摘  要： 介紹了基于TMS320VC5510A實現(xiàn)的低功耗通用語音處理平臺的方案，并且在其上實現(xiàn)了多種語音壓縮算法以及基于算法的自適應(yīng)功耗控制，較好地達(dá)到了低功耗的要求。
關(guān)鍵詞： 語音處理  低功耗  DSP

　　語音信號處理在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，語音傳輸?shù)臄?shù)字化是全數(shù)字化移動通信系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。高質(zhì)量、低速率的話音編碼技術(shù)與高效率的數(shù)字調(diào)制技術(shù)結(jié)合，為現(xiàn)代移動通信提供了優(yōu)于模擬移動通信的系統(tǒng)容量、通信質(zhì)量和頻譜利用率。現(xiàn)代移動通信的發(fā)展也對系統(tǒng)的功耗提出了較高的要求，因此低功耗、高性能的DSP已經(jīng)越來越廣泛地被應(yīng)用于各個領(lǐng)域。本文介紹采用美國德州儀器公司(TI)最新開發(fā)出來的TMS320VC5510A，利用其數(shù)據(jù)處理能力及低功耗特性，并且結(jié)合MSP430F149增加了系統(tǒng)的控制能力，進(jìn)行各種語音算法的實時實現(xiàn)，對于實際開發(fā)語音處理系統(tǒng)具有重要的參考價值，并且該平臺已經(jīng)應(yīng)用于實際產(chǎn)品中。
1  語音處理系統(tǒng)組成及其原理
1.1 語音處理系統(tǒng)的組成
　　語音算法多種多樣，要求語音處理系統(tǒng)的前端提供符合算法精度要求的數(shù)字采樣信號，因此要求前端的A/D、D/A具有較高的采樣率和采樣精度。語音處理系統(tǒng)還有實時性的要求，在一些應(yīng)用中還要求語音編解碼算法、加解密算法、信道編解碼算法甚至調(diào)制、解調(diào)算法都在同一塊芯片中實現(xiàn)，因此要求系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力強，存儲空間大。在通常的DSP應(yīng)用系統(tǒng)中，DSP加上存儲器、A/D、D/A和外設(shè)接口就可以實現(xiàn)。但是越來越多的場合要求系統(tǒng)完成與外部系統(tǒng)的通信和控制，例如人機接口、信道傳輸設(shè)備等控制功能。這些均可以采用MCU＋DSP的結(jié)構(gòu)，以彌補單一DSP系統(tǒng)控制能力差的不足。經(jīng)過仔細(xì)選擇比較，最終的語音處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

1.2 語音處理系統(tǒng)原理
　　如圖1所示，模擬話音經(jīng)過功放構(gòu)成的帶通濾波器，通過TLV320AIC10的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成8 000Hz的數(shù)字信號，該采樣信號的精度為16位，對輸入模擬信號的幅度要求為-3.3～3.3V。數(shù)字化的語音信號通過同步串口（McBSP）傳送到DSP(TMS320VC5510A)內(nèi)部緩沖區(qū)，送入編碼器進(jìn)行編碼，得到的數(shù)據(jù)流通過同步串口（McBSP）及信道接口傳給終端，經(jīng)過信道編碼后傳輸。從信道收到的碼流經(jīng)過終端解碼通過同步串口（McBSP）傳給DSP內(nèi)部的緩沖區(qū)，送入解碼器進(jìn)行解碼，得到的數(shù)字化語音再通過同步串口（McBSP）傳給TLV320AIC10的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。為了增強該硬件平臺的控制能力，DSP（TMS320VC5510A）通過主機接口（HPI）與MCU(MSP430F149)進(jìn)行通信。并且增加了存儲器Flash(SST39VF800A)，以保證可以進(jìn)行脫機運行。
2  系統(tǒng)具體實現(xiàn)
2.1 主要芯片選擇及簡介
