基于ARM与DSP双核控制的数字语音学生终端设计.pdf

2 0 1 1年第 2期 工业仪 表与 自动化装 置 5 1 基 于 ARM 与 DS P双 核 控 制 的 数 字语 音学 生终 端设 计 杨珍 倪洪杰 丁明军 I 浙江工业大学 信息学院 杭州 3 1 0 0 2 3 2 上海工程技术大学 工程 实训 中心 上海 2 0 1 6 2 0 摘要 参考语音学习系统数字化的发展和嵌入式技术在声音数字处理 中的运用情况 提 出一种 基 于 A R M 和 D S P双核 控 制 的数 字语 音 学 生终 端设计 方 案 对终 端硬 件 电路 和软 件 电路进 行 详 细 设计 并确定 了终端的通信协议 测试后表明 该终端 不仅 实现 了语音信 号中变速不 变调 的功能 也满足新型数字语音学习系统的应 用要求 关键词 A R M D S P 数字语音 学生终端 中图分类号 T P 3 3 4 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 1 0 2 0 0 5 1 0 5 S t ud y f o r s t u de n t t e r min a l in t h e d ig it a l r a d io t e a c h in g s y s t e m b a s e d o n ARM a nd DS P YAN G Z h e n 一 NI Ho n g j i e D I NG Mi n g j u n 1 C o l le g e o fI n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g Z h e j i a n g U n i v e r s it yof T e ch n o l o g y H a n g z h o u 3 1 0 0 2 3 C h i n a 2 E n g i n e e r i n g T r a in in g C e n t e r S h a n g h a i U n i v e r s i ty of E n g i n e e r i n g S ci e n ce S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 C h i n a Abs t r a ct W it h t h e d e v e lo p me nt o f t h e d ig it a l r a d io t e a chi n g s y s t e m a n d t he a p p lica t i o n i n t h e d ig it a l p r o ce s s in g o f s o u n d o f e mb e d d e d t e chn o lo g y p r o p o s e a k in d o f s t u d e n t t e r mi n a l d e s ig n o f d ig it a l s p e e ch ba s e d o n ARM a n d DS P g o o n in d e t a il d e s ig n in g t o t e r mi na l h a r d wa r e cir cu it a n d s o f t wa r e cir cul t co n fi r m t h e t e rm in a l co mmun ica t i o n a g r e e me n t Th e r e s u lt s s ho w t ha t t h e t e r min a l h a v e r e a liz e d t h e f u n ct io n t h a t ch a n g e s p e e d a n d do e s n o t mo d if y t o n e in t h e d ig it a l r a d io me e t t h e a p pl ica t io n r e q ui r e me n t f o r t h e d i g i t a l r a di o t e a ch in g s y s t e m Ke y wo r d s ARM DS P d ig it a l r a d io s t u d e n t t e r mi n a l 0 引言 能 从而为新型数字语音系统发展提供一个方向 数字化语音学习系统按其系统构成分为硬件与 软件结合型和多媒体纯软件型 2大类 纯软件 型数字语音系统存在着 由于网络时延造成的音质质 量等问题 一直难以得到普遍认可 采用硬件终端与 服务器软件相结合型的数字语音学习系统是 目前语 音教学设备发展的趋势 如何选用高性 