嵌入式數(shù)字多媒體終端硬件平臺的設計與實現(xiàn)
[導讀]本文就是針對學生端設計一種經(jīng)濟實用的獨立設備。它采用嵌入式數(shù)字信號處理器DSP+CPLD+接口電路的設計模式。
引言
隨著信息時代的到來，信息技術尤其是計算機多媒體技術與網(wǎng)絡技術飛速發(fā)展，語音教室在各種學校都已有了廣泛的應用?，F(xiàn)存的語音教學系統(tǒng)一般都是采用模擬電路，可靠性低，抗干擾性弱，易發(fā)生串音，從而在傳輸過程中會失真、衰減，且易受干擾，導致語音質(zhì)量較差，同時布線也較復雜，建設成本比較高；另外現(xiàn)存的解決方案實現(xiàn)的功能較為單一，只能完成簡單的教學功能，沒有提供隨意分組討論、點名、選擇題問答等應有的功能；另外，現(xiàn)存的解決方案沒有發(fā)揮出現(xiàn)有的多媒體網(wǎng)絡技術優(yōu)勢，無法進行高效、生動的多媒體教學，交互性比較差，教學效果受到很大的影響，嚴重影響了在實際教學中的推廣與應用。要解決傳統(tǒng)語音教學面臨的問題必須引入數(shù)字化的設計。
數(shù)字多媒體終端的硬件設計與實現(xiàn)
數(shù)字語音教學系統(tǒng)由教師端、多個學生端(數(shù)字多媒體終端)、數(shù)字傳輸網(wǎng)絡組成。其中，教師端一般采用計算機控制，主要完成系統(tǒng)管理及網(wǎng)絡管理。學生端既可以基于PC機平臺，也可以采用經(jīng)濟型獨立設備。數(shù)字傳輸網(wǎng)絡是所要傳輸?shù)亩嗝襟w信息的載體。本文就是針對學生端設計一種經(jīng)濟實用的獨立設備。它采用嵌入式數(shù)字信號處理器DSP+CPLD+接口電路的設計模式。數(shù)字信號處理器DSP實現(xiàn)語音信號的處理、網(wǎng)絡接口部分的控制及多任務的管理。CPLD完成網(wǎng)絡適配部分設計及部分外圍電路控制。接口電路包含網(wǎng)絡接口、模擬語音輸入輸出接口。語音傳輸中要保證語音傳輸?shù)膶崟r性和交互性，實現(xiàn)學生端與教師端和其他學生端的通信。
硬件平臺構造于DSP嵌入式系統(tǒng)上，該平臺采用了TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320VC5402作為核心部件，利用可編程邏輯器件XC95288開發(fā)了外圍控制電路和接口電路，其電路如圖1所示。它主要包括以下幾部分：
圖1 嵌入式多媒體終端硬件平臺結構框圖
多種設備接口
包括網(wǎng)絡輸入、輸出接口、話筒輸入接口和耳機輸出接口。
語音信號前置放大
由于從話筒輸入的語音信號比較微弱(1～30mV)，達不到編解碼器對信號強度的要求，因此必須進行前置放大，這里由專用前置放大芯片完成。
語音信號的轉換及編解碼
語音信號的A/D，D/A轉換及編解碼功能是利用MC145480完成的，它的優(yōu)點是：①可將語音信號的A/D，D/A轉換及編解碼集成在一個芯片中，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性；②只需單電源供電，減少了雙電源供電所帶來的電源干擾問題，提高了語聲質(zhì)量；③可提供A律及m律兩種編碼格式，提供符合ITU-T G.711建議的語音數(shù)據(jù)流。
系統(tǒng)控制、管理與語音壓縮
由數(shù)字信號處理器TMS320VC5402完成。該芯片處理速度快，可實現(xiàn)語音的實時處理，并實現(xiàn)語音的回聲抑制功能。除了能完成DSP所提供的功能外，利用內(nèi)嵌的DSP/BIOS實時操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)并建立語音實時多任務系統(tǒng)。
網(wǎng)絡適配電路
