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TMS320VC5402 DSP與ISD4004語音錄放芯片
摘要：根據(jù)語音錄放芯片ISD4004的接口特點，設計了其與TMS320VC5402 DSP的SPI接口電路。完成了DSP對ISD芯片的通訊與接口控制編程，并給出了實際應用中的一種ISD4004信息管理方法：信息地址表（MAT）。關鍵詞：DSP 語音錄放芯片 ISD4004 SPI接口 MAT
許多類型的語音錄放應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語音錄放芯片提供了SPI微控制器接口，使得語音錄放的信息管理成為可能。本文將詳細闡述TMS320VC5402 DSP與ISD4004的SPI接口設計及其控制操作，同時設計適合應用的信息管理方法。
ISD4004語音錄放芯片工作電壓為3V，單片錄放時間為8～16分鐘。芯片設計使得所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口SPI送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術，每個采樣值直接存儲在片內(nèi)內(nèi)爍存儲器中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、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，錄放時間越長，但音質有所下降。
TMS320VC5402是美國TI（德州儀器）公司推出的一款高性能的定點DSP，最高頻率為100MHz，內(nèi)部提供16K的存儲空間。它提供的多信道緩沖串口（McBSP）可以設置為SPI工作方式，從而使得DSP與ISD4004的接口設計成為可能。
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1 接口設計
DSP作為SPI（串行外設接口）的主器件（Master），負責為ISD4004提供串行時鐘、片選信號以及控制ISD4004的動作信號。接口電路如圖1所示。
1.1 SPI
SPI協(xié)議是一個同步串行數(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的下降沿動作。ISD4004工作于SPI工作模式。因此對于ISD4004而言，在時鐘上升沿鎖存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)在時鐘上升沿移入，在下降沿移出。
（4）SS變低時，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）如果遇到EOM（信息結束標志）或OVF（溢出），則產(chǎn)生一個中斷，該中斷狀態(tài)在下一個SPI周期開始時被清除。
（7）使用“讀”指令使中斷狀態(tài)位移出ISD的MISO引腳時，控制及地址數(shù)據(jù)也應同步從MOSI端移入。因此要注意移入的數(shù)據(jù)是否與器件當前進行的操作兼容。
（8）所有操作在運行位（RUN）置“1”時開始，置“0”時結束。
（9）所有指令都在SS上升沿開始執(zhí)行。
1.2 ISD4004與DSP的SPI時序配合
根據(jù)ISD4004的時序要求，DSP設置串口為SPI工作模式，發(fā)送數(shù)據(jù)先于串行時鐘半個周期建立、數(shù)據(jù)在時鐘上升沿發(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行高低位對調(diào)。
圖2 ISD控制命令字時序圖
串行時鐘（SCLK）由DSP主時鐘產(chǎn)生。在DSP運行于10MHz時，設置時鐘分頻因子為255，得到約40kHz的串行傳輸時鐘，適應ISD4004相對慢速的要求。DSP串口SPI方式數(shù)據(jù)傳輸時序如圖3所示。
ISD4004的RAC管腳（行地址時鐘）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，在到達行末時變高，DSP將它作為中斷INT3的中斷源，指示錄放操作進行到何處；INT管腳在遇到EOM標志和OVF溢出時向DSP發(fā)中斷，DSP將它作中斷INT2的中斷源，用來指示是否到達一段信息的末尾。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。放音時按下NUM即開始，遇以語句EOM時自動停止放音。
1.3 接口軟件設計
DSP對ISD的控制是通過SPI接口實現(xiàn)的，因此DSP的McBSP必須設置為符合ISD控制命令時序要求的SPI工作模式。下程序段完成了McBSP的SPI模式設置（單幀數(shù)據(jù)為24bit，串行時鐘上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，時鐘頻率為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的時鐘=DSP時鐘/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 ;等待兩個周期
stm SPCR1,McBSP1_SPSA
stm #1801h,McBSP1_SPSD ;設定RRST=1，開始接收數(shù)據(jù)
stm SPCR2,McBSP1_SPSA
stm #0041h,McBSP1_SPSD ；設定XRST=1，開始發(fā)送數(shù)據(jù)
DSP中斷服務程序、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器人語言交互系統(tǒng)中，若干條語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SPI接口獲得每次錄音結束時的ISD內(nèi)部信息指針，據(jù)此構建一個信息地址表（MAT），并將此表存入Flash Memory中，作為以后錄放、刪除操作時信息管理的依據(jù)。
ISD4004內(nèi)部存儲器分為2400行，每行1600列。對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算：
(1/Fs)×1600=200ms
2.1 MAT
由于ISD4004內(nèi)部可尋址多達2400行，而每行固定存儲200ms語音，為了可錄放、刪除任意長度的語音，有必要建立MAT。MAT跟蹤每一條語音的開始地址以及每一個信息碎塊的開始結束地址。ISD4004共2400行，實際只需要12位地址即可完成尋址。為節(jié)省MAT存儲空間，將地址最高位bit15作為語音起始點標志。建立MAT的規(guī)則如下：
（1）MAT表項值全為0（0000 0000 0000 0000）：表示對應行未存儲任何語音；
（2）MAT表項值的bit15為1（1XXX XXXX XXXX XXXX），表示對應的是某句語音的起始行；
（3）MAT表項值的bit15為0，其余各位是有效地址（0XXX XXXX XXXX XXXX），表示對應的行是某句語音的一行，但不是起始行；
（4）ISD的第一行總是某句語音的起始行。
同一句語音的地址在MAT中總是連續(xù)存儲的。由若干行組成的句語音，它的各行地址總是從小到大，但不一定兩兩相連。以行地址為表項的MAT，所要求的存儲空間是較大的。本例中為2400行語句，則要求MAT具有2400個表項。為了減小MAT大小，也可對語音進行分塊。若8以位為一個語音塊，則MAT大小減小為300個表項。經(jīng)過幾次錄音和刪除手，建立的MAT如表1所示。
表1 MAT實例
2.2 信息管理操作
放音時，DSP從MAT表頭開始搜索bit15為1的表項。要播放第幾條語句，則尋找第幾個bit15為1的表項。由于RAC的周期和器件的行相同，且其低脈沖時間長達25ms，在播放當前行語音的同時，RAC觸發(fā)DSP的INT3中斷。INT3中斷服務程序驗證下一行bit15是否為1，若不為1則將該行地址送入ISD，則輸入的地址不會立刻生效，而是在緩沖器中等待當前結束；若為1則指示下一行為新語句開始地址，DSP不送任何指令。放音遇到EOM或者OVF時產(chǎn)生INT中斷，停止放音。
錄音時，按NUM鍵啟動錄音操作，DSP首先找出MAT中的個全0行，發(fā)錄音指令；在錄制當前行的同時，DSP等待RAC信號觸發(fā)INT3中斷，中斷服務程序繼續(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。刪除語音可通過將相應語音行全置零來完成。
本文詳細闡述了TMS320VC5402 DSP與ISD4004語音錄放芯片的SPI接口設計、ISD4004的語音信息管理以及DSP與ISD4004之間的通訊與控制程序算法的設計。該模塊作為擬人機器人語音互系統(tǒng)的語音應答模塊，可以對機器人識別的命令語音進行相應的實時應答。
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