　　該平臺采用的TLV320AIC10是德州儀器公司推出的一款通用型低功耗16位A/D、D/A音頻接口芯片，適用于語音以及寬帶音頻處理；其數(shù)字接口采用同步串口方式，可以非常方便地與DSP的同步串口(McBSP)相連，其中SCLK提供位時鐘信號，F(xiàn)S提供幀同步信號，DIN為串行數(shù)據(jù)輸入，DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出。TLV320AIC10與DSP的串口連接方式如圖2所示。其中TLV320AIC10工作在主模式（Master Mode）下，DSP的同步串口（McBSP）工作在從模式(Slave Mode)下。同步串口的時鐘由TLV320AIC10的SCLK提供，為2.048MHz[1]。

　　系統(tǒng)的主要數(shù)字信號處理芯片TMS320VC5510A與TMS320VC54X相比，功耗更低，代碼執(zhí)行效率更高，而且與TMS320VC54X的指令完全兼容，具有以下特點。
　　(1)資源豐富。32位寬的外部存儲器接口(EMIF)，2個20位寬的定時器，6通道的DMA控制器和3個多通道緩沖串口（McBSP），16位增強主機并行接口（EHPI），8個通用管腳（GPIO）。
　　(2)數(shù)據(jù)處理能力強而且運算速度快。TMS320VC5510A采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，C55X的DSP在一個總線周期內(nèi)同時進(jìn)行3個數(shù)據(jù)讀和2個數(shù)據(jù)寫的操作，采用了并行的雙MAC結(jié)構(gòu)，提供了更強大的并行處理能力。
　　(3)功耗低。TMS320VC5510A采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，I/O供電電壓為3.3V，內(nèi)核供電電壓為1.6V，而且有多種低功耗工作模式，有效地降低了系統(tǒng)功耗。內(nèi)核靜態(tài)功耗為0.112mA/MIPS，I/O靜態(tài)功耗為0.148mA/MIPS。內(nèi)核動態(tài)功耗約為0.628mA/MIPS。
　　為了增加平臺的控制功能和擴(kuò)充能力，采用了TI公司的微控制器MSP430F149。該芯片是TI公司的一種超低功耗的Flash微控制器，內(nèi)核為16位RISC CPU。其存儲器模塊是目前業(yè)界所有內(nèi)部集成Flash存儲器產(chǎn)品中能耗最低的一種，具有超低功耗工作模式即活動模式(僅MSP430)且：400?滋A/MHz，3.0V。MSP430F149可以提供5種工作模式，最低功耗消耗可達(dá)1?滋A/MHz；采用IAR開發(fā)環(huán)境，可以直接進(jìn)行C語言編程，開發(fā)起來方便快捷[5]。
2.2 CODEC與DSP的接口電路設(shè)計
　　由于CODEC(TLV320AIC10)與DSP(TMS320VC5510A)都是TI公司提供的高速芯片，因此二者在速度和時序上可完全匹配，能實現(xiàn)芯片間的無縫連接(二者的連接示意圖見圖2)。
　　其中TLV320AIC10的工作時鐘由MSP430F149通過內(nèi)部分頻向TLV320AIC10的MCLK提供2.048MHz的時鐘作為系統(tǒng)時鐘。TLV320AIC10工作在主模式下，向TMS320VC5510A提供串行時鐘SCLK和幀同步信號FS。幀同步信號FS由TLV320AIC10內(nèi)部256分頻后通過FS管腳輸出，是脈寬為一個SCLK時鐘的8 000Hz正脈沖信號。TLV320AIC10的復(fù)位信號由DSP的通用I/O管腳提供，PWRDWN管腳用于控制TLV320AIC10的工作狀態(tài)：該管腳置低，TLV320AIC10停止工作，處于IDLE狀態(tài)，達(dá)到節(jié)省功耗的目的；該管腳置高，TLV320AIC10處于正常工作模式。本例中在該管腳處加了一個上拉電阻，以確保TLV320AIC10處于正常工作狀態(tài)。
