harvard），即程序空間與數據存儲空間分開各有獨立的地址總線和數據總線，允許同時訪問程序存儲器和數據存儲器，實現高度并行操作。如可以在一條指令中，同時執行3次讀操作和1次寫操作。此外，還可以在數據總線與程序總線之間相互傳送數據，使處理器的性能大大提高。

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

（3）多處理單元。DSP內部一般都包括多個處理單元，如算術邏輯運算單元、累加器、輔助寄存器運算單元以及硬件乘法器等。它們可以在一個指令周期內同時進行運算。因此，DSP在進行連續的乘加運算時，每一次乘加運算都是單周期的。DSP的這種多處理單元結構，特別適用于FIR和IIR濾波器。

（4）運算精度高。早期DSP的字長為8位，后來逐步提高到16位、24位、32位。為防止運算過程中溢出，有的累加器達到40位。此外，一批浮點DSP，則提供了更大的動態范圍。

1.2 DSP芯片的濾波實現

本設計核心芯片DSP選用TMS320VC5410DSP，該芯片采用了專用硬件邏輯CPU、片內存儲器、片內外設及高度專業化的精簡指令集計算（RISC），其結構采用改進的哈佛結構，獨立的數據和地址總線，保證了指令和數據能得以并行處理。在語音識別中，首先是濾波器的設計，TMS320VC5410在指令集和硬件結構上，對濾波器算法的實現，有專門的考慮。其基本實現方法是：首先是在指令中設置了MACD指令，它的功能是將數據區的兩個數相乘以后，再與累加器中的值累加，運算結果仍保留于累加器中，而為下一次操作準備；其次在硬件上，設計了間接尋址時的循環尋址功能，即將濾波器系數保存于一個可循環尋址的數據緩沖區，尋址指針由低地址自動增長，當達到緩沖區頂部時，自動返回低地址重新尋址，這樣，配合單指令重復指令RPT，就可以快速實現卷積操作。

1.3 DSP芯片語音信號處理的實現

系統語音信號處理的實現主要通過軟件來完，軟件設計主要包括DSP編程和PC編程，要完成的功能是通過外部設備采集語音信號，經TLC320AD50進行模擬信號轉換成數字信號后進入TMS320C5510和PC機進行處理，整個程序處理過程基本是在PC機上完成，包括語音信號預處理、端點檢測，語音信號增強等，處理后的信號在PC機上進行波形顯示、頻譜分析等。DSP編程的主要任務是初始化管理板上的資源和完成語音處理的算法。PC機編程重點則是完成與"DSP的串行通信，用戶使用系統界面和對信號的存儲分析顯示等功能。本軟件設計以TI提供的功能強大的CCS（Code Composer Studio）為集成開發環境。

TMS320C5510控制著整個系統的工作流程和運行狀態，系統上電CPU復位后，首先由TMS320C5510完成自身的初始化，包括配置RAM塊，設置數據頁指針、中斷和I/O模式，設置中斷屏蔽位和等待狀態位，設置定時器模式、初值、串行口等，然后開始啟動TLC320AD50，等待中斷。TLC320AD50負責信號采集，并將轉換的數據存入到一級緩存器FIFO中。當FIFO達到半時向TMS320C5510提出中斷申請,TMS320C5510響應中斷，讀取采樣數據，進行語音信號端點檢測等處理后，存入二級緩沖器CRAM中，并通過USB接口與PC機連接，可以在PC機上進行語音信號處理、存儲示波顯示、波形實時顯示等。要輸出的數據再送入TLC320AD50進行模數轉換，實現聲音回放。主程序和中斷服務程序流程框圖如圖1、圖2所示。

圖1 主程序流程框圖

圖1 中斷服務程序流程框圖

2 A/D轉換電路

數據采集與處理是采用DSP與TLC320AD50組成，TLC320AD50集成了16位A/D和D/A轉換器，采用速率可達22Kbit/s，它具有7個控制寄存器，AD50的采用速率有寄存器4設定。

當選用PLL模式時（D7=0），采樣速率為：FS=MCLK/128×N；

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

其TLC320AD50的16位傳輸的時序圖如圖3所示，FS為幀同步信號。DSP提供了3個多通道緩沖串行口（MCBSP），為魔術接口提供了極大的便利。MCBSP提供了雙工的傳輸機制，數據長度可為8、12、16、20、24、32位。數據經MCBSP的DR和DX引腳傳輸，控制信號經CLKR、CLKX、FSR、FSX 4個引腳決定，如圖4所示。

圖3 TLC320AD50的16位傳輸的時序圖

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，內核供電電壓僅為1.26V。由于實際系統使用5V電源，所以必須采用電源轉換芯片。選用PT75233和PT70302兩塊電源轉換芯片，與DSP可以進行無縫連接，分別接上少量的外圍電路，即可調整兩塊芯片的輸出電壓分別為3.3 V和1.26V。

（2）由于TMS320VC5510片上沒有FLASH且片內RAM只有64K，要想使其成為獨立系統就必須外擴外部存儲器，這里選用了存儲容量為256K的低功耗FLASH芯片SST39VF400A。當系統上電后，DSP芯片自動讀取FLASH芯片中保存的程序并自主運行程序。

（3）JTAG可以對DSP片上的各引腳邏輯值進行掃描和測試，片內的各種資源都能通過JTAG口進行訪問，包括各寄存器、ROM、RAM、各片內外設等，還可通過JTAG口下載程序進行系統調試，功能很強大。

4 結語

文章設計了語音識別系統，該系統以TMS320VC5510DSP為核心，結合A/D和D/A轉換器TLC320AD50構成了一個閉環設計系統，可自發自收，而算法主要集中在TMS320VC5510DSP芯片內部進行模塊化處理，這給系統的軟硬件設計帶來了極大的方便，這種設計思路還可用于各種信號處理儀器中。經驗證，本系統設計成功后可以有效識別災后生命體。