基于USB2.0接口的語(yǔ)音采集系統設計

引言

語(yǔ)音信號的采集和處理在網(wǎng)絡(luò )、通信、智能儀表、工業(yè)控制、醫療衛生、公共安全等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應用，而這些工作都需要一套高速的語(yǔ)音信號采集系統來(lái)完成，要對語(yǔ)音進(jìn)行采集就需要一種高速的，能進(jìn)行長(cháng)時(shí)間、大吞吐量數據傳送的計算機接口。USB2.0接口就是一種符合語(yǔ)音采集要求的計算機接口，同時(shí)，它還具有支持熱插拔、占用系統資源少、易于擴展、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。DSP是利用專(zhuān)門(mén)或通用的數字信號處理芯片，以數字計算的方法對信號進(jìn)行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強、體積小及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足對信號快速、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，采用高精度數字編解碼芯片TLV320AIC23B實(shí)現ADC功能，使用Cypress公司EZ-USB SX系列中CY7C68001作為USB接口芯片，與傳統語(yǔ)音采集卡相比，在實(shí)現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?xún)r(jià)比。

1 系統硬件設計

語(yǔ)音采集系統是在TMS320C6713（簡(jiǎn)稱(chēng)"C6713"）平臺上設計開(kāi)發(fā)的，該平臺的系統框圖如圖1所示。

該系統的總體設計任務(wù)：由主機的應用程序通過(guò)USB總線(xiàn)傳輸發(fā)出命令，控制采集卡對語(yǔ)音信號的采集、播放、數據傳輸和語(yǔ)音回放；同時(shí)根據采集卡返回的狀態(tài)字顯示語(yǔ)音采集卡的工作情況，語(yǔ)音采集過(guò)程：DSP控制TLV320AIC23B（簡(jiǎn)稱(chēng)"AIC23"）對語(yǔ)音信號進(jìn)行采樣，采樣得到的數據，再經(jīng)過(guò)DSP與USB之間的數據傳輸通道傳送至USB接口芯片，再傳送到主機上存儲，語(yǔ)音回放過(guò)程：主機把處理后的數據傳給USB接口芯片，DSP通過(guò)與USB之間傳輸通道取數據，然后將數據傳給D/A轉換器，經(jīng)D/A轉換后輸出。

USB芯片CY7C68001實(shí)現主機和DSP外設的高速數據通信，DSP作為控制器和系統的快速處理得執行者，主要任務(wù)是根據主機傳來(lái)的命令或參數，以盡快的速度完成數據傳送。本卡將CY7C68001配置在C6713的EMIF的CE3空間，采用CY7C68001的異步讀/寫(xiě)方式完成二者之間數據和命令的交換，CY7C68001除了存儲器接口外，還有1個(gè)中斷信號（USBINT）和4個(gè)狀態(tài)信號（READY、FLAGA、FLAGB和FLAGC）及中斷信號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(xún)，以確定真正的中斷源，C6713是通過(guò)EMIF來(lái)完成CY7C68001的數據與命令的交換，在XC9572XL內部構造時(shí)序邏輯來(lái)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，用于設置AIC23的工作參數，另一個(gè)是數據口，用于傳輸AIC23的A/D、D/A數據，這部分與C6713的MCASP無(wú)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(xiàn)制的I2C方式，其中CS的反是片選信號，低電平有效；SDIN是AIC23控制口串行數據輸入，SCLK是AIC23控制口的位-時(shí)鐘。數據口使用I2S方式，與DSP的MCASP0連接，其中，BCLK表示數據口位-時(shí)鐘信號，LRCIN表示數據口DAC輸出的幀同步信號，LRCOUT表示數據口A(yíng)DC輸入的幀同步信號，DIN表示數據口DAC輸出的串行數據輸入，DOUT表示數據口A(yíng)DC輸入的串行數據輸出。BCLK由AIC23產(chǎn)生，MCASP0的發(fā)送與接收時(shí)鐘均由AIC23來(lái)提供。

DSP外部擴展了2片現代半導體公司的（4 Bank1M16位）HY57V641620HGT-P SDRAM，提供DSP程序運行器件所需的動(dòng)態(tài)存儲空間。SDRAM的片選信號直接與DSP的EMIFA外設的信號相連，從而使SDRAM被映射到DSP的0x80000000-0x80FFFFFF地址范圍內。在對SDRAM進(jìn)行讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)前，需通過(guò)EMIF的控制寄存器CE0CTL將空間配置為32位SDRAM存儲器接口，通過(guò)SDCTL、SDTIM、SDEXT等寄存器設置SDRAM的讀/寫(xiě)時(shí)序和參數，DSP與SDRAM的連接如圖4所示。

另外，擴展了AMD公司的一片Am29LV320D（4M8位/2M16位）Flash存儲器，用于保存上電引導的用戶(hù)程序。如果DSP采用ROM引導模式，則在DSP復位之后，DSP會(huì )把EMIF的CE1空間的1KB的ROM代碼搬移到片內RAM空間，從而實(shí)現自舉引導，所以本設計中把Flash的片選信號連接到了DSP的EMIF的引腳，從而使Flash映射到DSP的0x90000000-0x900FFFFF地址范圍內。由于Flash是以8位進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)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 軟件設計

