1、 I摘要语音信号处理就是研究如何能更加有效地产生、传输和获取语音信息的学科。本论文首先介绍了语音信号处理的发展概况及国内外研究现状，并对未来发展做了展望，分析了语音特征参数的物理意义以及如何对其进行提取。在硬件部分本文主要围绕 TMS320VC5402 为核心，给出一个语音处理系统的设计方案。首先对 DSP 系统的组成简要说明了一下，然后给出了设计的基本框架，接下来分别就音频转换模块、电源电压转换模块等主要部分做了详细说明，最后对其它附属电路简要介绍。在设计中应用到了数字信号处理器(DSP)技术。在软件部分本文首先对 TI 公司的 DSP 开发工具 CCS 作了介绍，接着对 DSP 软件开发流
2、程进行了简要的叙述，然后就详细的分别对 DSP 的初始化、音频采集、TMS320VC5402 的并行引导装载程序进行了分析与设计。本文所涉及内容属于一个语音识别系统的一部分，在研究过程中对于语音处理的发展与研究现状进行了深入了解，对于 TMS320VC5402 芯片的性能参数以及软硬件相关知识掌握较详细，熟悉了 DSP 系统的设计与开发流程。关键词： 语音信号处理;特征参数;数字信号处理器;ISD4004;SPIIIAbstractSpeech signal processing is a subject to study how to produce，transmit and obtain
3、speech information effectivelyThe thesis starts with a literature review about the development of speech signal processing and provides an expectation for the futureNext an analysis is carried out on production mechanism of speech signal， setting up a simple and feasible mathematic model to analyze
4、the physical significance of speech characteristic parameter and how to determine itFrom the aspect of its hardware，a designing project of the speech processing system is established on the basis of TMS320VC5402The project first gives a brief introduction about the composition of DSP system and then
5、 displays its basic frameworkNext ,all elaboration is provided for the parts like selection of chip，module of audio frequency switch，extended memorizer, UART data communication and power voltage switchThe technology of DSP is applied in the designing process From the aspect of softwarethe thesis sta
6、rts with an introduction about CCSand then about DSP software developing flowAt last，a detailed elaboration is given respectively to the designing and analysis of initialization of DSP collection of audio frequency and parallel boot load procedure of TMS320VC5402The study in the thesis touches upon
