一種基于A(yíng)RM+DSP的音頻處理系統設計方案

1引言

隨著(zhù)計算機技術(shù)、電子技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，音頻處理技術(shù)也在眾多領(lǐng)域得到廣泛應用。如通信領(lǐng)域中的手機、IP電話(huà)，消費類(lèi)電子產(chǎn)品中的MP3和CD播放器以及控制領(lǐng)域中的語(yǔ)音識別、聲控系統等[1].針對DSP強大的數字信號處理能力和ARM處理器良好的實(shí)時(shí)性能，結合音頻編解碼芯片TLV320AIC23的接口特點(diǎn)，本文闡述了由三者組成的音頻處理系統的硬件接口設計和軟件編程，提供了有效和實(shí)用的音頻處理系統方案。

TLV320AIC23(簡(jiǎn)稱(chēng)AIC23)是TI公司的一款高性能立體聲音頻編解碼器Codec芯片。其內部集成的模數轉換器(ADCs)和數模轉換器(DACs)采用了帶有過(guò)采樣數字插補濾波的多位Sigma-Delta技術(shù)。數據傳輸字長(cháng)為16、20、24、32位，支持采樣頻率范圍8kHz至96kHz.ADC和DAC的信噪比分別達到90dB和100dB.內置耳機輸出放大器，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式，且對輸入和輸出都具有可編程增益調節。另外，AIC23功耗低，回放模式下功率僅為23mW，省電模式下更是小于15uW.因此，AIC23成為數字音頻應用

領(lǐng)域中的理想選擇[2]，在多種數碼產(chǎn)品中發(fā)揮著(zhù)重要作用，比較典型的應用如手機、MP3、DV攝像機中的音頻編解碼。

TMS320VC5402(簡(jiǎn)稱(chēng)VC5402)是TI公司的一款優(yōu)秀16位定點(diǎn)DSP，運算速度快，指令執行速度達到100MIPS.自帶片內存儲器和多種片上外設，廣泛應用于語(yǔ)音編解碼和通信領(lǐng)域[3].

S3C4510B(簡(jiǎn)稱(chēng)4510B)是Samsung公司的一款低成本、高性能的16/32位精簡(jiǎn)指令集微控制器，其出色的ARM7TDMI內核以及通用微處理器宏單元使其成為用戶(hù)定制應用開(kāi)發(fā)的理想選擇[4].

2系統硬件設計

本音頻處理系統主要由前述三個(gè)處理芯片組成：ARM控制單元，DSP信號處理單元以及AIC23音頻采集單元。系統原理框圖如圖1.

圖1基于DSP和ARM的音頻處理系統原理框圖

AIC23是可編程芯片，內部有11個(gè)16位寄存器，編程設置這些寄存器可得到所需的采樣頻率、輸入輸出增益和傳輸數據格式等。該控制接口有SPI和I2C兩種工作模式，由芯片上的MODE引腳進(jìn)行選擇：MODE=0為I2C模式，MODE=1為SPI模式。因ARM 4510B上也有I2C接口，故選用I2C模式。AIC23的I2C接口地址由引腳的狀態(tài)決定，=0時(shí)地址為0011010，=1時(shí)地址為0011011.其中SDIN與SDA為數據線(xiàn)，SCLK與SCL為串行時(shí)鐘線(xiàn)。VC5402有兩個(gè)多通道緩沖串口，選用其中的McBSP0與AIC23進(jìn)行通信，信號連接如圖1所示。圖中AIC23工作在主模式，時(shí)鐘信號、DAC和ADC的幀同步信號BFSX0和BFSR0都由AIC23提供。而DSP VC5402與ARM 4510B的通訊是通過(guò)DSP上的HPI接口實(shí)現的。

3系統軟件設計

系統由ARM系統和DSP系統兩大部分組成，ARM作為主控制器管理整個(gè)系統的工作進(jìn)程，運行相關(guān)的應用程序，可對多個(gè)任務(wù)進(jìn)行調度，完成與外部DSP系統或其他外設的通信。DSP則主要完成音頻數據的采集和信號處理，并將處理后的數據發(fā)送給ARM供應用程序調用。這樣的設計可以大大提高系統的工作效率，這也是當前嵌入式系統，各移動(dòng)手持設備如PDA、手機等的典型設計方案。

