基于USB2.0的語(yǔ)音數據采集系統設計

摘    要：本文提出并設計實(shí)現了基于USB2.0的語(yǔ)音數據采集系統， 該系統以TMS320VC5402 DSP芯片為主控機，采用USB2.0協(xié)議芯片ISP1581實(shí)現系統與計算機之間的高速串行數據傳輸，重點(diǎn)介紹了USB設備主從兩端的軟硬件設計方案。
關(guān)鍵詞：USB 2.0；語(yǔ)音數據采集；DSP

DSP芯片具有處理速度快、接口資源豐富、與ADC和USB控制芯片接口方便等特點(diǎn)。采用DSP芯片作為語(yǔ)音數據采集系統的主控機，能夠滿(mǎn)足對語(yǔ)音數據進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、數據處理和控制USB接口芯片等要求。
本文設計并實(shí)現了一個(gè)以DSP為主控機，結合USB2.0芯片ISP1581實(shí)現了音頻數據采集系統，該系統中，DSP作為主機負責系統初始化、采集語(yǔ)音數據和進(jìn)行各種處理等工作，并將數據通過(guò)USB口送至計算機分析處理。

ISP1581簡(jiǎn)介
ISP1581為基于微控制器或微處理器的系統提供了高速USB 通信能力。ISP1581 與系統的微控制器/微處理器的通信是通過(guò)一個(gè)高速的通用并行接口來(lái)實(shí)現的。這種實(shí)現USB 接口的標準組件使得使用者可以在各種不同類(lèi)型的微控制器中選擇出最合適的。
ISP1581 支持USB 2.0 系統運作的自動(dòng)檢測。它是一個(gè)通用的USB 接口器件，符合現有的大多數器件的分類(lèi)規格，比如：成像類(lèi)、海量存儲器件、通信器件、打印設備以及人機接口設備。ISP1581內置了多種結構的DMA模塊。
此外，ISP1581 內部還集成了許多特性，包括SoftConnectTM 、低頻晶體振蕩器和集成的終止寄存器。

