（计算机应用技术专业论文）ip语音卡的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着v o i p 技术、d s p 技术、p c 总线接口技术的发展，基于d s p 通 用处理器的i p 电话语音卡更加智能化。然而，国内大部分的i p 语音 卡采用早期的d s p 处理器，性能不高，系统的扩充受到限制；p c 接口 技术多数采用的是i s a 、p c i 接口，占用p c 资源严重、插拔不便。本 论文提出了一种基于u s b 2 0 的总线接口技术的i p 语音卡，该卡的处 理器采用了t i 的v c 5 4 1 6 高性能处理器，增强了系统的可扩充性。 在设计了系统硬件结构和软件结构的基础上，以d e c 5 4 1 6 通用嵌 入式d s p 模板为硬件平台，采用模块化软件设计方法，实现了语音的 录音、回放、以及主机对d s p 端的控制等功能。 本论文在设计i p 语音卡的总体方案的基础上，分系统硬件和系统 软件两部分进行论述。系统硬件部分着重介绍了a d d a 数模、模数转 换，语音d m a 传输，存储器配置，u s b 总线接口访问等部分。软件采用 模块化的设计方法，分系统程序设计和应用程序设计两部分，首先论 述了与系统相关的系统配置和系统初始化等模块的设计和实现方法， 接着论述了应用程序的语音接口模块、编解码模块、命令解析模块和 主机控制模块的实现。语音接口模块实现d s p 和语音芯片t l v 3 2 0 a i c 2 3 及d s p 与p c 机之间的数据交换，d s p 和语音芯片之间通过d m a 双缓冲 方式交换数据，d s p 和主机之间通过高速总线u s b 2 0 来交换数据；编 解码模块完成编解码功能；命令解析模块完成解析主机控制模块发来 的命令，并执行相应操作的功能；主机控制模块完成发送用户命令请 求、对d s p 端的控制和h 3 2 3 协议栈等功能，论文的最后给出了系统测 试结果。 关键词：i p 电话语音卡；d s p ：u s b ：蹦a ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e t e c h n o l o g y o fv o i p , d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o ra n dp cb u si n t e r f a c e ，t h ei pv o i c ec a r di s g e t t i n g m o r e i n t e l l i g e n t h o w e v e r ，t h ed o m e s t i ci pv o i c ec a r di s n o te a s yt ou p g r a d e d u et ot h eu s i n ge a r l i e rd s pa n di sn o tc o n v e n i e n tt op l u gi no rp l u go u t d u et ou s i n g 。i s ao rp c ib u s s o ，ak i n do fi pv o i c ec a r dw h e r et i s v c 5 416i su s e di sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e db a s e d0 nu s b 2 0b u s b a s e do nt h eh a v i n gd e s i g n e dt h e s y s t e mh a r d w a r e a n ds o f t w a r e s t r u c t u r e ，t h e f u n c t i o n so fr e c o r d i n g ，p l a y i n ga n dh o s t sc o n t r o l a r e i m p l e m e n t e db yt h ew a yo fs o f w a r em o d u l a r i z a t i o n o nt h ed e c 5 416 g e n e r a ld s p b o a r d a c c o r d i n gt ot h ei pv o i c ec a r dt o t a ls t r u c t u r e ，t h ei m p l e m e n t a t i o n s o ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ep r e s e n t e dd i s t i n g u i s h i n 9 1 y t h ea d d a c o n v e r s i o n ，d m at r a n s m i s s i o n ，s y s t e mm e m o r ya l l o c a t i o na n du s b b u s i n t e r f a c e a c c e s s i n g a r ei n t r o d u c e d t h es o f l w a r eo fi pv o i c ec a r di s c o m p o s e db ys y s