全数字化语言教学实验室学生机单元的设计

    摘要：全数字化语音系统的设计。该系统用DSP芯片TMS320F206对MSM6588语音芯片进行录音、放音控制，用FLASH存储器AM29F040B进行语音数据存储，用差分线驱动器和接收器SN75LBC180在RS-485总线网络上传输语音数据。该语音系统结构简单、功能可靠，从而满足了全数字化语言教学实验室对学生机单元提出的要求。

    关键词：DSP 语音录放 FLASH存储器 RS-485总线

由于语言教学实验室对语言教学产生着十分重大的影响和作用，是外语教学改革和提高外语教学质量的制高点和突破口，因而语音教学实验室得到了空间的发展和利用。我国现有的语言教学实验室产品大都属于模拟型语言教学实验室，然而面对信息时代的到来，高新技术的发展，语言教学实验室了适应未来教育的需要，必须寻求新的发展。而要解决传统语音教学实验室面临的问题必须引入数字化的设计，这主要包括以下四方面的内容：一是学生机中微控制器选择；二是语音信号的采集和播放；三是语音信号的存储，也就是数字录音机的功能实现；四是语音信号的网络化传播。

TMS320F206是美国TI（德州仪器）公司继TMS320C2X和TMS320C5X之后推出的一种低价格、高性能的16位定点运算DSP，其CPU接近于TMS320C25，但时钟速率提高、指令集更加丰富和优化、片内外设向TMS320C5X靠拢[1]。TMS320F206（以下简称F206）的性价比较高，目前已成为高档单片机理想替代品，在通信、语音/语言、军事、仪器仪表、图像处理、工业控制等领域得到了广泛应用。本文就是用F206对MSM6588语音芯片进行录音、放间控制，用FLASH存储器AM29F040B进行语音数据存储，用差分线驱动器和接收器SN75LBC180在RS-485总线网络上传输语音数据，从而满足全数字化语言教学实验室对学生机提出的上述要求的。图1示出了该语音系统的结构简图。

1 语音录放电路

语音芯片MSM6588是日本OKI公司的产品，内含话简放大器、低通滤波器（LPF）、12位A/D和D/A转换器，语音数据的处理采用ADPCM（自适应差分脉冲编码模式）方式[2]。语音芯片主时钟频率确定后，可用DSP通过软件输入控制字来设定采样频率。采样频率设定越高，放间的品质越好，录间的时间就越短。表1给出了MSM6588语音芯片的常用控制命令。

表1 MSM6588的控制命令表

命  令	第1个4位命令 D3  D2  D1  D0	第二个4位命令 D3  D2  D1  D0	命令的功能
NOP	0   0   0   0	-	1个4位命令，空操作
SAMP	0   1   1   0	-   -  A1  A0	2个4位命令，A1、A0可设定4种采样频率
VDS	1   1   0   0	-   B  -   -	2个4位命令，B=0表示3位ADPCM，B1表示4位ADPCM
PLAY	0   0   1   0	-	1个4位命令，播放
REC	0   0   1   1	-	1个4位命令，记录
STOP	0   1   0   1	-	1个4位命令，停止记录/播放
PAUSE	0   0   0   1	-	1个4位命令，暂时停止记录/播放
EXT	1   0   1   1	-	1个4位命令，启动记录/播放

F206和MSM6588的引脚说明见参考文献[1]和[2]。U3是总线收发器，用来隔离和驱动DSP的数据线。MSM6588左边的模拟电路用来放大从麦克风给拾取的微弱电信号，左边的模拟电路是功率放大部分，U5即TPA302是音频功率放大器，可驱动32Ω耳机。

