基于TLV320AIC23B的语音信号采集系统设计

http://www.paper.edu.cn 基于 TLV320AIC23B 的语音信号采集系统设计 郝建柏1，朱晓颖2，胡明2 1中国科学技术大学电子科学与技术系，安徽合肥(230027) 2 , 3中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州(221008) E-mail：hao_student@126.com 摘 要：本论文设计了利用高性能 16位定点 DSP TMS320VC5402控制 TI公司最新推出的语 音信号处理芯片 TLV320AIC23B实现的语音信号处理系统。在系统中，TMS320VC5402 通 过McBSP1配置 TLV320AIC23B的工作方式；通过McBSP0接收 TLV320AIC23B采集语音 信号所得的数字信号，也可以通过McBSP0把数字信号发送给后者还原出语音信号。 硬件电路设计部分给出了系统硬件的连接方式，硬件上可以实现立体声输入或话筒输 入，立体声输出或耳机输出的功能。软件设计部分，论文给出了系统软件的框图。通过软件 程序的设置，可以使系统实现 8KHz到 96KHz多种采样频率，16位、20位、24位、32位 多种采样位数的音频信号的采集和回放。 关键字：DSP；TMS320VC5402；TLV320AIC23B； 语音信号处理 中图分类号：TP3 1 引言 语音是语言的声学表示，是声音和意义的结合体，是人与人之间相互传递信息的最重要 的手段，是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息的形式。语音中除包含实际发 音内容的语言信息外，还包括发音者是谁及喜怒哀乐等各种信息。 语音信号处理是研究用数字信号处理技术对语音信号进行处理的一门学科，它是一门新 兴的学科，同时又是综合性的多学科领域和涉及面很广的交叉学科。从事这一领域的研究， 不但要懂信号与信息处理、计算机技术应用，还要对语言学、语音学、声学、认知科学、生 理学、心理学等许多学科有很深的了解。 现在要设计出高质量的语音信号处理系统，不但要有成熟的理论基础，更要有良好的物 理硬件的支持。高速的擅长数据处理的 DSP 的出现和专用语音信号处理芯片的出现使得高 质量的语音信号处理系统得以实现。而本系统就是根据以上的论述设计出的一种能够完成高 质量语音信号采集、处理和回放的系统。 2 语音信号处理芯片 TLV320AIC23B 简介 TLV320AIC23B芯片，内置耳机输出放大器，支持MIC和LINE IN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。TLV320AIC23B的模数转换（ADC）和数模 转换（DAC）部件高度集成在芯片内部，采用了先进的Sigma－delta过采样技术，可以在 8K 到 96K的频率范围内提供 16bit、20bit、24bit和 32bit的采样，ADC和DAC的输出信噪比分别 可以达到 90dB和 100dB。与此同时，TLV320AIC23B还具有很低的能耗，回放模式下功率仅 为 23mW，省电模式下更是小于 15µW。由于具有上述优点，使得TLV320AIC23B是一款非 - 1 - 1 常理想的音频模拟I/O器件，可以很好的应用在随声听（如CD，MP3……）、录音机等数字 音频领域[1]。 2.1 引脚介绍 TLV320AIC23B 提供 28 脚的 PW 封装，其引脚根据功能可以分为电源及时钟引脚、语 音信号输入引脚、语音信号输出引脚、控制口引脚和数据口引脚。由于芯片的引脚过多，逐 个介绍显得繁琐，现在按功能划分只介绍一些重要的引脚。 表 1 TLV320AIC23B 的部分引脚功能 引脚名称 I/O 功能描述 数据口引脚 BCLK I/O 数据口串行时钟引脚。TLV320AIC23B工作在主模式时，它来提供 这个时钟信号；工作在从模式时，时钟信号提供给TLV320AIC23B。 LRCIN I/O 数据口数据输入帧信号。TLV320AIC23B工作在主模式时，它来提 供这个帧信号；工作在从模式时，帧信号提供给TLV320AIC23B。 DIN I 数据口串行数据输入引脚。 LRCOUT I/O 数据口数据输出帧信号。TLV320AIC23B工作在主模式时，它来提 供这个帧信号；工作在从模式时，帧信号提供给TLV320AIC23B。 DOUT O 数据口串行数据输出引脚。 控制口引脚 MODE I 控制口模式选择引脚。低电平时控制口配置成两线I2C模式，高电 平时配置成三线SPI模式。 CS I 控制口锁存/地址选择引脚。控制口工作在SPI模式时，作为数据输 入锁存引脚；控制口工作在I2C模式时，作为I2C器件的地址选择引 脚。 