t e mp r o g r a ma n da p p l i c a t i o n f i r s t l y ，t h es y s t e ms e t t i n g m o d u l e i n i t i a l i z a t i o nm o d u l ea n d c m dm o d u l er e l a t e dt ot h eb o a r da r e p r e s e n t e di nd e t a i l s e c o n d l y ，t h ef o u r m o d u l e so ft h ea p p l i c a t i o nt h a ta r e v o i c ei n t e r f a c em o d u l e ，c o d i n ga n dd e c o d i n gm o d u l e ，c o m m a n dp a r s i n g m o d u l ea n dh o s tc o n t r 0 1m o d u l ei a r ep r e s e n t e d v c i i c ei n t e r f a c em o d u l e i m p l e m e n t s 也ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd s p a n dc o d e cb a s e do nd m a t r a n s m i s s i o na n dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd s pa n dh o s tb a s e do n 1 2 i s b b u s ；c o m m a n dp a r s i n gm o d u l ep a r s et h ec o m m a n d sd i s p a t c h e db yt h e h o s tc o n t r o lm o d u l e ；c o d i n ga n dd e c o d i n gv o i c ea r ei m p l e m e n t e db yt h e c o d i n ga n dd e c o d i n gm o d u l e ；h o s tc o n t r 0 1m o d u l es e n tu s e r sr e q u e s to r d i s p a t c hc o m m a n d t ob o a r d i nt h el a s t s y s t e mt e s t i n gi sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：i pv o i c ec a r d ；d s p ；u s b ；d m a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的提出 第1 章绪论 从中国目前互连网的使用情况来看，用户的宽带应用还主要集中 于高速因特网接入服务，而多媒体信息应用市场还处在萌芽阶段。因 此，建成的宽带城域网很可能面临带宽资源的浪费问题，那么该如何 充分利用丰富的接入资源呢? 于是，人们开始重新考虑基本话音业务 在宽带综合网络中的地位。作为人们信息交流的最基本形式，语音通 信占绝对的基础地位，也是人们对通信信息网络功能的最基本要求。 为此，专家们”1 指出，在发展宽带城域网的过程中，始终应该将话音 业务作为其基本业务，特别是在发展初期，话音业务应是其主要业务 点。因此，v o i p 技术与宽带接入网的结合，使宽带城域网具备i p 话 音功能，应该成为下一步的发展目的。 v o t p 网络的最基本功能是提供基于i p 的话音业务，但其之所以 能快速成长并被认为是下一代网络的开路先锋，是因为基于i p 的网络 架构为提供多种多样的综合业务提供了广阔的空间。许多v o i p 领域的 专家指出，v o i p 的最大盈利点将不是话音业务，而是丰富多彩的增值 业务和应用。由于近来v o i p 网络在全球的推广，如何充分利用其实现 利润的增长成为最近运营商们普遍关注的话题。目前，一些国际运营 商基于v o i p 网络开发出诸如统一消息等的增值应用，但适合国内市场 的增值业务尚待开发。 目前宽带数据网络应用多数仅限于数据传输，未能充分利用带宽 资源，世界各大电信运营商已在考虑如何按照数据业务的特点优化语 音网络，以包交换技术构建未来网络，以数据承载话音方式取代话音 承载数据方式已成为业界共识。v o i p 技术正是利用宽带网络资源，以 数据承载话音的方式，将声音信号“数据封包”，通过i p 进行实时传 输。 i p 电话语音卡，是一种用于p c 机上能处理语音的p c 插件。是实 现v o i p 的一种方式，其最大的优点就是有效地利用了p c 机资源，能 够开发出功能强大的v o i p 产品，而且产品升级容易。i p 电话语音卡 从最初的单机板技术、时分交换技术、d s p 技术到最新推出的c p u 技 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 术一智能语音卡，共经历了4 个主要的发展时期。