基于USB2.0接口的語音采集系統(tǒng)設計

引言

語音信號的采集和處理在網絡、通信、智能儀表、工業(yè)控制、醫(yī)療衛(wèi)生、公共安全等領域得到了越來越廣泛的應用，而這些工作都需要一套高速的語音信號采集系統(tǒng)來完成，要對語音進行采集就需要一種高速的，能進行長時間、大吞吐量數(shù)據傳送的計算機接口。USB2.0接口就是一種符合語音采集要求的計算機接口，同時，它還具有支持熱插拔、占用系統(tǒng)資源少、易于擴展、使用方便等優(yōu)點。DSP是利用專門或通用的數(shù)字信號處理芯片，以數(shù)字計算的方法對信號進行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強、體積小及可靠性高等優(yōu)點，可滿足對信號快速、精確、實時處理及控制的要求，本采集卡采用TI公司高精度浮點DSP芯片TMS320C6713作為主控制器，采用高精度數(shù)字編解碼芯片TLV320AIC23B實現(xiàn)ADC功能，使用Cypress公司EZ-USB SX系列中CY7C68001作為USB接口芯片，與傳統(tǒng)語音采集卡相比，在實現(xiàn)相同的性能條件下該采集卡成本進一步降低，使用更方便，具有很高的性價比。

1 系統(tǒng)硬件設計

語音采集系統(tǒng)是在TMS320C6713（簡稱"C6713"）平臺上設計開發(fā)的，該平臺的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)的總體設計任務：由主機的應用程序通過USB總線傳輸發(fā)出命令，控制采集卡對語音信號的采集、播放、數(shù)據傳輸和語音回放；同時根據采集卡返回的狀態(tài)字顯示語音采集卡的工作情況，語音采集過程：DSP控制TLV320AIC23B（簡稱"AIC23"）對語音信號進行采樣，采樣得到的數(shù)據，再經過DSP與USB之間的數(shù)據傳輸通道傳送至USB接口芯片，再傳送到主機上存儲，語音回放過程：主機把處理后的數(shù)據傳給USB接口芯片，DSP通過與USB之間傳輸通道取數(shù)據，然后將數(shù)據傳給D/A轉換器，經D/A轉換后輸出。

USB芯片CY7C68001實現(xiàn)主機和DSP外設的高速數(shù)據通信，DSP作為控制器和系統(tǒng)的快速處理得執(zhí)行者，主要任務是根據主機傳來的命令或參數(shù)，以盡快的速度完成數(shù)據傳送。本卡將CY7C68001配置在C6713的EMIF的CE3空間，采用CY7C68001的異步讀/寫方式完成二者之間數(shù)據和命令的交換，CY7C68001除了存儲器接口外，還有1個中斷信號（USBINT）和4個狀態(tài)信號（READY、FLAGA、FLAGB和FLAGC）及中斷信號USBINT使用C6713的外部中斷EXT_INT5；同時USBINT中斷還被映射到板卡的控制狀態(tài)寄存器（UN_REG）中，供C6713查詢，以確定真正的中斷源，C6713是通過EMIF來完成CY7C68001的數(shù)據與命令的交換，在XC9572XL內部構造時序邏輯來完成DSP與USB芯片的通信。其連接如圖2所示。

AIC23有2個接口，一個是控制口，用于設置AIC23的工作參數(shù)，另一個是數(shù)據口，用于傳輸AIC23的A/D、D/A數(shù)據，這部分與C6713的MCASP無縫連接。連接電路如圖3所示，在本卡中AIC23配置成主模式，AIC23的控制口使用2線制的I2C方式，其中CS的反是片選信號，低電平有效；SDIN是AIC23控制口串行數(shù)據輸入，SCLK是AIC23控制口的位-時鐘。數(shù)據口使用I2S方式，與DSP的MCASP0連接，其中，BCLK表示數(shù)據口位-時鐘信號，LRCIN表示數(shù)據口DAC輸出的幀同步信號，LRCOUT表示數(shù)據口ADC輸入的幀同步信號，DIN表示數(shù)據口DAC輸出的串行數(shù)據輸入，DOUT表示數(shù)據口ADC輸入的串行數(shù)據輸出。BCLK由AIC23產生，MCASP0的發(fā)送與接收時鐘均由AIC23來提供。

DSP外部擴展了2片現(xiàn)代半導體公司的（4 Bank1M16位）HY57V641620HGT-P SDRAM，提供DSP程序運行器件所需的動態(tài)存儲空間。SDRAM的片選信號直接與DSP的EMIFA外設的信號相連，從而使SDRAM被映射到DSP的0x80000000-0x80FFFFFF地址范圍內。在對SDRAM進行讀/寫訪問前，需通過EMIF的控制寄存器CE0CTL將空間配置為32位SDRAM存儲器接口，通過SDCTL、SDTIM、SDEXT等寄存器設置SDRAM的讀/寫時序和參數(shù)，DSP與SDRAM的連接如圖4所示。