能 低价格 的核心器件设计数字语音终端 也是 国内各语 言教 学仪器厂家研究 的对象 该文就是综合市场现有数 字语音学习系统整体设计要求 在原有系统基础上 提 出一种 基 于 A R M 和 D S P双核 控 制 的数 字语 音 学 生终端设计方案 实现 了数字语音变速不变调 的功 收稿 日期 2 0 1 0 1 1 0 5 作者简介 杨珍 1 9 8 1 女 浙 江三门人 助理工程师 硕士研 究生 研究方 向为 自动化 1 学生终端整体设计 文中设计的学生终端采用双核嵌入式系统终端 电路 该终端主要完成语音键盘控制音频流的播放 及控制 文本点播 声音与文字的同步 图形显示 终 端和服务器之间的通信协议等 根据功能要求可将 终端结构从下到上分成硬件层 操作系统层 驱动层 以及应用层 4大单元 其 中硬件层是嵌入式操作 系统 和应 用程 序 运行 的平 台 操作 系 统层 选用 C O C 完成嵌入式应用 的任务调度和控制等 驱 动层 完成 网络 键 盘 液 晶显 示 音 频 解码 器 等各 个模块的驱动 实现终端与语音系统其他单元的功 能连接 应用层按应用功能分为终端与服务器的通 信接 口 终端和客户 的人机接 口和终端 内部处理等 3个部分 5 2 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 1 年第 2期 学生 终端 是整 个 系统研 制 的难 点 它决定 了整 个数字语音 教学 系统 的质量 图 1 为终端 结构 图 随 i 与 艘务器的 通信接f j f与 客 的 机 接蹦 内鄢处删 驱动 以太网 l 键韫 l 液晶 永 l 菏 频解码器 l 其他 I t 驱动l 动 l 驱动 l 骊动 l 驱动 l 操 作系统 嵌入式t t C O C 1 1 操作系 统 I 件 图 1 学生终端结构图 2 硬件 电路设计 学生终端的硬件 电路是整个嵌入式操作系统 和应用 程序运行 的基础 该 系统是 由 S A M S U N G公 司生 产 的 以 A R M 7为 内核 的嵌 入 式 微 处 理 器 3 C 4 4 0 B X为核心 并结合 T I 公 司生产的数字信号 处理器 D S P芯片 T M S 3 2 0 V C 5 4 0 2 构成的双核心嵌 入式终端硬件平台 F LAS H S DRAM 图 2系统 结 构 框 图 从图2中可以看出 硬件层基本上 由 A R M 7和 D S P双核心的 C P U 存储器 音频信号处理电路 键 盘和显示器 的接 口 外部网络接 口以及电源电路 6 个部分组成 2 1 C P U主控 制电路 由 H P I 总线连接 的双核 C P U是整个硬件层 的 核心 其主要功能是解释命令 并处理终端声音数字 信号 3 C 4 4 0 B X芯片是一款 1 6 3 2位 R I S C处理 器 最高工作频率可达 6 6 MH z 拥有 7 1个多功能 I O口 并提供 8 K B C a ch e和内部 S R A M L C D控制 器 2通道 U A R T 带 P WM功能的 5通道定时器 8 通道 l0位 A D C等 而语音信号处理芯片 D S P T M S 3 2 0 V C 5 4 0 2是 目 前最适合做语音压缩的芯片 该芯片在 C 5 0 0 0系 列中性价比较高 独特的 6总线哈佛结构 能使 6 条流水 线 同时工 作 工作 频 率可 达 到 1 0 0 M H z D S P技术的运用 方便 了声音信号 的 F F T变换 从 而实现终 端语音 的变速不 变调 功能 2 2存储 器扩展 接 口电路设计 系统采用 1片 H Y 5 7 V 6 4 1 6 2 0扩展了 6 4 M容量 的 S D R A M 工作在外部总线 的频率上 与 A R M7的 时钟同步 可减少数据 传输延迟 扩展 1片 1 6 M F L A S H芯片 A M 2 9 L V 1 6 0 同样工作在外部总线上 选用字节模式 通过片选信号 输出允许信号和写信 号来读写数据 因为系统中的元件存在误差以及电源的电压差 异 导致 A R M 7处理数据 中的误差 为 了减小系统 误差 系统 中还 扩展 了 1片 E E P R O M A T 2 4 C 0 1 2 3 音频 信号 处理 电路 音频信号处理电路是学生终端设计的关键 系 统中采用基于 A C9 7标准的音频信号处理电路 运 用 R e a h e k公司的 6声道标准版芯片 A L C 6 5 0来实 现 A L C 6 5 0是一个 在多媒体机上 常用 的具有 1 8 位 全双工 A C 9 7 2 2技术兼容 的立体声音频解码 器芯片 A L C 6 5 0构成的编解码器可实现 3对立体 声输出独立音量控制 单声道输 出 多个立体声和单 声道的信号输入 以及混合 增益和静音功能 可为 