第一代产品用单机 板直接制作成语音卡；第二代产品利用时分交换技术，在电话口和交 换功能上表现出一定的优势，理论依据与程控交换机类似；将d s p ( 数 字信号处理器) 融合进来的语音卡可以称是第三代产品，所谓的第四 代产品是采用了d s p 外，还有一个处理器专门作控制，智能程度更高 2 口 微处理器是语音卡的技术核心，语音卡的功能很大程度上取决于 处理器执行的功能，不同的语音卡可以配置不同数目、不同性能的处 理器，其中d s p 最为重要，他专门为数字信号处理功能设计。语音卡 模块只有插在p c 内才能运行，p c 可以控制语音卡的功能，包括中断 控制、数据、状态的读取等。 1 。2 国内外研究现状 目前，从总线接口来说，语音卡提供i s a 、p c i 、最新推出的c o m p a c t p c i3 中系统总线接口，国内早期的大多采用i s a 接口，现在很多企 业的产品逐渐使用了p c i 总线接口。如国内的生产语音卡的老牌厂家 深圳东进公司，他们的d 系列c t 产品，使用的p c i 和c o m p a c tp c i 总线接口方案，杭州三汇的语音产品是基于p c i 和i s a 总线接口的。 从采用的处理器来看，大致是有两种方案。 一种是采用专用集成v o i p 芯片，这些芯片般都是双核结构，一 个d s p 核，主要用来处理编解码；另一个是a r m 核，用来实现信令的 控制和数据的打包传输等控制操作。如t i 最近推出的一款 t m s 3 2 0 v c 5 4 7 2 媒体芯片，是双核结构。内部包含了一片t m s 3 2 0 v c 5 4 x 系列的o s p 核和一个a r m 7r ! s cc p u 核，并且集成了两个1 0 m 1 0 0 自 适应网络控制器，媒体网关m g c p ，编解码器。另外的如l u c e n t 公司 的v o i p 芯片，以提供了类似的集成功能。 另外一种是采用通用d s p 处理器，可以灵活地根据功能选择主处 理器，如c 5 1 ，a r m 等。国内的大部分厂家都是选用此种方案；国外的 如d i a l o g i c 公司，采用了通用d s p 和通用处理器的方案。 近年来d s p 通用处理器的发展，性价比不断的提高。如t i 的 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，主频可以达到1 0 0 m ，内部由专用的硬件乘加单元，可 以单周期执行乘加运算，更重要的是，价格仅有4 0 多元一片。所以使 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 用通用d s p 芯片能有效的降低产品成本；t i 也提供了强大的软件集成 开发平台c c s ，使用户能高效地开发自己的产品。更值得欣喜的是， 上海交通大学最近研制成功的汉芯d s p 处理器，打破国外d s p 处理器 的垄断局面。 以上两种方案各有优缺点，采用v o i p 集成芯片i i ) i i 快推出产品的 速度，抢占先机。但从长远来看，由于这些技术一般都是硬实现的， 源代码不公开，以后进行技术的升级等都受限于他人，不够灵活，且 该芯片的成本较高，有很大的局限性；使用通用d s p ，可以很灵活地 针对自己的产品开发特定功能的i p 语音卡，编程灵活，升级容易。 本系统选择了使用t i 的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 通用d s p 处理器，进行编 解码以及回声消除等功能。使用p c i 、i s a 总线接口的i p 语音卡，有 p c 外设通信端口数量不足，外设连接繁琐、配置困难，数据传输速率 低等缺点。u s b 是一种快速的、方便的、廉价的新一代总线接入技术， u s b 2 0 能达到4 8 0 m b p s 的传输速度，且占用资源少，最大能接1 2 8 个 设备，即插即用，所以选择了u s b 总线接口，采用c y 公司的c y 7 c 6 8 0 0 1 u s b 控制器实现总线接口。 1 3 本文研究的内容和主要工作 本文主要研究就了基于u s b 总线传输的i p 语音卡的系统设计和 实现，i t u th 3 2 3 多媒体通信标准，并实现了基于p c 机的i p 电话。 本人的主要工作主要是软件设计，完成了与d s p 有关的系统程序设计 和应用程序的设计，系统程序包括了系统配置、系统初始化i 系统存 储器分配、中断向量等模块；应用程序设计了语音接口模块、编解码 模块、命令解析模块、以及主机控制模块。研究了o p e n h 3 2 3 库( 免费 的源码公开的实现i t uh 3 2 3 协议栈) 与u s b 客户程序的接口程序。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章总体方案设计 i p 语音卡的主要功能是完成数据处理任务，设计i p 语音卡的首要 考虑就是系统的主处理器。d s p 芯片专门位数字信号处理设计。并行的 哈佛结构、以及内置的硬件乘加单元等能快速地处理语音数据，且使用 通用d s p 芯片可以方便的升级系统，只需要重新加载代码模块，而不需 更改硬件电路。当前的数字信号处理器d s p 生产厂商中，德州仪器t i 独占黧头，紧随其后的是朗讯l u c e n t 和模拟器件公司a d 。