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TMS320VC5402 DSP與ISD4004語(yǔ)音錄放芯片
摘要：根據(jù)語(yǔ)音錄放芯片ISD4004的接口特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了其與TMS320VC5402 DSP的SPI接口電路。完成了DSP對(duì)ISD芯片的通訊與接口控制編程，并給出了實(shí)際應(yīng)用中的一種ISD4004信息管理方法：信息地址表（MAT）。關(guān)鍵詞：DSP 語(yǔ)音錄放芯片 ISD4004 SPI接口 MAT
許多類型的語(yǔ)音錄放應(yīng)用要求具備信息管理的功能，即能夠隨著地錄、放、刪除任意一段信息。而許多語(yǔ)音錄放系統(tǒng)并不能很好地滿足這種要求，如磁帶錄音系統(tǒng)。ISD4004語(yǔ)音錄放芯片提供了SPI微控制器接口，使得語(yǔ)音錄放的信息管理成為可能。本文將詳細(xì)闡述TMS320VC5402 DSP與ISD4004的SPI接口設(shè)計(jì)及其控制操作，同時(shí)設(shè)計(jì)適合應(yīng)用的信息管理方法。
ISD4004語(yǔ)音錄放芯片工作電壓為3V，單片錄放時(shí)間為8～16分鐘。芯片設(shè)計(jì)使得所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過(guò)串行通信接口SPI送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)內(nèi)爍存儲(chǔ)器中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、音調(diào)和效果聲。采樣頻率可為4.0k、5.3k、6.4k、8.0kHz，頻率越低，錄放時(shí)間越長(zhǎng)，但音質(zhì)有所下降。
TMS320VC5402是美國(guó)TI（德州儀器）公司推出的一款高性能的定點(diǎn)DSP，最高頻率為100MHz，內(nèi)部提供16K的存儲(chǔ)空間。它提供的多信道緩沖串口（McBSP）可以設(shè)置為SPI工作方式，從而使得DSP與ISD4004的接口設(shè)計(jì)成為可能。
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1 接口設(shè)計(jì)
DSP作為SPI（串行外設(shè)接口）的主器件（Master），負(fù)責(zé)為ISD4004提供串行時(shí)鐘、片選信號(hào)以及控制ISD4004的動(dòng)作信號(hào)。接口電路如圖1所示。
1.1 SPI
SPI協(xié)議是一個(gè)同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，協(xié)議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動(dòng)作。ISD4004工作于SPI工作模式。因此對(duì)于ISD4004而言，在時(shí)鐘上升沿鎖存MOSI引腳的數(shù)據(jù)，在下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳。ISD4004與DSP通訊協(xié)議的具體內(nèi)容如下：
（1）所有串行數(shù)據(jù)傳輸開始于SS下降沿。
（2）SS在數(shù)據(jù)傳輸期間必須保持低電平，在兩條指令之間則保持高電平。
（3）數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿移入，在下降沿移出。
（4）SS變低時(shí)，輸入指令和地址后，ISD才能開始錄放操作。
（5）指令格式是8位控制碼加16位地址碼。
（6）ISD的任何操作（含快進(jìn)）如果遇到EOM（信息結(jié)束標(biāo)志）或OVF（溢出），則產(chǎn)生一個(gè)中斷，該中斷狀態(tài)在下一個(gè)SPI周期開始時(shí)被清除。
（7）使用“讀”指令使中斷狀態(tài)位移出ISD的MISO引腳時(shí)，控制及地址數(shù)據(jù)也應(yīng)同步從MOSI端移入。因此要注意移入的數(shù)據(jù)是否與器件當(dāng)前進(jìn)行的操作兼容。
（8）所有操作在運(yùn)行位（RUN）置“1”時(shí)開始，置“0”時(shí)結(jié)束。
（9）所有指令都在SS上升沿開始執(zhí)行。