7、a part of a speech identification systemA profound exploration has been conducted on the areas like development and research statement of speech processing，capability parameter of TMS320VC5402 chip, knowledge about software and hardware，as well as the designing and developing flow of DSP systemKey w
8、ords：speech signal processing，characteristic parameter, Digital signal processor, information storage devices 4004 (ISD4004),Serial Peripheral Interface(SPI1目录摘要 IAbstract.II第 1 章绪论 11.1 引 言 11.2 系统设计的意义 .21.3 系统设计的目的 31.4 系统采用的实现方法 3第 2 章 DSP 控制技术和开发环境介绍 .42.1 DSP 核心芯片 TMS320C5402 引脚的介绍 .42.1.1 概述
9、.42.1.2TMS320C5402 主要性能参数 42.1.3TMS320C5402 引脚功能说明 42.2 CCS 开发环境和建立工程 .72.2.1 CCS 简介 .72.2.2 CCS 的组成 .72.2.3 CCS 的主要功能 .82.3 ISD4004 介绍 92.3.1 性能简述和引脚图 .92.3.2 引脚描述 .92.4 SPI（串行外设接口） 112.4.1 协议介绍 112.4.2 信息管理 112.4.3 ISD4004 与 DSP 的 SPI 时序配合 132.4.4ISD4004 语音芯片的内部信息寻址机制 .14第三章系统硬件设计 .153.1 系统硬件总体框图
10、153.2 硬件电路图 153.4 PCB 设计 18第四章系统软件设计 .194.1 程序流程图 194.2 系统关键程序设计 204.2.1 TMS320VC5402 McBSP 初始化程序 .204.2.2ISD4004 录音子程序 .214.2.3 ISD4004 放音子程序 24第五章 系统测试 265.1 测试内容 .26第六章 总结 27参考文献 .28附录 .29附录一 系统硬件 PCB 3D 视图 .292附录二 软件设计主程序 .30致 谢 .341第 1 章绪论1.1 引 言语音，作为一种典型的非平稳随机信号，是人类交流信息最自然、最有效、最方便的手段，在人类文明和社会进
11、步中起着重要的作用。随着电子通信业的出现和计算机技术的发展，人们开始可以从数字信号处理的角度了解语音。语音信号的研究可以从时域和频域两个方面进行。其中时域的分析处理有两种方法：一是进行语音信号分析，这属于小型处理的范畴，主要是通过信号的加减、时移、倍乘、卷积、求相关函数等来实现；另一种是生成和变换成各种调制信号，这属于非线性的范畴，主要是对信号平均累加器的动态范围进行压缩扩张，用门限方法对噪声的抑制。对频域分析处理，即对信号的频率特性在频谱中加以分析研究，这拓展了信号分析的范围，是对不确定信号分析的主要方法。随着计算机技术处理和信息技术的发展，语音交互已经成为人机交互的必要手段，而语音信号的采
12、集处理是人机交互的前提和基础。声卡是计算机对语音信息进行加工的重要部件，它具有对信号滤波、放大、采样保持、A/D 和 D/A转换等功能。语音信号处理作为一个重要的研究领域，已经有很长的研究历史。但是它的快速发展可以说是从 1940 年前后 Dudley 的声码器和 Potter 等人的可见语音开始的；20 世纪 60 年代中期形成的一系列数字信号处理方法和技术，如数字滤波器、快速傅里叶变换等成为语音信号数字处理的理论和技术基础；到了 80年代，由于矢量量化、隐马尔克夫模型和人工神经网络等相继被应用于语音信号处理，并经过不断改进与完善，使得语音信号处理技术产生了突破性的进展。进入 90 年代以来
13、，语音信号处理在实用化方面取得了许多实质性的进展。一方面，对声音语音学统计模型的研究逐渐深入，鲁棒的语音识别、基于语音段的建模方法及隐马尔可夫模型与人工神经网络的结合成为研究的热点。另一方面，为了语音识别使用化的需要，讲着自适应、听觉模型、快速搜索识别算法以及进一步的语言模型的研究等课题备受关注。在语音记录芯片中，美国 ISD 公司的 ISD 系列芯片倍受广大用户的青睐。它采用直接模拟存储专利技术,把语音信号以原始的模拟形式直接存储在片内的EEPROM 存储器中.无须进行 A/D 转换和压缩处理，没有大多数固态数字化声音存储技术对声音质量的影响，从而减少了失真，提高了录放音质量，并具有抗2断电