t i 的产品是 最有影响力，除了在芯片的执照工艺等相关技术领先，还提供给客户强 大的集成开发工具t i 提供了强大的集成开发工具，e x p r e s s d s p 软件技 术：包括d s p 集成开发工具：可升级的实时软件基础、可重复使用的应 用软件接口标准、以及不断增加的第三方的软件模块。c o d ec o m p o s e r s t u d i o 是一个集成的d s p 开发工具套件，包括c 5 4 1 6 的c 编译器、 d s p b i o s 、实时数据交换技术等。 i p 语音卡的另一个关键的技术是总线接口技术。使用p c i 、i s a 等 都严重的占用p c 资源，系统配置困难，传输速率低，使用u s b 接口技 术可以有效她克服以上缺点”3 。u s b 总线是由c o m p a q 、d e c 、i b m 、i n t e l 、 m i c r o s o f t 、n e c 和n o r t h e r nt e l e c o m 七家公司共同研制开发了u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，即通用串行总线) 。u s b 是一种快速的、方便 的、廉价的新一代总线接入技术。其优点如下： ， ( 1 ) 成本低。为了把外设连接到p c 机上，u s b 提供了一种低成本 的解决方案。 ( 2 ) u s b 支持热插拔和即插即用。 ( 3 ) 占用的系统资源少( 只占用一个i r p ) ；无总线竞争。 ( 4 ) 速度快：u s b l 1 支持1 5 m b p s 和1 2 m b p s 两种传输速率，而 u s b 2 0 可达4 8 0 m b p s 。 ( 5 )( 5 ) u s b 端口支持多个不同设备的串列联接，一个u s b 口 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 理论上可连接1 2 7 个u s b 设备。 ( 6 ) 设备能够直接由u s b 总线进行供电。 ( 7 ) u s b 事务处理包括错误检测机制，用以确保数据无错误的发。支 持四种传输方式：控制传输、中断传输、块传输和同步传输。 支持多媒体：u s b 提供了对电话的两路数据的支持，可支持异步 及等时传输，使电话可与p c 集成，共享语音邮件及其它特性， 而且u s b 还具有高保真音频。 2 1 系统硬件结构设计 硬件系统结构如图2 1 。其中a d 、d a 完成语音的模数、数模 转换；f l a s h 存储器存储用户可执行代码，脱机上电自动执行用户代 码；p c 机端完成用户控制d s p 及网络打包发送语音的功能；u s b 控 制器负责d s p 和p c 机的数据传输；d s p 处理器是该系统的核心，负责 整个系统的初始化、语音数据的采集、语音数据的处理及主机命令的 解析等功能 硬件仿真器通过f f t a g 接口实时调试d s p 应用程序及下载 代码到d s p 。 d s p 采用t i 的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6d s p 处理器芯片，该芯片的主频可 以达到1 6 0 m ，片上存储器有1 2 8 k ，访问都是o 等待，是比较理想的处 理器芯片；u s b 控制器采用c y 公司的s x 系列，他与f x 系列的差别在 于，内部没有提供5 l 处理器，本方案使用d s p 处理器作控制功能，固 采用该系列的芯片，主要完成u s b 总线的传输。a d 、d a 采用t i 的 t l v 3 2 0 a i c 2 3 ，该芯片高度集成，内部包含有放大模拟电路，支持最高 采样率达9 6 k b p s ，且可以和d s p 芯片无缝接口。f l a s h 采用s s t 公司 的3 9 v f 4 0 0 a ，采用的3 3 v 电压，低功耗。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图2 1 系统硬件结构图 2 2 系统软件结构设计 系统的软件由两部分构成，d s p 端的软件模块和基于p c 机的软件 模块。结构如图2 - - 2 所示。d s p 端主要完成音频i o 读写、绽解码、 主机命令解析的功能；主机端的主要是人机界面的和对d s p 端的控制、 完成t _ 1 3 2 3 协议栈，接收或发送语音数据包到局域网。 困园巨豫虻三 围圉i 圉曰l ：二 主机 图2 2i p 软件结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第3 章i p 语音卡的硬件系统 在分析系统硬件结构方案的基础上，选用了t i 的第三方合作厂商 北京合众达的d e c 5 4 1 6 通用模板作为硬件开发平台。本章详细论述了 语音的a d d a 、数字语音的d m a 传输、系统存储器的配置、u s b 控制器 的访问等部分。 3 1 系统硬件结构 基于图2 一l 所示的系统硬件结构方案，选用了北京合众达公司的 嵌入式通用开发模板d e c 5 4 1 6d s p ，其功能框图如图3 1 所示。 立体声输入 麦克风输入 立体声输出 r s 2 3 2 4 8 5 4 2 2 r $ 2 3 2 4 5 4 2 2 u s b 20 撸口 图3 1d e c 5 4 1 6 功能图 该模板的d s p 采用t i 的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 d s p 处理器芯片，u s b 控制 器采用c y 公司的s x 系列c y 7 c 6 8 0 0 1 芯片。