Hans Journal of Wireless Communications
Vol.2 No.4(2012), Article ID:7159,3 pages DOI:10.4236/HJWC.2012.24012
Audio Acquisition and Wireless Transmission for High-Performance Embedded Processors
School of Information Engineering, Beijing Institute of Fashion Technology, Beijing
Email: gxysly@bift.edu.cn, gxylyx@bift.edu.cn
Received: Sep. 5th, 2012; revised: Sep. 16th, 2012; accepted: Sep. 25th, 2012
ABSTRACT：
This paper briefly describes a method based on TI’s TMS320VC5509A DSP, TLV320AIC23 audio codec chip and CC1110 wireless transceiver modules to act as the acquisition and wireless transmission of audio. This paper briefly introduces some main features and functions of the TMS320VC5509A, TLV320AIC23 and CC1110 wireless high-frequency module. Also, the circuits of the TMS320VC5509A, TLV320AIC23 and CC1110 for acquisition and wireless transmission of audio is designed. This paper aims at providing a reference method to solve the problem of audio’s acquisition and transmission.
Keywords: DSP; Audio Collection; I2C; RS232; McBSP; CC1110
针对高性能嵌入式处理器的语音采集与无线传输
宋凌云，刘亚侠
北京服装学院信息工程学院，北京
Email: gxysly@bift.edu.cn, gxylyx@bift.edu.cn
摘 要：
本文介绍了基于TI的TMS320VC5509A DSP、TLV320AIC23语音编解码芯片和CC1110无线收发模块等来实现无线语音的采集与传输。文中介绍了TMS320VC5509A、TLV320AIC23、和CC1110无线收发模块主要特点和功能，设计了接口电路，实现了对语音的采集和无线传输，为解决语音采集和传输问题提供了一种参考方法。
收稿日期：2012年9月5日；修回日期：2012年9月16日；录用日期：2012年9月25日
关键词：数字信号处理器；音频采集；I2C；RS232；McBSP；CC1110
1. 引言
近年来，随着各种无线通信技术的迅猛发展，人们的生活质量和工作效率得到了极大地提高。然而，在日常生活中，享受无线通信技术带来的便利同时，我们仍然被各式各样的电缆和处理器的处理速度所约束，所以高性能嵌入式处理器无线通信技术领域有着不可替代的作用。
本文采用TI公司的TMS320VC5509A作为核心处理器，可大幅提升处理语音处理等涉及大数据量的实时通信的场合，同时采用了TI的CC1110芯片，它支持ZigBee协议，与目前流行的蓝牙、红外等无线传输技术相比，ZigBee具有较低的复杂度，更低的成本和最少的功耗，再配合TI的高性能立体声音编解码芯片TLV320AIC23，设计了一个高性能低功耗无线语音采集传输系统。通过该系统可实现语音的采集和无线传输，实时性较高，效果理想，可以用于小范围的广播，各类无线收发设备，教室教学系统，温度的无线采集，工业自动控制等方面。
2. 无线音频采集系统及其原理框图
在本设计中，系统以TMS320VC5509A为核心，由音频编解码芯片TLV320AIC23，无线接收和发送模块两部分组成。整个系统实现的原理框图如图l所示。DSP芯片选择以PGE形式封装的TMS320VC5509A，TMS320VC5509A是TI公司近年来推出的高性能、低功耗的DSP芯片，最高主频可达200 MHZ，其内核电压仅为1．6 V，IO引脚电压3.3 V，加以低功耗IDLE指令，非常适合低功耗的便携设备。TMS320C5509A具有多种接口，可以通过McBSP接收和发送来自和去往音频芯片的大数据量的语音数据，同时通过EMIF接口配置大容量的SDRAM来提供的语音数据缓冲[1]。
音频部分采用TI的TLV320AIC23语音编解码芯片。TLV320AIC23是TI公司推出的一款高性能立体声音频编解码器，内置耳机输出放大器，支持mic和line in二选一的输入方式。输入和输出都具有可编程的增益调节功能。TLV320AIC23的模/数转换器(ADC)和数/模转换器(DAC)集成在芯片内部，采用先进的Σ一△过采样技术，可以在8 kHz至96 kHz的采样率下提供16 bit、20 bit、24 bit和32 bit的采样数据。ADC和DAC的输出信噪比分别可达90 dB和100 dB。同时。TLV320AIC23还具有很低的功耗(回放模式为23 mW，节电模式为15 μw)。上述优点使得TLV320 AIC23成为一款非常理想的音频编解码器，与TI的DSP系列相配合更是相得益彰[2]。
无线收发部分采用TI公司的CC1110芯片，CC1110内含高性能和低功耗的8051微控制器核心，433 MHz、868/915 MHz(CC1110)、2.4 GHz(CC2510)的RF无线电收发机，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力，稳定性能好[3]。CC1110无线收发
Figure 1. Block diagram of wireless audio acquisition
图1. 无线语音采集系统方框图
