CN100398077C - 电子耳蜗体外语音处理装置 - Google Patents

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Abstract

一种电子耳蜗体外语音处理装置，包括微处理器和电源电路，微处理器的输入端接音频接口，微处理器的输出端连接射频模块，所述微处理器采用数字信号处理器TMS320VC5509A，音频接口采用TLV320AIC23B，数字信号处理器通过I2C接口和MCBSP接口与音频接口连接，数字信号处理器TMS320VC5509A外接FLASH存储器，该FLASH存储器内存储电子耳蜗体外语音处理装置的系统程序。其核心处理器采用TMS320VC5509A，既提高了系统的运算能力，又降低了系统的功耗。采用单一芯片音频解码器完成了所需的放大、抗混迭滤波、AD采样三项功能，进一步简化了整个平台的硬件结构，同时也降低了成本。

Description

电子耳蜗体外语音处理装置
技术领域
本发明涉及电子耳蜗，特别是一种电子耳蜗中的体外语音处理装置，它完成对外界语音信号的采集、处理，并将处理后的信号发送给电子耳蜗的体内植入部分。
背景技术
电子耳蜗是一种高科技的电子装置，可以完全替代受损的内耳毛细胞，它将外界的声音转化为神经电脉冲信号，绕过听觉系统里坏死的毛细胞，直接刺激听觉神经的螺旋神经节，将信息传递到大脑，使耳聋患者重新获得听觉。
电子耳蜗在硬件结构上可分为两大块，即体外语音处理平台和体内植入部分。体外语音处理平台的功能是从外界拾取语音信号，将其数字化，并加以特殊的处理算法，之后按照一定的编码方式通过射频耦合发送给体内植入部分。
目前，大多数电子耳蜗产品中体外语音处理平台的核心处理器都是Motorola公司的DSP56000系列DSP。其处理器运算速度较低，功耗大，片内RAM过小，在设计过程中需要扩展外部RAM，其自带外设接口在向外扩展时结构复杂。在语音处理过程中，需要将模拟声音信号转化为数字信号，由于麦克风的输出电压很低，一般在A/D转化前都必须对麦克风输出的信号进行放大和抗混迭滤波。这三个环节的存在使得系统的结构复杂，成本增高。另外，处理平台在与PC间通信时都采用RS232串口通信，存在着数据传输可靠性差，传输速度低等缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对现有语音处理平台存在的上述问题，提供一种基于TMS320VC5509A和TLV320AIC23B的电子耳蜗体外语音处理装置，使得电子耳蜗产品能够更有效地为耳聋患者提供服务。
本发明电子耳蜗体外语音处理装置包括微处理器和电源电路，微处理器的输入端接音频接口，微处理器的输出端连接射频模块，该射频模块用于体外语音处理装置和体内植入部分的通信，所述微处理器采用数字信号处理器TMS320VC5509A，所述音频接口采用音频编解码器TLV320AIC23B，数字信号处理器TMS320VC5509A通过I2C接口和MCBSP接口与音频编解码器TLV320AIC23B连接，数字信号处理器TMS320VC5509A外接FLASH存储器，该FLASH存储器内存储电子耳蜗体外语音处理装置的系统程序，所述FLASH存储器内存储的系统程序包括语音处理算法，该语音处理算法是基于汉语特征的电子耳蜗语音处理算法，它包括预处理模块、带通滤波器组、包络提取模块和基频信息提取模块，语音信号经过预处理之后，一路依次通过带通滤波器组、包络提取模块进行频带划分和包络提取；另一路通过基频信息提取模块利用小波提升提取基频信息，提取出来的基频信息受到听觉机理控制模块的调控，被传递到选择的部分低频段，并与被选择低频段中已提取到的包络信号以命令帧的方式经射频模块传输给体内植入部分。
本电子耳蜗体外语音处理装置以TI公司的TMS320VC5509A和TLV320AIC23B为核心，向外扩展其它功能模块，其主要效果有：
a)以TMS320VC5509A为核心处理器，提高了系统的运算能力，在满足系统实时性要求的前提下，能够实现更加复杂的算法。系统的功耗更低，为便携提供了很大的优势。TMS320VC5509A片内RAM空间大，在处理语音信号时，无需再扩展RAM，简化了系统结构。
b)在将模拟信号到数字信号转化过程中使用了TLV320AIC23B音频编解码器，用单一芯片完成了所需的放大、抗混迭滤波、AD采样三项功能，使得系统进一步简化，既能减少系统的物理空间，又能降低成本。采样过程中，可以根据不同实际要求灵活设置不同的参数。此外，TLV320AIC23B还有富余的音频接口，很容易扩展其它功能模块，为产品的调试和扩展其它功能提供便利。
c)系统与PC间通信通过USB接口完成，由于TMS320VC5509A片内集成USB模块，只需扩展少量的分立器件。简化了系统的结构，同时克服了传统RS232串口通信中数据传输可靠性差，传输速度低等缺点。
附图说明
图1为本电子耳蜗体外语音处理装置的结构图；
图2为其DSP与音频编解码器的连接图；
图3为其DSP与FLASH存储器的连接图；
图4为其DSP与电源管理芯片的连接图；
图5为其DSP与PC间的USB接口连接图；
图6为其DSP与FSK调制模块接口连接图；
图7为其射频模块的实现方式；
