全數字化語言教學實驗室學生機單元的設計

摘要：全數字化語音系統的設計。該系統用DSP芯片TMS320F206對MSM6588語音芯片進行錄音、放音控制，用FLASH存儲器AM29F040B進行語音數據存儲，用差分線驅動器和接收器SN75LBC180在RS-485總線網絡上傳輸語音數據。該語音系統結構簡單、功能可靠，從而滿足了全數字化語言教學實驗室對學生機單元提出的要求。

關鍵詞：DSP 語音錄放 FLASH存儲器 RS-485總線

由于語言教學實驗室對語言教學產生著十分重大的影響和作用，是外語教學改革和提高外語教學質量的制高點和突破口，因而語音教學實驗室得到了空間的發展和利用。我國現有的語言教學實驗室產品大都屬于模擬型語言教學實驗室，然而面對信息時代的到來，高新技術的發展，語言教學實驗室了適應未來教育的需要，必須尋求新的發展。而要解決傳統語音教學實驗室面臨的問題必須引入數字化的設計，這主要包括以下四方面的內容：一是學生機中微控制器選擇；二是語音信號的采集和播放；三是語音信號的存儲，也就是數字錄音機的功能實現；四是語音信號的網絡化傳播。

TMS320F206是美國TI（德州儀器）公司繼TMS320C2X和TMS320C5X之后推出的一種低價格、高性能的16位定點運算DSP，其CPU接近于TMS320C25，但時鐘速率提高、指令集更加豐富和優化、片內外設向TMS320C5X靠攏[1]。TMS320F206（以下簡稱F206）的性價比較高，目前已成為高檔單片機理想替代品，在通信、語音/語言、軍事、儀器儀表、圖像處理、工業控制等領域得到了廣泛應用。本文就是用F206對MSM6588語音芯片進行錄音、放間控制，用FLASH存儲器AM29F040B進行語音數據存儲，用差分線驅動器和接收器SN75LBC180在RS-485總線網絡上傳輸語音數據，從而滿足全數字化語言教學實驗室對學生機提出的上述要求的。圖1示出了該語音系統的結構簡圖。

1 語音錄放電路

語音芯片MSM6588是日本OKI公司的產品，內含話簡放大器、低通濾波器（LPF）、12位A/D和D/A轉換器，語音數據的處理采用ADPCM（自適應差分脈沖編碼模式）方式[2]。語音芯片主時鐘頻率確定后，可用DSP通過軟件輸入控制字來設定采樣頻率。采樣頻率設定越高，放間的品質越好，錄間的時間就越短。表1給出了MSM6588語音芯片的常用控制命令。

表1 MSM6588的控制命令表

F206和MSM6588的引腳說明見參考文獻[1]和[2]。U3是總線收發器，用來隔離和驅動DSP的數據線。MSM6588左邊的模擬電路用來放大從麥克風給拾取的微弱電信號，左邊的模擬電路是功率放大部分，U5即TPA302是音頻功率放大器，可驅動32Ω耳機。

2 語音存儲電路

由于語音芯片內無存儲器，必須外掛存儲器。可采用的存儲器很多，如SRAM、PSRAM、DRAM、SDRAM、FLASH等。本方案采用的是AMD公司生產的AM29F040B，它的存儲容量為512KB，使用單5V電源進行按扇區的擦除和按字節的寫放操作。AM29F040B的非易失性可使語音數據在掉電后不會丟失，它的閃速存儲器能可提高語音數據的采樣頻率，從而提高放間的品質。當采樣頻率設定為5.86kHz時，錄音/放音時間為174.744s。AM29F040B的引腳輸出與工業標準的EPROM、E2PROM完全兼容，在電路設計時非常方便。圖3示出F206與AM29F040B的接口電路。AM29F040B地址線有19根，設計F206與其接口的關鍵是將AM29F040B的高位地址線（圖3中為A14、A15、A16、A17和A18，可根據分頁的多少和頁面大小而定）通過八D鎖存器74HC574的輸出保持，其余地址線直接連到F206的地址總線上。該接口電路將512KB的數據空間分成32頁，每頁16KB。這16KB的空間被定位在F206數據空間的哪一個范圍則由信號線/CSFLASH決定。在對FLASH操作時，先要通過74HC574選擇頁面，然后便可對當前頁面的16KB數據空間讀寫。

與靜態RAM不同，對FLASH的操作是通過一系列命令來實現的。表2給出不AM29F040B的主要命令定義（其中XXX表示任意地址。RA表示要讀的存儲地址，RD表示要讀的數據；PA表示編程地址，PD表示編程數據；SA表示扇區地址A18～A16）。從表2可以看出，讀FLASH只需要1個時鐘周期，而寫入一個字節則需要4個時鐘周期，因此FLASH的讀寫速度比SRAM慢。但FLASH比相同容量的SRAM便宜得多，工作可靠性高，因而FLASH非常適用于需要大容量、非易失性、重復編程存儲的場合。

表2 AM29F040B的主要命令

3 語音傳輸網絡

由于F206的片內異步串口（ASP）可以以高達2.5Mbit/s的傳送速率進行全雙工發送和接收操作，而且在所有方式下發送和接收數據都為雙緩沖，故可利用ASP外接差分線驅動器和接收器SN75LBC180構成RS-485總線網絡，將所有的學生機節點和教師機連成主從式網絡結構。圖4給出不F206與SN75LBC180的接口電路。SN75LBC180與F206接口的4根信號線是RX、TX、IO0及IO1，由于在圖2中已給出不F206的所有管腳，這里就不再畫出DSP不。其中IO0連接到SN75LBC180的接收數據控制引腳/RE，IO1接到SN75LBC180的發送數據控制引腳DE，數據的接收和發送就是靠IO0和IO1的電平高低來控制的。SN75LBC180的總線互連部分只畫出不差分接收的電路，差分發送電路與接收電路相同，故沒有在電路中示出。由于RS-485的通信載體是雙絞線，它的特性阻抗是120Ω，所以在RS-485的網絡傳輸線的始端和末端各接1只120Ω的匹配電阻R3，以減少線路上傳輸信號的反射。SN75LBC180的A、B輸入端接上拉、下拉電阻R1、R2是為不防止F206被誤中斷而收到亂字符；R4、R5可使本機的硬件故障不影響整個總線的通信；穩壓管D1、D2組成吸收回路以抵抗傳輸線上的各種干擾，用來保護RS-485總線。

4 軟件設計簡述

該語音教學系統中的學生機單元的軟件框架見圖5。軟件設計的核心是協調各中斷（從主機來的串口接收中斷、從語音芯片MSM6588來的采樣中斷和播放中斷以及從鍵盤來的中斷）之間的邏輯關系。學生機的主要任務是：在播放的時候，既要保證接收數據完整，又要保證語音播放不間斷；在尋間的時候，既要保證采樣連續，又要保證完整地發送數據包。本程序采用雙緩沖技術來解決這些剖，即在播放時，接收一個數據包到一個緩存區，同時播放另一個緩存區中的數據包；錄音時，采樣一個緩存區，同時發送另一個緩存區中的數據包。