SCLK I 控制口串行时钟引脚。 SDIN I 控制口串行数据输入引脚。 语音信号输入引脚 MICBIAS O 麦克风偏置电压输出引脚。在选择麦克风输入时，该引脚输出的 电压作为麦克风的偏置。其电压在正常模式下为3/4 的模拟电源 电压。 MICIN I 麦克风输入引脚。该引脚为麦克风输出的模拟语音信号输入引脚。 LLINEIN I 立体声的左声道模拟语音信号输入引脚。 RLINEIN I 立体声的右声道模拟语音信号输入引脚。 语音信号输出引脚 LOUT O 立体声的左声道模拟语音信号输出引脚。 ROUT O 立体声的右声道模拟语音信号输出引脚。 LHPOUT O 耳机输出的右声道输出引脚 - 2 - 2 http://www.paper.edu.cn RHPOUT O 耳机输出的左声道输出引脚 2.2 寄存器介绍 TLV320AIC23B 有 11 个控制寄存器，用于设置其工作方式。下面的是关于各个寄存功 能的简单介绍，详细的各个控制位的功能可以查阅其数据 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 。 表 2 TLV320AIC23B 控制寄存简介 寄存器地址 寄存器名称 寄存器功能 0000000 立体声左声道输入音量 控制寄存器 控制立体声左声道输入的音量。 0000001 立体声右声道输入音量 控制寄存器 控制立体声右声道输入的音量。 0000010 耳机左声道输出音量控 制寄存器 控制耳机左声道输出音量。 0000011 耳机右声道输出音量控 制寄存器 控制耳机右声道输出音量。 0000100 模拟音频通路控制寄存 器 模拟接口方式选择控制。 0000101 数字音频通路控制寄存 器 控制芯片内部 ADC 和 DAC 的工作方式。 0000110 功率控制寄存器 控制芯片内部各个功能单元的开或者关。 0000111 数字接口模式控制寄存 器 控制数字口的接口方式。 0001000 采样频率控制寄存器 设置 A/D 变换的采样频率。 0001001 数字接口激活寄存器 用于激活数字接口。 0001111 复位寄存器 用于复位整个芯片。 3 TLV320AIC23B 的硬件电路设计 结合 TI 公司这颗芯片的优点，利用 TMS320VC5402 作为控制器，可以非常方便的设 计出高性能的语音信号处理系统。图 1 为系统的原理框图。 滤波 滤波 TLV320 AIC23B TMS320VC5402 音频输入 音频输出 McBSP0 McBSP1 图 1 语音信号处理系统的框图 - 3 - 3 http://www.paper.edu.cn 3.1 模拟接口电路 模拟信号接口电路中的输入部分主要完成把语音信号变成电信号输入，或者直接把立 体声的电信号输入。输出部分主要完成把语音信号输出，可以直接驱动耳机或立体声设备。 TLV320AIC23B 的输入有两种形式，立体声输入和耳机输入。立体声输入口包括左右 声道的输入，麦克风输入是语音直接输入。其中由于麦克风是无源元器件，所以要为其提供 偏置电源。在本系统中采用开关 Switch 进行两种输入方式的切换，这部分电路图如图 2 所 示。 图 2 TLV320AIC23B 的音频信号输入电路 TLV320AIC23B有两种输出方式： 立体声输出和耳机输出。耳机输出可以直接驱动16Ω 和32Ω的耳机，不需要外部再进行功率驱动。立体声输出没有经过内部放大器，是直接输出。 音频信号输出电路图如图3所示。 图3 TLV320AIC23B音频信号输出电路 3.2 数字接口电路 数字接口电路主要是完成 TLV320AIC23B 与 DSP 芯片 TMS320VC5402 之间的数字接 口，以用于两者之间的数据传输。 TLV320AIC23B与微处理器的接口有两个，一个是控制口，用于设置TLV320AIC23B的 工作参数；另一个是数据口，用于传输TLV320AIC23B的A/D、D/A 数据。这两个口都是串 行口[2]。 TMS320VC5402 有两个多通道缓冲串行口（Multichannel Buffered Serial Port，简称 - 4 - 4 http://www.paper.edu.cn McBSP），McBSP 的极大优点是其具有很强的可配置性，可以通过设置其相应的寄存器，设 定其工作方式。本系统就是通过将 TMS320VC5402 的两个 McBSP 配置成所需的工作方式实 现与 TLV320AIC23B 的无缝接口。 TLV320AIC23B的控制接口有两种工作方式， MODE接低电平是设置为 2 线制的I2C方 式；MODE接高电平是设置为 3 线制的SPI方式。