a d 、d a 采用t i 的 t l v 3 2 0 a i c 2 3 ，f l a s h 采用s s t 公司的3 9 v f 4 0 0 a 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 d e c 5 4 1 6 的特点如下“”： 采用t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 0 1 6 0 h m z ，实现高速( 1 6 0 m i p s ) 运算和大容量 存储 外扩s r a m ，最大容量为5 1 2 kx1 5 位，基本配置为6 4 kx1 6 位， 1 2 d s 外扩f l a s h ，最大容量为1 mx1 6 位，基本配置为2 5 6 kx1 6 位， 7 0 n s a c 9 7 标准的a u d i o 音频接口，双声道、立体声输入输出，支持 8 k ，最高9 6 k h z 的采样速率，支持1 6 比特、2 0 比特、2 4 比特、3 2 比特采样； 2 路u a r t 接口，接口标准r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 可配置 符合u s b 2 0 标准的高速h o s t 端接口，符合u s b 2 0 规范，最高速 度为4 8 0 m b s ； 标准扩展总线 可以看出，d e c 5 4 1 6 模板可以提供系统的硬件结构的全部功能。 c o d e c 能实现a d d a 功能；u s b 控制器支持u s b 2 0 标准，f l a s h 只需 1 2 个等待周期，不需要额外的存储器访问等待电路，仅设置d s p 支持 的最大1 4 个等待周期的软件等待状态寄存器即可；除此之外，还提供 两路异步串口u a r t ，外扩的6 4 k 1 6 位s a r a m ，扩充的s a r a m 能更好的 支持系统扩充，如增加多路语音，多路编解码。 3 2a d d a 模数数模转换 系统的a d 、d a 转换通过音频芯片t l v 3 2 0 a i c 2 3 来实现的。 t l v 3 2 0 a i c 2 3 ( 以下简称a i c 2 3 ) 是t i 推出的一款高性能的立体声音 频c o d e c 芯片，内置耳机输出放大器，支持m i c 和l i n ei n 两种输入 方式( 二选一) ，且对输入和输出都具有可编程增益调节。a i c 2 3 的模 数转换( a d c s ) 和数模转换( d a c s ) 部件高度集成在芯片内部，采用 了先进的s i g m a - - d e l t a 过采样技术，可以在8 k 到9 6 k 的频率范围内 提供1 6 b i t 、2 0 b i t 、2 4 b i t 和3 2 b i t 的采样，a d c 和d a c 的输出信嗓 比分别可以达到9 0 d b 和1 0 0 d b 。与此同时，a i c 2 3 还具有很低的能耗， 回放模式下功率仅为2 3 m w ，省电模式下更是小于1 5 u w 。由于具有上述 优点，使得a i c 2 3 是一款非常理想的音频模拟i 0 器件，可以很好的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 应用在随声昕( 如c d ，m p 3 ) 、录音机等数字音频领域。 a i c 2 3 音频器件主要完成a d d a 转换。提供两类接口：模拟接口 和数字接口。模拟接口是与m i c l i n e i n s p e e k e r 模拟器件的接口；数 字接口是与d s p 的多通道缓冲串口0 的接口。a i c 2 3 是可编程的芯片， 使用d s p 的多通道缓冲串口l 配置a i c 2 3 ，使a i c 2 3 工作在不同的参 数状态。 3 2 1 模拟接口 模拟语音的输入两种可选；m i c 输入和l i n e i n 音频输入，可以通 过配置模拟音频路径控制寄存器( o x 0 0 0 0 1 0 0 ) 来设置 d a 方向，可以有两种输出： l h p o u t 一左声道耳机放大输出 r h p o u t 一右声道耳机放大输出 l o u t 一左声道输出 r o u t 一右声道输出 l o u t 和r o u t 没有经过内部放大器，系统中使用了l h p o u t 和r h p o u t 。 3 2 2 数字音频接口 数字音频接口和d s p 的m c b s p 0 ( m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a l p o r t ，多通道缓存串口) 无缝连接，连接示意图如图3 2 所示。m c b s p 的接收时钟和a i c 2 3 的b c l k 都由m c b s p 的发送时钟提供。 