基于TMS320VC5510的低功耗加密型語音硬件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

　　 高質(zhì)量、低速率的語音編碼算法在現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中地位越來越重要，被廣泛應(yīng)用于諸如IP電話、語音信箱、軍事無線通訊等領(lǐng)域。特別是在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，信道帶寬很窄而且誤碼率較高，要在這種信道上實現(xiàn)語音通訊，低速和甚低速語音壓縮編碼技術(shù)是關(guān)鍵。以前由于硬件條件的限制，此類的低速率復(fù)雜編解碼算法往往只能停留在原理和計算機(jī)實現(xiàn)階段。近些年來，由于VLSI技術(shù)的蓬勃發(fā)展，尤其是高性能數(shù)字信號處理芯片的DSP的普及，這些編碼算法開始大規(guī)模的運(yùn)用到了現(xiàn)實領(lǐng)域。本次設(shè)計就是為這套軍用語音編碼算法標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計一個通用編解碼平臺。該平臺已經(jīng)做為嵌入式低功耗語音模塊，應(yīng)用到語音編碼和語音合成等領(lǐng)域，并已小規(guī)模量產(chǎn)。

　　1． 語音硬件平臺的總體介紹和系統(tǒng)框架

　　本語音信號處理平臺需要考慮以下幾個方面的設(shè)計要求。在運(yùn)算量方面，本平臺上運(yùn)行的幾種語音編碼算法都具有比較高的運(yùn)算復(fù)雜度，經(jīng)過CCS的仿真測試結(jié)果表明，至少要求DSP芯片有50MIPS的處理能力。在接口設(shè)計方面，搭載本聲碼器模塊的通訊平臺定義了如表1所示的接口管腳，其中VIN和VOUT分別連接到通訊平臺的話筒和聽筒上的輸入和輸出話音，PTT連接到話筒的按鈕上，按下PTT表示請求通話。TXD和RXD分別是發(fā)送和接收的數(shù)字語音碼流信號，RTS和CD分別是發(fā)送和接收碼流指示，為低電平的時候表示碼流有效。TXC為系統(tǒng)的同步時鐘。在功耗方面，由于是手持式設(shè)備，要求采用低功耗設(shè)計，以延長電池的使用時間。另外，設(shè)計系統(tǒng)的安全性也是一個需要考慮的因素。

　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　表1 硬件平臺接口信號定義

　　基于以上幾項設(shè)計要求，以及以前設(shè)計的原型系統(tǒng)原理[7]，我們提出了一個基于TMS320VC5510A2和MSP430F149的設(shè)計方案。[1] 5510A2是德州儀器公司的55系列DSP的最高端的產(chǎn)品，這個系列的DSP是特別針對手持式終端設(shè)備應(yīng)用場合設(shè)計的，同等條件下其內(nèi)核的功耗僅為54系列DSP的三分之一，而且具有更高的代碼執(zhí)行效率，其指令也與54系列的相互兼容，可以很方便的進(jìn)行代碼的移植。5510A2的最高數(shù)字信號的處理能力為200MIPS，能夠很好的滿足本平臺對運(yùn)算的要求。[6]MSP430F149是德州儀器生產(chǎn)的一款極低功耗的16位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，我們用他來做為主控芯片輔助DSP完成程序加載和系統(tǒng)加密的功能。圖1給出了該硬件平臺的總體框圖。