由于McBSP不容易实现I2C工作方式，但 是很容易实现SPI工作方式，所以在本系统中就把TLV320AIC23B的MODE引脚接高电平， 配置为SPI工作方式。 在 SPI 方式下，SDIN 是串行数据，SCLK 是串行时钟CS是控制位。串行数据由 16 位 组成，高位在前，低位在后。串行数据的前七位表示 TLV320AIC23B 的某个寄存器的地址， 后九位表示写到这个寄存器的数据。SPI 方式的时序如图 4 所示。 图 4 SPI 方式的时序图 TLV320AIC23B 的数据口有四种工作模式，分别为 Right justified 、Left justified、IIS Mode、DSP Mode，其中后两种模式可以很方便的与 DSP 的 McBSP 连接。本系统中 TLV320AIC23B 采用 DSP Mode 模式和 TMS320VC5402 的 McBSP 接口实现无缝连接，可 以方便的实现主、从模式两种工作方式。当 McBSP 为从模式时，McBSP 的接收时钟与帧 同频信号都由 TLV320AIC23B 来提供；当 McBSP 为主模式时，McBSP 产生所需的时钟和 帧信号。 TLV320AIC23B 的 DSP Mode 的工作时序如图 5 所示。LRCIN/LRCOUT 是帧信号，它 连接到 TMS320VC5402 McBSP 的帧同步信号引脚。BCLK 是串行时钟，它连接到 TMS320VC5402 McBSP 的发送/接受时钟引脚。DIN/DOUT 上是串行数据，它连接到 TMS320VC5402 McBSP 的发送/接受数据引脚。串行数据是左声道数据在前，紧接着是右声 道数据，串行数据是高位在前，低位在后。 图 5 TLV320AIC23B DSP Mode 的工作时序图 - 5 - 5 http://www.paper.edu.cn 根据上面数字接口部分的介绍，本系统TMS320VC5402 与TLV320AIC23B间接口电路图 如图 6 所示。其中TMS320VC5402 的McBSP0 用于数据口，McBSP1 用于控制口[3][4]。 BCLK LRCIN DIN LRCOUT DOUT SCLK SDIN CS MODE CLKR0 CLKX0 FSR0 FSX0 DR0 DX0 CLKX1 DX1 FSX1 +3.3V TMS320VC5402 TLV320AIC23B 图 6 TMS320VC5402 与 TLV320AIC23B 间的数字接口 4 语音信号处理系统的软件设计 本语音信号处理系统的主体由TMS320VC5402 和TLV320AIC23B构成，所以软件系统的 编程也主要是围绕这两颗芯片来的。在软件程序中要完成对TMS320VC5402 的初始化，尤 其是对两个McBSP的设置，还有TLV320AIC23B中控制寄存器的设置。然后让系统在设定的 方式下工作即可[5]。 本系统的软件流程框图如下图 7 所示。 DSP 工作控制、状态 等寄存器初始化 DSP 的 McBSP0 和 McBSP1 工作方式 设置 TLV320AIC23B 工作方式设置 开始 Y 语音信号采集或回 放是否完成？ 语音信号采集（包括 存储）或回放 结束 N 图 7 系统软件流程图 由系统软件流程图可以看出，程序开始要进行 DSP 内部的初始化，比如控制寄存器 PMST、状态寄存器 ST0 和 ST1，还有时钟方式寄存器 CLKMD 等。这部分的作用是初始化 - 6 - 6 http://www.paper.edu.cn DSP，使其能够按照所需的状态进行工作。DSP 的 McBSP0 和 McBSP1 的初始化主要用于 设置两个多通道缓冲串行口的工作方式，让 McBSP0 能够与 TLV320AIC23B 的数据口的无 缝接口，让 McBSP1 工作在 SPI 方式，与 TLV320AIC23B 的控制口实现无缝接口。 TLV320AIC23B 的工作方式设置主要用于设置其工作方式，比如主从工作方式、采样频率、 采样位数等。语音信号的采集（包括存储）或者回放部分则是通过TMS320VC5402的McBSP0 口，把 TLV320AIC23B 采样得来得数字量进行存储，放到存储器中去；或者把存储器中数 据通过 McBSP0 送给 TLV320AIC23B，让其进行语音信号的回放，得到还原的语音信号。 这一部分工作完成之后，程序让 TMS320VC5402 转入省电的工作方式或者停机。 5 总结 通过系统硬件电路和软件程序的设计，可以很容易实现 8KHz 到 96KHz 多种采样频率， 16 位、20 位、24 位、32 位多种采样位数的音频信号的采集、存储和回放，而且语音清晰、 失真小。