嵌入式數(shù)字多媒體終端硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)字多媒體終端的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
數(shù)字語音教學(xué)系統(tǒng)由教師端、多個(gè)學(xué)生端(數(shù)字多媒體終端)、數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。其中，教師端一般采用計(jì)算機(jī)控制，主要完成系統(tǒng)管理及網(wǎng)絡(luò)管理。學(xué)生端既可以基于PC機(jī)平臺(tái)，也可以采用經(jīng)濟(jì)型獨(dú)立設(shè)備。數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)是所要傳輸?shù)亩嗝襟w信息的載體。本文就是針對學(xué)生端設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的獨(dú)立設(shè)備。它采用嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器DSP+CPLD+接口電路的設(shè)計(jì)模式。數(shù)字信號(hào)處理器DSP實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的處理、網(wǎng)絡(luò)接口部分的控制及多任務(wù)的管理。CPLD完成網(wǎng)絡(luò)適配部分設(shè)計(jì)及部分外圍電路控制。接口電路包含網(wǎng)絡(luò)接口、模擬語音輸入輸出接口。語音傳輸中要保證語音傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和交互性，實(shí)現(xiàn)學(xué)生端與教師端和其他學(xué)生端的通信。
硬件平臺(tái)構(gòu)造于DSP嵌入式系統(tǒng)上，該平臺(tái)采用了TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC5402作為核心部件，利用可編程邏輯器件XC95288開發(fā)了外圍控制電路和接口電路，其電路如圖1所示。它主要包括以下幾部分：
多種設(shè)備接口
包括網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出接口、話筒輸入接口和耳機(jī)輸出接口。
語音信號(hào)前置放大
由于從話筒輸入的語音信號(hào)比較微弱(1～30mV)，達(dá)不到編解碼器對信號(hào)強(qiáng)度的要求，因此必須進(jìn)行前置放大，這里由專用前置放大芯片完成。
語音信號(hào)的轉(zhuǎn)換及編解碼
語音信號(hào)的A/D，D/A轉(zhuǎn)換及編解碼功能是利用MC145480完成的，它的優(yōu)點(diǎn)是：①可將語音信號(hào)的A/D，D/A轉(zhuǎn)換及編解碼集成在一個(gè)芯片中，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性；②只需單電源供電，減少了雙電源供電所帶來的電源干擾問題，提高了語聲質(zhì)量；③可提供A律及m律兩種編碼格式，提供符合ITU-T G.711建議的語音數(shù)據(jù)流。
系統(tǒng)控制、管理與語音壓縮
由數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC5402完成。該芯片處理速度快，可實(shí)現(xiàn)語音的實(shí)時(shí)處理，并實(shí)現(xiàn)語音的回聲抑制功能。除了能完成DSP所提供的功能外，利用內(nèi)嵌的DSP/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)并建立語音實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。
網(wǎng)絡(luò)適配電路
本網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參考令牌總線網(wǎng)，物理拓?fù)洳捎每偩€型結(jié)構(gòu)，由一根線形的電纜連接各個(gè)站點(diǎn)。邏輯拓?fù)洳捎铆h(huán)形結(jié)構(gòu)，每個(gè)站點(diǎn)知道自己左邊和右邊站點(diǎn)的地址，在邏輯上構(gòu)成一個(gè)環(huán)，數(shù)據(jù)沿環(huán)逐節(jié)點(diǎn)順序傳送。這種物理結(jié)構(gòu)具有以太網(wǎng)電纜的可靠性，不會(huì)因某處電纜故障物而在物理上導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。其所需電纜長度短，安裝費(fèi)用低，易于布線、維護(hù)和擴(kuò)充。而且，物理上共享總線的站點(diǎn)之間可以直接通信，響應(yīng)速度較快。同時(shí)，由于總線電纜固有的廣播特性，使得應(yīng)用中廣播功能的實(shí)現(xiàn)較為容易。另外，由于邏輯環(huán)是公平的，每一站點(diǎn)對信道的訪問時(shí)間有一個(gè)確定的上界，因此可以防止某一站點(diǎn)獨(dú)占信道這種情況的發(fā)生。共享媒體語音網(wǎng)是一個(gè)局域通信網(wǎng)絡(luò)，它沒有路由問題，任何兩個(gè)站點(diǎn)之間可以使用一條直接鏈路，所以不需要單獨(dú)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)層，而可以將尋址、排序、流控、差錯(cuò)控制等功能都放在數(shù)據(jù)鏈路層中實(shí)現(xiàn)。