本網(wǎng)絡的拓撲結構參考令牌總線網(wǎng)，物理拓撲采用總線型結構，由一根線形的電纜連接各個站點。邏輯拓撲采用環(huán)形結構，每個站點知道自己左邊和右邊站點的地址，在邏輯上構成一個環(huán)，數(shù)據(jù)沿環(huán)逐節(jié)點順序傳送。這種物理結構具有以太網(wǎng)電纜的可靠性，不會因某處電纜故障物而在物理上導致整個系統(tǒng)癱瘓。其所需電纜長度短，安裝費用低，易于布線、維護和擴充。而且，物理上共享總線的站點之間可以直接通信，響應速度較快。同時，由于總線電纜固有的廣播特性，使得應用中廣播功能的實現(xiàn)較為容易。另外，由于邏輯環(huán)是公平的，每一站點對信道的訪問時間有一個確定的上界，因此可以防止某一站點獨占信道這種情況的發(fā)生。共享媒體語音網(wǎng)是一個局域通信網(wǎng)絡，它沒有路由問題，任何兩個站點之間可以使用一條直接鏈路，所以不需要單獨設置網(wǎng)絡層，而可以將尋址、排序、流控、差錯控制等功能都放在數(shù)據(jù)鏈路層中實現(xiàn)。
該控制電路利用XILINX公司的可編程邏輯器件CX95288實現(xiàn)。網(wǎng)絡適配器把數(shù)據(jù)總線上的低電平并行信號轉換成0、1碼流，通過連接網(wǎng)絡各站點的電纜傳輸。它采用特殊技術，以便利用適配器共享局域網(wǎng)線纜、局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制MAC方式和發(fā)送信號的類型。電路包括網(wǎng)絡接口、接收電路、發(fā)送電路及與DSP的接口電路。其中，網(wǎng)絡接口部分采用通用的RS-485通信接口，實現(xiàn)簡單。共享媒體語音網(wǎng)絡的適配器電路結構如圖2所示。
圖2 網(wǎng)絡適配器電路結構
數(shù)字多媒體終端的軟件設計與實現(xiàn)
數(shù)字多媒體終端系統(tǒng)除了利用DSP完成信號處理，實現(xiàn)全部系統(tǒng)控制功能之外，在系統(tǒng)軟件設計中，需要對DSP、存儲器、外設等各種資源加以管理，同時還要處理多任務并發(fā)操作和不同任務之間的協(xié)調(diào)。為了保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本文采用了DSP/BIOS實現(xiàn)上述工作。
DSP/BIOS實時操作系統(tǒng)
DSP/BIOS是TI公司推出的一個實時操作系統(tǒng)(RTOS)，與TI的Code Composer Studio(CCS)集成在一個開發(fā)環(huán)境下。目前最新的版本是CCS 2.0 中的DSP/BIOS II。它支持軟件模塊化，通過修改內(nèi)核提供占先式多任務服務；具有設備獨立的I/O數(shù)據(jù)流模型；可以對內(nèi)存進行動態(tài)分配與內(nèi)存管理。DSP/BIOS實際上是一個可調(diào)用的系統(tǒng)模塊API的集合，利用DSP/BIOS調(diào)試工具可以對程序進行實時跟蹤與分析，提高應用程序開發(fā)的可靠性。通過DSP/BIOS 插件(Plug-ins)可實時觀察內(nèi)核中各線程的執(zhí)行狀態(tài)和對象的當前屬性。利用配置工具(Configuration Tool)開發(fā)者可以對各個模塊實行配置。非常有效地提高項目了開發(fā)效率，簡化了DSP應用程序的開發(fā)和調(diào)試。
DSP/BIOS實時語音處理多任務系統(tǒng)
對語音信號的處理利用DSP/BIOS建立實時多任務系統(tǒng)。DSP與音頻編解碼器之間的通信通過DSP的外設多通道緩沖串行口(McBSP)實現(xiàn)閉環(huán)測試。簡單的語音處理系統(tǒng)由采集線程和播放線程兩個應用任務組成。每個應用任務分別對應一個輸入SIO和一個輸出SIO流，通過兩個半雙工通道(一個輸入，一個輸出)來訪問連接到音頻編解碼器的DSP多通道緩沖串行口。另外，在兩個任務之間的數(shù)據(jù)交換通過DPI設備驅動完成。具體實現(xiàn)包括：
● 建立設備驅動
