1 引言
本系統(tǒng)主要功能是通過DSP5416(數(shù)字信號處理器)采集語音信號并利用以太網(wǎng)傳輸實現(xiàn)遠程的網(wǎng)絡語音通信,可用于遠程網(wǎng)絡電話通信等場合。系統(tǒng)設計包括以下主要部分:語音的采集和播放;以太網(wǎng)傳輸部分;語音存儲和處理。系統(tǒng)組成見圖1。
圖1 系統(tǒng)總體圖
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 DSP的以太網(wǎng)接口設計
(1) DSP
TMS320VC5416是TI公司推出的一款高性能定點DSP，應用一種高性能修正哈佛體系結構，具有專用的指令集，具有強大的運算能力、高度的并行性和良好的靈活性。程序與數(shù)據(jù)分開存放，內(nèi)部具有8條高速并行的總線。片上集成有128K字的數(shù)據(jù)存儲器和16K字的程序存儲器以及專門用途的的硬件邏輯，同時還集成有DMA控制器、主機接口(HPI)、中斷選擇器等外設能夠方便快速地同外部設備進行數(shù)據(jù)交換。再加上采用模塊化的設計以及先進的集成工藝,芯片的功耗小，具有很強的數(shù)字處理能力,目前廣泛應用于語音處理等數(shù)字信號處理場合[1][2]。
(2) 太網(wǎng)控制器
RTL8019AS是臺灣Realtek公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制器，支持IEEE802.3;支持8位或16位數(shù)據(jù)總線;內(nèi)置16K的SRAM，用于收發(fā)緩沖,全雙工，達到10Mbps;提供100腳的TQFP封裝，其主要引腳功能如附表所示。它與主機有3種接口模式，即跳線模式，PnP模式和RT模式。
附表 RTL8019AS部分引腳
●跳線模式
這種模式與早期網(wǎng)絡控制器兼容。RTL8019AS的端口基地址、中斷口等都由開關或跳線器決定，跳線模式簡單，但配置資源麻煩。
●PnP模式
與微軟的PnP協(xié)議兼容。在這種模式下，RTL8019的端口基地址、中斷口等都由EEPROM93C46設定，但需要進行PnP芯片的識別，不便與DSP接口。
●RT模式
為了避免PnP模式下的芯片識別和配置過程，RE- ALTEK公司提供RT模式。在RT模式下，RTL8019AS的端口基地址、中斷口等也是由EEPROM93C46設定的。[3]
(3) 設計
為了簡化DSP網(wǎng)絡接口的軟、硬件設計，不使用遠程自舉加載功能,并且選用跳線接口模式，用C5416的擴展I/O口代替跳線器對RTL8019AS進行初始化配置，這樣既省去了EEPROM，又避免了跳線器配置資源的麻煩。
另外，考慮到系統(tǒng)的通用性，本系統(tǒng)采用IDE接口將網(wǎng)卡網(wǎng)絡接口與DSP系統(tǒng)分開，這樣可以將網(wǎng)卡單獨做成一個查檢，使用中一旦發(fā)現(xiàn)網(wǎng)卡出現(xiàn)故障，可以更換網(wǎng)卡不需要更換整個系統(tǒng)板。如圖2、圖3所示。
圖2 VC5416與IDE接口
圖3 RTL8019與IDE接口
(4) 設計說明
●選擇RTL8019為跳線模式，將其JP引腳經(jīng)10K電阻上拉到5V電源上。
●SMEMRB/SMEMWB這2個信號是主機對網(wǎng)卡的共享存儲器進行讀寫時的控制信號，這里將其接高電平,屏蔽了遠程自舉加載功能。
●地址線SA19-SA0,選擇基地址為300h，將SA6-SA19接地，SA5接IDE_CS，將其配置到DSP的I/O空間。
●需要注意的是，RTL8019AS的中斷請求信號是高電平有效,而DSP的中斷請求輸入信號是低電平有效，所以在INT0接入DSP的INT1前要經(jīng)過邏輯反向。
●IOCS16接到高電平使它工作在16位數(shù)據(jù)總線方式。其邏輯關系為:
/IOR=~R/W+/IS+/IOSTRB;
/IOW=R/W+/IS+/IOSTRB;
READY=IOCHRDY;
/INT1=~INT0;
2.2 語音采集設計
由于TMS320C5416的串行口時序可以軟件編程,這為與Codec接口提供了極大的方便。語音信號的A/D，D/A轉換及編解碼功能是利用MC14LC5480完成的。MC14LC5480是摩托羅拉專門用于語音處理和IP電話的芯片，內(nèi)置13位A/D和D/A，PCM編碼器和模擬濾波器，具有平衡輸入、輸出功能，增加抗噪聲性能，輸出可直接推動350歐的揚聲器，功耗低。MC14LC5480與C5416的接口線包括數(shù)據(jù)輸入輸出(DR和DT)，主時鐘線(MCLK)，收發(fā)時鐘線(BCLKR和BCLKT)和收發(fā)幀同步時鐘線(FSR和FSX)。
MC14LC5480與Codec與TMS320C5416的硬件接口電路如圖4所示。
圖4 McBSP與MC14LC5480接口電路