這里具體要做的是對AIC23的控制接口編程，使其工作在所需的模式下。然后初始化DSP的McBSP，進(jìn)行AD、DA轉換和數據處理。

3.1 ARM編程部分

系統中對ARM的編程主要涉及對AIC23的初始化，使其進(jìn)入正常工作狀態(tài)，對音頻數據進(jìn)行采集和處理。這需要設置4510B的I2C總線(xiàn)特殊功能寄存器：控制狀態(tài)寄存器IICCON、預分頻寄存器IICPS和移位緩沖寄存器IICBUF，寄存器相關(guān)說(shuō)明見(jiàn)表1[5].

表1 4510B I2C總線(xiàn)特殊功能寄存器

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AIC23的11個(gè)控制寄存器相關(guān)設置的詳細描述參見(jiàn)文獻2.這里的設置為：左右聲道線(xiàn)路輸入靜音;耳機左右聲道音量為6dB;使能DAC，麥克風(fēng)音量為20dB作為ADC輸入;使能ADC高通濾波;芯片各部分電路供電使能;芯片工作在主模式，采樣數據長(cháng)度16位，采用DSP數據格式(同步幀后跟隨兩個(gè)數據字);采樣率88.2KHz(外部晶振為11.2896MHz);使能數字接口。

對AIC23編程時(shí)的I2C總線(xiàn)時(shí)序如圖2所示。設置好I2C的時(shí)鐘頻率后，首先發(fā)送開(kāi)始條件(SCLK為高電平時(shí)，SDI從高電平向低電平切換)，然后發(fā)送AIC23的器件地址，器件地址發(fā)出后發(fā)送AIC23相應寄存器的地址，再發(fā)送對該寄存器設置的數據，最后發(fā)送停止條件(SCLK為高電平時(shí)，SDI從低電平向高電平切換)。注意，這里的寄存器地址為7位，寄存器數據為9位，而I2C總線(xiàn)以字節為單位傳送數據。因此在對AIC23的寄存器編程時(shí)，第一個(gè)字節包括了前7位的寄存器地址B15-B9以及設置數據的最高位B8，第二個(gè)字節為設置數據的后8位B7-B0.

圖2 I2C時(shí)序

3.2音頻數據采集與播放

初始化AIC23后，再初始化DSP以及McBSP0，之后進(jìn)行音頻數據的采集與播放。通過(guò)麥克風(fēng)采集語(yǔ)音信號，經(jīng)過(guò)數字濾波處理后由耳機輸出。使用McBSP0的接收中斷保存數據，通過(guò)FIR數字濾波子程序處理音頻數據。程序流程如圖3所示。

圖3音頻數據處理程序流程圖

初始化McBSP0使其與AIC23協(xié)調工作，這里要根據硬件設計和軟件要求來(lái)配置McBSP0的各個(gè)控制寄存器。本系統中串口的主要設置為：接收數據右對齊，帶符號擴展;接收中斷使能;由片外提供發(fā)送、接收幀信號和發(fā)送、接收時(shí)鐘信號;發(fā)送、接收幀同步信號低電平有效;在時(shí)鐘上升沿采樣發(fā)送、接收數

據;每幀發(fā)送、接收兩個(gè)16位字數據[6].

數據接收部分可在DSP中斷程序中用如下語(yǔ)句實(shí)現：

mvkd drr10，*ar5 ;保存數據

pshd *ar5+% ;數據壓入堆棧

popd new_ad ;從堆棧彈出數據到自定義的寄存器

FIR濾波的相關(guān)程序如下：

ld new_ad，a ;新數據加載至累加器

stm #1，ar0 ;雙操作數增量

stm #N，bk ;設置循環(huán)緩沖區長(cháng)度，即FIR濾波級數(N為濾波級數)

stl a，*ar3+% ;新數據送至ar3指向的緩沖區