基于COTS的人工耳蜗体外语音处理器设计与实现

　　1 引 言

　　人工耳蜗是融信号处理、微电子和材料等众多先进技术于一体的高科技产品，是目前治疗深度或重度耳蜗性聋的唯一有效的办法。人工耳蜗的原理框图如 图 1 所示。一个完整的人工耳蜗系统由植入体和体外语音处理器组成。其中植入体由接收线圈、接收解码器、刺激器、电极阵列组成;体外语音处理器由传声器、语音处 理器、编码发送器和发射线圈组成[1]。

　　目前国内尚无产业化的人工耳蜗产品。国外人工 耳 蜗 的 主 要 生 产 厂 家 有 美 国 的 AdvancedBionics、澳大利亚的 Cochlear 和奥地利的 MED-EL等。通常人工耳蜗产品均基于 ASIC 技术，初期投入成本高且可移植性较差。现代微电子技术的进步使得采用商用集成电路设计实现具有实用功能和性能的人工耳蜗产品成为可能，由此可以降低初期产 品研发的门槛，有益于我国听力受损患者的康复事业。

　　本文设计了一种基于COTS的低功耗人工耳蜗体外语音处理器。本系统全部采用成熟商用芯片，实现了同国外同类产品相类似的各种功能，系统扩展性、可移植性好，成本低廉，功耗也达到可以接受的实用水平。基本结构图如图 1 所示。

　　2 硬件结构与设计

　　2.1 硬件系统总体框图

　　本系统以 TMS320VC5502 为核心实现语音处理的算法。TMS320VC5502 是 TI 公司生产的一款高性能、低功耗 16 位定点数字信号处理器(DSP)。它拥有丰富的片内资源，本系统设计中使用的资源主要包括：32k x 16-bit 片上 RAM，6 通道的 DMA，3 个 McBSP 接口，I2C 以及 UART 接口等。

　　本系统前端采用 CS53L21 采集语音信号或者立体声线路输入信号，后端利用 MLX90121 实现射频能量和双向数据传输。另外还使用 EEPROM 芯片AT24C1024在系统上电后为DSP加载应用程序，使用串口通信电平转换芯片MAX3226实现DSP与PC 机之间的通信。硬件系统的总体框图如图 2 所示。

　　2.2 语音采集电路的设计

　　CS53L21 是一款低功耗立体声模数转换芯片。它为本系统提供一个双声道线路输入和一个传声器输入。该芯片内部集成了可编程传声器放大器、可编程低噪声传声器偏压电 路、可编程增益线路放大器、可编程自动电平控制、噪声门限及抑制电路、数字音量控制等诸多功能。它的模数转换为 24 位Σ- 型转换器，采用 64 倍过采样，采样率在 4 kHz~96 kHz 之间可调。

　　CS53L21 与 DSP 的连接电路图如图 3 所示。DSP 通过 I2C 总线对 CS53L21 内部寄存器进行置。CS53L21 的 3 个数字音频接口 LRCK、SDOUT、SCLK 分别与 DSP 的 McBSP0 接口相应引脚相连。采样数据传输格式设置为 I2S 格式。LRCK 指示当前输出数据通道为左声道还是右声道，SDOUT 为串行数据输出，SCLK 为串行数据时钟。另外，DSP还为CS53L21提供复位信号和主时钟MCLK信号。