系統設計
系統總體設計
本系統實(shí)現語(yǔ)音數據的實(shí)時(shí)采集以及與計算機之間的數據傳輸等功能。系統采用TMS320VC5402(以下簡(jiǎn)稱(chēng)C5402)DSP芯片作為主控機。C5402性能價(jià)格比高，資源豐富，可以提供全雙工緩沖串口，采集經(jīng)A/D轉換后的數據，還能通過(guò)高速數據總線(xiàn)與USB控制芯片通信，處理速度高達100MIPS，它作為本系統主控機能高效完成系統的初始化、配置外圍器件和USB接口，并根據由USB傳來(lái)的主機命令，實(shí)時(shí)采集、接收音頻信號，最后將合成的數據包送給計算機。計算機應用程序以驅動(dòng)程序為橋梁，接收硬件發(fā)來(lái)的數據包，并對數據進(jìn)行顯示，分析等處理。
ADC采用低功耗16位A/D、D/A音頻模擬接口芯片TLC320 AIC10(以下簡(jiǎn)稱(chēng)AIC10)。它具有高性能、低功耗、高度可編程性以及與DSP的接口設計簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
系統中計算機驅動(dòng)程序用于處理底層通信細節，實(shí)現具體的通信協(xié)議，為應用程序提供透明的傳輸接口。計算機主機應用程序通過(guò)驅動(dòng)程序提供的接口向設備驅動(dòng)發(fā)送請求或從設備驅動(dòng)接收請求，實(shí)現特定的通信、信息處理等功能。其原理如圖1所示。
系統硬件設計
McBSP與AIC10接口
C5402提供了高速、全雙工的McBSP。McBSP通過(guò)6個(gè)引腳與外設接口。AIC10與C5402 McBSP的硬件連接如圖2所示。
DSP與ISP1581接口
ISP1581與C5402的連接電路如 圖 3 所示。C5402與ISP1581的通信是通過(guò)高速的并行數據及控制總線(xiàn)進(jìn)行的。C5402將ISP1581映射到片外I/O地址，通過(guò)它的IOSTRB和讀寫(xiě)信號選擇ISP1581 ，其數據總線(xiàn)直接與ISP1581的數據總線(xiàn)相連接。使用通用I/O口(GPIO)控制ISP1581的工作模式。ISP1581通過(guò)中斷線(xiàn)來(lái)通知DSP收發(fā)數據，它的數據線(xiàn) D+和D-通過(guò)USB電纜與主機USB接口連接。
系統軟件設計
本系統的軟件主要包括C5402串口和AIC10初始化、PDIUSBD12固件程序、DSP主程序，以及計算機驅動(dòng)程序和應用程序。
DSP串口及AIC10初始化
DSP對McBSP復位并配置McBSP寄存器，即可完成串口的初始化。對于A(yíng)IC10的初試化，主要對4個(gè)控制寄存器進(jìn)行配置。 為使數據、寄存器地址和配置信息在同一串口中傳輸，AIC10采用了兩種通信模式：主通信模式和第二通信模式。主通信(primary communication)發(fā)生在每個(gè)數據轉換期間，此模式下的16位都用作傳輸數據。第二通信(secondary communication)只有在被請求時(shí)才會(huì )進(jìn)行，用于傳輸寄存器地址和配置信息，對AIC10外部電路參數設置以及內部寄存器進(jìn)行初始化，通過(guò)向DIN寫(xiě)數據來(lái)初始化，數據可由DOUT讀出。另外還有直接DCSI參數設置模式。對于采用連續數據傳輸模式的DSP應用來(lái)說(shuō)，無(wú)法插入第二通信請求，可以采用此方式通過(guò)DCSI引腳來(lái)對控制寄存器直接編程。
ISP1581固件程序
ISP1581用作實(shí)現計算機與DSP進(jìn)行通信的高速通用接口。USB協(xié)議層的相關(guān)通信協(xié)議通過(guò)ISP1581來(lái)實(shí)現，它由硬件實(shí)現不需要固件的參與。C5402的主要作用是：當計算機操作系統配置、枚舉USB外設時(shí)，C5402發(fā)送、接收相關(guān)的USB設備信息。當操作系統配置、枚舉USB外設成功后，根據接收到的ID,進(jìn)行相應的操作，起控制作用。C5402與ISP1581之間通信采用中斷方式，當CPU 處理前臺任務(wù)時(shí)，USB 的傳輸可在后臺進(jìn)行。后臺ISR (中斷服務(wù)程序)和前臺主程序循環(huán)之間的數據交換通過(guò)事件標志和數據緩沖區來(lái)實(shí)現。圖4所示為ISP1581的固件程序結構圖。
計算機驅動(dòng)程序與應用程序
驅動(dòng)程序用于處理底層通信細節，實(shí)現具體的通信協(xié)議，為應用程序提供透明的傳輸接口。用戶(hù)可以自行編寫(xiě)硬件驅動(dòng)程序?？梢圆捎玫拈_(kāi)發(fā)工具主要有Windows DDK，DriverStudio，Windriver，采用后兩種工具開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序周期短，但程序編寫(xiě)不如第一種靈活。本系統的驅動(dòng)是用Windows DDK編寫(xiě)的，因此主機應用程序可以方便靈活地與硬件設備進(jìn)行數據交換。

結語(yǔ)
本文介紹了一種語(yǔ)音數據采集系統的軟硬件設計，該系統采用DSP作為主控制器，采用USB2.0實(shí)現與計算機之間的數據通信。本語(yǔ)音卡已經(jīng)應用于語(yǔ)音客觀(guān)評價(jià)系統項目中，效果良好?！?BR>參考文獻
1 張雄偉等. DSP芯片的原理及開(kāi)發(fā)應用[M].  北京：電子工業(yè)出版社，2003
2 Philips Semiconductors. AN10004-01 ISP1581 Programming Guide,2002
3 Texas Instruments. General-Purpose 3V to 5.5v 16Bit 22 KSPS DSP CODEC TLV320AIC10 Data Manual [EB/OL]. 2001