5 4 1 6 0 1 i 承 l r b c n ( a i c 2 3 c l k r h 一一 f s x】r c i n f s rl r c o u t d xd m d rd o u t 图3 2d s p 和v c 5 4 1 6 接口示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 各引脚如下： b c l k 一数字音频接口时钟信号( b i t 时钟) ，当a i c 2 3 为从模式时 ( 通常情况) ，该时钟由d s p 产生：a i c 2 3 为主模式时，该时钟由 a l e 2 3 产生 l r c i n 一数字音频接口d a c 方向的帧信号( 1 2 s 模式下w o r d 时钟) l r c o u t - - 数字音频接口a d c 方向的帧信号 d i n 一数字音频接口d a c 方向的数据输入 d o u t 一数字音频接口a d c 方向的数据输出 a i c 2 3 的数字音频接口支持1 2 s 模式( 一种通用的音频格式) ，也 支持d s pm o d e 模式( 专为与t i 的d s p 连接模式) 。两种模式的时序如 下图3 3 ，3 4 ： l r 拣c o 洲u t 厂i _ - _ _ _ - - - - - _ _ _ _ - _ _ _ - - _ - - _ jl _ _ _ - b 旺x j _ l j 岬 几几几 几几几1 j 1 1 b 轧叫卜砑际而广叫- 1 l i 两蕊而叫 。黜= 二立e 口田二1 皿= 图3 31 2 s 模式时序图 l r g i n 广1 l r c o u t i - _ _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ _ - - - _ - _ - - - - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ b c l k d i n ， d o u t 图3 - - 4d s p 模式时序图 d s p 与a i c 2 3 的连接可以采用1 2 s 模式也可以采用d s p 模式，区 别仅在于d s p 的m c b s p 帧信号的宽度。前者的帧信号宽度必须为一个 字( 1 6 b i t ) 长，而后者的帧宽度可以为一个b i t 长，比如在字长1 6 b i t 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 ( 即左右声道的采样各为1 6 b i t ) ，帧长为3 2 b i t 的情况下，如果采用 1 2 s ，帧信号宽度应为1 6 b i t ；而采用d s p m o d e 帧信号宽度i b i t 即可。 a i c 2 3c o d e c 作为从器件，工作于d s p 模式，多通道缓冲串口m c b s p o 是主器件，收发位时钟由v c 5 4 1 6 的m c b s p o 分频5 m 提供。 3 2 3 配置接口 多通道缓冲串口m c b s p 2 与a i c 2 3 的配置接口相连，连接如图3 5 所示。多通道缓冲串口支持1 2 c 模式，也支持s p i 模式。系统用d s p 的m c b s p 2 的s p i 模式跟a i c 2 3 连接。$ p i 工作时序如图3 6 所示。 v c 酬馆 虻2 3 b f s 2c 8 宰 。 b c i _ k 3 c 2s e l k 一 m ( ：b s p 2 i d x 2 $ d i n s c l k s d i n 图3 5v c 5 4 1 6 与a i c 2 3 配置连接示意图 似s b 图3 6s p i 时序图 u 难 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 这种模式的特点是只在片选信号有效时锁存进数据。由于也是同 步串口，所以通过配置m c b s p 为c l o c ks t o pm o d e ( 时钟在帧信号有 效时产生，其他时间没有时钟信号) 可以无缝连接。这时，m c b s p 的 s p i 帧信号连接c s 信号，时钟和数据信号与s p i 一一对应。这种连接 只需设置m c b s p 的寄存器，使用比较简单可靠。 a i c 2 3 的控制寄存器如表3 1 当通过m c b s p 2 来配置a i c 2 3 的内部控制寄存器时，1 6 位字的前7 位时要配置的内部寄存器的地址，后9 比特是寄存器的内容。配置这 些寄存器，可以进行音量增益的设置，以及输入方式的选择。设置采 样率以及采样的比特数。 地址需要初始化的寄存器 0 0 0 0 0 0 0左声道音量控制寄存器 0 0 0 0 0 0 1右声道音量控制寄存器 0 0 0 0 0 1 0左声道耳机音量控制寄存器 0 0 0 0 0 1 1右声道耳机的音量控制寄存器 0 0 0 0 1 0 0 模拟音频的路径控制寄存器 0 0 0 0 1 0 1 数字音频的路径控制寄存器 0 0 0 0 1 1 0省电方式控制寄存器 0 0 0 0 1 1 1数字音频的接口方式控制寄存器 0 0 0 1 0 0 0采样率设置控制寄存器 ： 0 0 0 l 0 0 1数字接口控制寄存器 0 0 0 1 1 1 1复位控制寄存器 ， 表3 1a i c 2 3 的配置寄存器表 3 3 语音数据d m a 传输 通过a i c 2 3 进行a d d a 转换后，d s p 使用m c b s p o 接收或发送语音 采样。