3 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡傳輸?shù)?，TCP/IP協(xié)議?？梢约嫒荻喾N網(wǎng)絡技術。本系統(tǒng)軟件設計主要任務就是網(wǎng)卡的初始化程序、DSP對MC14LC5480的控制和TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)。
3.1 TCP/IP協(xié)議的簡化及其本系統(tǒng)的實現(xiàn)
TCP/IP協(xié)議是一組完整的網(wǎng)絡協(xié)議棧，用于實現(xiàn)不同的網(wǎng)絡結構和不同的操作系統(tǒng)之間的互連，已成為工業(yè)標準。
(1) TCP/IP協(xié)議各層功能[4]:
●應用層:應用層向用戶提供一組常用的應用程序，它包含TCP/IP協(xié)議中的所有高層協(xié)議，如:虛擬終端協(xié)議(bbbnet)、文件傳輸協(xié)議(FTP)、電子郵件協(xié)議(SMTP)、域名系統(tǒng)服務(DNS)、和超文本傳輸協(xié)議(HTTP)等。
●傳輸層
傳輸層提供面向連接的數(shù)據(jù)傳輸，確保源主機傳送的數(shù)據(jù)報正確的到達目標主機。傳輸層提供兩個協(xié)議:TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。TCP協(xié)議提供端到端的可靠性高的數(shù)據(jù)傳輸。UDP協(xié)議只是提供簡單的把數(shù)據(jù)從一端發(fā)送到另一端的服務。
●網(wǎng)絡層
負責相鄰計算機之間的通信。處理來自傳輸層的分組發(fā)送請求，收到請求后將分組裝入IP數(shù)據(jù)報，填充報頭，選擇路徑將數(shù)據(jù)報發(fā)到目標接口。處理輸入輸入數(shù)據(jù)報，首先檢查其合法性,去掉報頭，將其余部分傳送給適當?shù)膮f(xié)。
●鏈路層
實現(xiàn)本層協(xié)議，是TCP/IP協(xié)議與各種物理網(wǎng)絡之間的接口。
通常PC機上實現(xiàn)了比較完整地TCP/IP協(xié)議，而在DSP系統(tǒng)中由于運算速度和內(nèi)存的限制，不可能支持所有的協(xié)議，一般只實現(xiàn)需要的部分，可以根據(jù)硬件的具體情況和實現(xiàn)的需求進行必要的簡化。結合本系統(tǒng)，在傳輸層選擇UDP協(xié)議。另外在網(wǎng)絡層必須實現(xiàn)ARP、IP協(xié)議。
(2) 主程序流程圖
如圖5所示。
圖5 TCP/IP協(xié)議主程序流程圖
(3) 函數(shù)調用
當DSP接到正確的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包以后，調用recevie _process，如果是ARP請求，則發(fā)送一個ARP應答;如果是ARP應答，則把對方的IP地址和以太網(wǎng)地址放到ARP緩存中，如果是IP包，則調用IP處理模塊處理。該函數(shù)如下:
receive_process:
arp: CMPM *(rxbuf.Ethernet.protocal),#0x0608;判斷是否是ARP協(xié)議
nop
nop
BC ip,NTC
CALL arp_process
ST #askfree,*(task)
B taskfree
ip: CMPM *(rxbuf.Ethernet.protocal),#0x0008;判斷是否是IP協(xié)議
nop
nop
CC ip_process,TC
ST #taskfree,*(task)
B taskfree
當接收到IP數(shù)據(jù)包后，判斷該協(xié)議類型，如果是17，則是UDP協(xié)議，調用udp_process處理，系統(tǒng)會給上位機一個應答信息，發(fā)送數(shù)據(jù)包前首先進行協(xié)議封裝，調用create_ip_packet函數(shù)完成數(shù)據(jù)包的封裝。最后調用send_packet函數(shù)完成發(fā)送。該函數(shù)如下:
Create_ip_packet:
ST #0x0045,*(txbuf.ip.verh1)
ST #0x0,*(txbuf.ip.crc)
ADDM #0x0800,*(txbuf.ip.frameindex)
ST #0x1234,*(txbuf.ip.frameindex)
ST #0x0040,*(txbuf.ip.segment)
LDU *(send_packet_len),A
ADD #10,A
STL A,1,*(send_packet_len)
LD A,1,A
STL A,-8,*(txbuf.ip.len)
LD A,8,A
ADD *(txbuf.ip.len),A
STL A,*(txbuf.ip.len)
CALL create_tx_ipcrc
ADDM #14,*(send_packet_len)
CALL send_packet
3.2 DSP對網(wǎng)卡的控制
配置命令寄存器CR:將該寄存器設為22H,禁止DMA操作,將頁0作當前頁。