　　　　　　　　　　圖1 語音處理平臺硬件結(jié)構(gòu)總框圖

　　如圖所示，當(dāng)PTT被按下則表示請求通話，話筒輸入的模擬話音VIN通過一個放大電路放大之后輸入語音CODEC芯片TLV320AIC11，TLV320AIC11內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成16bit的線性PCM格式并通過DSP的McBSP0口傳送到DSP內(nèi)部接收語音緩沖區(qū)，DSP在緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)在積累到一定幀長之后啟動編碼算法編成特定碼率的碼流。編好的碼流被送入另一發(fā)送比特流緩沖區(qū)緩沖。該緩沖區(qū)內(nèi)的信號在同步時鐘TXC的上升沿被送到MODEM的調(diào)制模塊調(diào)制并發(fā)射出去。同時，DSP檢測MODEM的CD信號，當(dāng)CD信號有效（低電平）時，在同步時鐘TXC的下降沿鎖存RXD上的數(shù)據(jù)并送入DSP內(nèi)的接收比特流緩沖區(qū)。當(dāng)接收比特緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)積累到一定長度時，DSP啟動解碼程序?qū)⑵浣獯a成16bit的PCM語音。該語音通過McBSP0口被送入TLV320AIC11，TLV320AIC11內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成模擬的語音信號送入聽筒。

　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　圖2 CODEC芯片和DSP、MCU的硬件連接

　　語音CODEC芯片和DSP、MCU的硬件連接圖如圖2所示，[5]TLV320AIC11是德州儀器公司生產(chǎn)的一款語音CODEC芯片，其片內(nèi)集成了一個A/D和一個D/A模塊，并且有內(nèi)置的運(yùn)算放大器，因此僅需要很少的部件就可以將無源話筒和聽筒連接到AIC11上。同時，由于它可以和TI公司的DSP無縫連接。如圖所示，本次設(shè)計中AIC11工作在主模式下（M/S=1），在這個模式下，芯片的采樣率為SCLK腳輸入的時鐘頻率的1/256。SCLK腳輸入的時鐘來源于MCU的P5.5，這個管腳是MCU的副時鐘輸出為MCU主時鐘的1/4。由于MCU工作在4.096MHz，因此CODEC的采樣頻率為8KHz。AIC11以8KHz的頻率在FS上發(fā)出同步脈沖，并在DOUT腳上將16bit的PCM數(shù)據(jù)流發(fā)送到DSP。同時從DIN管腳接收DSP發(fā)送過來的經(jīng)過解碼的16bit PCM語音。由于使用了AIC11，系統(tǒng)的使用“粘合邏輯”部件大大減小，從而有效的縮小了硬件電路板的面積。

　　2． 硬件系統(tǒng)加密設(shè)計

　　有效的保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)是產(chǎn)品開發(fā)必須要考慮的因素。TI的C55x系列DSP芯片是一種開放式的總線結(jié)構(gòu)，因此別有用心的人可以通過JTAG接口和相應(yīng)軟件訪問并分析DSP內(nèi)部存儲區(qū)的代碼和數(shù)據(jù)，或者僅僅是直接導(dǎo)出并復(fù)制這些信息，就可以輕易竊取產(chǎn)品。針對這種現(xiàn)實情況，最好的解決方法是將程序交由芯片的生產(chǎn)商掩模入芯片內(nèi)部的ROM儲存區(qū)內(nèi)，再去除DSP芯片中的JTAG邏輯模塊， DSP內(nèi)部的總線與外界隔離，這樣從外部就無法獲得片內(nèi)的信息。然而當(dāng)產(chǎn)品的產(chǎn)量不大的時候，掩模ROM在成本上來說是不現(xiàn)實的，需要另外想辦法。

　　本次設(shè)計所提出的是一種基于TI公司MSP430F149單片機(jī)作為硬件加密部件的方法。[6]MSP430F149是TI生產(chǎn)的一款16位RISC結(jié)構(gòu)的Flash型單片機(jī)。不僅功耗極低，其另外一個特點就是其內(nèi)部的熔斷型Flash儲存單元。當(dāng)開發(fā)過程結(jié)束，程序?qū)懭隡SP430內(nèi)部的Flash之后，開發(fā)者可以將Flash連接在MSP430總線上的融絲融斷，熔斷之后如果想訪問其內(nèi)部的程序和數(shù)據(jù)，必須在單片機(jī)的JTAG引腳上加上一定時序的信號，進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部的一段BOOTSTRAP程序，該BOOTSTRAP程序要求用戶向一個密碼寄存器內(nèi)寫入一個32個字節(jié)的密碼，如果該密碼和事先寫入Flash特定位置的一個密碼相符，才能訪問片內(nèi)的程序和數(shù)據(jù)資源，否則只能允許進(jìn)行擦除整個Flash的操作。通過這種機(jī)理達(dá)到保護(hù)用戶程序數(shù)據(jù)代碼的目的。