多媒体设计 电路提供全面的集成音频解决方案 J 由于 A L C 6 5 0是 内置 音频信息处 理的 编解 码 器 技术比较成熟 所 以该终端设计就相对 比较简 单 只要处理好 A L C 6 5 0外围电路就可 以实现音频 信号的传输 与处理 图 3为音频信号处理 的具体 电路 2 4网络及外 设接 口电路 系统 中 终 端 网络 接 口控制 器 N I C N e t w o r k I n t e r f a ce C o n t r o lle r 选 用 台 湾R e a lt e k 公 司 的 R T L 8 0 1 9 A S 主要用来控制计算机与网卡 网卡与物 理层之间的数据传输 其全双工通信方式使帧的发 送与接收能够在一条通信线路上 同时进行 这使信 道的带宽增加一倍 可使终端 由以太 网协议构建的 数字语音系统中保持数据通畅 终端键盘使用 P C机标 准键盘连接 键 盘控制 电路采用单片机 A T 8 9 S 5 1 来实现 与 A R M 7采用 串 口通信 通信格式 9 6 0 0 8 b i t 1 s t o p 采用表 1中 的键盘编码表格式 由于 L in u x的问题 接 B 码 l8 后死机 程序把 B的编码改为 4 0 当键按下时发键 码 抬起时键码高位置 l 如果键被 卡或短路 总发 同一键连续超过 5 0次 发键码 0 x 4 0 通过单片机 键盘编码处理 来实现与设备电路的通信 从而实现 终端 键盘功 能 舞 鼙 一 卅 话 2 0 1 1 年第 2期 丁业仪表与 自动化装置 5 3 C 1 6 1 0 pF 3 3 V 2 C2 3 0 1 F 白 x L 2 2 2 p F下 2 4 5 7 6 M H z CoDEC CODEC RS T C LK 6 C oDEC S YNC l0 C oDEC D0UT 5 C 0DEC DI N 8 PH0NE lN 1 3 P CI N R 1 5 一 VI DE O L j L C 3 1 IJ F 1 6 V ID E O R LIT 1 8 C4 I H M I C I N 2 2 X 一 LI NE R L 2 3 一 LI NE R L 2 4 表 1键 盘 部 分 编 码 表 L 1 56 0 uH C 2 4上C 5 5 0 Q LI N EOUTR Lt NEO UTL M oN o UT RE SE T BI T CLK S YN S D0UT S DI N U2 ALC6 5 t P CBE f P PH N E AUX L AUX R VI DE o I Vf DE O R D L CD R M l 1 M f C2 LlNE L LlNE R CD N D 0 0 VREF VRE F 0UT DAL 0 DAR0 VRAD DA DALI DARI AI L0 ADLf A DRl I D0群 I D1 E APD P W R L NL VL L AI R o L 1 NL VL0UT R 乏乏 卜I 寸l I 3 5 P HONE L 3 6 P HONE R 5 V 3 7 M0NO 0UT 2 7 卜 I C50 1 二 二 j nF 28 29 3 0 S P DlF I N L lNE oUTL L I NE oUTR C4 4 l pF 图 3 A I C 6 5 0音频信号处理 电路 键 F l F 2 F 3 F 4 1 2 3 4 A B C D HO ME L e ft R i g h t D o w n 码 值 1 2 3 4 7 8 9 1 0 1 7 1 8 1 9 2 0 2 7 2 9 3 1 3 2 3软件 电路设计 终端软件主要包括终端初始化程序和主循环程 序 2大部分 其 中初始化程序完成底层驱动功能 而主循环程序主要完成处理键盘操作和屏幕显示功 能 其余功能主要 由中断子程序完成 终端软件共 有 7个 中断 即 T im e r l T im e r 2 R T C U a r t l U a r t 2 I R Q 3 I R Q 6 实现终端与服务器的通信 以及其 内部 功能 处理 终端初始化程序主要完成各寄存器和各底层驱 动器的初始化以及各变量 的设置 图 4为初始化程 序流程 主循环程序主要处理终端显示控制和键盘处理 控制 其 中显示控制包括本地显示图像和远程控制 显示 图像 本地显示时终端软件决定是 不显示图像 显示 的部 分 图片数 据放 在 终 端 里 而 远 程 示 在 大 C2 2 多数情 况下 由服 务 器来 控 制 终端 的 显示 数据 是 从 服务器获得 键盘处理控制软件完成终端配置 点 名 计费等功能 并协助服务器完成系统其他操作 符寄 器仞始化 J f 化 2 4 C 0 1的驱动 从 E P ROM 凄取 甄 剐 L o a d ln f 0 0 仞始 化书 1 Ua r t