設備驅動采用DAX驅動程序作為管理設備的軟件模塊。DAX驅動模塊由DAX頭文件和DAX函數(shù)組成。DAX_Params作為配置工具設備驅動對象的屬性。每個設備驅動模塊同時還需要一個控制模塊，控制模塊由外部函數(shù)bind、start、stop和unbind等組成，通過DAX_Params參數(shù)結構和配置工具配置控制器。其中，控制器的bind(unbind)函數(shù)負責綁定(解除綁定)設備驅動模塊對設備端口的控制?？刂破鞯膕tart函數(shù)負責調(diào)用流SIO_get時打開設備端口，也就是打開McBSP的接收和發(fā)送中斷使ISR中斷服務線程正常運行。控制器的stop函數(shù)使停止中斷運行并關中斷。
DAX函數(shù)由配置工具中設備對象的函數(shù)表調(diào)用，在dax.c中初始化驅動函數(shù)表DAX_FXNS，DAX函數(shù)表的結構如下所示：
DEV_Fxns DAX_FXNS = {
DAX_close,
DAX_ctrl,
DAX_idle,
DAX_issue,
DAX_open,
DAX_ready,
DAX_reclaim
};
應用程序不直接調(diào)用驅動函數(shù),這個函數(shù)表用于SIO模塊調(diào)用特定的設備驅動函數(shù)，SIO模塊依次發(fā)送通常的函數(shù)調(diào)用適當?shù)尿寗雍瘮?shù)。
● 建立SIO流
本文利用靜態(tài)配置工具為每個任務建立一個輸入流和一個輸出流，采樣線程對應采樣輸入流inSample和輸出流outSample,播放線程對應播放輸入流inSink和輸出流outSink。
● 建立任務
系統(tǒng)利用DSP/BIOS建立兩個任務tasksample和tasksink，分別對應Sample 和Sink線程，以完成語音的采集處理與播放處理。采樣線程Sample和播放線程Sink調(diào)用相同的I/O處理函數(shù)，I/O處理函數(shù)如下所示：
static Void doStreaming(SIO_Handle input, SIO_Handle output, Uns nloops)
{
Ptr buf;
Int i, nbytes;
if ( SIO_staticbuf(input, &buf) == 0) {
SYS_abort("Error reading buffer");
}
while(1) {
if ((nbytes = SIO_get(input, &buf)) < 0) {
SYS_abort("Error reading buffer %d", i);
}
if (SIO_put(output, &buf, nbytes) < 0) {
SYS_abort("Error writing buffer %d", i);
}
}
}
雖然兩個線程調(diào)用了相同的I/O處理函數(shù)，但是由于對應不同的輸入/輸出流，因此在多任務操作中，不會出現(xiàn)沖突。
● 建立中斷服務程序
使用HWI硬件中斷服務管理器HWI配置相應的中斷服務程序ISR。當接收發(fā)生中斷時，ISR將接收的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，當接收緩沖區(qū)滿時，通知設備驅動程序DAX，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到inSample流中，供上層任務處理。
結語
本文針對傳統(tǒng)模擬語音教學系統(tǒng)的弊端提出了數(shù)字語音教學系統(tǒng)，并設計實現(xiàn)。該系統(tǒng)平臺主要為數(shù)字語音教室的隨意分組討論、點名、選擇題問答、播放備課文件、回放等一系列功能提供了實現(xiàn)基礎。同時通過共享多種媒體，如聲音、音樂、文字、圖象等，減少時間浪費，使教學高效、生動，從而激發(fā)學生的學習積極性和想象力，有很好的開發(fā)應用價值。
參考文獻：
1．TMS320C54XDSP Applications Guide.Texas Instuments, 1999.
2． TMS320C54XDSP Enhanced Peripherals.Texas Instuments, 1999.
3． 朱之劍、呂進，《多媒體技術及其應用》，浙江科學技術出版社，1997年5月.