14、、音质好、使用方便、可反复录放、无需专的语音开发工具、能随意更改内容和耗电少等优点，很适合于现场录放音系统。国内用户多习惯使用 8031 系列单片机作微控制器，与 ISD330000,40000 系列均可以方便地连接。因此很多资料均是 ISD 系列芯片与单片机构成的系统，而 ISD40000 系列芯片与 DSP 的应用文献几乎没有。本文以 TMS320C54x 系列的 TMS320VC5402 为例，说明语音录放芯片 ISD4004 应用在 DSP 系统的设计方法。1.2 系统设计的意义语音不仅是人与人之间进行信息交流最直接、最方便和最有效的工具，而且也是人与机器之间进行通信的重要工具。187
15、4 年电话的发展可以认为是现代处理的开端。电话的理论基础是尽可能不失真地传送语音波形。这种“波形原则”几乎统治了其后整整一百年。1939 年产生了一种概念全新的语音处理技术，这就是著名的通道声码器技术。声码器的理论基础是认为语音是由人的声带振动产生的生源（载波）受到运动的声道的控制（调制）而产生的，因而将载波和调制两部分分开来进行传送便可极大地压缩频带。这一概念已经包含着其后出现的语音参数模型的基本思想。40 年代后期，研制成功了能够把语音信号的时变谱用语音表示出来的仪器语音仪，为语音信号分析提供了一个有力的工具。对于语音信号，数字处理比模拟处理具有更多的优点。这是因为：第一，数字技术能够完成
16、许多很复杂的信号处理工作；第二，通过语音进行交换的信息本质上具有离散的性质，因为语音可以看成是因素的组合，这就特别适合于数字处理；第三，数字系统具有高可靠性、价廉、紧凑、快速等特点，很容易完成实时处理任务；第四，数字语音适合于在强干扰通信中传输，易于和数据一起在通信网中传输，也易于进行加密传输。因此数字语音信号处理是主要研究方向。无论是人与人之间还是人与计算机之间的语音通信，语音处理，特别是语音数字处理的理论和技术，具有特别重要的作用。用 DSP 控制语音芯片，再把DSP 和语音芯片嵌入到通信设备，智能仪器，治安报警及儿童玩具中，就可做成语音播放的机器，应用范围广泛。用 DSP 控制语音芯片设
17、计语音录放系统,该系统功能多，录放音音质好，外围电路简单。1.3 系统设计的目的设计一个基于 DSP 的语音录放系统，语音录放模块由单片语音录放芯片ISD4004 及其外围电路组成；控制电路是由 DSP 编程控制实现。要求实现功能：录音、放音、快进、擦除、音量控制。可以应用于通讯设备、智能仪表、治安3报亭、语音报站、报数报价、语音讲解、语音记录、语音复读、教学仪器、智能玩具、电子礼品等领域。要求放音质量好，系统具有较强的抗干扰能力，便于安装和扩展。1.4 系统采用的实现方法本系统主要设计一个 DSP 控制的语音录放系统，该系统由语音录放模块、放音电路、电源电路、控制电路构成，实现录音、放音、快
18、进、擦除、音量控制。在实际生活中，本系统可以应用在汽车倒车系统、家庭安防系统、公交车报站以及医院的病房室等应用之中。技术关键是理解 ISD4004 语音芯片操作功能的时序图，内部地址构架，以及与 DSP 之间的 SPI 通信模式。实现顺序依次是设计硬件原理图,焊接语音模块,包括电压转换芯片,音频小功率放大器ISD4004 的连接.编写软件程序,利用 DSP 控制技术控制实现录、放、停等操作。4第 2 章 DSP 控制技术和开发环境介绍2.1 DSP 核心芯片 TMS320C5402 引脚的介绍2.1.1 概述TMS320VC5402 是美国 TI（德州仪器）公司推出的一款高性能的定点 DSP，
19、最高频率为 100MHz，内部提供 16K 的存储空间。它提供的多信道缓冲串口（MCBSP）可以设置为 SPI 工作方式，从而使得 DSP 与 ISD4004 的接口设计成为可能。2.1.2TMS320C5402 主要性能参数TMS320C5402 是 TI 公司于 1996 年推出的一种定点 DSP 芯片,采用先进的修正哈佛结构和 8 总线结构,使处理器的性能大大提高。其独立的程序和数据总线,允许同时访问程序存储器和数据存储器,实现高速并行操作。例如,可以在一条指令中,同时执行 3 次读操作和 1 次写操作。TMS320C5402 的运行速度为40MIPS(每秒执行 40 百万条指令)。指令
