低功耗通用语音处理平台的设计实现

语音信号处理在通信领域得到了广泛的应用，语音传输的数字化是全数字化移动通信系统中的重要环节。高质量、低速率的话音编码技术与高效率的数字调制技术结合，为现代移动通信提供了优于模拟移动通信的系统容量、通信质量和频谱利用率。现代移动通信的发展也对系统的功耗提出了较高的要求，因此低功耗、高性能的DSP已经越来越广泛地被应用于各个领域。本文介绍采用美国德州仪器公司(TI)最新开发出来的TMS320VC5510A，利用其数据处理能力及低功耗特性，并且结合MSP430F149增加了系统的控制能力，进行各种语音算法的实时实现，对于实际开发语音处理系统具有重要的参考价值，并且该平台已经应用于实际产品中。

1 语音处理系统组成及其原理

1.1 语音处理系统的组成

语音算法多种多样，要求语音处理系统的前端提供符合算法精度要求的数字采样信号，因此要求前端的A/D、D/A具有较高的采样率和采样精度。语音处理系统还有实时性的要求，在一些应用中还要求语音编解码算法、加解密算法、信道编解码算法甚至调制、解调算法都在同一块芯片中实现，因此要求系统的数据处理能力强，存储空间大。在通常的DSP应用系统中，DSP加上存储器、A/D、D/A和外设接口就可以实现。但是越来越多的场合要求系统完成与外部系统的通信和控制，例如人机接口、信道传输设备等控制功能。这些均可以采用MCU＋DSP的结构，以弥补单一DSP系统控制能力差的不足。经过仔细选择比较，最终的语音处理系统的硬件结构设计如图1所示。


1.2 语音处理系统原理

　　如图1所示，模拟话音经过功放构成的带通滤波器，通过TLV320AIC10的模/数转换器（ADC）转换成8 000Hz的数字信号，该采样信号的精度为16位，对输入模拟信号的幅度要求为-3.3～3.3V。数字化的语音信号通过同步串口（McBSP）传送到DSP(TMS320VC5510A)内部缓冲区，送入编码器进行编码，得到的数据流通过同步串口（McBSP）及信道接口传给终端，经过信道编码后传输。从信道收到的码流经过终端解码通过同步串口（McBSP）传给DSP内部的缓冲区，送入解码器进行解码，得到的数字化语音再通过同步串口（McBSP）传给TLV320AIC10的模/数转换器（ADC），转换成模拟信号输出。为了增强该硬件平台的控制能力，DSP（TMS320VC5510A）通过主机接口（HPI）与MCU(MSP430F149)进行通信。并且增加了存储器Flash(SST39VF800A)，以保证可以进行脱机运行。

2 系统具体实现

2.1 主要芯片选择及简介

该平台采用的TLV320AIC10是德州仪器公司推出的一款通用型低功耗16位A/D、D/A音频接口芯片，适用于语音以及宽带音频处理；其数字接口采用同步串口方式，可以非常方便地与DSP的同步串口(McBSP)相连，其中SCLK提供位时钟信号，FS提供帧同步信号，DIN为串行数据输入，DOUT为串行数据输出。TLV320AIC10与DSP的串口连接方式如图2所示。其中TLV320AIC10工作在主模式（Master Mode）下，DSP的同步串口（McBSP）工作在从模式(Slave Mode)下。同步串口的时钟由TLV320AIC10的SCLK提供，为2.048MHz[1]。

　　系统的主要数字信号处理芯片TMS320VC5510A与TMS320VC54X相比，功耗更低，代码执行效率更高，而且与TMS320VC54X的指令完全兼容，具有以下特点。

(1)资源丰富。32位宽的外部存储器接口(EMIF)，2个20位宽的定时器，6通道的DMA控制器和3个多通道缓冲串口（McBSP），16位增强主机并行接口（EHPI），8个通用管脚（GPIO）。

(2)数据处理能力强而且运算速度快。TMS320VC5510A采用了改进的哈佛结构，C55X的DSP在一个总线周期内同时进行3个数据读和2个数据写的操作，采用了并行的双MAC结构，提供了更强大的并行处理能力。

(3)功耗低。TMS320VC5510A采用高性能静态CMOS技术，I/O供电电压为3.3V，内核供电电压为1.6V，而且有多种低功耗工作模式，有效地降低了系统功耗。内核静态功耗为0.112mA/MIPS，I/O静态功耗为0.148mA/MIPS。内核动态功耗约为0.628mA/MIPS。

为了增加平台的控制功能和扩充能力，采用了TI公司的微控制器MSP430F149。该芯片是TI公司的一种超低功耗的Flash微控制器，内核为16位RISC CPU。其存储器模块是目前业界所有内部集成Flash存储器产品中能耗最低的一种，具有超低功耗工作模式即活动模式(仅MSP430)且：400?滋A/MHz，3.0V。MSP430F149可以提供5种工作模式，最低功耗消耗可达1?滋A/MHz；采用IAR开发环境，可以直接进行C语言编程，开发起来方便快捷[5]。

2.2 CODEC与DSP的接口电路设计

由于CODEC(TLV320AIC10)与DSP(TMS320VC5510A)都是TI公司提供的高速芯片，因此二者在速度和时序上可完全匹配，能实现芯片间的无缝连接(二者的连接示意图见图2)。


其中TLV320AIC10的工作时钟由MSP430F149通过内部分频向TLV320AIC10的MCLK提供2.048MHz的时钟作为系统时钟。TLV320AIC10工作在主模式下，向TMS320VC5510A提供串行时钟SCLK和帧同步信号FS。帧同步信号FS由TLV320AIC10内部256分频后通过FS管脚输出，是脉宽为一个SCLK时钟的8 000Hz正脉冲信号。TLV320AIC10的复位信号由DSP的通用I/O管脚提供，PWRDWN管脚用于控制TLV320AIC10的工作状态：该管脚置低，TLV320AIC10停止工作，处于IDLE状态，达到节省功耗的目的；该管脚置高，TLV320AIC10处于正常工作模式。本例中在该管脚处加了一个上拉电阻，以确保TLV320AIC10处于正常工作状态。

DSP采用McBSP0与TLV320AIC10相连接，该McBSP0通用串口工作在从模式。BCLKR0/BCLKX0分别是通用串口接收和发送的移位时钟，BFSR0/BFSX0分别是接收和发送的帧同步信号，BDR0是接收数据引脚，BDX0是发送数据引脚。接收来的数据可以由帧同步信号触发中断，由中断服务程序进行读写；也可以通过DMA通道直接转换到特定的缓冲区中。

TLV320AIC10的帧可分为主帧和从帧。在主帧中进行采样数据的传输，在从帧中对TLV320AIC10的内部寄存器进行配置。当TLV320AIC10工作在15＋1位模式时，主帧的最后1个位决定主帧之后的下一个帧是从帧还仍然是一个主帧。在TLV320AIC10初始化过程中，通过这种方式对其进行初始化，配置TLV320AIC10内部的4个寄存器[3]。DSP配置TLV320AIC10寄存器的过程如图3所示。