4． 胡道元，《計算機局域網(wǎng)》(第二版)，清華大學出版社，1996年12月.
隨著信息時代的到來，信息技術尤其是計算機多媒體技術與網(wǎng)絡技術飛速發(fā)展，語音教室在各種學校都已有了廣泛的應用?，F(xiàn)存的語音教學系統(tǒng)一般都是采用模擬電路，可靠性低，抗干擾性弱，易發(fā)生串音，從而在傳輸過程中會失真、衰減，且易受干擾，導致語音質(zhì)量較差，同時布線也較復雜，建設成本比較高；另外現(xiàn)存的解決方案實現(xiàn)的功能較為單一，只能完成簡單的教學功能，沒有提供隨意分組討論、點名、選擇題問答等應有的功能；另外，現(xiàn)存的解決方案沒有發(fā)揮出現(xiàn)有的多媒體網(wǎng)絡技術優(yōu)勢，無法進行高效、生動的多媒體教學，交互性比較差，教學效果受到很大的影響，嚴重影響了在實際教學中的推廣與應用。要解決傳統(tǒng)語音教學面臨的問題必須引入數(shù)字化的設計。
數(shù)字多媒體終端的硬件設計與實現(xiàn)
數(shù)字語音教學系統(tǒng)由教師端、多個學生端(數(shù)字多媒體終端)、數(shù)字傳輸網(wǎng)絡組成。其中，教師端一般采用計算機控制，主要完成系統(tǒng)管理及網(wǎng)絡管理。學生端既可以基于PC機平臺，也可以采用經(jīng)濟型獨立設備。數(shù)字傳輸網(wǎng)絡是所要傳輸?shù)亩嗝襟w信息的載體。本文就是針對學生端設計一種經(jīng)濟實用的獨立設備。它采用嵌入式數(shù)字信號處理器DSP+CPLD+接口電路的設計模式。數(shù)字信號處理器DSP實現(xiàn)語音信號的處理、網(wǎng)絡接口部分的控制及多任務的管理。CPLD完成網(wǎng)絡適配部分設計及部分外圍電路控制。接口電路包含網(wǎng)絡接口、模擬語音輸入輸出接口。語音傳輸中要保證語音傳輸?shù)膶崟r性和交互性，實現(xiàn)學生端與教師端和其他學生端的通信。
硬件平臺構造于DSP嵌入式系統(tǒng)上，該平臺采用了TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320VC5402作為核心部件，利用可編程邏輯器件XC95288開發(fā)了外圍控制電路和接口電路，其電路如圖1所示。它主要包括以下幾部分：
圖1 嵌入式多媒體終端硬件平臺結構框圖
多種設備接口
包括網(wǎng)絡輸入、輸出接口、話筒輸入接口和耳機輸出接口。
語音信號前置放大
由于從話筒輸入的語音信號比較微弱(1～30mV)，達不到編解碼器對信號強度的要求，因此必須進行前置放大，這里由專用前置放大芯片完成。
語音信號的轉換及編解碼
語音信號的A/D，D/A轉換及編解碼功能是利用MC145480完成的，它的優(yōu)點是：①可將語音信號的A/D，D/A轉換及編解碼集成在一個芯片中，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性；②只需單電源供電，減少了雙電源供電所帶來的電源干擾問題，提高了語聲質(zhì)量；③可提供A律及m律兩種編碼格式，提供符合ITU-T G.711建議的語音數(shù)據(jù)流。
系統(tǒng)控制、管理與語音壓縮
由數(shù)字信號處理器TMS320VC5402完成。該芯片處理速度快，可實現(xiàn)語音的實時處理，并實現(xiàn)語音的回聲抑制功能。除了能完成DSP所提供的功能外，利用內(nèi)嵌的DSP/BIOS實時操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)并建立語音實時多任務系統(tǒng)。
網(wǎng)絡適配電路
