低功耗加密型語(yǔ)音硬件平臺的設計與實(shí)現

高質(zhì)量、低速率的語(yǔ)音編碼算法在現代通訊系統中地位越來(lái)越重要，被廣泛應用于諸如IP電話(huà)、語(yǔ)音信箱、軍事無(wú)線(xiàn)通訊等領(lǐng)域。特別是在一些特殊的應用領(lǐng)域，信道帶寬很窄而且誤碼率較高，要在這種信道上實(shí)現語(yǔ)音通訊，低速和甚低速語(yǔ)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(lèi)的低速率復雜編解碼算法往往只能停留在原理和計算機實(shí)現階段。近些年來(lái)，由于VLSI技術(shù)的蓬勃發(fā)展，尤其是高性能數字信號處理芯片的DSP的普及，這些編碼算法開(kāi)始大規模的運用到了現實(shí)領(lǐng)域。本次設計就是為這套軍用語(yǔ)音編碼算法標準設計一個(gè)通用編解碼平臺。該平臺已經(jīng)做為嵌入式低功耗語(yǔ)音模塊，應用到語(yǔ)音編碼和語(yǔ)音合成等領(lǐng)域，并已小規模量產(chǎn)。
　　
1．語(yǔ)音硬件平臺的總體介紹和系統框架
　　
本語(yǔ)音信號處理平臺需要考慮以下幾個(gè)方面的設計要求。在運算量方面，本平臺上運行的幾種語(yǔ)音編碼算法都具有比較高的運算復雜度，經(jīng)過(guò)CCS的仿真測試結果表明，至少要求DSP芯片有50MIPS的處理能力。在接口設計方面，搭載本聲碼器模塊的通訊平臺定義了如表1所示的接口管腳，其中VIN和VOUT分別連接到通訊平臺的話(huà)筒和聽(tīng)筒上的輸入和輸出話(huà)音，PTT連接到話(huà)筒的按鈕上，按下PTT表示請求通話(huà)。TXD和RXD分別是發(fā)送和接收的數字語(yǔ)音碼流信號，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為系統的同步時(shí)鐘。在功耗方面，由于是手持式設備，要求采用低功耗設計，以延長(cháng)電池的使用時(shí)間。另外，設計系統的安全性也是一個(gè)需要考慮的因素。
　　　