图8为其基于汉语特征的电子耳蜗语音处理算法的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明。
如图1所示，本实施例基于TMS320VC5509A和TLV320AIC23B的电子耳蜗体外语音处理平台共包括六个部分：数字信号处理器(DSP)1、音频编解码器3、电源电路6、USB接口8、FLASH存储器2以及射频模块5。核心是数字信号处理器(DSP)1，向外扩展音频接口3、射频接口5、外部存储器2、电脑接口8、电源电路6以及系统的控制电路4。下面分别介绍各部分的实施方法。
考虑到系统结构、任务处理运算量以及功耗等其它因素，本发明的DSP1采用TI公司的TMS320VC5509A数字信号处理器，TMS320VC5509A是TI最新推出的一款低功耗处理器，特别适用于便携式电子产品，具有强大的运算能力，最高时钟可达200MHz，片内集成了丰富的外设接口，能与许多外设无缝连接。另外，片内自带较大空间的RAM，在处理数据量不是特别大的任务时无需扩展片外RAM。
音频接口3所采用的器件是TI公司的一款音频编解码芯片TLV320AIC23B，它的功能有将输入的模拟信号进行放大、抗混迭滤波和AD采样，TLV320AIC23B对Mic的输出信号进行两级放大：第一级最大放大倍数为5，通过硬件可调；第二级放大范围为0至20DB，通过软件可调。在对语音信号进行采样过程中，采样频率范围为8KHz到96KHz，采样后的信号字长可以为16、20、24和32位，上述参数均可通过软件来配置。如图2所示，音频编解码芯片TLV320AIC23B与TMS320VC5509A之间的连接包括控制接口和数据接口两部分。控制接口用于对音频编解码芯片TLV320AIC23B工作环境的设定，通过标准的I2C接口与TMS320VC5509A实现无缝连接。数据接口用于两者之间的音频数据传输，采用的是同步传输协议，通过McBSP接口实现无缝连接。TLV320AIC23B在采样过程中需要时钟信号，本发明采用外部提供12.288MHz时钟信号，通过内部软件实现所需采样时钟信号。TLV320AIC23B提供有模拟和数字音频输入/输出接口，输入接口包括Mic接口和LineIn接口，输出接口包括HeadPhone接口和LineOut接口。对于Mic接口，TLV320AIC23B提供0.75Vdd的偏置电压，可以连接普通的无极型Mic。
为了防止在掉电情况下系统的软件不丢失，必须将系统的所有软件程序存储在非易失性存储器中。本发明所采用的方法是DSP1外扩FLASH存储器2。将系统的程序事先存储在FLASH中，系统每次重新上电后，运用DSP1自带的Bootload功能，自动从FLASH中加载程序。本实施例的外扩FLASH存储器2采用AMD公司的AM29LV160D FLASH，与DSP1之间的连接如图3所示，该FLASH为异步存储，占用TMS320VC5509A(即DSP1)的CE1空间，主要控制信号为读信号OE、写信号WE和片选信号CE。FLASH存储器2与TMS320VC5509A的数据、地址线连接如图3，数据格式为16位。
所述FLASH存储器2内存储的系统程序包括语音处理算法，该语音处理算法是基于汉语特征的电子耳蜗语音处理算法，如图8所示，该基于汉语特征的电子耳蜗语音处理算法包括预处理模块、带通滤波器组、包络提取模块和基频信息提取模块，语音信号经过预处理之后，一路依次通过带通滤波器组、包络提取模块进行频带划分和包络提取；另一路通过基频信息提取模块利用小波提升提取基频信息，提取出来的基频信息受到听觉机理控制模块的调控，被传递到选择的部分低频段，并与被选择低频段中已提取到的包络信号以命令帧的方式经射频模块传输给体内植入部分。
所述FLASH存储器2内存储的语音处理算法也可以是基于英语或其它语言的电子耳蜗语音处理算法。
参照图4，电源电路6采用低压差线性电源(LDO)为DSP1的内核和IO供电。具体采用两路可调输出低压差线性电源TPS70102芯片，它向DSP1，即TMS320VC5509A提供3.3v的普通IO电压和1.6v的内核电压，同时该电源芯片还向TMS320VC5509A提供标准的复位信号。它通过改变外部的反馈电阻大小来调节输出电压。
在电子耳蜗的临床应用中会利用到电脑分析耳蜗内部的参数，从而来评估和改进临床效果。本实施例中采用USB接口8作为和PC通信的接口，该USB接口8利用TMS320VC5509A内部集成的USB模块，为PC间通信提供了简捷的连接方式，其具体实现如图5所示。
射频模块5用于体外语音处理平台和体内植入部分的通信，向体内植入部分传送语音信号数据和植入系统工作所需的电源能量，同时，也可从植入单元获得反馈信号。本实施例采用ADI公司的AD9833 DDS芯片对数字语音信号进行FSK调制，采用的载波频率为10MHz和5MHz，数据传输速率为500K bps，图6所示为AD9833接口芯片与DSP1的连接图。经FSK调制后的语音信号通过LC调谐震荡回路耦合完成数据传输，具体电路如图7所示。
数字信号处理器TMS320VC5509A还连接仿真器接口7，该仿真器接口7采用标准的JTAG接口。
系统的控制电路4通过普通IO和外部中断来实现系统重要参数的配置。在数字信号处理器TMS320VC5509A外部扩展按键开关，通过检测IO引脚状态和系统外部中段后用软件来调节语音处理信号音量，滤波方案，工作模式等参数。

