基于DSP的通用型嵌入式語音平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

高質(zhì)量、低速率的語音編碼算法在現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中地位越來越重要，被廣泛應(yīng)用于諸如IP電話、語音信箱、軍事無線通訊等領(lǐng)域。特別是在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，信道帶寬很窄而且誤碼率較高，要在這種信道上實(shí)現(xiàn)語音通訊，低速和甚低速語音壓縮編碼技術(shù)是關(guān)鍵。以前由于硬件條件的限制，此類的低速率復(fù)雜編解碼算法往往只能停留在原理和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)階段。近些年來，由于VLSI技術(shù)的蓬勃發(fā)展，尤其是高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片的DSP的普及，這些編碼算法開始大規(guī)模的運(yùn)用到了現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域。本次設(shè)計(jì)就是為這套軍用語音編碼算法標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一個(gè)通用編解碼平臺(tái)。該平臺(tái)已經(jīng)做為嵌入式低功耗語音模塊，應(yīng)用到語音編碼和語音合成等領(lǐng)域，并已小規(guī)模量產(chǎn)。

1． 語音硬件平臺(tái)的總體介紹和系統(tǒng)框架

本語音信號(hào)處理平臺(tái)需要考慮以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)要求。在運(yùn)算量方面，本平臺(tái)上運(yùn)行的幾種語音編碼算法都具有比較高的運(yùn)算復(fù)雜度，經(jīng)過CCS的仿真測試結(jié)果表明，至少要求DSP芯片有50MIPS的處理能力。在接口設(shè)計(jì)方面，搭載本聲碼器模塊的通訊平臺(tái)定義了如表1所示的接口管腳，其中VIN和VOUT分別連接到通訊平臺(tái)的話筒和聽筒上的輸入和輸出話音，PTT連接到話筒的按鈕上，按下PTT表示請求通話。TXD和RXD分別是發(fā)送和接收的數(shù)字語音碼流信號(hào)，RTS和CD分別是發(fā)送和接收碼流指示，為低電平的時(shí)候表示碼流有效。TXC為系統(tǒng)的同步時(shí)鐘。在功耗方面，由于是手持式設(shè)備，要求采用低功耗設(shè)計(jì)，以延長電池的使用時(shí)間。另外，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的安全性也是一個(gè)需要考慮的因素。

基于以上幾項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，以及以前設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)原理[7]，我們提出了一個(gè)基于TMS320VC5510A2和MSP430F149的設(shè)計(jì)方案。[1] 5510A2是德州儀器公司的55系列DSP的最高端的產(chǎn)品，這個(gè)系列的DSP是特別針對(duì)手持式終端設(shè)備應(yīng)用場合設(shè)計(jì)的，同等條件下其內(nèi)核的功耗僅為54系列DSP的三分之一，而且具有更高的代碼執(zhí)行效率，其指令也與54系列的相互兼容，可以很方便的進(jìn)行代碼的移植。5510A2的最高數(shù)字信號(hào)的處理能力為200MIPS，能夠很好的滿足本平臺(tái)對(duì)運(yùn)算的要求。[6]MSP430F149是德州儀器生產(chǎn)的一款極低功耗的16位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，我們用他來做為主控芯片輔助DSP完成程序加載和系統(tǒng)加密的功能。圖1給出了該硬件平臺(tái)的總體框圖。