　　DSP采用McBSP0與TLV320AIC10相連接，該McBSP0通用串口工作在從模式。BCLKR0/BCLKX0分別是通用串口接收和發(fā)送的移位時鐘，BFSR0/BFSX0分別是接收和發(fā)送的幀同步信號，BDR0是接收數(shù)據(jù)引腳，BDX0是發(fā)送數(shù)據(jù)引腳。接收來的數(shù)據(jù)可以由幀同步信號觸發(fā)中斷，由中斷服務(wù)程序進(jìn)行讀寫；也可以通過DMA通道直接轉(zhuǎn)換到特定的緩沖區(qū)中。
　　TLV320AIC10的幀可分為主幀和從幀。在主幀中進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的傳輸，在從幀中對TLV320AIC10的內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置。當(dāng)TLV320AIC10工作在15＋1位模式時，主幀的最后1個位決定主幀之后的下一個幀是從幀還仍然是一個主幀。在TLV320AIC10初始化過程中，通過這種方式對其進(jìn)行初始化，配置TLV320AIC10內(nèi)部的4個寄存器[3]。DSP配置TLV320AIC10寄存器的過程如圖3所示。

　　DSP主程序配置完TLV320AIC10的內(nèi)部寄存器以后，會設(shè)置相應(yīng)的中斷處理程序，打開相應(yīng)的中斷屏蔽，通過中斷服務(wù)程序進(jìn)行語音樣點的傳輸。
2.3 MCU與DSP的接口電路及通信方式
　　DSP(TMS320VC5510A)提供了增強型主機接口(EHPI)，可以工作在數(shù)據(jù)地址復(fù)用和不復(fù)用2種模式。在本例中采用了數(shù)據(jù)地址復(fù)用方式。MCU(MSP430F149）與DSP EHPI具體連接方式如圖4所示，EHPI的接口時序如圖5所示。

　　主機接口的關(guān)鍵控制信號線功能簡述如下。
　　HD[15：0]：HPI數(shù)據(jù)線，雙向，三態(tài)總線。在復(fù)用模式下，通過這16位總線傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)。
　　HA[19：0]：HPI地址總線。在復(fù)用模式下，HA[1]用作HCNTL1信號線，HA[2]用作HAS信號線。
　　HCS：HPI的片選信號線。作為MCU訪問DSP時的片選信號，在訪問過程中一直保持為低。本例中為了節(jié)省主機的I/O口線，將其一直接低。
　　HR/W：HPI讀寫信號線。標(biāo)識著MCU與DSP的通信方向。該信號線為高，表示MCU從DSP的存儲空間中讀取數(shù)據(jù)；為低，表示MCU將數(shù)據(jù)寫入DSP的存儲空間。
　　HDS1/2：HPI數(shù)據(jù)控制信號。可以適應(yīng)不同類型的MCU的數(shù)據(jù)控制信號。要將HCNTL2置高，本例中的接法是HCNTL1通過MSP430F149的P2.1來控制。
　　HRDY：HPI準(zhǔn)備好信號。DSP通過該信號通知MCU當(dāng)前主機接口是否可以訪問。為低，DSP的主機接口忙，MCU不能通過它訪問；為高，可以訪問。
　　HCNTL0/1：HPI訪問控制信號。在復(fù)用模式中，通過這2個信號決定本次MCU訪問的是DSP的HPI接口的內(nèi)部寄存器。
　　HAS：HPI地址控制信號。在復(fù)用模式中，直接置高。
　　HMODE：HPI模式選擇信號。置高，HPI工作在非復(fù)用模式下；置低，HPI工作在復(fù)用模式下。
　　HINT：主機中斷信號。當(dāng)DSP將該信號線置低時，表示DSP請求主機中斷。因此這根信號線應(yīng)加上拉電阻。
　　HBE0/1：HPI字節(jié)使能信號。TMS320VC5510A中置低，忽略該信號。
　　MSP430F149通過向DSP主機接口內(nèi)部的3個寄存器寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)來控制相應(yīng)的通信方式。在復(fù)用方式下，這3個寄存器分別是HPIC(控制寄存器)、HPIA(地址寄存器)、HPID(數(shù)據(jù)寄存器)。為了提高在復(fù)用方式下的訪問速度，DSP的HPI接口還提供了另外一個數(shù)據(jù)寄存器。當(dāng)MCU訪問連續(xù)地址時，可以通過HCNTL0/1選擇利用這個數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行連續(xù)訪問DSP內(nèi)部存儲器，相應(yīng)的地址寄存器會在每次訪問這個數(shù)據(jù)寄存器之后自動增加。
