全數(shù)字化語言教學(xué)實(shí)驗(yàn)室學(xué)生機(jī)單元的設(shè)計(jì)

摘要：全數(shù)字化語音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)用DSP芯片TMS320F206對(duì)MSM6588語音芯片進(jìn)行錄音、放音控制，用FLASH存儲(chǔ)器AM29F040B進(jìn)行語音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，用差分線驅(qū)動(dòng)器和接收器SN75LBC180在RS-485總線網(wǎng)絡(luò)上傳輸語音數(shù)據(jù)。該語音系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能可靠，從而滿足了全數(shù)字化語言教學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生機(jī)單元提出的要求。

關(guān)鍵詞：DSP 語音錄放 FLASH存儲(chǔ)器 RS-485總線

由于語言教學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)語言教學(xué)產(chǎn)生著十分重大的影響和作用，是外語教學(xué)改革和提高外語教學(xué)質(zhì)量的制高點(diǎn)和突破口，因而語音教學(xué)實(shí)驗(yàn)室得到了空間的發(fā)展和利用。我國(guó)現(xiàn)有的語言教學(xué)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品大都屬于模擬型語言教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，然而面對(duì)信息時(shí)代的到來，高新技術(shù)的發(fā)展，語言教學(xué)實(shí)驗(yàn)室了適應(yīng)未來教育的需要，必須尋求新的發(fā)展。而要解決傳統(tǒng)語音教學(xué)實(shí)驗(yàn)室面臨的問題必須引入數(shù)字化的設(shè)計(jì)，這主要包括以下四方面的內(nèi)容：一是學(xué)生機(jī)中微控制器選擇；二是語音信號(hào)的采集和播放；三是語音信號(hào)的存儲(chǔ)，也就是數(shù)字錄音機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)；四是語音信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)化傳播。

TMS320F206是美國(guó)TI（德州儀器）公司繼TMS320C2X和TMS320C5X之后推出的一種低價(jià)格、高性能的16位定點(diǎn)運(yùn)算DSP，其CPU接近于TMS320C25，但時(shí)鐘速率提高、指令集更加豐富和優(yōu)化、片內(nèi)外設(shè)向TMS320C5X靠攏[1]。TMS320F206（以下簡(jiǎn)稱F206）的性價(jià)比較高，目前已成為高檔單片機(jī)理想替代品，在通信、語音/語言、軍事、儀器儀表、圖像處理、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文就是用F206對(duì)MSM6588語音芯片進(jìn)行錄音、放間控制，用FLASH存儲(chǔ)器AM29F040B進(jìn)行語音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，用差分線驅(qū)動(dòng)器和接收器SN75LBC180在RS-485總線網(wǎng)絡(luò)上傳輸語音數(shù)據(jù)，從而滿足全數(shù)字化語言教學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生機(jī)提出的上述要求的。圖1示出了該語音系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

1 語音錄放電路

語音芯片MSM6588是日本OKI公司的產(chǎn)品，內(nèi)含話簡(jiǎn)放大器、低通濾波器（LPF）、12位A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，語音數(shù)據(jù)的處理采用ADPCM（自適應(yīng)差分脈沖編碼模式）方式[2]。語音芯片主時(shí)鐘頻率確定后，可用DSP通過軟件輸入控制字來設(shè)定采樣頻率。采樣頻率設(shè)定越高，放間的品質(zhì)越好，錄間的時(shí)間就越短。表1給出了MSM6588語音芯片的常用控制命令。

表1 MSM6588的控制命令表

F206和MSM6588的引腳說明見參考文獻(xiàn)[1]和[2]。U3是總線收發(fā)器，用來隔離和驅(qū)動(dòng)DSP的數(shù)據(jù)線。MSM6588左邊的模擬電路用來放大從麥克風(fēng)給拾取的微弱電信號(hào)，左邊的模擬電路是功率放大部分，U5即TPA302是音頻功率放大器，可驅(qū)動(dòng)32Ω耳機(jī)。