l I n i t 0 t 断 a s ff l ANDI W S F O F FS R 1 功 n枪 N 3 赴 篙 链 一 Y 川 I 1 1 发 送 涮试信 1 e b u a COM 1 0 姨 载 D S P的 Lo a d V 5 4 0 2 Co d e 串 f 1 2 始 化 Ua r t 2 ln it 0 I CD 水例 始化 L CDln it 0 州 器 2仞始化 T ime 2 ln it 0 终端 配 l Co n fig u r e 8 0 1 9 J 始 化 N I C I n it 0 I J f 断 铆始 化 N I C I R Q 3 1 n it 0 定州 器 1例始化 T l11 1 e I ln it 0 5 4 0 2 j灯 f J 女 化 V 5 4 2 I R O 6 I n it 4初始化稗序流程图 一 0 1 1 1 J 一 弛一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 5 4 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 1年第 2期 终端 中的中断子程序 主要完成 除显示 和键 盘处 理 以外 的其他功 能 主要 包 括终 端 登 录服务 在 线 检测 服务器命令执行操作 终端功能打开与关闭 音频数据传输 音频信号播放与录音 时问显示 音 量调整以及显示对比度 设置 自己的 MA C和 I P地 址等功 能 4 通信协议设计 终端的通信协议主要是指其与服务器进行指令 控制与数据传输时的对应接口参数 一般终端的通信 过程中简单地划分为 3个阶段 空闲 发起 传输 终端在没有通信工作情况下处于空闲状态 一旦有命 令请求 得到确认 终端与服务器便进行数据传输 若请求失败 则返回空闲状态 并分析失败原因 无论是数据传输或者传输确认均有可能出现失败 状态 一旦失败都将直接返回空闲状态 等待下一次请 求 对于较简单的命令传输 没有数据传输阶段 对 于最简单的控制命令 甚至连命令确认都可以没有 终端与服务器通信命令主要包括以下几种 木 术 l 术 木 扣 I l 术 水 l I l 米 术 术 l 系统相关命令 CMD RES ET TERMI NAL 0 x 0 0 0 1 CMD I N I T 1 E RMI N AL O x O 0 0 2 CMD R E G I S T E R 0 x 0 0 0 3 终端 注册 C MD NEED L O G I N O x O 0 0 4 要求学生 登 录 s e r v e r 一 t e r m in a 1 CMD L O G I N 0 x 0 0 0 5 学 生 登 录 t e r m in a l 一 s e r v e r CMD CHANGE P WD O x O 0 0 6 学 生 登 录 f t e r min a l一 s e r v e r 术 术 书 米 术 术 术 术 书 半 术 书 术 术 木 操作相关命令 CMD S ET S T A T U S 0 x 2 O 0 0 设置终端状态 CMD Q U E R Y S T A T U S O x 2 l 查询终端状态 CMD S HOW P I C 0 x 2 0 0 2 通知终端显示图片 CMD P LAY WA V E 0 x 2 0 0 3 通 知终 端播 放音 频 CMD S TART R E C O R D I N G 0 x 2 0 0 4 通知 终端 开始录音 CMD S TOP R E C O R D I N G 0 x 2 0 0 5 通 知终 端停止录音 CMD S TART BROADCAS TI NG 0 x 2 0 0 6 通知终端开始接收数字广播 CMD S T OP B RO AD C AS T I NG 0 x 2 0 0 7 通 知终端停止接收数字广播 CMD CANCEL OP ERAT I ON 0 x 20 FF l 冰 球 l c 木 术 l l 水 l c 爿 c 木 木 木 I 木 木 水 状态相关命令 CMD S T ATUS I DLE Ox 4 0 0 0 CMD S TATUS B US Y O x 4 0 0 1 CMD S T ATUS S UCCES S 0 x 4 0 0 2 CMD S TATUS ERROR 0 x 4 0 0 3 CMD S TAT US W AI Tr lNG RES PONS E 0 x 4 0 0 4 木 l 术 米 木 l 木 I 术 术 术 I 术 术 串 爿 水 由终端发起的命令 CMD KEY PRES S Ox S O 0 0 CMD R E Q U E S T S T R E A M C H U N K 0 x 5 0 0 1 CMD I S A C T I V E