20、周期为 25ns。此外,还可以在数据总线与程序总线之间相互传送数据。从而使处理器具有在单个周期内同时执行算术运算,逻辑运算,位移操作,乘法累加运算以及访问程序和数据存储器的强大功能。图 1 为 TMS320C5402DSP 的内部硬件组成框图。包括:CPU,总线,存储器,在片外围电路,串行口,以及外部总线接口等部分组成2.1.3TMS320C5402 引脚功能说明5图2-1TMS320C5402外部引脚分布A19(MSB)A0(LSB) :20 位并行地址总线。低 16 位地址（A15A0）用于寻址外部数据/程序存储器或 I/O 空间，高四位地址（A19A16）仅用于寻址外部程序存储器。当处于
21、保持方式或者 OFF 引脚为低电平时，这些引脚处于高阻状态。D15(MSB) D0(LSB):16 位并行数据总线。D15D0 用于 CPU 与外部数据/程序存储器或 I/O 设备之间传送数据。当没有输出或者 RS 或 HOLD 信号有效时，D15D0 处于高阻状态。若 EMU1/OFF 为低电平时，则 D15D0 也变成高阻状态。数据总线具有总线保持功能，降低由悬浮的、未使用的管脚引起的静态能量消耗。总线保持功能使未使用管脚上无需外接偏置电阻，当 5402 不驱动数据总线时，总线保持引脚上处于先前的逻辑电平。5402 复位时总线保持功能无效，但可以通过分区转换控制寄存器（BSCR）的 BH
22、位使能/无效。IACK: 中断响应信号。IACK 有效时，表示接收到一次中断，程序计数器按照 A15A0 所指示的位置取出中断向量。当 OFF 为低电平时， IACK 也变成高阻状态外部中断请求信号。6INT0 INT3 的优先级为：INT0 最高，INT3 最低。这四个中断请求信号都可以用中断屏蔽寄存器（IMR）和中断方式位屏蔽。INT0 INT3 可以通过中断标志寄存器（IFR）进行查询和复位。NMI: 非屏蔽中断。NMI 是一种外部中断，不能用 IMR 和中断方式位对其屏蔽。RS: 复位信号。RS 有效时，DSP 结束当前正在执行的操作，CPU 和外设重新初始化。当 RS 有效，强迫程序
23、计数器变成 0FF80h，当 RS 变为高电平时，处理器从程序存储器的 0FF80h 单元开始执行程序。RS 对各寄存器和状态位有影响。BIO: 控制分支转移的输入信号。当 BIO 低电平有效时，有条件的执行分支转移。执行 XC 指令，是在流水线的译码阶段采样 BIO ，执行其他条件指令时，是在流水线的读操作数阶段采样 BIO 。REDAY: 数据准备好信号。REDAY 高电平有效时，表明外部器件已经做好传送数据的准备。如果外部器件没有做好传送数据的准备（REDAY 为低电平） ，处理器就等待一个周期，再检查 REDAY 信号。注意，如果软件编程 2 个以上等待状态，处理器才检测 REDAY
24、信号。而且在软件等待状态完成之后，CPU 才检测READY 信号。BCLKR0BCLKR1: 接收时钟输入。BCLKR 能够被设置为输入或输出。在缓冲串行口传送数据期间，这个信号必须存在。如果不用缓冲串行口，可以把 BCLKR0和 BCLKR1 作为输入端，通过缓冲串行口控制寄存器（BSPC）的 IN0 位检查它们的状态。BDR0 BDR1: 串行数据接收输入端。串行数据由 BDR0/BDR1 端接收后，传送到缓冲串行口接收移位寄存器（BRSR） 。BFSR0BFSR1: 用于接收输入的帧同步脉冲。BFSR 能够被设置为输入或输出，复位后 BFSR 配置为输入信号。BFSR 脉冲启动 BDR
25、的数据接收过程。BCLKX0BCLKX1: 发送时钟。BCLKX 作为 McBSP 发送器的串行移位时钟。BCLKX 能够被设置为输入或输出，复位后被配置为输入信号。当 EMU1/OFF 为低电平时，BCLKX 变成高阻状态。BDX0 BDX1: 缓冲串行口数据发送端。来自缓冲串行口发送移位寄存器（BXSR）的数据经 BDX 引脚串行传送出去。当不发送数据或 EMU1/OFF 为低电平时，BDX 变成高阻状态。BFSX0BFSX1：用于数据输入/输出的帧同步脉冲。BFSX 初始化数据传输过程。BFSX 能够被设置为输入或输出，复位后被配置为输7入信号。当 EMU1/OFF 为低电平时，BFSX
26、 变成高阻状态。2.2 CCS 开发环境和建立工程2.2.1 CCS 简介C5402 的开发工具包括代码生成和代码调试工具两大类。代码生成工具是将源程序进行编译、汇编并链接成可执行程序。代码调试工具是对可执行程序进行调试，使其能够达到预计目标。CCS(Code Composer Studio)是 TI 公司推出的用于开发 DSP 芯片的集成开发环境，它采用 Windows 风格界面，集编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试以及实时跟踪等功能于一体，能完成 DSP 系统开发过程的各个环节，极大地方便了 DSP 芯片的开发与设计，是目前使用最为广泛的 DSP 开发软件之一。CCS有两种工作模式，即：
