全數字化語(yǔ)言教學(xué)實(shí)驗室學(xué)生機單元的設計

摘要：全數字化語(yǔ)音系統的設計。該系統用DSP芯片TMS320F206對MSM6588語(yǔ)音芯片進(jìn)行錄音、放音控制，用FLASH存儲器AM29F040B進(jìn)行語(yǔ)音數據存儲，用差分線(xiàn)驅動(dòng)器和接收器SN75LBC180在RS-485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上傳輸語(yǔ)音數據。該語(yǔ)音系統結構簡(jiǎn)單、功能可靠，從而滿(mǎn)足了全數字化語(yǔ)言教學(xué)實(shí)驗室對學(xué)生機單元提出的要求。

關(guān)鍵詞：DSP 語(yǔ)音錄放 FLASH存儲器 RS-485總線(xiàn)

由于語(yǔ)言教學(xué)實(shí)驗室對語(yǔ)言教學(xué)產(chǎn)生著(zhù)十分重大的影響和作用，是外語(yǔ)教學(xué)改革和提高外語(yǔ)教學(xué)質(zhì)量的制高點(diǎn)和突破口，因而語(yǔ)音教學(xué)實(shí)驗室得到了空間的發(fā)展和利用。我國現有的語(yǔ)言教學(xué)實(shí)驗室產(chǎn)品大都屬于模擬型語(yǔ)言教學(xué)實(shí)驗室，然而面對信息時(shí)代的到來(lái)，高新技術(shù)的發(fā)展，語(yǔ)言教學(xué)實(shí)驗室了適應未來(lái)教育的需要，必須尋求新的發(fā)展。而要解決傳統語(yǔ)音教學(xué)實(shí)驗室面臨的問(wèn)題必須引入數字化的設計，這主要包括以下四方面的內容：一是學(xué)生機中微控制器選擇；二是語(yǔ)音信號的采集和播放；三是語(yǔ)音信號的存儲，也就是數字錄音機的功能實(shí)現；四是語(yǔ)音信號的網(wǎng)絡(luò )化傳播。

TMS320F206是美國TI（德州儀器）公司繼TMS320C2X和TMS320C5X之后推出的一種低價(jià)格、高性能的16位定點(diǎn)運算DSP，其CPU接近于TMS320C25，但時(shí)鐘速率提高、指令集更加豐富和優(yōu)化、片內外設向TMS320C5X靠攏[1]。TMS320F206（以下簡(jiǎn)稱(chēng)F206）的性?xún)r(jià)比較高，目前已成為高檔單片機理想替代品，在通信、語(yǔ)音/語(yǔ)言、軍事、儀器儀表、圖像處理、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛應用。本文就是用F206對MSM6588語(yǔ)音芯片進(jìn)行錄音、放間控制，用FLASH存儲器AM29F040B進(jìn)行語(yǔ)音數據存儲，用差分線(xiàn)驅動(dòng)器和接收器SN75LBC180在RS-485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上傳輸語(yǔ)音數據，從而滿(mǎn)足全數字化語(yǔ)言教學(xué)實(shí)驗室對學(xué)生機提出的上述要求的。圖1示出了該語(yǔ)音系統的結構簡(jiǎn)圖。

1 語(yǔ)音錄放電路

語(yǔ)音芯片MSM6588是日本OKI公司的產(chǎn)品，內含話(huà)簡(jiǎn)放大器、低通濾波器（LPF）、12位A/D和D/A轉換器，語(yǔ)音數據的處理采用ADPCM（自適應差分脈沖編碼模式）方式[2]。語(yǔ)音芯片主時(shí)鐘頻率確定后，可用DSP通過(guò)軟件輸入控制字來(lái)設定采樣頻率。采樣頻率設定越高，放間的品質(zhì)越好，錄間的時(shí)間就越短。表1給出了MSM6588語(yǔ)音芯片的常用控制命令。

表1 MSM6588的控制命令表

F206和MSM6588的引腳說(shuō)明見(jiàn)參考文獻[1]和[2]。U3是總線(xiàn)收發(fā)器，用來(lái)隔離和驅動(dòng)DSP的數據線(xiàn)。MSM6588左邊的模擬電路用來(lái)放大從麥克風(fēng)給拾取的微弱電信號，左邊的模擬電路是功率放大部分，U5即TPA302是音頻功率放大器，可驅動(dòng)32Ω耳機。