表1 硬件平臺接口信號定義
　　
基于以上幾項設計要求，以及以前設計的原型系統原理[7]，我們提出了一個(gè)基于TMS320VC5510A2和MSP430F149的設計方案。[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是特別針對手持式終端設備應用場(chǎng)合設計的，同等條件下其內核的功耗僅為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的最高數字信號的處理能力為200MIPS，能夠很好的滿(mǎn)足本平臺對運算的要求。[6]MSP430F149是德州儀器生產(chǎn)的一款極低功耗的16位RISC結構的單片機，我們用他來(lái)做為主控芯片輔助DSP完成程序加載和系統加密的功能。圖1給出了該硬件平臺的總體框圖。
　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　
圖1 語(yǔ)音處理平臺硬件結構總框圖
　　
如圖所示，當PTT被按下則表示請求通話(huà)，話(huà)筒輸入的模擬話(huà)音VIN通過(guò)一個(gè)放大電路放大之后輸入語(yǔ)音CODEC芯片TLV320AIC11，TLV320AIC11內的模數轉換器將其轉換成16bit的線(xiàn)性PCM格式并通過(guò)DSP的McBSP0口傳送到DSP內部接收語(yǔ)音緩沖區，DSP在緩沖區內的數據在積累到一定幀長(cháng)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)送比特流緩沖區緩沖。該緩沖區內的信號在同步時(shí)鐘TXC的上升沿被送到MODEM的調制模塊調制并發(fā)射出去。同時(shí)，DSP檢測MODEM的CD信號，當CD信號有效（低電平）時(shí)，在同步時(shí)鐘TXC的下降沿鎖存RXD上的數據并送入DSP內的接收比特流緩沖區。當接收比特緩沖區內的數據積累到一定長(cháng)度時(shí)，DSP啟動(dòng)解碼程序將其解碼成16bit的PCM語(yǔ)音。該語(yǔ)音通過(guò)McBSP0口被送入TLV320AIC11，TLV320AIC11內的數模轉換器將其轉換成模擬的語(yǔ)音信號送入聽(tīng)筒。
　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　
圖2 CODEC芯片和DSP、MCU的硬件連接
　　
語(yǔ)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(yǔ)音CODEC芯片，其片內集成了一個(gè)A/D和一個(gè)D/A模塊，并且有內置的運算放大器，因此僅需要很少的部件就可以將無(wú)源話(huà)筒和聽(tīng)筒連接到AIC11上。同時(shí)，由于它可以和TI公司的DSP無(wú)縫連接。如圖所示，本次設計中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(lái)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數據流發(fā)送到DSP。同時(shí)從DIN管腳接收DSP發(fā)送過(guò)來(lái)的經(jīng)過(guò)解碼的16bit PCM語(yǔ)音。由于使用了AIC11，系統的使用“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．硬件系統加密設計
　　
有效的保護知識產(chǎn)權是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)必須要考慮的因素。TI的C55x系列DSP芯片是一種開(kāi)放式的總線(xiàn)結構，因此別有用心的人可以通過(guò)JTAG接口和相應軟件訪(fǎng)問(wèn)并分析DSP內部存儲區的代碼和數據，或者僅僅是直接導出并復制這些信息，就可以輕易竊取產(chǎn)品。針對這種現實(shí)情況，最好的解決方法是將程序交由芯片的生產(chǎn)商掩模入芯片內部的ROM儲存區內，再去除DSP芯片中的JTAG邏輯模塊， DSP內部的總線(xiàn)與外界隔離，這樣從外部就無(wú)法獲得片內的信息。然而當產(chǎn)品的產(chǎn)量不大的時(shí)候，掩模ROM在成本上來(lái)說(shuō)是不現實(shí)的，需要另外想辦法。
　　
本次設計所提出的是一種基于TI公司MSP430F149單片機作為硬件加密部件的方法。[6]MSP430F149是TI生產(chǎn)的一款16位RISC結構的Flash型單片機。不僅功耗極低，其另外一個(gè)特點(diǎn)就是其內部的熔斷型Flash儲存單元。當開(kāi)發(fā)過(guò)程結束，程序寫(xiě)入MSP430內部的Flash之后，開(kāi)發(fā)者可以將Flash連接在MSP430總線(xiàn)上的融絲融斷，熔斷之后如果想訪(fǎng)問(wèn)其內部的程序和數據，必須在單片機的JTAG引腳上加上一定時(shí)序的信號，進(jìn)入單片機內部的一段BOOTSTRAP程序，該BOOTSTRAP程序要求用戶(hù)向一個(gè)密碼寄存器內寫(xiě)入一個(gè)32個(gè)字節的密碼，如果該密碼和事先寫(xiě)入Flash特定位置的一個(gè)密碼相符，才能訪(fǎng)問(wèn)片內的程序和數據資源，否則只能允許進(jìn)行擦除整個(gè)Flash的操作。通過(guò)這種機理達到保護用戶(hù)程序數據代碼的目的。
　　
鑒于MSP430F149的內部數據無(wú)法復制和訪(fǎng)問(wèn)的特點(diǎn)，我們提出了一種基于MSP430F149的硬件加密方法。
　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　
圖3　DSP和MSP430的硬件連接示意圖
　　
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位復用連接模式（HMODE＝0），數據和地址共享HD總線(xiàn)。HRW、HCNTL0和HCNTL1的不同組合分別表示對DSP的EHPI口的三個(gè)寄存器HPID（數據）、HPIA（地址）、HPIC（控制）讀寫(xiě)，具體的組合方式如表2所示。
　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　
表2 復用模式下EHPI口讀寫(xiě)類(lèi)型指示

具體加密方式簡(jiǎn)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，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(xiě)入MSP430的內部做為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(yǔ)音編解碼算法的程序和數據燒寫(xiě)入DSP的外部存儲Flash芯片之中。
　　
3）將DSP設置成工作于HPI口boot模式，在每次重啟之后，主機將一段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內部的某個(gè)特定位置。主機將DSP的RST引腳置高表示主機的load過(guò)程結束。DSP自動(dòng)從0x10000的位置開(kāi)始執行程序，這段程序從Flash中讀入加密了的程序和數據，并使用主機寫(xiě)入的解密程序并結合128位的密鑰進(jìn)行解密，解密后的程序和數據被裝載入DSP的程序和數據段內開(kāi)始正常的運行。