嵌入式数字多媒体终端硬件平台的设计和实现

引言
随着信息时代的到来，信息技术尤其是电脑多媒体技术和网络技术飞速发展，语音教室在各种学校都已有了广泛的应用。现存的语音教学系统一般都是采用模拟电路，可靠性低，抗干扰性弱，易发生串音，从而在传输过程中会失真、衰减，且易受干扰，导致语音质量较差，同时布线也较复杂，建设成本比较高；另外现存的解决方案实现的功能较为单一，只能完成简单的教学功能，没有提供随意分组讨论、点名、选择题问答等应有的功能；另外，现存的解决方案没有发挥出现有的多媒体网络技术优势，无法进行高效、生动的多媒体教学，交互性比较差，教学效果受到很大的影响，严重影响了在实际教学中的推广和应用。要解决传统语音教学面临的问题必须引入数字化的设计。

数字多媒体终端的硬件设计和实现
数字语音教学系统由教师端、多个学生端(数字多媒体终端)、数字传输网络组成。其中，教师端一般采用电脑控制，主要完成系统管理及网络管理。学生端既能够基于PC机平台，也能够采用经济型单独设备。数字传输网络是所要传输的多媒体信息的载体。本文就是针对学生端设计一种经济实用的单独设备。他采用嵌入式数字信号处理器DSP CPLD 接口电路的设计模式。数字信号处理器DSP实现语音信号的处理、网络接口部分的控制及多任务的管理。CPLD完成网络适配部分设计及部分外围电路控制。接口电路包含网络接口、模拟语音输入输出接口。语音传输中要确保语音传输的实时性和交互性，实现学生端和教师端和其他学生端的通信。

硬件平台构造于DSP嵌入式系统上，该平台采用了TI公司的数字信号处理器TMS320VC5402作为核心部件，利用可编程逻辑器件XC95288研发了外围控制电路和接口电路，其电路如图1所示。他主要包括以下几部分：

图1 嵌入式多媒体终端硬件平台结构框图

多种设备接口
包括网络输入、输出接口、话筒输入接口和耳机输出接口。

语音信号前置放大
由于从话筒输入的语音信号比较微弱(1～30mV)，达不到编解码器对信号强度的需要，因此必须进行前置放大，这里由专用前置放大芯片完成。

语音信号的转换及编解码
语音信号的A/D，D/A转换及编解码功能是利用MC145480完成的，他的长处是：①可将语音信号的A/D，D/A转换及编解码集成在一个芯片中，提高了系统稳定性；②只需单电源供电，减少了双电源供电所带来的电源干扰问题，提高了语声质量；③可提供A律及m律两种编码格式，提供符合ITU-T G.711建议的语音数据流。
系统控制、管理和语音压缩

由数字信号处理器TMS320VC5402完成。该芯片处理速度快，可实现语音的实时处理，并实现语音的回声抑制功能。除了能完成DSP所提供的功能外，利用内嵌的DSP/BIOS实时操作系统，可实现并建立语音实时多任务系统。

网络适配电路
本网络的拓扑结构参考令牌总线网，物理拓扑采用总线型结构，由一根线形的电缆连接各个站点。逻辑拓扑采用环形结构，每个站点知道自己左边和右边站点的地址，在逻辑上构成一个环，数据沿环逐节点顺序传送。这种物理结构具备以太网电缆的可靠性，不会因某处电缆故障物而在物理上导致整个系统瘫痪。其所需电缆长度短，安装费用低，易于布线、维护和扩充。而且，物理上共享总线的站点之间能够直接通信，响应速度较快。同时，由于总线电缆固有的广播特性，使得应用中广播功能的实现较为容易。另外，由于逻辑环是公平的，每一站点对信道的访问时间有一个确定的上界，因此能够防止某一站点独占信道这种情况的发生。共享媒体语音网是个局域通信网络，他没有路由问题，任何两个站点之间能够使用一条直接链路，所以无需单独配置网络层，而能够将寻址、排序、流控、差错控制等功能都放在数据链路层中实现。

该控制电路利用XILINX公司的可编程逻辑器件CX95288实现。网络适配器把数据总线上的低电平并行信号转换成0、1码流，通过连接网络各站点的电缆传输。他采用特别技术，以便利用适配器共享局域网线缆、局域网的介质访问控制MAC方式和发送信号的类型。电路包括网络接口、接收电路、发送电路及和DSP的接口电路。其中，网络接口部分采用通用的RS-485通信接口，实现简单。共享媒体语音网络的适配器电路结构如图2所示。

图2 网络适配器电路结构

数字多媒体终端的软件设计和实现
数字多媒体终端系统除了利用DSP完成信号处理，实现全部系统控制功能之外，在系统软件设计中，需要对DSP、存储器、外设等各种资源加以管理，同时还要处理多任务并发操作和不同任务之间的协调。为了确保系统的可靠性和稳定性，本文采用了DSP/BIOS实现上述工作。

DSP/BIOS实时操作系统
DSP/BIOS是TI公司推出的一个实时操作系统(RTOS)，和TI的Code Composer Studio(CCS)集成在一个研发环境下。现在最新的版本是CCS 2.0 中的DSP/BIOS II。他支持软件模块化，通过修改内核提供占先式多任务服务；具备设备单独的I/O数据流模型；能够对内存进行动态分配和内存管理。DSP/BIOS实际上是个可调用的系统模块API的集合，利用DSP/BIOS调试工具能够对程式进行实时跟踪和分析，提高应用程式研发的可靠性。通过DSP/BIOS 插件(Plug-ins)可实时观察内核中各线程的执行状态和对象的当前属性。利用配置工具(Configuration Tool)研发者能够对各个模块实行配置。很有效地提高项目了研发效率，简化了DSP应用程式的研发和调试。

DSP/BIOS实时语音处理多任务系统
对语音信号的处理利用DSP/BIOS建立实时多任务系统。DSP和音频编解码器之间的通信通过DSP的外设多通道缓冲串行口(McBSP)实现闭环测试。简单的语音处理系统由采集线程和播放线程两个应用任务组成。每个应用任务分别对应一个输入SIO和一个输出SIO流，通过两个半双工通道(一个输入，一个输出)来访问连接到音频编解码器的DSP多通道缓冲串行口。另外，在两个任务之间的数据交换通过DPI设备驱动完成。具体实现包括：

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