如圖所示，當(dāng)PTT被按下則表示請求通話，話筒輸入的模擬話音VIN通過一個(gè)放大電路放大之后輸入語音CODEC芯片TLV320AIC11，TLV320AIC11內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成16bit的線性PCM格式并通過DSP的McBSP0口傳送到DSP內(nèi)部接收語音緩沖區(qū)，DSP在緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)在積累到一定幀長之后啟動(dòng)編碼算法編成特定碼率的碼流。編好的碼流被送入另一發(fā)送比特流緩沖區(qū)緩沖。該緩沖區(qū)內(nèi)的信號(hào)在同步時(shí)鐘TXC的上升沿被送到MODEM的調(diào)制模塊調(diào)制并發(fā)射出去。同時(shí)，DSP檢測MODEM的CD信號(hào)，當(dāng)CD信號(hào)有效（低電平）時(shí)，在同步時(shí)鐘TXC的下降沿鎖存RXD上的數(shù)據(jù)并送入DSP內(nèi)的接收比特流緩沖區(qū)。當(dāng)接收比特緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)積累到一定長度時(shí)，DSP啟動(dòng)解碼程序?qū)⑵浣獯a成16bit的PCM語音。該語音通過McBSP0口被送入TLV320AIC11，TLV320AIC11內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成模擬的語音信號(hào)送入聽筒。

語音CODEC芯片和DSP、MCU的硬件連接圖如圖2所示，[5]TLV320AIC11是德州儀器公司生產(chǎn)的一款語音CODEC芯片，其片內(nèi)集成了一個(gè)A/D和一個(gè)D/A模塊，并且有內(nèi)置的運(yùn)算放大器，因此僅需要很少的部件就可以將無源話筒和聽筒連接到AIC11上。同時(shí)，由于它可以和TI公司的DSP無縫連接。如圖所示，本次設(shè)計(jì)中AIC11工作在主模式下（M/S=1），在這個(gè)模式下，芯片的采樣率為SCLK腳輸入的時(shí)鐘頻率的1/256。SCLK腳輸入的時(shí)鐘來源于MCU的P5.5，這個(gè)管腳是MCU的副時(shí)鐘輸出為MCU主時(shí)鐘的1/4。由于MCU工作在4.096MHz，因此CODEC的采樣頻率為8KHz。AIC11以8KHz的頻率在FS上發(fā)出同步脈沖，并在DOUT腳上將16bit的PCM數(shù)據(jù)流發(fā)送到DSP。同時(shí)從DIN管腳接收DSP發(fā)送過來的經(jīng)過解碼的16bit PCM語音。由于使用了AIC11，系統(tǒng)的使用“粘合邏輯”部件大大減小，從而有效的縮小了硬件電路板的面積。

2． 硬件系統(tǒng)加密設(shè)計(jì)

有效的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)是產(chǎn)品開發(fā)必須要考慮的因素。TI的C55x系列DSP芯片是一種開放式的總線結(jié)構(gòu)，因此別有用心的人可以通過JTAG接口和相應(yīng)軟件訪問并分析DSP內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)的代碼和數(shù)據(jù)，或者僅僅是直接導(dǎo)出并復(fù)制這些信息，就可以輕易竊取產(chǎn)品。針對(duì)這種現(xiàn)實(shí)情況，最好的解決方法是將程序交由芯片的生產(chǎn)商掩模入芯片內(nèi)部的ROM儲(chǔ)存區(qū)內(nèi)，再去除DSP芯片中的JTAG邏輯模塊， DSP內(nèi)部的總線與外界隔離，這樣從外部就無法獲得片內(nèi)的信息。然而當(dāng)產(chǎn)品的產(chǎn)量不大的時(shí)候，掩模ROM在成本上來說是不現(xiàn)實(shí)的，需要另外想辦法。

本次設(shè)計(jì)所提出的是一種基于TI公司MSP430F149單片機(jī)作為硬件加密部件的方法。[6]MSP430F149是TI生產(chǎn)的一款16位RISC結(jié)構(gòu)的Flash型單片機(jī)。不僅功耗極低，其另外一個(gè)特點(diǎn)就是其內(nèi)部的熔斷型Flash儲(chǔ)存單元。當(dāng)開發(fā)過程結(jié)束，程序?qū)懭隡SP430內(nèi)部的Flash之后，開發(fā)者可以將Flash連接在MSP430總線上的融絲融斷，熔斷之后如果想訪問其內(nèi)部的程序和數(shù)據(jù)，必須在單片機(jī)的JTAG引腳上加上一定時(shí)序的信號(hào)，進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部的一段BOOTSTRAP程序，該BOOTSTRAP程序要求用戶向一個(gè)密碼寄存器內(nèi)寫入一個(gè)32個(gè)字節(jié)的密碼，如果該密碼和事先寫入Flash特定位置的一個(gè)密碼相符，才能訪問片內(nèi)的程序和數(shù)據(jù)資源，否則只能允許進(jìn)行擦除整個(gè)Flash的操作。通過這種機(jī)理達(dá)到保護(hù)用戶程序數(shù)據(jù)代碼的目的。