1.2 ISD4004與DSP的SPI時(shí)序配合
根據(jù)ISD4004的時(shí)序要求，DSP設(shè)置串口為SPI工作模式，發(fā)送數(shù)據(jù)先于串行時(shí)鐘半個(gè)周期建立、數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿發(fā)送。由圖2可知，ISD接收命令字的方式是先地址后命令，且位序從低到高；而DSP發(fā)送數(shù)據(jù)方式是先高位后低位，故在DSP發(fā)送程序中須將待送地址和命令進(jìn)行高低位對(duì)調(diào)。
圖2 ISD控制命令字時(shí)序圖
串行時(shí)鐘（SCLK）由DSP主時(shí)鐘產(chǎn)生。在DSP運(yùn)行于10MHz時(shí)，設(shè)置時(shí)鐘分頻因子為255，得到約40kHz的串行傳輸時(shí)鐘，適應(yīng)ISD4004相對(duì)慢速的要求。DSP串口SPI方式數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序如圖3所示。
ISD4004的RAC管腳（行地址時(shí)鐘）用于指示錄放操作已經(jīng)接近一行的末發(fā)展。RAC在行末前25ms變低，在到達(dá)行末時(shí)變高，DSP將它作為中斷INT3的中斷源，指示錄放操作進(jìn)行到何處；INT管腳在遇到EOM標(biāo)志和OVF溢出時(shí)向DSP發(fā)中斷，DSP將它作中斷INT2的中斷源，用來(lái)指示是否到達(dá)一段信息的末尾。按下NUM鍵觸發(fā)INT1中斷開始錄音，按下STOP鍵觸發(fā)INT0中斷終止錄音。放音時(shí)按下NUM即開始，遇以語(yǔ)句EOM時(shí)自動(dòng)停止放音。
1.3 接口軟件設(shè)計(jì)
DSP對(duì)ISD的控制是通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)的，因此DSP的McBSP必須設(shè)置為符合ISD控制命令時(shí)序要求的SPI工作模式。下程序段完成了McBSP的SPI模式設(shè)置（單幀數(shù)據(jù)為24bit，串行時(shí)鐘上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，時(shí)鐘頻率為40kHz）：
stm SPCR1,McBSP1_SPSA
stm #0000h,McBSP1_SPSD ;Reset接收
stm SPCR2,McBSP1_SPSA
stm #0000h,McBSP1_SPSD ;Reset發(fā)送
stm SPCR1,McBSP1_SPSA
stm #1800h,McBSP1_SPSD ;CLKSTP=11,數(shù)據(jù)提前半個(gè)周期
stm RCR1,McBSP1_SPSA
stm #0080h,McBSP1_SPSD ;RWDLEN1=100，每幀數(shù)據(jù)24bit
stm RCR2,McBSP1_SPSA
stm #0001h,McBSP1_SPSD ;RDATDLY=01
stm XCR1,McBSP1_SPSA
stm #0080h,McBSP1_SPSD ;XWDLEN1=100,發(fā)送數(shù)據(jù)每幀24bit
stm XCR2,McBSP1_SPSA
stm #0001h,McBSP1_SPSD
stm SRGR1,McBSP1_SPSA
stm #00ffh,McBSP1_SPSD ；CLKGDV=0xFF,SPI的時(shí)鐘=DSP時(shí)鐘/256
stm SRGR2,McBSP1_SPSA
stm #2000h,McBSP1_SPSD
stm PCR,McBSP1_SPSA
stm #0a08h,McBSP1_SPSD ;CLKXP=0,CLKXM=1,FSXM=1,FSXP=1
stm SPCR2,McBSP1_SPSA
stm #0040h,McBSP1_SPSD ;GRST=1
nop
nop ;等待兩個(gè)周期
stm SPCR1,McBSP1_SPSA
stm #1801h,McBSP1_SPSD ;設(shè)定RRST=1，開始接收數(shù)據(jù)
stm SPCR2,McBSP1_SPSA
stm #0041h,McBSP1_SPSD ；設(shè)定XRST=1，開始發(fā)送數(shù)據(jù)
DSP中斷服務(wù)程序、命令字發(fā)送程序以及信息管理程序在此不多述。
2 信息管理