配置數(shù)據(jù)配置寄存器PSTART和PSTOP:分別設置為4CH和80H,表示接收緩沖區(qū)的地址從4CH到7FH頁。其中80H是停止頁,不包括在接收緩沖區(qū)中。
配置邊界寄存器BNRY:設置為40H，表示發(fā)送緩沖區(qū)從40H開始。
配置傳送頁面開始寄存器TPSR:設置位40H，表示傳送數(shù)據(jù)包開始頁面地址。
配置發(fā)送字節(jié)計數(shù)器TBCR0和TBCR1:預置為0。
配置接收配置寄存器RCR:設置為CCH，表示長度小于64字節(jié)的數(shù)據(jù)報和收到錯誤信息的數(shù)據(jù)包被拒絕。
配置發(fā)送配置寄存器TCR:設置為E0H，表示工作在正常工作模式下，發(fā)送幀后添加CRC校驗碼。
配置數(shù)據(jù)配置寄存器DCR:設置為C8H，表示以16位DMA數(shù)據(jù)傳輸。
對RTL8019接收數(shù)據(jù)操作有中斷兩種方式。本設計選用中斷方式，控制器每收到一個完整的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，向CPU發(fā)送中斷請求，CPU響應RTL8019的中斷申請后，進入中斷服務程序并開始接收數(shù)據(jù)。
以太幀的發(fā)送過程包括三個步驟:數(shù)據(jù)包的封裝通過遠程DMA將數(shù)據(jù)包送入RTL8019的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū);通過RTL8019的本地DMA將數(shù)據(jù)送入FIFO進行發(fā)送。
3.3 DSP對MC14LC5480的控制
MC14LC5480的主時鐘和收發(fā)時鐘，幀同步時鐘均有TMS320C5416提供。DSP的串口工作于內(nèi)時鐘方式。
這里使用了能獨立于CPU進行傳輸操作的DMA控制器，事實上DMAC也是在CPU控制下進行工作的。CPU必須把傳輸所需的參數(shù)配置到DMAC中，這些參數(shù)包括:數(shù)據(jù)源的地址、數(shù)據(jù)目的地址、數(shù)據(jù)長度。然后將總線控制權交給DMAC使其開始工作。DMAC會在傳輸完畢后以中斷方式通知CPU。每個DMA通道有5個上下文寄存器，分別用于配置每個通道的操作。這5個寄存器為:源地址寄存器(DMSRC);目的地址寄存器(DMDST);單元計數(shù)寄存器(DMCTR);同步事件和幀計數(shù)寄存器(DMSFC);傳輸模式控制寄存器(DMMCR)。
配置發(fā)送數(shù)據(jù)通道的源地址為bsp_out_buf，目的地址為McBSP的DXR11，配置接收數(shù)據(jù)通道的源地址為McBSP的DRR11，目的地址為bsp_in_buf。DMA傳輸過程如下:
放音過程:PC機通過網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)rxdatabuf，當5416中的發(fā)送緩沖區(qū)的標志bsp_out_frbuf_empty _requst為1時，就把rxdatabuf中數(shù)據(jù)移入到bsp _out_frbuf中。在DMA通道1(DMAC1)產(chǎn)生中斷時，在中斷服務程序中把bsp_out_frbuf中數(shù)據(jù)移入到bsp_out_buf中。在后臺DMAC1傳輸就會把bsp_out_buf的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
錄音過程:聲音信號從聲音采集卡的speak輸入，由MC14LC5480完成信號采集和PCM編碼，編碼后通過McBSP串口發(fā)送給DSP。DSP通過DMA通道2(DMAC2)接受DRR11中的數(shù)據(jù)到bsp_in_buf中。當采入的數(shù)據(jù)到達McBSP緩沖長度的一半或全滿時就會產(chǎn)生中斷，在中斷中把bsp_in_buf中的數(shù)據(jù)移入到bsp_infrbuf滿時就置位bsp_in_frbuf_full_request，在定時器timer()中斷中檢測到該標志位置位就把bsp_in_frbuf數(shù)據(jù)移入到txdatabuf中。
本系統(tǒng)由于語音信號完全可以存儲在PC機硬盤上，因而能實現(xiàn)大容量語音存儲功能。
4 結束語
DSP作為專用的數(shù)字信號處理器，具有對語音和圖像的強大處理能力，同時DSP具有豐富的硬件接口功能，運算速度快?；贒SP的嵌入式以太網(wǎng)的多媒體應用越來越受到廣泛的關注和應用，而且基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)已經(jīng)成功的應用到了語音傳輸、遠程圖像控制和數(shù)據(jù)傳輸中。本系統(tǒng)成功實現(xiàn)了利用以太網(wǎng)進行語音錄放通信通信的功能。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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