　　MCU和DSP的通信通過中斷完成。其中MSP430F149通過訪問HPIC寄存器，將其中的DSPINT位置1來觸發(fā)DSP的中斷，而DSP則通過將HINT信號線置低來觸發(fā)MCU的中斷。
　　當(dāng)前的硬件平臺中，通過置I/O口線的方式實現(xiàn)了MCU對DSP主機接口的讀寫操作，可以選擇通過主機啟動DSP的方式[4]。啟動過程的框圖如圖6所示。

3  系統(tǒng)軟件優(yōu)化降低功耗
　　上面已提到，在硬件平臺的設(shè)計中采用了低功耗的器件，屬于低功耗設(shè)計中的靜態(tài)技術(shù)。在系統(tǒng)軟件的具體實現(xiàn)中，可以根據(jù)執(zhí)行算法的情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，從而達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。由于DSP采用內(nèi)部可編程鎖相環(huán)（PLL）產(chǎn)生時鐘，可以使處理器根據(jù)對于計算能力的即時需求動態(tài)改變運行速度。雖然系統(tǒng)提供了幾種低功耗模式，但是相應(yīng)的喚醒時間各不相同，實際中要根據(jù)具體情況對功耗和喚醒時間綜合考慮。
由于MCU具有較強的事件響應(yīng)能力以及DSP具有較強的數(shù)據(jù)處理能力，因此可以通過MCU針對不同算法動態(tài)地改變系統(tǒng)的工作頻率及DSP的工作狀態(tài)，從而降低系統(tǒng)功耗。例如在該平臺運行清華大學(xué)自主研制的600、1 200、2 400bps語音算法，需要針對不同算法要求不同的數(shù)據(jù)運算量進(jìn)行動態(tài)配置。DSP采用MCU提供的8.192MHz的時鐘、通過片內(nèi)集成的DPLL進(jìn)行倍頻得到所需要的主時鐘。由于系統(tǒng)的部分代碼是處于54兼容模式下，所以在系統(tǒng)軟件的主函數(shù)中，當(dāng)不需要進(jìn)行編解碼操作時，系統(tǒng)可以處于正常狀態(tài)，即IDLE1或IDLE2狀態(tài)。更具體的管理可以使用c55x系列的IDLE domain(IDLE域)機制進(jìn)行管理[6]。3種狀態(tài)具體描述如下：
　　NO IDLE：定時器、通用串口和內(nèi)核均處于正常工作模式。
　　IDLE 1：定時器和通用串口正常工作模式，內(nèi)核處于IDLE狀態(tài)，由中斷喚醒。
　　IDLE 2：定時器、通用串口和內(nèi)核都處于IDLE狀態(tài)，由中斷喚醒。
　　針對不同的算法，由于要求的數(shù)據(jù)運算量不同，能夠保證算法工作的最低系統(tǒng)頻率也不同。通過對不同的數(shù)據(jù)運算要求動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可以最大限度地實現(xiàn)降低功耗的目的，從而實現(xiàn)針對不同運算量的功耗控制。實際使用中，當(dāng)DSP：運行600SELP算法時，系統(tǒng)工作在32.768MHz；運行1 200SELP算法時，系統(tǒng)工作在40.960MHz；運行2 400SELP算法時，系統(tǒng)工作在24.576MHz。與單一的運行在81.92MHz情況下相比，系統(tǒng)功耗分別降低了41％、36％、48％，大大減少了系統(tǒng)功耗。
　　該硬件平臺已經(jīng)成功運行了G.723.1、G.729A/B和CVSD等算法，并且獲得了良好的效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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