　　鑒于MSP430F149的內(nèi)部數(shù)據(jù)無法復(fù)制和訪問的特點，我們提出了一種基于MSP430F149的硬件加密方法。

　　　　　　　　　　　　圖3　DSP和MSP430的硬件連接示意圖

　　圖3是MSP430和DSP之間的硬件連接示意圖[3]。如圖所示，這種連接方式將DSP和MCU配置成了16位復(fù)用連接模式（HMODE＝0），數(shù)據(jù)和地址共享HD總線。HRW、HCNTL0和HCNTL1的不同組合分別表示對DSP的EHPI口的三個寄存器HPID（數(shù)據(jù)）、HPIA（地址）、HPIC（控制）讀寫，具體的組合方式如表2所示。

　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　表2 復(fù)用模式下EHPI口讀寫類型指示

　　具體加密方式簡述如下：

　　1）為每一塊電路板指定一個128位的密鑰，密鑰的選擇完全隨機(jī)，只要不同板子不相同即可。將密鑰和加密算法（DES或是其他的加密算法）燒寫入MSP430的內(nèi)部做為DSP boot程序的一部分。

　　2）使用該密鑰和加密算法，將加密后的語音編解碼算法的程序和數(shù)據(jù)燒寫入DSP的外部存儲Flash芯片之中。

　　3）將DSP設(shè)置成工作于HPI口boot模式，在每次重啟之后，主機(jī)將一段BOOT程序裝入起始位置為0x10000程序空間里（該段BOOT程序中包含了解碼程序），并將128位的密鑰load到DSP內(nèi)部的某個特定位置。主機(jī)將DSP的RST引腳置高表示主機(jī)的load過程結(jié)束。DSP自動從0x10000的位置開始執(zhí)行程序，這段程序從Flash中讀入加密了的程序和數(shù)據(jù)，并使用主機(jī)寫入的解密程序并結(jié)合128位的密鑰進(jìn)行解密，解密后的程序和數(shù)據(jù)被裝載入DSP的程序和數(shù)據(jù)段內(nèi)開始正常的運(yùn)行。

　　由于每塊電路板對應(yīng)于一個唯一128位密鑰，因此DSP的外部Flash中加密的程序和數(shù)據(jù)對于竊密者來說完全沒有意義。該密鑰和解密程序被保存在MSP430中，因此不可能被竊取或者復(fù)制。他們只有在主機(jī)啟動的時候才被動態(tài)的load到DSP中。DSP的程序在開始執(zhí)行正常的解碼程序之前運(yùn)行一段程序覆蓋這段lood區(qū)間，于是，竊密者便無法獲知啟動的具體操作。

　　4）將比特流打包解包程序放置在MSP430中。編碼時當(dāng)DSP中的每一幀接收語音編成特定長度的比特流之后，就向MSP430發(fā)送一個中斷請求。當(dāng)收到該請求之后，MSP430通過DSP的EHPI口讀入該比特流，并調(diào)整各個比特位之間的順序。調(diào)整之后的比特流被回寫入DSP的發(fā)送比特流緩沖區(qū)，并根據(jù)同步時鐘傳送到MODEM。同樣，當(dāng)DSP接收比特流緩沖區(qū)接收滿一幀時，向MSP430發(fā)送中斷，MSP430在接收到這個中斷之后通過EHPI口讀入接收比特流緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，完成比特位置的重排的恢復(fù)。