27、软件仿真器模式和硬件在线编程模式；前者可以脱离DSP 芯片，在 PC 机上模拟 DSP 的指令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调试；后者可以实时运行在 DSP 芯片上，与硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。CCS 运行时的主窗口如图 2-2 所示。图 2-22.2.2 CCS 的组成CCS 的开发系统主要由以下组件构成：8TMS320VC54X 集成代码产生工具；CCS 集成开发环境；DSP/BIOS 实时内核插件及其应用程序接口 API；实时数据交换的 RTDX 插件以及相应的程序接口 API；由 TI 公司以外的第三方提供的各种应用模块插件。2.2.3 CCS 的主要功能CCS 的
28、功能十分强大，它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持 C/C+和汇编的混合编程，其主要功能如下：具有集成可视化代码编辑界面，用户可通过其界面直接编写 C、汇编、.cmd 文件等；含有集成代码生成工具，包括汇编器、优化 C 编译器、链接器等，将代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能集成到一个软件环境中；高性能编辑器支持汇编文件的动态语法加亮显示，使用户很容易阅读代码，发现语法错误；工程项目管理工具可对用户程序实行项目管理。在生成目标程序和程序库的过程中，建立不同程序的跟踪信息，通过跟踪信息对不同的程序进行分类管理；基本调试工具具有装入执行代码、查看寄存器、存储器、反汇编、变量窗
29、口等功能，并支持 C 源代码级调试；断点工具，能在调试程序的过程中，完成硬件断点、软件断点和条件断点的设置；探测点工具，可用于算法的仿真，数据的实时监视等；分析工具，包括模拟器和仿真器分析，可用于模拟和监视硬件的功能、评价代码执行的时钟；数据的图形显示工具，可以将运算结果用图形显示，包括显示时域/频域波形、眼图、星座图、图像等，并能进行自动刷新；提供 GEL 工具,利用 GEL 扩展语言，用户可以编写自己的控制面板/菜单，设置 GEL 菜单选项，方便直观地修改变量，配置参数等；支持多 DSP 的调试；支持 RTDX 技术，可在不中断目标系统运行的情况下，实现 DSP 与其他应用程序的数据交换；
30、提供 DSP/BIOS 工具，增强对代码的实时分析能力。92.3 ISD4004 介绍2.3.1 性能简述和引脚图ISD4004 系列工作电压 3V,单片录放时间 8 至 16 分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产 品中。芯片采用 CMOS 技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密 度多电平闪烁存贮陈列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口SPI 送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术, 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器 中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩 造成的
31、量化噪声和“金属声“。采样频率可4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下 降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存 100 年(典型值)，反复录音 10 万次图 5 ISD4004 引脚图图 2-3 ISD4004 管脚分布图2.3.2 引脚描述电源:(VCCA,VCCD) 为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的 不同管脚上,模拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。地线:(VSSA,VSSD) 芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。同相模拟输入(ANA IN+) 这是录