2 語(yǔ)音存儲電路

由于語(yǔ)音芯片內無(wú)存儲器，必須外掛存儲器?？刹捎玫拇鎯ζ骱芏?，如SRAM、PSRAM、DRAM、SDRAM、FLASH等。本方案采用的是AMD公司生產(chǎn)的AM29F040B，它的存儲容量為512KB，使用單5V電源進(jìn)行按扇區的擦除和按字節的寫(xiě)放操作。AM29F040B的非易失性可使語(yǔ)音數據在掉電后不會(huì )丟失，它的閃速存儲器能可提高語(yǔ)音數據的采樣頻率，從而提高放間的品質(zhì)。當采樣頻率設定為5.86kHz時(shí)，錄音/放音時(shí)間為174.744s。AM29F040B的引腳輸出與工業(yè)標準的EPROM、E2PROM完全兼容，在電路設計時(shí)非常方便。圖3示出F206與AM29F040B的接口電路。AM29F040B地址線(xiàn)有19根，設計F206與其接口的關(guān)鍵是將AM29F040B的高位地址線(xiàn)（圖3中為A14、A15、A16、A17和A18，可根據分頁(yè)的多少和頁(yè)面大小而定）通過(guò)八D鎖存器74HC574的輸出保持，其余地址線(xiàn)直接連到F206的地址總線(xiàn)上。該接口電路將512KB的數據空間分成32頁(yè)，每頁(yè)16KB。這16KB的空間被定位在F206數據空間的哪一個(gè)范圍則由信號線(xiàn)/CSFLASH決定。在對FLASH操作時(shí)，先要通過(guò)74HC574選擇頁(yè)面，然后便可對當前頁(yè)面的16KB數據空間讀寫(xiě)。

與靜態(tài)RAM不同，對FLASH的操作是通過(guò)一系列命令來(lái)實(shí)現的。表2給出不AM29F040B的主要命令定義（其中XXX表示任意地址。RA表示要讀的存儲地址，RD表示要讀的數據；PA表示編程地址，PD表示編程數據；SA表示扇區地址A18～A16）。從表2可以看出，讀FLASH只需要1個(gè)時(shí)鐘周期，而寫(xiě)入一個(gè)字節則需要4個(gè)時(shí)鐘周期，因此FLASH的讀寫(xiě)速度比SRAM慢。但FLASH比相同容量的SRAM便宜得多，工作可靠性高，因而FLASH非常適用于需要大容量、非易失性、重復編程存儲的場(chǎng)合。

表2 AM29F040B的主要命令

3 語(yǔ)音傳輸網(wǎng)絡(luò )

由于F206的片內異步串口（ASP）可以以高達2.5Mbit/s的傳送速率進(jìn)行全雙工發(fā)送和接收操作，而且在所有方式下發(fā)送和接收數據都為雙緩沖，故可利用ASP外接差分線(xiàn)驅動(dòng)器和接收器SN75LBC180構成RS-485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，將所有的學(xué)生機節點(diǎn)和教師機連成主從式網(wǎng)絡(luò )結構。圖4給出不F206與SN75LBC180的接口電路。SN75LBC180與F206接口的4根信號線(xiàn)是RX、TX、IO0及IO1，由于在圖2中已給出不F206的所有管腳，這里就不再畫(huà)出DSP不。其中IO0連接到SN75LBC180的接收數據控制引腳/RE，IO1接到SN75LBC180的發(fā)送數據控制引腳DE，數據的接收和發(fā)送就是靠IO0和IO1的電平高低來(lái)控制的。SN75LBC180的總線(xiàn)互連部分只畫(huà)出不差分接收的電路，差分發(fā)送電路與接收電路相同，故沒(méi)有在電路中示出。由于RS-485的通信載體是雙絞線(xiàn)，它的特性阻抗是120Ω，所以在RS-485的網(wǎng)絡(luò )傳輸線(xiàn)的始端和末端各接1只120Ω的匹配電阻R3，以減少線(xiàn)路上傳輸信號的反射。SN75LBC180的A、B輸入端接上拉、下拉電阻R1、R2是為不防止F206被誤中斷而收到亂字符；R4、R5可使本機的硬件故障不影響整個(gè)總線(xiàn)的通信；穩壓管D1、D2組成吸收回路以抵抗傳輸線(xiàn)上的各種干擾，用來(lái)保護RS-485總線(xiàn)。

4 軟件設計簡(jiǎn)述

該語(yǔ)音教學(xué)系統中的學(xué)生機單元的軟件框架見(jiàn)圖5。軟件設計的核心是協(xié)調各中斷（從主機來(lái)的串口接收中斷、從語(yǔ)音芯片MSM6588來(lái)的采樣中斷和播放中斷以及從鍵盤(pán)來(lái)的中斷）之間的邏輯關(guān)系。學(xué)生機的主要任務(wù)是：在播放的時(shí)候，既要保證接收數據完整，又要保證語(yǔ)音播放不間斷；在尋間的時(shí)候，既要保證采樣連續，又要保證完整地發(fā)送數據包。本程序采用雙緩沖技術(shù)來(lái)解決這些剖，即在播放時(shí)，接收一個(gè)數據包到一個(gè)緩存區，同時(shí)播放另一個(gè)緩存區中的數據包；錄音時(shí)，采樣一個(gè)緩存區，同時(shí)發(fā)送另一個(gè)緩存區中的數據包。