另外，擴展了AMD公司的一片Am29LV320D（4M8位/2M16位）Flash存儲器，用于保存上電引導的用戶程序。如果DSP采用ROM引導模式，則在DSP復位之后，DSP會把EMIF的CE1空間的1KB的ROM代碼搬移到片內RAM空間，從而實現(xiàn)自舉引導，所以本設計中把Flash的片選信號連接到了DSP的EMIF的引腳，從而使Flash映射到DSP的0x90000000-0x900FFFFF地址范圍內。由于Flash是以8位進行訪問的，所以其物理地質以8位為單位進行編址。DQ15/A-1引腳的"A-1"表示字節(jié)模式，故將EA2與DQ15/A-1引腳連接。Flash的接口示意圖如圖5所示。

2 軟件設計

在USB固件的開發(fā)過程中，使用了固件架構來進行固件的開發(fā)，將整個程序按功能劃分成了6個功能模塊：主循環(huán)模塊、廠商定義請求處理模塊、標準設備請求處理模塊、中斷服務程序模塊、命令接口模塊和數(shù)據接口模塊，DSP一旦上電就需要初始化PLL寄存器、EMIF寄存器、CSL庫初始化和中斷配置。設備上電后，主機通過設備的上拉電阻產生的信號變化來檢測新的設備連接，然后判斷CY7C68001是否準備好，如果準備好就打開中斷，加載描述符，等待自舉成功；一旦自舉成功就初始化CY7C68001，檢查事件標志并進入對應的模塊程序做進一步的處理。主循環(huán)模塊的流程如圖6所示。

中斷處理子程序首先判斷中斷的產生源，然后進行相應的處理、設置。中斷信號USBINT使用C6713的外部中斷EXT_INT5，給出的外部信號指示DSP有中斷產生或USB寄存器讀請求。具體流程如圖7所示。

USB設備驅動程序主要是通過調用微軟的USBD.SYS來實現(xiàn)PC機與USB總線的數(shù)據交換，其主要功能是為相應的USB設備建立設備驅動對象，并完成對USB設備的初始化、對USB設備的即插即用功能和電源的管理，實現(xiàn)對USBD.sys的調用以及對USB設備的控制與數(shù)據的交換。我們使用了第三方的開發(fā)工具--Numega公司的Driverstudio進行開發(fā)，DriverStudio能加速開發(fā)、調試、測試、調整和配置WDM驅動程序。DriverWorks框架結構為USB設備驅動程序的開發(fā)提供了3個類：KUsbLowerDevice、KusbInerface和KusbPipe，用于實現(xiàn)USB設備的操作。KUsbLowerDevice類是KPnPLowerDevice類的派生類，它繼承了KPnPLowerDevice類的成員函數(shù)，主要用于邏輯設備（底層USB設備）的編程。KUsbLowerDevice類實例代表端點0，允許USB驅動程序通過默認控制管道控制USB設備，如配置USB設備、傳輸各種控制狀態(tài)和請求，KUsbInerface類用于接口的編程，它的作用更多的是結構上的而非功能上的，其成員函數(shù)幾乎不與實際物理設備交互作用，設備驅動程序使用這個類可以獲得接口和管道的信息。KUsbPipe類用于管道的編碼，管道是主機和端點的一個信息連接，只有深刻理解這3個類，才能進行USB設備驅動程序的編寫，本設計中要為Windows XP開發(fā)一個設備驅動程序，DriverWork提供獨特的DriverWizard可以自動生成代碼，精心制作的類庫減少了對簡單接口的復雜操作。

應用程序的主要功能是實現(xiàn)對數(shù)據采集系統(tǒng)的控制采集和數(shù)據處理，并在計算機中顯示處理結果，在Win32系統(tǒng)中，把每一個設備都抽象為文件，通過調用Win32 API函數(shù)應用程序，向設備驅動程序發(fā)出特定的IRP請求，就可以實現(xiàn)應用程序與WDM驅動程序通信，設備驅動程序得到請求后，向更底層驅動程序傳遞IRP請求，最后到達硬件設備，完成對硬件設備的控制與訪問操作，這個通信過程大致可這樣描述：應用CreateFile（）函數(shù)打開設備并創(chuàng)建到設備的連接；然后用DeviceIoControl（）函數(shù)或者ReadFile（）函數(shù)、WriteFile（）函數(shù)與WDM驅動程序進行通信，包括從驅動程序中讀取數(shù)據和寫入數(shù)據兩種情況。應用程序退出時，用CloseHandle（）函數(shù)關閉設備。

語音采集板卡用USB2.0接口來實施數(shù)據傳送，實現(xiàn)廠商定義請求的處理功能，以及語音采集、傳送到主機以*.dat格式文件保存、主機讀取*.dat格式傳送到語音采集板卡、語音回放功能。實踐證明，回放的語音信號清晰，失真度低，效果良好。

結語

本文講DSP的高速數(shù)據處理能力與USB2.0接口的高速數(shù)據傳輸能力有機結合，采用TMS320C6713和USB2.0接口設計實現(xiàn)了一個語音信號采集系統(tǒng)。實驗表明：USB接口工作正常，語音采集卡運行穩(wěn)定，實時性高，具有較高的精度，固件程序、USB設備驅動程序和應用程序都能正常地運行，且具有使用方便、性價比高的優(yōu)點，通過主機界面可方便地控制語音信號的采集和播放，并可將采集到的語音數(shù)據通過USB接口高速傳輸?shù)接嬎銠C進行存儲和回放，達到了語音采集系統(tǒng)的設計目標。