該控制電路利用XILINX公司的可編程邏輯器件CX95288實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)適配器把數(shù)據(jù)總線上的低電平并行信號(hào)轉(zhuǎn)換成0、1碼流，通過連接網(wǎng)絡(luò)各站點(diǎn)的電纜傳輸。它采用特殊技術(shù)，以便利用適配器共享局域網(wǎng)線纜、局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制MAC方式和發(fā)送信號(hào)的類型。電路包括網(wǎng)絡(luò)接口、接收電路、發(fā)送電路及與DSP的接口電路。其中，網(wǎng)絡(luò)接口部分采用通用的RS-485通信接口，實(shí)現(xiàn)簡單。共享媒體語音網(wǎng)絡(luò)的適配器電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

數(shù)字多媒體終端的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
數(shù)字多媒體終端系統(tǒng)除了利用DSP完成信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)全部系統(tǒng)控制功能之外，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，需要對DSP、存儲(chǔ)器、外設(shè)等各種資源加以管理，同時(shí)還要處理多任務(wù)并發(fā)操作和不同任務(wù)之間的協(xié)調(diào)。為了保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本文采用了DSP/BIOS實(shí)現(xiàn)上述工作。
DSP/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
DSP/BIOS是TI公司推出的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，與TI的Code Composer Studio(CCS)集成在一個(gè)開發(fā)環(huán)境下。目前最新的版本是CCS 2.0 中的DSP/BIOS II。它支持軟件模塊化，通過修改內(nèi)核提供占先式多任務(wù)服務(wù)；具有設(shè)備獨(dú)立的I/O數(shù)據(jù)流模型；可以對內(nèi)存進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配與內(nèi)存管理。DSP/BIOS實(shí)際上是一個(gè)可調(diào)用的系統(tǒng)模塊API的集合，利用DSP/BIOS調(diào)試工具可以對程序進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤與分析，提高應(yīng)用程序開發(fā)的可靠性。通過DSP/BIOS 插件(Plug-ins)可實(shí)時(shí)觀察內(nèi)核中各線程的執(zhí)行狀態(tài)和對象的當(dāng)前屬性。利用配置工具(Configuration Tool)開發(fā)者可以對各個(gè)模塊實(shí)行配置。非常有效地提高項(xiàng)目了開發(fā)效率，簡化了DSP應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試。
DSP/BIOS實(shí)時(shí)語音處理多任務(wù)系統(tǒng)
對語音信號(hào)的處理利用DSP/BIOS建立實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。DSP與音頻編解碼器之間的通信通過DSP的外設(shè)多通道緩沖串行口(McBSP)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)測試。簡單的語音處理系統(tǒng)由采集線程和播放線程兩個(gè)應(yīng)用任務(wù)組成。每個(gè)應(yīng)用任務(wù)分別對應(yīng)一個(gè)輸入SIO和一個(gè)輸出SIO流，通過兩個(gè)半雙工通道(一個(gè)輸入，一個(gè)輸出)來訪問連接到音頻編解碼器的DSP多通道緩沖串行口。另外，在兩個(gè)任務(wù)之間的數(shù)據(jù)交換通過DPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)完成。具體實(shí)現(xiàn)包括：
● 建立設(shè)備驅(qū)動(dòng)
設(shè)備驅(qū)動(dòng)采用DAX驅(qū)動(dòng)程序作為管理設(shè)備的軟件模塊。DAX驅(qū)動(dòng)模塊由DAX頭文件和DAX函數(shù)組成。DAX_Params作為配置工具設(shè)備驅(qū)動(dòng)對象的屬性。每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊同時(shí)還需要一個(gè)控制模塊，控制模塊由外部函數(shù)bind、start、stop和unbind等組成，通過DAX_Params參數(shù)結(jié)構(gòu)和配置工具配置控制器。其中，控制器的bind(unbind)函數(shù)負(fù)責(zé)綁定(解除綁定)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊對設(shè)備端口的控制?？刂破鞯膕tart函數(shù)負(fù)責(zé)調(diào)用流SIO_get時(shí)打開設(shè)備端口，也就是打開McBSP的接收和發(fā)送中斷使ISR中斷服務(wù)線程正常運(yùn)行。控制器的stop函數(shù)使停止中斷運(yùn)行并關(guān)中斷。