一体芯片和蓝牙一样，也是工作在2.4 GHz自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻，同时CC1110支持多点间通信，CC1110高频无线模块工作时的电流损耗为16 mA和18 mA，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于16.2 mA或16 mA，CC1110休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
3. 音频采集和数据发送的具体实现
3.1. 语音采集与传输流程
语音模块由TMS320VC5509A和TLV320AIC23及相应外围电路组成，外设通过控制接口向TLV320 AIC23芯片内的可编程的寄存器传输配置命令，通过向TLV320AIC23控制接口发送命令修改TLV320AIC 23片内控制寄存器内容来配置TLV320AIC23工作模式，如TLV320AIC23采样率控制、音量控制、数字音频接口格式控制、音频输入通道选择等操作。
TMS320VC5509A DSP集成了I2C[5]总线接口，在本文设计中，DSP就是通过I2C总线将初始化配置命令发送到TLV320AIC23，配置完成后TLV320AIC23开始正常工作。语音信号的输入时，TLV320AIC23通过其中的AD转换采集输入的语音信号，每采集一个信号后，将数据发送到DSP的McBSP[4]接口上，DSP可以读取到语音数据，每个数据为16 bit无符号整数，左右通道各有一个数值。而语音信号的输出时，DSP可以将语音数据通过McBSP接口发送给TLV320 AIC23，TLV320AIC23的DA器件将他们变成模拟信号输出。
同时，DSP的一个McBSP通道用SPI模式与TLV 320AIC23相连接。采用SPI模式控制方便，传输效率高，电路时序也比较简单，在音频芯片接口电路中可以使用一下信号实现串行传输工作时序：1) BCLK-数字音频接口时钟信号，TLV320AIC23为主模式时，该时钟由TLV320AIC23产生。当TLV320AIC23为从模式时，该时钟由DSP产生；2) LRCOUT-数字音频接口ADC方向的帧信号；3) DIN-数字音频接口DAC方向的数据输入；4) DOUT-数字音频接口ADC方向的数据输出。BCLK信号时钟决定着串行传输速率。在LRCOUT同步帧信号作用下，音频数据由DOUT信号引脚从数字音频接口传向其他外设。TLV320AIC23与DSP连接示意图见图2，连接原理图，见图3。
值得注意的是，在电路设计过程中，如果DSP使用内部是时钟，可以在X2/CLKIN引脚外接晶体电路；若使用外部时钟则该引脚接外部时钟输入。由于TLV320AIC23中A/D采样率的限制，AIC23的输入时钟并不是任意的，必须要在AIC23支持的频率中选择。
Figure 2. TMS320VC5509 and TLV320AIC23 connection diagram
图2. TMS320VC5509 与TLV320AIC23的连接示意图
Figure 3. TMS320VC5509A and TLV320AIC23 connection diagram
图3. TMS320VC5509A与TLV320AIC23连接原理图
Figure 4. CC1110 wireless module circuit diagram
图4. CC1110无线模块电路图
3.2. TMS320VC5509A与无线收发CC1110 模块连接原理
本文设计实现中，TMS320VC5509A与CC1110分别扩展出的标准RS232 9针串行通讯接口并可以通过串口线相互连接。TMS320VC5509A DSP可以通过标准TL16C550串口芯片、MAX232电平转换芯片以及驱动电路来扩展出标准RS232 9针串口。而CC1110通过多功能IO口扩展UART口，再接MAX232电平转换芯片扩展出RS232 9针串口。CC1110无线模块电路见图4。
3.3. 软件测试结果
无线接收端ZigBee模块通过串口连接PC机的串口，从PC上的串口调试助手观察接收端ZigBee模块接收到的字符串或音频数据。接收端ZigBee模块接收到的音频数据通过串口发送到DSP评估板，DSP会将数字音频数据通过DA转换成模拟量经耳机接口放送，通过耳机收听接收到的音频。通过DSP开发板的USB口与一台PC相连，在CCS软件下播放一段音频，在DSP开发板与另一台PC机相连的终端，通过耳机可以听到这段音频，实验结果表明该系统可以实现语音的无线传输。
4. 结束语
本文所设计的系统，充分利用了TMS320VC5509A 丰富的片上外设，采用DSP内多通道缓冲串口(Mc BSP)高速采集来自和去往AIC23的语音数据，实时性比较高。DSP、CC1110扩展出来的标准RS232串行通讯接口连接方便简单，为嵌入式系统的无线数据传输提供了一种比较实用且经济的解决方案，适合于小范围内的广播，各类无线收发设备，教室教学系统等实际无线应用。本设计为实现语音的采集和无线传输，提供了一种参考方法。
5. 致谢
文章受到北京市属高等学校人才强教计划资助，北京市优秀人才资助和数字媒体北京市重点实验室的资助。
参考文献 (References)
[1] Texas Instruments. TMS320VC5509A fixed-point digital signal processor, 2004. http://www.ti.com
[2] Texas Instruments. TlV320AIC23 data manual, 2002. http://www.ti.com
[3] Texas Instruments. True system-on-chip with low power RF transceiver and 8051, MCU (Rev. G), 2008. http://www.ti.com.
[4] Texas Instruments. TMS320VC5501/5502/5503/5507/5509/5510 DSP multichannel buffered serial port (McBSP) reference guide, 2005. http://www.ti.com
[5] Texas Instruments. TMS320VC5501/5502/5503/5507/5509 DSP inter-integrated circuit (I2C) module reference guide, 2005. http://www.ti.com
[6] 黄翠翠. 基于DSP的语音编解码系统的设计与实现[D]. 北京化工大学, 2010.