在采用本模塊的擬人機(jī)器人語(yǔ)言交互系統(tǒng)中，若干條語(yǔ)音按順序分別被錄入到芯片，并將期編程為1、2、3等。DSP可以通過(guò)SPI接口獲得每次錄音結(jié)束時(shí)的ISD內(nèi)部信息指針，據(jù)此構(gòu)建一個(gè)信息地址表（MAT），并將此表存入Flash Memory中，作為以后錄放、刪除操作時(shí)信息管理的依據(jù)。
ISD4004內(nèi)部存儲(chǔ)器分為2400行，每行1600列。對(duì)器件尋址即選擇一行，從行首開始錄放，而每行中的列不可尋址。對(duì)于8kHz采樣率的ISD4004，采樣間隔為125μs。器件地址分辨率可按如下計(jì)算：
(1/Fs)×1600=200ms
2.1 MAT
由于ISD4004內(nèi)部可尋址多達(dá)2400行，而每行固定存儲(chǔ)200ms語(yǔ)音，為了可錄放、刪除任意長(zhǎng)度的語(yǔ)音，有必要建立MAT。MAT跟蹤每一條語(yǔ)音的開始地址以及每一個(gè)信息碎塊的開始結(jié)束地址。ISD4004共2400行，實(shí)際只需要12位地址即可完成尋址。為節(jié)省MAT存儲(chǔ)空間，將地址最高位bit15作為語(yǔ)音起始點(diǎn)標(biāo)志。建立MAT的規(guī)則如下：
（1）MAT表項(xiàng)值全為0（0000 0000 0000 0000）：表示對(duì)應(yīng)行未存儲(chǔ)任何語(yǔ)音；
（2）MAT表項(xiàng)值的bit15為1（1XXX XXXX XXXX XXXX），表示對(duì)應(yīng)的是某句語(yǔ)音的起始行；
（3）MAT表項(xiàng)值的bit15為0，其余各位是有效地址（0XXX XXXX XXXX XXXX），表示對(duì)應(yīng)的行是某句語(yǔ)音的一行，但不是起始行；
（4）ISD的第一行總是某句語(yǔ)音的起始行。
同一句語(yǔ)音的地址在MAT中總是連續(xù)存儲(chǔ)的。由若干行組成的句語(yǔ)音，它的各行地址總是從小到大，但不一定兩兩相連。以行地址為表項(xiàng)的MAT，所要求的存儲(chǔ)空間是較大的。本例中為2400行語(yǔ)句，則要求MAT具有2400個(gè)表項(xiàng)。為了減小MAT大小，也可對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行分塊。若8以位為一個(gè)語(yǔ)音塊，則MAT大小減小為300個(gè)表項(xiàng)。經(jīng)過(guò)幾次錄音和刪除手，建立的MAT如表1所示。
表1 MAT實(shí)例
2.2 信息管理操作
放音時(shí)，DSP從MAT表頭開始搜索bit15為1的表項(xiàng)。要播放第幾條語(yǔ)句，則尋找第幾個(gè)bit15為1的表項(xiàng)。由于RAC的周期和器件的行相同，且其低脈沖時(shí)間長(zhǎng)達(dá)25ms，在播放當(dāng)前行語(yǔ)音的同時(shí)，RAC觸發(fā)DSP的INT3中斷。INT3中斷服務(wù)程序驗(yàn)證下一行bit15是否為1，若不為1則將該行地址送入ISD，則輸入的地址不會(huì)立刻生效，而是在緩沖器中等待當(dāng)前結(jié)束；若為1則指示下一行為新語(yǔ)句開始地址，DSP不送任何指令。放音遇到EOM或者OVF時(shí)產(chǎn)生INT中斷，停止放音。
錄音時(shí)，按NUM鍵啟動(dòng)錄音操作，DSP首先找出MAT中的個(gè)全0行，發(fā)錄音指令；在錄制當(dāng)前行的同時(shí)，DSP等待RAC信號(hào)觸發(fā)INT3中斷，中斷服務(wù)程序繼續(xù)尋找全0行、發(fā)帶該行地址的錄音指令，直到按STOP鍵觸發(fā)INT0中斷發(fā)錄音停止命令為止。刪除語(yǔ)音可通過(guò)將相應(yīng)語(yǔ)音行全置零來(lái)完成。
本文詳細(xì)闡述了TMS320VC5402 DSP與ISD4004語(yǔ)音錄放芯片的SPI接口設(shè)計(jì)、ISD4004的語(yǔ)音信息管理以及DSP與ISD4004之間的通訊與控制程序算法的設(shè)計(jì)。該模塊作為擬人機(jī)器人語(yǔ)音互系統(tǒng)的語(yǔ)音應(yīng)答模塊，可以對(duì)機(jī)器人識(shí)別的命令語(yǔ)音進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)時(shí)應(yīng)答。
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