DAX函數(shù)由配置工具中設(shè)備對象的函數(shù)表調(diào)用，在dax.c中初始化驅(qū)動(dòng)函數(shù)表DAX_FXNS，DAX函數(shù)表的結(jié)構(gòu)如下所示：
DEV_Fxns DAX_FXNS = {
DAX_close,
DAX_ctrl,
DAX_idle,
DAX_issue,
DAX_open,
DAX_ready,
DAX_reclaim
};
應(yīng)用程序不直接調(diào)用驅(qū)動(dòng)函數(shù),這個(gè)函數(shù)表用于SIO模塊調(diào)用特定的設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)，SIO模塊依次發(fā)送通常的函數(shù)調(diào)用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)函數(shù)。
● 建立SIO流
本文利用靜態(tài)配置工具為每個(gè)任務(wù)建立一個(gè)輸入流和一個(gè)輸出流，采樣線程對應(yīng)采樣輸入流inSample和輸出流outSample,播放線程對應(yīng)播放輸入流inSink和輸出流outSink。
● 建立任務(wù)
系統(tǒng)利用DSP/BIOS建立兩個(gè)任務(wù)tasksample和tasksink，分別對應(yīng)Sample 和Sink線程，以完成語音的采集處理與播放處理。采樣線程Sample和播放線程Sink調(diào)用相同的I/O處理函數(shù)，I/O處理函數(shù)如下所示：
static Void doStreaming(SIO_Handle input, SIO_Handle output, Uns nloops)
{
Ptr buf;
Int i, nbytes;
if ( SIO_staticbuf(input, &buf) == 0) {
SYS_abort("Error reading buffer");
}
while(1) {
if ((nbytes = SIO_get(input, &buf)) < 0) {
SYS_abort("Error reading buffer %d", i);
}
if (SIO_put(output, &buf, nbytes) < 0) {
SYS_abort("Error writing buffer %d", i);
}
}
}
雖然兩個(gè)線程調(diào)用了相同的I/O處理函數(shù)，但是由于對應(yīng)不同的輸入/輸出流，因此在多任務(wù)操作中，不會(huì)出現(xiàn)沖突。
● 建立中斷服務(wù)程序
使用HWI硬件中斷服務(wù)管理器HWI配置相應(yīng)的中斷服務(wù)程序ISR。當(dāng)接收發(fā)生中斷時(shí)，ISR將接收的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，當(dāng)接收緩沖區(qū)滿時(shí)，通知設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序DAX，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到inSample流中，供上層任務(wù)處理。
結(jié)語
本文針對傳統(tǒng)模擬語音教學(xué)系統(tǒng)的弊端提出了數(shù)字語音教學(xué)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)平臺(tái)主要為數(shù)字語音教室的隨意分組討論、點(diǎn)名、選擇題問答、播放備課文件、回放等一系列功能提供了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。同時(shí)通過共享多種媒體，如聲音、音樂、文字、圖象等，減少時(shí)間浪費(fèi)，使教學(xué)高效、生動(dòng)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和想象力，有很好的開發(fā)應(yīng)用價(jià)值?！?BR>參考文獻(xiàn)：
1．TMS320C54XDSP Applications Guide.Texas Instuments, 1999.
2． TMS320C54XDSP Enhanced Peripherals.Texas Instuments, 1999.
3． 朱之劍、呂進(jìn)，《多媒體技術(shù)及其應(yīng)用》，浙江科學(xué)技術(shù)出版社，1997年5月.
4． 胡道元，《計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)》(第二版)，清華大學(xué)出版社，1996年12月.


圖1 嵌入式多媒體終端硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 網(wǎng)絡(luò)適配器電路結(jié)構(gòu)