基于USB2.0接口的語音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

語音信號(hào)的采集和處理在網(wǎng)絡(luò)、通信、智能儀表、工業(yè)控制、醫(yī)療衛(wèi)生、公共安全等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，而這些工作都需要一套高速的語音信號(hào)采集系統(tǒng)來完成，要對語音進(jìn)行采集就需要一種高速的，能進(jìn)行長時(shí)間、大吞吐量數(shù)據(jù)傳送的計(jì)算機(jī)接口。USB2.0接口就是一種符合語音采集要求的計(jì)算機(jī)接口，同時(shí)，它還具有支持熱插拔、占用系統(tǒng)資源少、易于擴(kuò)展、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。DSP是利用專門或通用的數(shù)字信號(hào)處理芯片，以數(shù)字計(jì)算的方法對信號(hào)進(jìn)行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強(qiáng)、體積小及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可滿足對信號(hào)快速、精確、實(shí)時(shí)處理及控制的要求，本采集卡采用TI公司高精度浮點(diǎn)DSP芯片TMS320C6713作為主控制器，采用高精度數(shù)字編解碼芯片TLV320AIC23B實(shí)現(xiàn)ADC功能，使用Cypress公司EZ-USB SX系列中CY7C68001作為USB接口芯片，與傳統(tǒng)語音采集卡相比，在實(shí)現(xiàn)相同的性能條件下該采集卡成本進(jìn)一步降低，使用更方便，具有很高的性價(jià)比。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

語音采集系統(tǒng)是在TMS320C6713（簡稱"C6713"）平臺(tái)上設(shè)計(jì)開發(fā)的，該平臺(tái)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)任務(wù)：由主機(jī)的應(yīng)用程序通過USB總線傳輸發(fā)出命令，控制采集卡對語音信號(hào)的采集、播放、數(shù)據(jù)傳輸和語音回放；同時(shí)根據(jù)采集卡返回的狀態(tài)字顯示語音采集卡的工作情況，語音采集過程：DSP控制TLV320AIC23B（簡稱"AIC23"）對語音信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過DSP與USB之間的數(shù)據(jù)傳輸通道傳送至USB接口芯片，再傳送到主機(jī)上存儲(chǔ)，語音回放過程：主機(jī)把處理后的數(shù)據(jù)傳給USB接口芯片，DSP通過與USB之間傳輸通道取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳給D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出。

USB芯片CY7C68001實(shí)現(xiàn)主機(jī)和DSP外設(shè)的高速數(shù)據(jù)通信，DSP作為控制器和系統(tǒng)的快速處理得執(zhí)行者，主要任務(wù)是根據(jù)主機(jī)傳來的命令或參數(shù)，以盡快的速度完成數(shù)據(jù)傳送。本卡將CY7C68001配置在C6713的EMIF的CE3空間，采用CY7C68001的異步讀/寫方式完成二者之間數(shù)據(jù)和命令的交換，CY7C68001除了存儲(chǔ)器接口外，還有1個(gè)中斷信號(hào)（USBINT）和4個(gè)狀態(tài)信號(hào)（READY、FLAGA、FLAGB和FLAGC）及中斷信號(hào)USBINT使用C6713的外部中斷EXT_INT5；同時(shí)USBINT中斷還被映射到板卡的控制狀態(tài)寄存器（UN_REG）中，供C6713查詢，以確定真正的中斷源，C6713是通過EMIF來完成CY7C68001的數(shù)據(jù)與命令的交換，在XC9572XL內(nèi)部構(gòu)造時(shí)序邏輯來完成DSP與USB芯片的通信。其連接如圖2所示。