另外，系统还为更进一步的语音信号处理提供了一个很好的硬件平台，可以很方便 的进行 PCM（G.711）、ADPCM（G.721、G.723、G.726、G.727）、G.729、G.723.1 等语音编 码及其他语音技术处理。 参考文献： [1] 《TLV320AIC23B Datasheet》, Texas Instruments,2002 [2] 刘益成。TMS320C54x DSP 应用程序设计与开发。北京：北京航空航天大学出版社，2002，160-175 [3] 清源科技。TMS320C54x DSP 硬件开发教程。北京：机械工业出版社，2003，62-64 [4] 《TMS320VC5402 Datasheet》, Texas Instruments,2000 [5] 戴明桢，周建江。TMS320C54x DSP 结构、原理及应用。北京：北京航空航天大学出版社，2001，50-57 Design of Speech Signal Processing Based on TLV320AIC23B Hao Jianbai1, Zhu xiaoying2, Hu ming3 1Department of Electrical Science and Technology, USTC,Hefei, Anhui (230027) 2 , 3School of Information and Electrical Engineering, CUMT,Xuzhou, Jiangsu (221008) Abstract This paper introduces a speech signal processing system, which is based on the 16 bits, fix-point, high-performance DSP chip TMS320VC5402 and high-performance stereo audio codec chip TLV320AIC23B lately produced by TI corporation. TMS320VC5402 transfers the control data, which defines the working state of TLV320AIC23B, to TLV320AIC23B through its McBSP1. Through its McBSP0 ，TMS320VC5402 receives the digital data of the speech signal collected by TLV320AIC23B, - 7 - 7 http://www.paper.edu.cn or transfers the digital signal to the TLV320AIC23B which will reproduce the speech signal. This paper gives the detailed hardware cuicuit of the system. It is possible for the system to be line inputs or microphone input, line outputs or headphone output. The paper draws the flow chart of the system software. By the setting of the system software, the system supports sampling data lengths of 16, 20, 24 and 32 bits with sample rates from 8kHz to 96kHz. Keywords: DSP；TMS320VC5402；TLV320AIC23B； Speech signal processing 作者简介： 郝建柏，1984 年出生，男，汉族，中国科学技术大学在读硕士研究生，主要研究方向为智 能信息处理。 朱晓颖，1984 年出生，女，汉族，中国矿业大学在读硕士研究生，主要研究方向为嵌入式 系统设计。 胡明，1982 年出生，男，汉族，中国矿业大学在读硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系 统设计。 - 8 - 8 http://www.paper.edu.cn 基于TLV320AIC23B的语音信号采集系统设计 1 引言 2 语音信号处理芯片TLV320AIC23B简介 2.1 引脚介绍 2.2 寄存器介绍 3 TLV320AIC23B的硬件电路设计 3.1 模拟接口电路 3.2 数字接口电路 4 语音信号处理系统的软件设计 5 总结