2 語音存儲(chǔ)電路

由于語音芯片內(nèi)無存儲(chǔ)器，必須外掛存儲(chǔ)器?？刹捎玫拇鎯?chǔ)器很多，如SRAM、PSRAM、DRAM、SDRAM、FLASH等。本方案采用的是AMD公司生產(chǎn)的AM29F040B，它的存儲(chǔ)容量為512KB，使用單5V電源進(jìn)行按扇區(qū)的擦除和按字節(jié)的寫放操作。AM29F040B的非易失性可使語音數(shù)據(jù)在掉電后不會(huì)丟失，它的閃速存儲(chǔ)器能可提高語音數(shù)據(jù)的采樣頻率，從而提高放間的品質(zhì)。當(dāng)采樣頻率設(shè)定為5.86kHz時(shí)，錄音/放音時(shí)間為174.744s。AM29F040B的引腳輸出與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的EPROM、E2PROM完全兼容，在電路設(shè)計(jì)時(shí)非常方便。圖3示出F206與AM29F040B的接口電路。AM29F040B地址線有19根，設(shè)計(jì)F206與其接口的關(guān)鍵是將AM29F040B的高位地址線（圖3中為A14、A15、A16、A17和A18，可根據(jù)分頁的多少和頁面大小而定）通過八D鎖存器74HC574的輸出保持，其余地址線直接連到F206的地址總線上。該接口電路將512KB的數(shù)據(jù)空間分成32頁，每頁16KB。這16KB的空間被定位在F206數(shù)據(jù)空間的哪一個(gè)范圍則由信號(hào)線/CSFLASH決定。在對(duì)FLASH操作時(shí)，先要通過74HC574選擇頁面，然后便可對(duì)當(dāng)前頁面的16KB數(shù)據(jù)空間讀寫。

與靜態(tài)RAM不同，對(duì)FLASH的操作是通過一系列命令來實(shí)現(xiàn)的。表2給出不AM29F040B的主要命令定義（其中XXX表示任意地址。RA表示要讀的存儲(chǔ)地址，RD表示要讀的數(shù)據(jù)；PA表示編程地址，PD表示編程數(shù)據(jù)；SA表示扇區(qū)地址A18～A16）。從表2可以看出，讀FLASH只需要1個(gè)時(shí)鐘周期，而寫入一個(gè)字節(jié)則需要4個(gè)時(shí)鐘周期，因此FLASH的讀寫速度比SRAM慢。但FLASH比相同容量的SRAM便宜得多，工作可靠性高，因而FLASH非常適用于需要大容量、非易失性、重復(fù)編程存儲(chǔ)的場(chǎng)合。

表2 AM29F040B的主要命令

3 語音傳輸網(wǎng)絡(luò)

由于F206的片內(nèi)異步串口（ASP）可以以高達(dá)2.5Mbit/s的傳送速率進(jìn)行全雙工發(fā)送和接收操作，而且在所有方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)都為雙緩沖，故可利用ASP外接差分線驅(qū)動(dòng)器和接收器SN75LBC180構(gòu)成RS-485總線網(wǎng)絡(luò)，將所有的學(xué)生機(jī)節(jié)點(diǎn)和教師機(jī)連成主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖4給出不F206與SN75LBC180的接口電路。SN75LBC180與F206接口的4根信號(hào)線是RX、TX、IO0及IO1，由于在圖2中已給出不F206的所有管腳，這里就不再畫出DSP不。其中IO0連接到SN75LBC180的接收數(shù)據(jù)控制引腳/RE，IO1接到SN75LBC180的發(fā)送數(shù)據(jù)控制引腳DE，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送就是靠IO0和IO1的電平高低來控制的。SN75LBC180的總線互連部分只畫出不差分接收的電路，差分發(fā)送電路與接收電路相同，故沒有在電路中示出。由于RS-485的通信載體是雙絞線，它的特性阻抗是120Ω，所以在RS-485的網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端各接1只120Ω的匹配電阻R3，以減少線路上傳輸信號(hào)的反射。SN75LBC180的A、B輸入端接上拉、下拉電阻R1、R2是為不防止F206被誤中斷而收到亂字符；R4、R5可使本機(jī)的硬件故障不影響整個(gè)總線的通信；穩(wěn)壓管D1、D2組成吸收回路以抵抗傳輸線上的各種干擾，用來保護(hù)RS-485總線。

4 軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

該語音教學(xué)系統(tǒng)中的學(xué)生機(jī)單元的軟件框架見圖5。軟件設(shè)計(jì)的核心是協(xié)調(diào)各中斷（從主機(jī)來的串口接收中斷、從語音芯片MSM6588來的采樣中斷和播放中斷以及從鍵盤來的中斷）之間的邏輯關(guān)系。學(xué)生機(jī)的主要任務(wù)是：在播放的時(shí)候，既要保證接收數(shù)據(jù)完整，又要保證語音播放不間斷；在尋間的時(shí)候，既要保證采樣連續(xù)，又要保證完整地發(fā)送數(shù)據(jù)包。本程序采用雙緩沖技術(shù)來解決這些剖，即在播放時(shí)，接收一個(gè)數(shù)據(jù)包到一個(gè)緩存區(qū)，同時(shí)播放另一個(gè)緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)包；錄音時(shí)，采樣一個(gè)緩存區(qū)，同時(shí)發(fā)送另一個(gè)緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)包。