Claims (4)

1.一种电子耳蜗体外语音处理装置，包括微处理器和电源电路，微处理器的输入端接音频接口，微处理器的输出端连接射频模块，该射频模块用于体外语音处理装置和体内植入部分的通信，其特征在于：所述微处理器采用数字信号处理器TMS320VC5509A，所述音频接口采用音频编解码器TLV320AIC23B，数字信号处理器TMS320VC5509A通过I2C接口和MCBSP接口与音频编解码器TLV320AIC23B连接，数字信号处理器TMS320VC5509A外接FLASH存储器，该FLASH存储器内存储电子耳蜗体外语音处理装置的系统程序，所述FLASH存储器内存储的系统程序包括语音处理算法，该语音处理算法是基于汉语特征的电子耳蜗语音处理算法，它包括预处理模块、带通滤波器组、包络提取模块和基频信息提取模块，语音信号经过预处理之后，一路依次通过带通滤波器组、包络提取模块进行频带划分和包络提取；另一路通过基频信息提取模块利用小波提升提取基频信息，提取出来的基频信息受到听觉机理控制模块的调控，被传递到选择的部分低频段，并与被选择低频段中已提取到的包络信号以命令帧的方式经射频模块传输给体内植入部分。
2.根据权利要求1所述的电子耳蜗体外语音处理装置，其特征在于：还包括用于与PC机连接的USB接口，该USB接口采用数字信号处理器TMS320VC5509A内集成的USB模块。
3.根据权利要求1所述的电子耳蜗体外语音处理装置，其特征在于：所述数字信号处理器TMS320VC5509A还连接仿真器接口，该仿真器接口采用标准的JTAG接口。
4.根据权利要求1所述的电子耳蜗体外语音处理装置，其特征在于：所述电源电路采用两路可调输出低压差线性电源TPS70102芯片，它向数字信号处理器TMS320VC5509A提供3.3v的普通IO电压和1.6v的内核电压，同时该电源芯片还向数字信号处理器TMS320VC5509A提供标准的复位信号。
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