可以每次接收( 从m c b s p o ) 或发送( 到m c b s p o ) 一个语音采样， 也可以采用d m a 传输方式。d m a 可以在不需c p u 的情况下，接收( 从 m c b s p o ) 或发送( 到m c b s p o ) 定数量的语音数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 3 3 1d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 属于t i 生产的d s p ( 数字信号处理器) c 5 0 0 0 系列， 该系列的主要特点是运算能力强，存储资源丰富，通信接口方便，功 耗低，价格较便宜，因此广泛应用与数字通信领域。t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 较 5 4 0 2 ，5 4 0 9 ，5 4 1 0 等系列成员，有更突出的性能，主要表现在以下方 面1 “； 主频1 6 0 m ，( 5 4 0 9 ，5 4 0 2 时1 0 0 m ) 1 2 8 k x l 6 b i t s 片上r a m ，其中8 个8 k x l 6 b i t s 的b l o c kd r a m ，8 个8 k 1 6 b i t s 的b l o c ks r a m 2 3 条外部程序地址线，最大可外扩8 m 的程序空间 6 个d m a 通道，可工作于a b u 模式或多帧模式 3 个m c b s p 多通道缓冲串口 增强型的8 1 6 h p i 主机接口 软件等待状态产生器和可编程块切换逻辑 锁相环p l l 3 3 v 的i o 电压，i 6 v 的内核电压 3 3 2m c b s p 多通道缓冲串口配置 1 m c b s p 概述 m c b s p 是在t m s 3 2 0 c 5 4 的标准串口的基础上扩展而来的，他可以 提供3 ： 全速双工通信 双缓冲发送和三缓存接收数据寄存器，支持连续传送 接收和发送使用独立的帧和时钟 直接与多媒体数字信号编解码器的工业标准接口，以及与模拟接口 外部变速时钟发生器，内部可编程时钟发生器 多通道收发，通道数可达1 2 8 字宽可选：8 ，1 2 ，1 6 ，2 4 ，和3 2 位。 图3 7 是m c b s p 多通道缓冲串口示意图。m c b s p 与外设的数据交 换通过d x 引脚发送，r x 引脚接收。通信的时钟和帧信号由 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 c l k x ，c l k r ，f s x 及f s r 引脚来控制。c 5 4 1 6 对m c b s p 的控制，通过1 6 位的控制寄存器实现。d s p 的c p u 或d m a 从数据接收寄存器读取数据， 发送时向数据发送寄存器写数据。数据写入d x r 后。通过传输移位寄 存器移位输出到d x 上，d r 收到数据后，移位存储到接收移位寄存器， 并拷贝到接收寄存器d r r ，d r r 可以由c p u 或d m a 来读出。 0 r d c l k x e l k r f s x f s r c l k s 图3 7 多通道缓冲串口 2 m c b s p o 与c o d e c ( t m s 3 2 0 a i c 2 3 b ) 的数据接口通信 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 m c b s p o 用于与c o d e c ( t m s 3 2 0 a i c 2 3 b ) 的数据接口，实现c o d e c 的 a d 数据输入和d a 数据输出。t l 3 2 0 a i c 2 3 b 设置为d s p 通信模式，是 从模式通信模式如图3 8 所示。 。黼l r 。c 。i n ，：n b c l k d i n ， d o 懈 图3 8c o d e cd s p 通信模式时序图 其中l r c i n l r c o u t 是用于输入输出帧同步，b c l k 是同步时钟， d i n d o u t 串行输入串行输出。在帧同步时钟的上升沿开始左声道帧 同步，在下降沿开始右声道帧同步，在每个同步时钟的下降沿发送或 接受一个b i t 。n 代表所选的字宽。 m c b s p o 将c o d e c 的数据接受或发送后，利用d m a 0 通道将收到的 语音数据帧写到d s p 的d r a m 以备编码，利用d m a i 通道将解码后的语 音帧直接由m c b s p o 发送到c o d e c 的扬声器发出语音。 3 m c b s p 2 与c o d e c ( t m s 3 2 0 a i c 3 2 ) 的控制接口通信 m c b s p 2 用于与c o d e c 的控制口接口，对t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 的寄存器进 行设置，接口通信协议遵循s p i 标准( 3 线制) ，t l v 3 2 0 a i c 2 3 的c s 与m c b s p 2 的帧同步发送信号f s x 2 相连，s d i n 与m c b s p 2 的d x 2 相连， s c l k 与m c b s p 2 的时钟发送信号c l k x 2 相连，其时序如图3 9 所示： b 【1 5 ：9 j c 瑚n t r o i a d 由e 骆b e t s b 【8 o 】 c o n t r o td a i b i t s 嚣 蕊圆厂 s “x 几nf 1 几几几几nnn 几几几几几门几几 s 一 玉亚王亚正回丑正正亚巨回三互 m s bl s b 图3 9s p i 时序图 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 4 m c b s p 在本系统中的配置 除数据接收寄存器和发送寄存器外，其他大部分可配置寄存器都 是使用二次寻址寄存器的方法完成多通道缓冲串口寄存器的配置。