摘要 采用TMS320C5509A作為核心處理器，給出了一種利用DMA結合多通道緩沖串口McBSP組成的語音信號采集系統的實現方法。合理分配了數據緩沖空間，可靠穩定地實現數據的實時更新，完成雙路立體聲信號的實時采集、處理和發送。闡述了AIC芯片與DSP連接的配置和數據接口的設計方法，給出CODEC與DSP之間數據傳輸的程序示例。試驗證明。該系統能夠高精度、高穩定地完成音頻信號的采集處理和發送任務，適用于個人便攜式音頻通信設備的驅動開發。
關鍵詞 DSP；DMA；TLV320AIC23B；實時采集處理；緩沖更新
現代音頻信號處理領域，通常需要采集大量的數據進行實時分析，并目逐步從處理單路信號發展為處理多路信號。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參數。另外音頻信號處理的器件也從傳統的模／數、數／模轉換器發展成為多款高性能專用芯片。傳統的數據采集系統以工控機或普通單片機為核心，整個系統體積大、功耗高，未考慮語音數據實時處理和發送。設計的實時語音處理系統具有數據量大、緩沖更新迅速、穩定性高、采集發送延時小等特點。該系統利用DSP進行數據處理，DMA與McBSP實現雙路音頻信號的實時并行采集發送，便于實驗室進行數據分析、算法仿真和過優化處理流程等，也可用于個人便攜式音頻通信設備的驅動開發。
1 硬件概述
該系統采用美國Texas Instruments公司TMS320VC55X處理器，其繼承了C54X系列的發展趨勢，低功耗、低成本，在有限的功率條件下能夠保持優良的性能。工作在0．9 V，其核的功率僅為0．05W／MIPS，性能可達800 MIPS，對數字通信、語音處理等便攜式應用提出的挑戰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，每個串口接收和發送數據使用獨立的時鐘，支持連續傳送，可直接與多媒體數字信號編碼器的工業接口以及ADC／DAC接口實現無縫連接，通過CPU或DMA對16 bit寄存器訪問實現通信，由DX引腳發送數據，RX引腳接收數據。通信時鐘和幀同步有CLKX，CLKR，FSX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個標準接口的數據傳輸。每個通道可從一個數據源地址讀取數據后寫入另一個口或目標地址。特別指出5509芯片具有64 kB雙訪問RAM，其結構由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節功能。TLV320AIC23B的模／數轉換器(ADC)和數／模轉換器(DAC)集成在芯片內部，可以在8～96 kHz的采樣率下，提供16 bit、20 bit、24 bit和32 bit的采樣數據。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數據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構建的硬件系統是一種理想的語音信號處理系統。在語音信號處理系統中，AIC23主頻為12 MHz，A／D和D／A轉換器的抽樣頻率為8 kHz，模擬音頻信號由LINEIN／MICIN輸入到該芯片，這些參數需要通過McBSP1對AIC23進行配置實現。模擬音頻信號通過A／D轉換、編碼后，由數字音頻接口傳送給DSP的串口McBSP0，并接收DSP處理后的數據，收到的數字音頻信號經解碼、D／A轉換后，從HEADPHO／LINEOUT輸出。本系統采用DSP模式，如圖1所示。
I2C總線協議是由Philips公司開發的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備，該協議已廣泛地應用于數字通信系統硬件電路設計中。
AIC23B與微處理器的接口有兩個，一個是控制口，用于設置MC23B的工作參數，另一個是數據口，用于傳輸AIC23B的A／D、D／A數據。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置。McBSP的發送與接收時鐘均由AIC23B提供。
在DMA應用中，可以賦予每個通道的bit流高低的優先級。每個DMA通道的同步事件為MCBSP串口收發事件，同時每個通道某個事件完成后可向CPU發送一個中斷。用戶可以編寫代碼修改寄存器配置，當DMA在進行數據傳輸時，只要用戶使能該通道，就可將配置寄存器復制到工作寄存器中。另外DMA支持自動初始化模式，可以在塊傳輸過程中反復復制，連接示意圖如圖2所示。
2 軟件系統設計
方案中兩路麥克風輸入數據，兩路耳機輸出數據。在此給出一路信號的接收處理發送過程，另一路信號設計思路相同。
在DARAM中開辟緩沖和處理單元，數據傳輸均采用DMA獨立于CPU的方式。CPU只有在接收DMA觸發中斷后對數據進行處理，并將處理后數據拷貝到DMA發送緩沖。為保證整個傳輸過程中無數據丟失，DMA接收端采用半幀中斷的方式接收數據。在數據載入過程中，可以選擇兩個區域進行操作，將數據區分為receive1與receive2用于保存載入的數據，同時開辟程序運行區process1和process2用于運行程序。當receive區域觸發半幀中斷，CPU讀取receive1中的數據并將其復制到process1中，調用處理函數proc1，在CPU進行相關信號處理時，DMA繼續將數據載入receive2，其滿時觸發整幀中斷，DMA自動初始化將receive1覆蓋。CPU此時即可將receive2中的數據復制到process2中，調用處理函數proc 2，這樣receive區域交替更新，即可實現程序的不間斷運行。
每次中斷服務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的延時足夠小。在使用該方案時，用戶必須根據自己的需要設計合適的采樣頻率和緩沖數據區的大小。為提高系統穩定性，實驗可以根據要求設計中斷的優先級。系統軟件設計如圖3所示。
3 結束語
系統采用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實現了數據的實時采集處理以及發送，降低了總線占用率。設計的可更新緩沖區不僅符合DMA傳輸要求而且避免了數據丟失，實時更新減少了數據空間的浪費。另外該系統具有低功耗、穩定性高的特點，可以根據用戶需求進一步擴展。