32、音信号的同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时, 信号由耦合电容输入,最大幅度为峰峰值 32mV,耦合电容和本端的 3K 电阻输入阻抗决定了芯片频带的 低端截止频率。差分驱10动时,信号最大幅度为峰峰值 16mV，为 ISD33000 系列相同。反相模拟输入(ANA IN-) 差分驱动时,这是录音信号的反相输入端。信号通过耦合电容输入,最大幅度为 峰峰值 16mV 音频输出(AUD OUT) 提供音频输出,可驱动 5K 的负载。片选(SS) 此端为低,即向该 ISD4004 芯片发送指令，两条指令之间为高电平。串行输入(MOSI) 此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前
33、半个周期将数据放到本端,供 ISD 输入。串行输出(MISO) ISD 的串行输出端。ISD 未选中时,本端呈高阻态。串行时钟(SCLK) ISD 的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步 MOSI 和 MISO 的数据传输。数据在 SCLK 上升沿锁存到 ISD,在下降沿移出 ISD。中断(/INT) 本端为漏极开路输出。ISD 在任何操作(包括快进)中检测到 EOM 或 OVF 时,本端变低并保 持。中断状态在下一个 SPI 周期开始时清除。中断状态也可用 RINT 指令读取。 OVF 标志-指示 ISD 的录、放操作已到达存储器的未尾。EOM 标志-只在放音中检测到内部的 EOM 标志时,
34、此状态位才置 1。行地址时钟(RAC) 漏极开路输出。每个 RAC 周期表示 ISD 存储器的操作进行了一行(ISD4004 系列中的 存贮器共 2400 行)。该信号 175ms 保持高电平,低电平为 25ms。快进模式下,RAC 的 218.75s 是高电 平,31.25s 为低电平。图 2-4 RAC 周期外部时钟(XCLK) 本端内部有下拉元件。芯片内部的采样时钟在出厂前已调校,误差在 +1%内。商业级 芯片在整个温度和电压范围内, 频率变化在+2.25%内。工业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化 在-6/+4%内,此时建议使用稳压电源。若要求更高精度,可从本端输入外部时钟(如前表
35、所列)。由于内部 的防混淆及平滑滤波器已设定,故上述推荐的时钟频率不应改变。输入时钟的占空比无关紧要,因内部首 先进行了分频。在不外接地时钟时,此端必须接地。自动静噪(AMCAP) 当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有 助于养活无信号(静音 )时的噪声。通常本端对地接 1mF 的电容 ,构成内部信号电平峰值检测电路的一部 分。检出的峰值电平与11内部设定的阈值作比较,决定自动静噪功能的翻转点。大信号时,自动静噪电路不 衰减,静音时衰减 6dB。1mF 的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接 VCCA 则禁止自动静噪。2.4 SPI（串行外设
36、接口）2.4.1 协议介绍ISD4004 工作于 SPI 串行接口。SPI 协议是一个同步串行数据传输协议,协议假定微控制器的 SPI 移 位寄存器在 SCLK 的下降沿动作 ,因此对 ISD4004 而言,在时钟止升沿锁存 MOSI 引脚的数据,在下降沿将数据送至 MISO 引脚。协议的具体内容为：所有串行数据传输开始于 SS 下降沿。SS 在传输期间必须保持为低电平,在两条指令之间则保持为高电平。数据在时钟上升沿移入,在下降沿移出。SS 变低,输入指令和地址后,ISD 才能开始录放操作。指令格式是(8 位控制码)加(16 位地址码)。ISD 的任何操作(含快进)如果遇到 EOM 或 OVF
37、,则产生一个中断,该中断状态在下一个 SPI 周期开始时被清除。使用“读“指令使中断状态位移出 ISD 的 MISO 引脚时,控制及地址数据也应同步从 MOSI 端移入。因此要注意移入的数据是否与器件当前进行的操作兼容。当然,也允许在一个 SPI 周期里,同时执行读状 态和开始新的操作(即新移入的数据与器件当前的操作可以不兼容)。所有操作在运行位(RUN)置 1 时开始,置 0 时结束。所有指令都在 SS 端上升沿开始执行。2.4.2 信息管理在采用本模块的拟人机器人语言交互系统中，若干条语音按顺序分别被录入到芯片，并将其编程为 1、2、3 等。DSP 可以通过 SPI 接口获得每次录音结束时