鑒于MSP430F149的內(nèi)部數(shù)據(jù)無法復(fù)制和訪問的特點(diǎn)，我們提出了一種基于MSP430F149的硬件加密方法。

圖3是MSP430和DSP之間的硬件連接示意圖[3]。如圖所示，這種連接方式將DSP和MCU配置成了16位復(fù)用連接模式（HMODE＝0），數(shù)據(jù)和地址共享HD總線。HRW、HCNTL0和HCNTL1的不同組合分別表示對(duì)DSP的EHPI口的三個(gè)寄存器HPID（數(shù)據(jù)）、HPIA（地址）、HPIC（控制）讀寫，具體的組合方式如表2所示。

具體加密方式簡述如下：

1）為每一塊電路板指定一個(gè)128位的密鑰，密鑰的選擇完全隨機(jī)，只要不同板子不相同即可。將密鑰和加密算法（DES或是其他的加密算法）燒寫入MSP430的內(nèi)部做為DSP boot程序的一部分。

2）使用該密鑰和加密算法，將加密后的語音編解碼算法的程序和數(shù)據(jù)燒寫入DSP的外部存儲(chǔ)Flash芯片之中。

3）將DSP設(shè)置成工作于HPI口boot模式，在每次重啟之后，主機(jī)將一段BOOT程序裝入起始位置為0x10000程序空間里（該段BOOT程序中包含了解碼程序），并將128位的密鑰load到DSP內(nèi)部的某個(gè)特定位置。主機(jī)將DSP的RST引腳置高表示主機(jī)的load過程結(jié)束。DSP自動(dòng)從0x10000的位置開始執(zhí)行程序，這段程序從Flash中讀入加密了的程序和數(shù)據(jù)，并使用主機(jī)寫入的解密程序并結(jié)合128位的密鑰進(jìn)行解密，解密后的程序和數(shù)據(jù)被裝載入DSP的程序和數(shù)據(jù)段內(nèi)開始正常的運(yùn)行。

由于每塊電路板對(duì)應(yīng)于一個(gè)唯一128位密鑰，因此DSP的外部Flash中加密的程序和數(shù)據(jù)對(duì)于竊密者來說完全沒有意義。該密鑰和解密程序被保存在MSP430中，因此不可能被竊取或者復(fù)制。他們只有在主機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候才被動(dòng)態(tài)的load到DSP中。DSP的程序在開始執(zhí)行正常的解碼程序之前運(yùn)行一段程序覆蓋這段lood區(qū)間，于是，竊密者便無法獲知啟動(dòng)的具體操作。

4）將比特流打包解包程序放置在MSP430中。編碼時(shí)當(dāng)DSP中的每一幀接收語音編成特定長度的比特流之后，就向MSP430發(fā)送一個(gè)中斷請求。當(dāng)收到該請求之后，MSP430通過DSP的EHPI口讀入該比特流，并調(diào)整各個(gè)比特位之間的順序。調(diào)整之后的比特流被回寫入DSP的發(fā)送比特流緩沖區(qū)，并根據(jù)同步時(shí)鐘傳送到MODEM。同樣，當(dāng)DSP接收比特流緩沖區(qū)接收滿一幀時(shí)，向MSP430發(fā)送中斷，MSP430在接收到這個(gè)中斷之后通過EHPI口讀入接收比特流緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，完成比特位置的重排的恢復(fù)。