在USB固件的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，使用了固件架構來(lái)進(jìn)行固件的開(kāi)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(chǎng)商定義請求處理模塊、標準設備請求處理模塊、中斷服務(wù)程序模塊、命令接口模塊和數據接口模塊，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。設備上電后，主機通過(guò)設備的上拉電阻產(chǎn)生的信號變化來(lái)檢測新的設備連接，然后判斷CY7C68001是否準備好，如果準備好就打開(kāi)中斷，加載描述符，等待自舉成功；一旦自舉成功就初始化CY7C68001，檢查事件標志并進(jìn)入對應的模塊程序做進(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)行相應的處理、設置。中斷信號USBINT使用C6713的外部中斷EXT_INT5，給出的外部信號指示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設備驅動(dòng)程序主要是通過(guò)調用微軟的USBD.SYS來(lái)實(shí)現PC機與USB總線(xiàn)的數據交換，其主要功能是為相應的USB設備建立設備驅動(dòng)對象，并完成對USB設備的初始化、對USB設備的即插即用功能和電源的管理，實(shí)現對USBD.sys的調用以及對USB設備的控制與數據的交換。我們使用了第三方的開(kāi)發(fā)工具--Numega公司的Driverstudio進(jìn)行開(kāi)發(fā)，DriverStudio能加速開(kāi)發(fā)、調試、測試、調整和配置WDM驅動(dòng)程序。DriverWorks框架結構為USB設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)提供了3個(gè)類(lèi)：KUsbLowerDevice、KusbInerface和KusbPipe，用于實(shí)現USB設備的操作。KUsbLowerDevice類(lèi)是KPnPLowerDevice類(lèi)的派生類(lèi)，它繼承了KPnPLowerDevice類(lèi)的成員函數，主要用于邏輯設備（底層USB設備）的編程。KUsbLowerDevice類(lèi)實(shí)例代表端點(diǎn)0，允許USB驅動(dòng)程序通過(guò)默認控制管道控制USB設備，如配置USB設備、傳輸各種控制狀態(tài)和請求，KUsbInerface類(lèi)用于接口的編程，它的作用更多的是結構上的而非功能上的，其成員函數幾乎不與實(shí)際物理設備交互作用，設備驅動(dòng)程序使用這個(gè)類(lèi)可以獲得接口和管道的信息。KUsbPipe類(lèi)用于管道的編碼，管道是主機和端點(diǎn)的一個(gè)信息連接，只有深刻理解這3個(gè)類(lèi)，才能進(jìn)行USB設備驅動(dòng)程序的編寫(xiě)，本設計中要為Windows XP開(kāi)發(fā)一個(gè)設備驅動(dòng)程序，DriverWork提供獨特的DriverWizard可以自動(dòng)生成代碼，精心制作的類(lèi)庫減少了對簡(jiǎn)單接口的復雜操作。

應用程序的主要功能是實(shí)現對數據采集系統的控制采集和數據處理，并在計算機中顯示處理結果，在Win32系統中，把每一個(gè)設備都抽象為文件，通過(guò)調用Win32 API函數應用程序，向設備驅動(dòng)程序發(fā)出特定的IRP請求，就可以實(shí)現應用程序與WDM驅動(dòng)程序通信，設備驅動(dòng)程序得到請求后，向更底層驅動(dòng)程序傳遞IRP請求，最后到達硬件設備，完成對硬件設備的控制與訪(fǎng)問(wèn)操作，這個(gè)通信過(guò)程大致可這樣描述：應用CreateFile（）函數打開(kāi)設備并創(chuàng )建到設備的連接；然后用DeviceIoControl（）函數或者ReadFile（）函數、WriteFile（）函數與WDM驅動(dòng)程序進(jìn)行通信，包括從驅動(dòng)程序中讀取數據和寫(xiě)入數據兩種情況。應用程序退出時(shí)，用CloseHandle（）函數關(guān)閉設備。

語(yǔ)音采集板卡用USB2.0接口來(lái)實(shí)施數據傳送，實(shí)現廠(chǎng)商定義請求的處理功能，以及語(yǔ)音采集、傳送到主機以*.dat格式文件保存、主機讀取*.dat格式傳送到語(yǔ)音采集板卡、語(yǔ)音回放功能。實(shí)踐證明，回放的語(yǔ)音信號清晰，失真度低，效果良好。

結語(yǔ)

本文講DSP的高速數據處理能力與USB2.0接口的高速數據傳輸能力有機結合，采用TMS320C6713和USB2.0接口設計實(shí)現了一個(gè)語(yǔ)音信號采集系統。實(shí)驗表明：USB接口工作正常，語(yǔ)音采集卡運行穩定，實(shí)時(shí)性高，具有較高的精度，固件程序、USB設備驅動(dòng)程序和應用程序都能正常地運行，且具有使用方便、性?xún)r(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)主機界面可方便地控制語(yǔ)音信號的采集和播放，并可將采集到的語(yǔ)音數據通過(guò)USB接口高速傳輸到計算機進(jìn)行存儲和回放，達到了語(yǔ)音采集系統的設計目標。