TMS320VC5402 DSP与ISD4004语音录放芯片的接口设计及其信息管理

ＩＳＤ４００４语音录放芯片工作电压为３Ｖ，单片录放时间为８～１６分钟。芯片设计使得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，每个采样值直接存储在片内闪烁存储器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声。采样频率可为４．０ｋ、５．３ｋ、６．４ｋ、８．０ｋＨｚ，频率越低，录放时间越长，但音质有所下降。

ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２是美国ＴＩ（德州仪器）公司推出的一款高性能的定点ＤＳＰ，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。

１ 接口设计

ＤＳＰ作为ＳＰＩ（串行外设接口）的主器件（Ｍａｓｔｅｒ），负责为ＩＳＤ４００４提供串行时钟、片选信号以及控制ＩＳＤ４００４的动作信号。接口电路如图１所示。

１．１ ＳＰＩ

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。ＩＳＤ４００４工作于ＳＰＩ工作模式。因此对于ＩＳＤ４００４而言，在时钟上升沿锁存ＭＯＳＩ引脚的数据，在下降沿将数据送至ＭＩＳＯ引脚。ＩＳＤ４００４与ＤＳＰ通讯协议的具体内容如下：

（１）所有串行数据传输开始于ＳＳ下降沿。

（２）ＳＳ在数据传输期间必须保持低电平，在两条指令之间则保持高电平。 （３）数据在时钟上升沿移入，在下降沿移出。

（４）ＳＳ变低时，输入指令和地址后，ＩＳＤ才能开始录放操作。

（５）指令格式是８位控制码加１６位地址码。

（６）ＩＳＤ的任何操作（含快进）如果遇到ＥＯＭ（信息结束标志）或ＯＶＦ（溢出），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。

（７）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。

（８）所有操作在运行位（ＲＵＮ）置"１"时开始，置"０"时结束。

（９）所有指令都在ＳＳ上升沿开始执行。

１．２ ＩＳＤ４００４与ＤＳＰ的ＳＰＩ时序配合

根据ＩＳＤ４００４的时序要求，ＤＳＰ设置串口为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。由图２可知，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发送程序中须将待发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，以适应ＩＳＤ４００４相对慢速的要求。ＤＳＰ串口ＳＰＩ方式数据传输时序如图３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尾。ＲＡＣ在行末前２５ｍｓ变低，在到达行末时变高，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将它作为中断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，遇到语句ＥＯＭ时自动停止放音。

１．３ 接口软件设计

ＤＳＰ对ＩＳＤ的控制是通过ＳＰＩ接口实现的，因此ＤＳＰ的ＭｃＢＳＰ必须设置为符合ＩＳＤ控制命令时序要求的ＳＰＩ工作模式。以下程序段完成了ＭｃＢＳＰ的ＳＰＩ模式设置（单帧数据为２４ｂｉｔ，串行时钟上升沿发送数据，时钟频率为４０ｋＨｚ）：

ｓｔｍ ＳＰＣＲ１,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＡ

ｓｔｍ ＃００００ｈ,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＤ ;Ｒｅｓｅｔ接收

ｓｔｍ ＳＰＣＲ２,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＡ

ｓｔｍ ＃００００ｈ,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＤ ;Ｒｅｓｅｔ发送

ｓｔｍ ＳＰＣＲ１,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＡ

ｓｔｍ ＃１８００ｈ,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＤ ;ＣＬＫＳＴＰ＝１１，数据提前半个周期

ｓｔｍ ＲＣＲ１,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＡ

ｓｔｍ ＃００８０ｈ,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＤ ;ＲＷＤＬＥＮ１＝１００，

每帧数据２４ｂｉｔ

ｓｔｍ ＲＣＲ２,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＡ

ｓｔｍ ＃０００１ｈ,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＤ ?;ＲＤＡＴＤＬＹ＝０１

ｓｔｍ ＸＣＲ１? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＡ

ｓｔｍ ＃００８０ｈ? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＤ ;ＸＷＤＬＥＮ１＝１００，发送

数据每帧２４ｂｉｔ

ｓｔｍ ＸＣＲ２,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＡ

ｓｔｍ ＃０００１ｈ,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＤ

ｓｔｍ ＳＲＧＲ１,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＡ

ｓｔｍ ＃００ｆｆｈ,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＤ ;ＣＬＫＧＤＶ＝０ｘＦＦ，ＳＰＩ

的时钟＝ＤＳＰ时钟／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 ? ;等待两个周期

ｓｔｍ ＳＰＣＲ１,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＡ

ｓｔｍ ＃１８０１ｈ,? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＤ ;设定ＲＲＳＴ＝１，开始接

收数据

ｓｔｍ ＳＰＣＲ２? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＡ

ｓｔｍ ＃００４１ｈ? ＭｃＢＳＰ１＿ＳＰＳＤ ;设定ＸＲＳＴ＝１，开始发送

数据

ＤＳＰ中断服务程序、命令字发送程序以及信息管理程序在此不赘述。

２ 信息管理

在采用本模块的拟人机器人语音交互系统中，若干条语音按顺序分别被录入到芯片，并将其编号为１、２、３等。ＤＳＰ可以通过ＳＰＩ接口获得每次录音结束时的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１２５μｓ。器件地址分辨率可按如下计算：

1/Fs×１６００＝２００ｍｓ

２．１ ＭＡＴ

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和结束地址。ＩＳＤ４００４共２４００行，实际只需要１２位地址即可完全寻址。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：

（１）ＭＡＴ表项值全为０（００００ ００００ ００００ ００００）：表示对应行未存储任何语音；

（２）ＭＡＴ表项值的ｂｉｔ１５为１（１ＸＸＸ ＸＸＸＸ ＸＸＸＸ ＸＸＸＸ），表示对应的行是某句语音的起始行；

（３）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；

（４）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中总是连续存放的。由若干行组成的一句语音，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。若以８行为一个语音块，则ＭＡＴ大小减小为３００个表项。经过几次录音和删除后，建立的ＭＡＴ如表１所示。

２．２ 信息管理操作

放音时，ＤＳＰ从ＭＡＴ表头开始搜索ｂｉｔ１５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，刚输入的地址不会立刻生效，而是在缓冲器中等待当前行结束；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ＩＮＴ中断，停止放音。

录音时，按ＮＵＭ键启动录音操作，ＤＳＰ首先找出ＭＡＴ中的一个全０行，发录音指令；在录制当前行的同时，ＤＳＰ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交互系统的语音应答模块，可以对机器人识别的命令语句进行相应的实时应答。