這種方式可以有效的保證代碼的安全性以及整個(gè)系統(tǒng)的保密性。對(duì)于基于開放總線的DSP系統(tǒng)來說，這種方式不失為一個(gè)很有效的通用的硬件加密方法。

3． 低功耗設(shè)計(jì)

本硬件平臺(tái)的低功耗設(shè)計(jì)的從三方面出發(fā)，1）選擇低功耗的器件。2）充分利用芯片的低功耗模式；3）動(dòng)態(tài)的改變芯片的運(yùn)行頻率。

選用低功耗的器件：這是節(jié)省功耗的最直接的方式，現(xiàn)在的芯片大多通過降低內(nèi)核供電電壓降低功耗，現(xiàn)行的低功耗器件的供電電壓一般都小于2V，TI的DSP大都采用兩種電壓驅(qū)動(dòng)，內(nèi)核電壓1.2-1.6V，I/O電壓3.3V，這既能有效的降低內(nèi)核動(dòng)態(tài)功耗，還能兼顧I/O的電平兼容性。TI公司的MSP430系列的MCU也是一款功耗相當(dāng)?shù)偷钠骷?.3V下，其正常工作通常只需要十幾個(gè)mW的供電，如果將其設(shè)置成IDLE或者睡眠模式模式，其功耗將會(huì)更低。這些都是我們選擇器件重點(diǎn)考慮到的因素之一。

充分利用芯片的低功耗模式：[4]5510A2芯片內(nèi)部劃出了五個(gè)獨(dú)立的IDLE域（Domain），分別負(fù)責(zé)CPU、DMA、CACHE、外設(shè)、時(shí)鐘生成器、EMIF接口的配置。每個(gè)域可以獨(dú)立的將該域管轄的多個(gè)部件設(shè)置成活動(dòng)模式或IDLE模式以此降低DSP地功耗。針對(duì)本次設(shè)計(jì)，由于沒有使用到DMA、CACHE、時(shí)鐘生成器三個(gè)域中的外設(shè)，故將這三個(gè)域設(shè)置成了IDLE模式。EMIF域在DSP和MSP交換數(shù)據(jù)（為了調(diào)整發(fā)送和接收的比特流）時(shí)才被置為活動(dòng)，其他時(shí)候被置為IDLE。通過這樣的處理，避免了空閑的部件白白消耗能量。[5]TLV320AIC11也可以單獨(dú)的將A/D和D/A部分禁用。當(dāng)PTT沒有按下時(shí)，表示沒有話音輸入，這時(shí)可以將A/D部分置為IDLE狀態(tài)。同樣的，當(dāng)MODEM的CD信號(hào)為高的時(shí)候，表示沒有有效的數(shù)字碼流輸入聲碼器，故在此時(shí)可以將D/A部分設(shè)為IDLE狀態(tài)。通過對(duì)著這個(gè)芯片的低功耗模式的操作，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的功耗。

動(dòng)態(tài)頻率控制：這種方法的及根據(jù)預(yù)測的算法運(yùn)算量的大小，動(dòng)態(tài)的調(diào)整芯片的運(yùn)行頻率，從而達(dá)到節(jié)省功耗的目的。在本文設(shè)計(jì)的平臺(tái)上運(yùn)行的三種低速率語音編解碼算法中，600bps、1200bps、2400bps的峰值運(yùn)算量分別為37.4MIPS、59.2MIPS、44.8MIPS，因此將DSP的工作頻率分別設(shè)置在40.096MHz、65.536MHz、49.152MHz。實(shí)驗(yàn)證明，這樣處理能夠很有效地降低DSP的內(nèi)核功耗。

4． 小結(jié)

該平臺(tái)具有強(qiáng)大的語音信號(hào)處理能力，較低的功耗以及加密等特點(diǎn)。實(shí)踐證明，該平臺(tái)在其應(yīng)用場合完全達(dá)到了原先的這些設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有廣闊的應(yīng)用前景。