本網(wǎng)絡的拓撲結構參考令牌總線網(wǎng)，物理拓撲采用總線型結構，由一根線形的電纜連接各個站點。邏輯拓撲采用環(huán)形結構，每個站點知道自己左邊和右邊站點的地址，在邏輯上構成一個環(huán)，數(shù)據(jù)沿環(huán)逐節(jié)點順序傳送。這種物理結構具有以太網(wǎng)電纜的可靠性，不會因某處電纜故障物而在物理上導致整個系統(tǒng)癱瘓。其所需電纜長度短，安裝費用低，易于布線、維護和擴充。而且，物理上共享總線的站點之間可以直接通信，響應速度較快。同時，由于總線電纜固有的廣播特性，使得應用中廣播功能的實現(xiàn)較為容易。另外，由于邏輯環(huán)是公平的，每一站點對信道的訪問時間有一個確定的上界，因此可以防止某一站點獨占信道這種情況的發(fā)生。共享媒體語音網(wǎng)是一個局域通信網(wǎng)絡，它沒有路由問題，任何兩個站點之間可以使用一條直接鏈路，所以不需要單獨設置網(wǎng)絡層，而可以將尋址、排序、流控、差錯控制等功能都放在數(shù)據(jù)鏈路層中實現(xiàn)。
該控制電路利用XILINX公司的可編程邏輯器件CX95288實現(xiàn)。網(wǎng)絡適配器把數(shù)據(jù)總線上的低電平并行信號轉換成0、1碼流，通過連接網(wǎng)絡各站點的電纜傳輸。它采用特殊技術，以便利用適配器共享局域網(wǎng)線纜、局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制MAC方式和發(fā)送信號的類型。電路包括網(wǎng)絡接口、接收電路、發(fā)送電路及與DSP的接口電路。其中，網(wǎng)絡接口部分采用通用的RS-485通信接口，實現(xiàn)簡單。共享媒體語音網(wǎng)絡的適配器電路結構如圖2所示。
圖2 網(wǎng)絡適配器電路結構
數(shù)字多媒體終端的軟件設計與實現(xiàn)
數(shù)字多媒體終端系統(tǒng)除了利用DSP完成信號處理，實現(xiàn)全部系統(tǒng)控制功能之外，在系統(tǒng)軟件設計中，需要對DSP、存儲器、外設等各種資源加以管理，同時還要處理多任務并發(fā)操作和不同任務之間的協(xié)調(diào)。為了保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本文采用了DSP/BIOS實現(xiàn)上述工作。
DSP/BIOS實時操作系統(tǒng)
DSP/BIOS是TI公司推出的一個實時操作系統(tǒng)(RTOS)，與TI的Code Composer Studio(CCS)集成在一個開發(fā)環(huán)境下。目前最新的版本是CCS 2.0 中的DSP/BIOS II。它支持軟件模塊化，通過修改內(nèi)核提供占先式多任務服務；具有設備獨立的I/O數(shù)據(jù)流模型；可以對內(nèi)存進行動態(tài)分配與內(nèi)存管理。DSP/BIOS實際上是一個可調(diào)用的系統(tǒng)模塊API的集合，利用DSP/BIOS調(diào)試工具可以對程序進行實時跟蹤與分析，提高應用程序開發(fā)的可靠性。通過DSP/BIOS 插件(Plug-ins)可實時觀察內(nèi)核中各線程的執(zhí)行狀態(tài)和對象的當前屬性。利用配置工具(Configuration Tool)開發(fā)者可以對各個模塊實行配置。非常有效地提高項目了開發(fā)效率，簡化了DSP應用程序的開發(fā)和調(diào)試。
DSP/BIOS實時語音處理多任務系統(tǒng)
對語音信號的處理利用DSP/BIOS建立實時多任務系統(tǒng)。DSP與音頻編解碼器之間的通信通過DSP的外設多通道緩沖串行口(McBSP)實現(xiàn)閉環(huán)測試。簡單的語音處理系統(tǒng)由采集線程和播放線程兩個應用任務組成。每個應用任務分別對應一個輸入SIO和一個輸出SIO流，通過兩個半雙工通道(一個輸入，一個輸出)來訪問連接到音頻編解碼器的DSP多通道緩沖串行口。另外，在兩個任務之間的數(shù)據(jù)交換通過DPI設備驅動完成。具體實現(xiàn)包括：
● 建立設備驅動
設備驅動采用DAX驅動程序作為管理設備的軟件模塊。DAX驅動模塊由DAX頭文件和DAX函數(shù)組成。DAX_Params作為配置工具設備驅動對象的屬性。每個設備驅動模塊同時還需要一個控制模塊，控制模塊由外部函數(shù)bind、start、stop和unbind等組成，通過DAX_Params參數(shù)結構和配置工具配置控制器。其中，控制器的bind(unbind)函數(shù)負責綁定(解除綁定)設備驅動模塊對設備端口的控制?？刂破鞯膕tart函數(shù)負責調(diào)用流SIO_get時打開設備端口，也就是打開McBSP的接收和發(fā)送中斷使ISR中斷服務線程正常運行。控制器的stop函數(shù)使停止中斷運行并關中斷。