38、的 ISD 内部信息指针，据此构建一个信息地址表（MAT） ，并将此表存入Flash Memory 中，作为以后录放、删除操作时信息管理的依据。ISD4004 内部存储器分为 2400 行，每行 1600 列。对器件寻址即选择一行，从行首开始录放，而每行中的列不可寻址。对于 8kHz 采样率的 ISD4004，采样间隔为 125s。器件地址分辨率可按如下计算：(1/Fs)1600=200ms12由于 ISD4004 内部可寻址多达 2400 行，而每行固定存储 200ms 语音，为了可录放、删除任意长度的语音，有必要建立 MAT。MAT 跟踪每一条语音的开始地址以及每一个信息碎块的开始结束地址
39、。ISD4004 共 2400 行，实际只需要 12位地址即可完成寻址。为节省 MAT 存储空间，将地址最高位 bit15 作为语音起始点标志。建立 MAT 的规则如下：MAT 表项值全为 0（0000 0000 0000 0000）：表示对应行未存储任何语音；MAT 表项值的 bit15 为 1（1XXX XXXX XXXX XXXX） ，表示对应的是某句语音的起始行；MAT 表项值的 bit15 为 0，其余各位是有效地址（0XXX XXXX XXXX XXXX） ，表示对应的行是某句语音的一行，但不是起始行；ISD 的第一行总是某句语音的起始行。同一句语音的地址在 MAT 中总是连续存储
40、的。由若干行组成的句语音，它的各行地址总是从小到大，但不一定两两相连。以行地址为表项的 MAT，所要求的存储空间是较大的。本例中为 2400行语句，则要求 MAT 具有 2400 个表项。为了减小 MAT 大小，也可对语音进行分块。若 8 以位为一个语音块，则 MAT 大小减小为 300 个表项。经过几次录音和删除手，建立的 MAT 如表 1 所示。表 1 MAT 实例MAT bit15 实际行地址 句1000 0000 0000 0000 1 0000 0000 0000 00000000 0000 0000 0001 0 0000 0000 0000 00010000 0000 0000
41、0002 0 0000 0000 0000 000211000 0000 0000 0003 1 0000 0000 0000 00030000 0000 0000 0005 0 0000 0000 0000 00050000 0000 0000 0006 0 0000 0000 0000 000621000 0000 0000 0004 1 0000 0000 0000 00040000 0000 0000 0007 0 0000 0000 0000 00070000 0000 0000 0008 0 0000 0000 0000 00084放音时，DSP 从 MAT 表头开始搜索 bit1
42、5 为 1 的表项。要播放第几条语句，则寻找第几个 bit15 为 1 的表项。由于 RAC 的周期和器件的行相同，且其低脉冲时间长达 25ms，在播放当前行语音的同时，RAC 触发 DSP 的 INT3 中断。INT3中断服务程序验证下一行 bit15 是否为 1，若不为 1 则将该行地址送入 ISD，则输入的地址不会立刻生效，而是在缓冲器中等待当前结束；若为 1 则指示下一行为新语句开始地址，DSP 不送任何指令。放音遇到 EOM 或者 OVF 时产生 INT13中断，停止放音。录音时，按 K2 键启动录音操作，DSP 首先找出 MAT 中的个全 0 行，发录音指令；在录制当前行的同时，D
43、SP 等待 RAC 信号触发 INT3 中断，中断服务程序继续寻找全 0 行、发带该行地址的录音指令，直到按 STOP 键触发 INT0 中断发录音停止命令为止。删除语音可通过将相应语音行全置零来完成。本文详细阐述了 TMS320VC5402 DSP 与 ISD4004 语音录放芯片的 SPI 接口设计、ISD4004 的语音信息管理以及 DSP 与 ISD4004 之间的通讯与控制程序算法的设计。该模块作为拟人机器人语音互系统的语音应答模块，可以对机器人识别的命令语音进行相应的实时应答。2.4.3 ISD4004 与 DSP 的 SPI 时序配合根据 ISD4004 的时序要求，DSP 设置