2 语音存储电路

由于语音芯片内无存储器，必须外挂存储器。可采用的存储器很多，如SRAM、PSRAM、DRAM、SDRAM、FLASH等。本方案采用的是AMD公司生产的AM29F040B，它的存储容量为512KB，使用单5V电源进行按扇区的擦除和按字节的写放操作。AM29F040B的非易失性可使语音数据在掉电后不会丢失，它的闪速存储器能可提高语音数据的采样频率，从而提高放间的品质。当采样频率设定为5.86kHz时，录音/放音时间为174.744s。AM29F040B的引脚输出与工业标准的EPROM、E2PROM完全兼容，在电路设计时非常方便。图3示出F206与AM29F040B的接口电路。AM29F040B地址线有19根，设计F206与其接口的关键是将AM29F040B的高位地址线（图3中为A14、A15、A16、A17和A18，可根据分页的多少和页面大小而定）通过八D锁存器74HC574的输出保持，其余地址线直接连到F206的地址总线上。该接口电路将512KB的数据空间分成32页，每页16KB。这16KB的空间被定位在F206数据空间的哪一个范围则由信号线/CSFLASH决定。在对FLASH操作时，先要通过74HC574选择页面，然后便可对当前页面的16KB数据空间读写。

    与静态RAM不同，对FLASH的操作是通过一系列命令来实现的。表2给出不AM29F040B的主要命令定义（其中XXX表示任意地址。RA表示要读的存储地址，RD表示要读的数据；PA表示编程地址，PD表示编程数据；SA表示扇区地址A18～A16）。从表2可以看出，读FLASH只需要1个时钟周期，而写入一个字节则需要4个时钟周期，因此FLASH的读写速度比SRAM慢。但FLASH比相同容量的SRAM便宜得多，工作可靠性高，因而FLASH非常适用于需要大容量、非易失性、重复编程存储的场合。

表2 AM29F040B的主要命令

命令描述	时钟周期	总线周期
		1		2		3		4		5		6
		地址	数据	地址	数据	地址	数据	地址	数据	地址	数据	地址	数据
读	1	RA	RD
复位	1	XXX	F0
编程	4	555	AA	2AA	55	555	A0	PA	PD
片擦除	6	555	AA	2AA	55	555	80	555	AA	2AA	55	555	10
扇区擦除	6	555	AA	2AA	55	555	80	555	AA	2AA	55	SA	30

3 语音传输网络

由于F206的片内异步串口（ASP）可以以高达2.5Mbit/s的传送速率进行全双工发送和接收操作，而且在所有方式下发送和接收数据都为双缓冲，故可利用ASP外接差分线驱动器和接收器SN75LBC180构成RS-485总线网络，将所有的学生机节点和教师机连成主从式网络结构。图4给出不F206与SN75LBC180的接口电路。SN75LBC180与F206接口的4根信号线是RX、TX、IO0及IO1，由于在图2中已给出不F206的所有管脚，这里就不再画出DSP不。其中IO0连接到SN75LBC180的接收数据控制引脚/RE，IO1接到SN75LBC180的发送数据控制引脚DE，数据的接收和发送就是靠IO0和IO1的电平高低来控制的。SN75LBC180的总线互连部分只画出不差分接收的电路，差分发送电路与接收电路相同，故没有在电路中示出。由于RS-485的通信载体是双绞线，它的特性阻抗是120Ω，所以在RS-485的网络传输线的始端和末端各接1只120Ω的匹配电阻R3，以减少线路上传输信号的反射。SN75LBC180的A、B输入端接上拉、下拉电阻R1、R2是为不防止F206被误中断而收到乱字符；R4、R5可使本机的硬件故障不影响整个总线的通信；稳压管D1、D2组成吸收回路以抵抗传输线上的各种干扰，用来保护RS-485总线。

4 软件设计简述

该语音教学系统中的学生机单元的软件框架见图5。软件设计的核心是协调各中断（从主机来的串口接收中断、从语音芯片MSM6588来的采样中断和播放中断以及从键盘来的中断）之间的逻辑关系。学生机的主要任务是：在播放的时候，既要保证接收数据完整，又要保证语音播放不间断；在寻间的时候，既要保证采样连续，又要保证完整地发送数据包。本程序采用双缓冲技术来解决这些剖，即在播放时，接收一个数据包到一个缓存区，同时播放另一个缓存区中的数据包；录音时，采样一个缓存区，同时发送另一个缓存区中的数据包。