DAX函數(shù)由配置工具中設備對象的函數(shù)表調(diào)用，在dax.c中初始化驅動函數(shù)表DAX_FXNS，DAX函數(shù)表的結構如下所示：
DEV_Fxns DAX_FXNS = {
DAX_close,
DAX_ctrl,
DAX_idle,
DAX_issue,
DAX_open,
DAX_ready,
DAX_reclaim
};
應用程序不直接調(diào)用驅動函數(shù),這個函數(shù)表用于SIO模塊調(diào)用特定的設備驅動函數(shù)，SIO模塊依次發(fā)送通常的函數(shù)調(diào)用適當?shù)尿寗雍瘮?shù)。
● 建立SIO流
本文利用靜態(tài)配置工具為每個任務建立一個輸入流和一個輸出流，采樣線程對應采樣輸入流inSample和輸出流outSample,播放線程對應播放輸入流inSink和輸出流outSink。
● 建立任務
系統(tǒng)利用DSP/BIOS建立兩個任務tasksample和tasksink，分別對應Sample 和Sink線程，以完成語音的采集處理與播放處理。采樣線程Sample和播放線程Sink調(diào)用相同的I/O處理函數(shù)，I/O處理函數(shù)如下所示：
static Void doStreaming(SIO_Handle input, SIO_Handle output, Uns nloops)
{
Ptr buf;
Int i, nbytes;
if ( SIO_staticbuf(input, &buf) == 0) {
SYS_abort("Error reading buffer");
}
while(1) {
if ((nbytes = SIO_get(input, &buf)) < 0) {
SYS_abort("Error reading buffer %d", i);
}
if (SIO_put(output, &buf, nbytes) < 0) {
SYS_abort("Error writing buffer %d", i);
}
}
}
雖然兩個線程調(diào)用了相同的I/O處理函數(shù)，但是由于對應不同的輸入/輸出流，因此在多任務操作中，不會出現(xiàn)沖突。
● 建立中斷服務程序
使用HWI硬件中斷服務管理器HWI配置相應的中斷服務程序ISR。當接收發(fā)生中斷時，ISR將接收的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，當接收緩沖區(qū)滿時，通知設備驅動程序DAX，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到inSample流中，供上層任務處理。
結語
本文針對傳統(tǒng)模擬語音教學系統(tǒng)的弊端提出了數(shù)字語音教學系統(tǒng)，并設計實現(xiàn)。該系統(tǒng)平臺主要為數(shù)字語音教室的隨意分組討論、點名、選擇題問答、播放備課文件、回放等一系列功能提供了實現(xiàn)基礎。同時通過共享多種媒體，如聲音、音樂、文字、圖象等，減少時間浪費，使教學高效、生動，從而激發(fā)學生的學習積極性和想象力，有很好的開發(fā)應用價值。
參考文獻：
1．TMS320C54XDSP Applications Guide.Texas Instuments, 1999.
2． TMS320C54XDSP Enhanced Peripherals.Texas Instuments, 1999.
3． 朱之劍、呂進，《多媒體技術及其應用》，浙江科學技術出版社，1997年5月.
4． 胡道元，《計算機局域網(wǎng)》(第二版)，清華大學出版社，1996年12月.
下載文檔