O x S O F F 通知服务器终 端是 在线 终端通信各命令均具有 自己的定义和参数设置 格式 例如学生登陆命令 C M D L O G I N 由终端向服务 器发送 提交学生的学号和密码 学号与密码 以字符 串形式 以 0 结尾 存放于 P a r a m l 及 P a r a m 6中 服务器验证通过后返 回 C MD S T A T U S S U C C E S S 否 则返 回 C M D S T A T U S E R R O R P a ml 表示错误代 码 一1 表示异常 一 2表示学号错误 一 4表示不在当 前班级 一 8表示 已经有人 以此学号登录 一 O x lO表 示密码错误 一 0 x 2 0表示上机账号余额不足 5抗干扰设计 语音终端 电路存 在诸多信号 干扰 问题 处理 好这些信号干扰对终端质量有很大影 响 该文设 计的双核终端 电路板数字 电路 布线较为密集 不 可避免在电路 中形成尖 峰 电流 因此 电路需要 在 P C B板的各个芯片处配置去耦 电容 一方面 可吸收该集成 电路 开 门关 门瞬 间的充 放 电能量 另一方面可旁路掉该器件 的高频噪声 参数上可 按 C f 1选 用 即要 滤 除高 频 的截 止 频 率 为 1 0 MH z 则电容取 0 1 F 若为 1 0 0 MH z电容就取 0 O 1 Ix F 对 于 微 控 制 器 构 成 的 系 统 通 常 取 0 O 1 0 1 F 之 间 此外语音系统中服务器与终端之间采用有线通 信 传输线躁声处理 不可忽视 针对传导噪声 干 扰 可在线缆输入端和终端都加入滤波器 而对空间 辐射噪声的去除 可采用电缆线的屏蔽和连接设备 共地的改善来减小 2 0 1 1年第 2期 T业仪表与自动化装置 5 5 6 终端 的调试与测试 学生终端在完成硬 软 件 电路设计后 需要对 C P U主控电路 声音信号处理 电路以及网络接 口电 路进行调试 尤其是要对声卡芯片 A L C 6 5 0的 6脚 C O D E C C L K 1 0脚 C O D E C S Y N C 波形频率进 行测试 记 录 C L K 波 形 频 率 为 1 2 2 8 9 MHz 与 A L C 6 5 0标准值 1 2 2 8 8 MH z基本相 同 S Y N C波形 频率为 4 8 0 0 4 k Hz 与指标 值几乎一样 可以认为 声卡驱动电路工作是正常的 在完成单元调试后 终端在联机前 还必须对 网 络 声音 显示各单元在主控电路上的工作状态进行 逐一测试 看是否符合 系统控制要求 采用终端与 上位 机直接 级连 的方 式 进 行 调试 并 通 过语 音 教 学 软件进行简单广播 此时用示波器观察 A R M7主控 电路 中各个单元 中断信号 检查是否满足系统设计 要求 图5为终端声卡信号开中断时的 A R M7主控 电路中检测到的波形 T e k i l P o s 0 0 0 0 5 存图像 谢晕 文件夹 储存 T E Y O O D O N 穗 蕊 氧 I e O V 5 0 0 u L O O V 5 0 0 o s 强 一 图 5 声卡开 中断测试点 N I N T 波形 最后对声音信号输出进行变速不变调测试 将 终端声音从正常速度的 9 0 慢调 到正常 再从正常 快调到 9 0 输出声调无异常 表 明终端通过软件 实现的声音信号处理符合设计要求 7 结 论 根据 目前 国内外语音教学 的发展要求 结合现 有数字语 音设 备 的特 点 提 出一 种 以 A R M 技 术 与 D S P技术双核控制 的数字学生终端设计 电路 实现 了终端在语音信号 中变速不变调的重要功能 经整 体联机测试后 该终端完全满足数字语音学 习系统 的设计要求 也适用 于 国内高校语 音实验 室建设 应用 参考文献 1 张锡琨 谈多媒体 网络数字化语 音实验室 的构建 J 信息技术 2 0 0 6 7 6 7 2 覃胜 语言学习系统学生终端机的数字化研究 D 重 庆大学 2 0 0 4 2 2 2 4 3 廖力 廖 家平 梅 清 基 于 T MS 3 2 0 V C 5 4 0 2的语 音处理 系统 的设 计 J 湖 北 工 业 大学 学 报 2 0 0 6 2 1 2 3 6 3 7 4 贲俊 余小清 万旺根 等 基于语音识别置信度 的英 语语 言学 习算 法研 究 J 上 海 大学 学报 自然科 学 版 2 0 0 2 5 3 9 1 3 9 5 5 吴平 曹晓琳 丁铁 夫 基 于 A R M 和 D S P的语音 通信 系统 设 计 J 计 算 机 测 量 与 控 制 2 0 0 5 1 3 1 2 1 4 23 1 42 6 I 6 I S McC l e l la n J D G ib s o n V a r ia b l e r a t e C E L P b a s e d o n