　　這種方式可以有效的保證代碼的安全性以及整個系統(tǒng)的保密性。對于基于開放總線的DSP系統(tǒng)來說，這種方式不失為一個很有效的通用的硬件加密方法。

　　　　　　
　　　　　　圖4 MSP430和DSP啟動的軟件流程圖

　　3． 低功耗設(shè)計

　　本硬件平臺的低功耗設(shè)計的從三方面出發(fā)，1）選擇低功耗的器件。2）充分利用芯片的低功耗模式；3）動態(tài)的改變芯片的運(yùn)行頻率。

　　選用低功耗的器件：這是節(jié)省功耗的最直接的方式，現(xiàn)在的芯片大多通過降低內(nèi)核供電電壓降低功耗，現(xiàn)行的低功耗器件的供電電壓一般都小于2V，TI的DSP大都采用兩種電壓驅(qū)動，內(nèi)核電壓1.2-1.6V，I/O電壓3.3V，這既能有效的降低內(nèi)核動態(tài)功耗，還能兼顧I/O的電平兼容性。TI公司的MSP430系列的MCU也是一款功耗相當(dāng)?shù)偷钠骷?.3V下，其正常工作通常只需要十幾個mW的供電，如果將其設(shè)置成IDLE或者睡眠模式模式，其功耗將會更低。這些都是我們選擇器件重點考慮到的因素之一。

　　充分利用芯片的低功耗模式：[4]5510A2芯片內(nèi)部劃出了五個獨(dú)立的IDLE域（Domain），分別負(fù)責(zé)CPU、DMA、CACHE、外設(shè)、時鐘生成器、EMIF接口的配置。每個域可以獨(dú)立的將該域管轄的多個部件設(shè)置成活動模式或IDLE模式以此降低DSP地功耗。針對本次設(shè)計，由于沒有使用到DMA、CACHE、時鐘生成器三個域中的外設(shè)，故將這三個域設(shè)置成了IDLE模式。EMIF域在DSP和MSP交換數(shù)據(jù)（為了調(diào)整發(fā)送和接收的比特流）時才被置為活動，其他時候被置為IDLE。通過這樣的處理，避免了空閑的部件白白消耗能量。[5]TLV320AIC11也可以單獨(dú)的將A/D和D/A部分禁用。當(dāng)PTT沒有按下時，表示沒有話音輸入，這時可以將A/D部分置為IDLE狀態(tài)。同樣的，當(dāng)MODEM的CD信號為高的時候，表示沒有有效的數(shù)字碼流輸入聲碼器，故在此時可以將D/A部分設(shè)為IDLE狀態(tài)。通過對著這個芯片的低功耗模式的操作，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的功耗。

　　動態(tài)頻率控制：這種方法的及根據(jù)預(yù)測的算法運(yùn)算量的大小，動態(tài)的調(diào)整芯片的運(yùn)行頻率，從而達(dá)到節(jié)省功耗的目的。在本文設(shè)計的平臺上運(yùn)行的三種低速率語音編解碼算法中，600bps、1200bps、2400bps的峰值運(yùn)算量分別為37.4MIPS、59.2MIPS、44.8MIPS，因此將DSP的工作頻率分別設(shè)置在40.096MHz、65.536MHz、49.152MHz。實驗證明，這樣處理能夠很有效地降低DSP的內(nèi)核功耗。

　　4． 小結(jié)

　　該平臺具有強(qiáng)大的語音信號處理能力，較低的功耗以及加密等特點。實踐證明，該平臺在其應(yīng)用場合完全達(dá)到了原先的這些設(shè)計目標(biāo)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　參考文獻(xiàn)：

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[3]　　TMS320VC5510 DSP Host Port Interface (HPI) Reference Guide (spru588a); TI corporation; Feb 2004

[4]　　TMS320C55x DSP Peripherals Overview (spru317g); TI corporation; Feb 2004

[5]　　TLV320AIC11 DataSheet(slws100); TI corporation; April 2002

[6]　　MSP430F14x familiy Mix Signal　　 Microcontroller DataSheet (slas272); TI corporation; Aug 2004

[7]　　低功耗通用語音處理平臺的設(shè)計實現(xiàn); 陸希玉,詹杰,唐昆,崔慧娟;微型機(jī)與應(yīng)用; 2005.7