配 置方法是首先将所要配置的寄存器子地址写入s p s a x 寄存器，然后将 所要配置的寄存器的内容写入s p s d x 寄存器，完成相应的寄存器读写 访问。 系统配置为： 设置串口控制寄存器s p c r l ，常规模式，设置值为o x l 0 0 0 设置m c b s p 2 的发送控制寄存器x c r l ，单数据相，发送数据长度是 1 6 位，设置值是o x 4 0 设置m c b s p 2 的发送控制寄存器x c r 2 ，发送数据时延时一个位，配 置值为o x 0 1 设置引脚控制寄存器p c r ，设置c l k x 为输出，即m c b s p 2 为m a s t e r ， 设置f s x 为输出，设置值为o x o a o a 设置采样率产生寄存器s r g r l ，确定分频数是o x 2 0 ，由于主频是 1 6 0 m h z ，数据位时钟分频( c l k g d v ) 是3 2 ，故m c b s p 2 的波特率是5 m h z ， 设置值是o x 2 0 设置采样率控制寄存器s r g r 2 ，确定时钟采样率是内部的c p u ，确定 帧同步为低有效，设置值是o x 2 0 0 0 3 3 3 d m a 传输 ： 1 d m a 概述 d m a 控制器可以在无须c p u 干涉的情况下完成存储块间的数据移 动，允许从片内存储器，片内外设，外存储器写入和读出数据，v c 5 4 1 6 有6 个独立可编程的通道。c 5 4 1 6 系列d s p 的d m a 有以下特点“”： 后台操作：d m a 的操作独立于c p u 独立的6 通道 h p i 访问 多帧传输 可编程优先级 可编程地址发生器 全地址范围，片内存储器，片内外设，片外存储器 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 可编程字宽，d m a 同步事件，帧计数器 块传输时自动初始化事件同步，中断产生 在语音等大数据量处理和传输的应用中，d m a 通道和m c b s p 配合使 用，可以高效的传输数据，从而减轻了c p u 的负担，以便c p u 能专注 于数据的处理 2 、d m a 通道的使用 d m a 的配置与操作控制通过一组存储器映射控制寄存器来实现， 如图3 1 0 所示。采用子地址方式，d m s a 为予地址寄存器，d m s d n ， d m s d i 为子地址的访问寄存器。d m s d n 的访问不修改d m s a ，每次访问都 要对d m s a 重新赋值，而d m s d i 的访问将d m s a 自动加1 ，因此在连续 访问子地址时，可以对d m s a 赋值。 s u b a d d r e s s e d r e g i s t e r s 图3 一1 0d m a 二次寻址访问 ( 1 ) d m a 工作模式 d m a 通道可以工作在两种模式：多帧模式和自动缓冲a b u 模式。 多帧模式 在多帧模式下，多个部件传输组成一个帧，多个帧传输构成一个 块传输。每帧所要包含的部件数由对应通道的部件计数器来设定，最 多是6 5 5 3 6 ，地址的增量可以由部件增量计数器设定；每个块所包含 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 的帧的个数，由对应通道的帧计数器来设定，最大是1 2 8 帧，地址的 增量由帧增量计数器设定。使用该种模式，可以实现数据的重新排序， 如接收是按帧的序号，通过配置，可以在存储器中按照部件的顺序存 放。 自动缓冲a b u 模式 在a b u 模式下，d m a 从自动缓冲中读取写入数据，自动缓冲的寻 址是循环寻址，可以产生满空、半满半空中断。自动缓冲的大小由 部件计数器寄存器设定。自动缓冲的大小并不要求以2 的幂次方对齐， 但是自动缓存的首地址和要设置的缓冲区的大小有关系。自动缓冲总 是从满足n 边界的地址开始，原地址寄存器或目的寄存器的高( 1 6 一n ) 位( m s b ) + n 个0 位( l s b ) ，即是自动缓存的起始地址，如图3 一1 1 ： a b ub u f f e re x a m d l e s a b ub u r rs i z eb u f 缸rb a s ea d d 瑚s f h e x 础c l m a | 撺e c j m a l ) j国 m 删 8 0 0 扑胡3 hr _ 3 ，敞腻黼。；x x x xx 建酗b 0 0 0 4 h - o 0 0 7 hf 4 7 1x x x xx x x xx x x x o b d 8 忡f j li 8 1 5 x x x x x “x xo ob 0 0 1 0 h 瑚1 f hf163】蛳谯ax x