AIC23有2個(gè)接口，一個(gè)是控制口，用于設(shè)置AIC23的工作參數(shù)，另一個(gè)是數(shù)據(jù)口，用于傳輸AIC23的A/D、D/A數(shù)據(jù)，這部分與C6713的MCASP無縫連接。連接電路如圖3所示，在本卡中AIC23配置成主模式，AIC23的控制口使用2線制的I2C方式，其中CS的反是片選信號(hào)，低電平有效；SDIN是AIC23控制口串行數(shù)據(jù)輸入，SCLK是AIC23控制口的位-時(shí)鐘。數(shù)據(jù)口使用I2S方式，與DSP的MCASP0連接，其中，BCLK表示數(shù)據(jù)口位-時(shí)鐘信號(hào)，LRCIN表示數(shù)據(jù)口DAC輸出的幀同步信號(hào)，LRCOUT表示數(shù)據(jù)口ADC輸入的幀同步信號(hào)，DIN表示數(shù)據(jù)口DAC輸出的串行數(shù)據(jù)輸入，DOUT表示數(shù)據(jù)口ADC輸入的串行數(shù)據(jù)輸出。BCLK由AIC23產(chǎn)生，MCASP0的發(fā)送與接收時(shí)鐘均由AIC23來提供。

DSP外部擴(kuò)展了2片現(xiàn)代半導(dǎo)體公司的（4 Bank1M16位）HY57V641620HGT-P SDRAM，提供DSP程序運(yùn)行器件所需的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)空間。SDRAM的片選信號(hào)直接與DSP的EMIFA外設(shè)的信號(hào)相連，從而使SDRAM被映射到DSP的0x80000000-0x80FFFFFF地址范圍內(nèi)。在對SDRAM進(jìn)行讀/寫訪問前，需通過EMIF的控制寄存器CE0CTL將空間配置為32位SDRAM存儲(chǔ)器接口，通過SDCTL、SDTIM、SDEXT等寄存器設(shè)置SDRAM的讀/寫時(shí)序和參數(shù)，DSP與SDRAM的連接如圖4所示。

另外，擴(kuò)展了AMD公司的一片Am29LV320D（4M8位/2M16位）Flash存儲(chǔ)器，用于保存上電引導(dǎo)的用戶程序。如果DSP采用ROM引導(dǎo)模式，則在DSP復(fù)位之后，DSP會(huì)把EMIF的CE1空間的1KB的ROM代碼搬移到片內(nèi)RAM空間，從而實(shí)現(xiàn)自舉引導(dǎo)，所以本設(shè)計(jì)中把Flash的片選信號(hào)連接到了DSP的EMIF的引腳，從而使Flash映射到DSP的0x90000000-0x900FFFFF地址范圍內(nèi)。由于Flash是以8位進(jìn)行訪問的，所以其物理地質(zhì)以8位為單位進(jìn)行編址。DQ15/A-1引腳的"A-1"表示字節(jié)模式，故將EA2與DQ15/A-1引腳連接。Flash的接口示意圖如圖5所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

在USB固件的開發(fā)過程中，使用了固件架構(gòu)來進(jìn)行固件的開發(fā)，將整個(gè)程序按功能劃分成了6個(gè)功能模塊：主循環(huán)模塊、廠商定義請求處理模塊、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求處理模塊、中斷服務(wù)程序模塊、命令接口模塊和數(shù)據(jù)接口模塊，DSP一旦上電就需要初始化PLL寄存器、EMIF寄存器、CSL庫初始化和中斷配置。設(shè)備上電后，主機(jī)通過設(shè)備的上拉電阻產(chǎn)生的信號(hào)變化來檢測新的設(shè)備連接，然后判斷CY7C68001是否準(zhǔn)備好，如果準(zhǔn)備好就打開中斷，加載描述符，等待自舉成功；一旦自舉成功就初始化CY7C68001，檢查事件標(biāo)志并進(jìn)入對應(yīng)的模塊程序做進(jìn)一步的處理。主循環(huán)模塊的流程如圖6所示。

中斷處理子程序首先判斷中斷的產(chǎn)生源，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理、設(shè)置。中斷信號(hào)USBINT使用C6713的外部中斷EXT_INT5，給出的外部信號(hào)指示DSP有中斷產(chǎn)生或USB寄存器讀請求。具體流程如圖7所示。

USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要是通過調(diào)用微軟的USBD.SYS來實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與USB總線的數(shù)據(jù)交換，其主要功能是為相應(yīng)的USB設(shè)備建立設(shè)備驅(qū)動(dòng)對象，并完成對USB設(shè)備的初始化、對USB設(shè)備的即插即用功能和電源的管理，實(shí)現(xiàn)對USBD.sys的調(diào)用以及對USB設(shè)備的控制與數(shù)據(jù)的交換。我們使用了第三方的開發(fā)工具--Numega公司的Driverstudio進(jìn)行開發(fā)，DriverStudio能加速開發(fā)、調(diào)試、測試、調(diào)整和配置WDM驅(qū)動(dòng)程序。DriverWorks框架結(jié)構(gòu)為USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)提供了3個(gè)類：KUsbLowerDevice、KusbInerface和KusbPipe，用于實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的操作。KUsbLowerDevice類是KPnPLowerDevice類的派生類，它繼承了KPnPLowerDevice類的成員函數(shù)，主要用于邏輯設(shè)備（底層USB設(shè)備）的編程。KUsbLowerDevice類實(shí)例代表端點(diǎn)0，允許USB驅(qū)動(dòng)程序通過默認(rèn)控制管道控制USB設(shè)備，如配置USB設(shè)備、傳輸各種控制狀態(tài)和請求，KUsbInerface類用于接口的編程，它的作用更多的是結(jié)構(gòu)上的而非功能上的，其成員函數(shù)幾乎不與實(shí)際物理設(shè)備交互作用，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用這個(gè)類可以獲得接口和管道的信息。KUsbPipe類用于管道的編碼，管道是主機(jī)和端點(diǎn)的一個(gè)信息連接，只有深刻理解這3個(gè)類，才能進(jìn)行USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫，本設(shè)計(jì)中要為Windows XP開發(fā)一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，DriverWork提供獨(dú)特的DriverWizard可以自動(dòng)生成代碼，精心制作的類庫減少了對簡單接口的復(fù)雜操作。

應(yīng)用程序的主要功能是實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制采集和數(shù)據(jù)處理，并在計(jì)算機(jī)中顯示處理結(jié)果，在Win32系統(tǒng)中，把每一個(gè)設(shè)備都抽象為文件，通過調(diào)用Win32 API函數(shù)應(yīng)用程序，向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出特定的IRP請求，就可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與WDM驅(qū)動(dòng)程序通信，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序得到請求后，向更底層驅(qū)動(dòng)程序傳遞IRP請求，最后到達(dá)硬件設(shè)備，完成對硬件設(shè)備的控制與訪問操作，這個(gè)通信過程大致可這樣描述：應(yīng)用CreateFile（）函數(shù)打開設(shè)備并創(chuàng)建到設(shè)備的連接；然后用DeviceIoControl（）函數(shù)或者ReadFile（）函數(shù)、WriteFile（）函數(shù)與WDM驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信，包括從驅(qū)動(dòng)程序中讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)兩種情況。應(yīng)用程序退出時(shí)，用CloseHandle（）函數(shù)關(guān)閉設(shè)備。

語音采集板卡用USB2.0接口來實(shí)施數(shù)據(jù)傳送，實(shí)現(xiàn)廠商定義請求的處理功能，以及語音采集、傳送到主機(jī)以*.dat格式文件保存、主機(jī)讀取*.dat格式傳送到語音采集板卡、語音回放功能。實(shí)踐證明，回放的語音信號(hào)清晰，失真度低，效果良好。

結(jié)語

本文講DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力與USB2.0接口的高速數(shù)據(jù)傳輸能力有機(jī)結(jié)合，采用TMS320C6713和USB2.0接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)語音信號(hào)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明：USB接口工作正常，語音采集卡運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性高，具有較高的精度，固件程序、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序都能正常地運(yùn)行，且具有使用方便、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，通過主機(jī)界面可方便地控制語音信號(hào)的采集和播放，并可將采集到的語音數(shù)據(jù)通過USB接口高速傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和回放，達(dá)到了語音采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。