44、串口为 SPI 工作模式，发送数据先于串行时钟半个周期建立、数据在时钟上升沿发送。ISD 接收命令字的方式是先地址后命令，且位序从低到高；而 DSP 发送数据方式是先高位后低位，故在DSP 发送程序中须将待送地址和命令进行高低位对调。串行时钟（SCLK）由 DSP 主时钟产生。在 DSP 运行于 10MHz 时，设置时钟分频因子为 255，得到约 40kHz 的串行传输时钟，适应 ISD4004 相对慢速的要求。DSP 串口 SPI 方式数据传输时序如图 2-5 所示。ISD4004 的 RAC 管脚（行地址时钟）用于指示录放操作已经接近一行的末发展。RAC 在行末前 25ms 变低，在到达行
45、末时变高，DSP 将它作为中断 INT3 的中断源，指示录放操作进行到何处；INT 管脚在遇到 EOM 标志和 OVF 溢出时向 DSP发中断，DSP 将它作中断 INT2 的中断源，用来指示是否到达一段信息的末尾。按下 NUM 键触发 INT1 中断开始录音，按下 STOP 键触发 INT0 中断终止录音。放音时按下 NUM 即开始，遇以语句 EOM 时自动停止放音。图 2-5 DSP 串 口 与 SPI 时 序 图142.4.4ISD4004 语音芯片的内部信息寻址机制ISD4004 语音芯片具有能够准确控制语音录放地址的功能，这种功能使我们能够方便灵活地对语音信 息进行处理以达到我们对语
46、音信息的要求。例如，我们可以利用软件编程的方法实现对语音信息的剪辑、合成等操作来达到我们对语音信息特殊的要求。还有，我们可以通过程序控制做到语音的定时放音和循环 放音。若干条信息按顺序分别录入到芯片内，比如称其为 a,b,c,d 信息。我们需要知道每一时刻的录音信息在芯片存储器中所处的位置，这样有利于我们实时地监控 ISD4004 语音芯片工作的位置，从而能够知道所录的每段信息的开头和结尾的准确地址，便于我们对已录入的信息进行管理。下面以 ISD4004-8MP 为例来说明如何利用硬件结构寻址。ISD4004-8MP 内置了特殊的信息寻址机制，即行地址时钟(以下简称 RAC)。为了理解其工作原
47、理，有必要先介绍器件的存储结构。ISD4004 的存储器分为 2400 行。对器件寻址，就是选择一行，从行首开始录、放操作，而每行中的各列是不可寻址的。每一行的所有操作都从第一列开始。ISD4004-8MP 每一行周期为 200ms,这就是器件的地址分辨率。其中每行有175ms 的高电平，25ms 的低电平。每个录放周期都从这 200ms 的“语音存储块”的块首开始，还以 ISD4004-8MP 为例，RAC 在行末前 25ms 变低，在恰好到达行末时变高,这就类似一个时钟，帮助你确定录放操作已到何处。这个时钟相对于微控制器的速度来说较慢，上例为 200ms。因此，微控制器很容易通过软件查询
48、RAC 的方法来确定何时已到达行末。但由于微处理器的查询速度相对于 RAC 时钟频率要快得多，所以，如果通过查询的方法检测 RAC 每个周期的低电平时，在上一次检测到 RAC 低电平时必须要经过一段延时才能再检测 RAC，这样检测到的低电平才是有效的,这段延时可以说是“假延时” 。延时的时间必须大于 RAC 低电平的时间，而小于 RAC 的周期。我们可以利用一个计数器对 RAC 引脚进行计数，并且通过 LED 显示器实时地把计数器的值显示出来，这样我们不但可以知道录入的每段信息的开头和结尾的地址，而且还可以知道每段信息之中特定内容的地址，从而可以建立地址表对信息进行剪辑、合成等处理达到对语音信
49、息特定的要求。同样，在放音时我们也可以实现对语音信息的准确放音。只需把事先编辑好的语音信息的准确地址传送到 ISD4004 的控制口就可以实现指定地址的放音。如果需要的话，我们还可以对 ISD4004 的放音地址进行实时的监控，其方法与1录音时类似 16第三章系统硬件设计3.1 系统硬件总体框图图 3-1 系统硬件接口框图3.2 硬件电路图语音录放系统主要是通过 DSP 来控制语音芯片 ISD4004 来实现语音的录放的功能。在录音模式下，语音信号，即声波信号，通过麦克风，将其转换成电信号。但此时的电信号很微弱，需要经放大电路，放大语音信号。由于电路中可能存在高频分量，信号经过带通滤波器，以滤除语音频带以外的噪声。最后，ISD4004 采样得到的语音信号相对“干净” 。在语音播放的模式下，单片机向ISD4004 发送播放的地址和语音播放指令后，便可以播放相应段的语音。为了使播放的语音依然“干净” ，本系统依然设置了一个滤波电路。由于 ISD4004 不能驱动一块喇叭，需要在滤波电路添加一个功率放大电路，在本系统中，
