基于TMS320VC5416的语音信号采集系统设计说明.docx

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基于TMS320VC5416的语音信号采集系统设计说明

 

要求--------------------------------------------------------------2

摘要----------------------------------------------------------------------------------------------2

一、确定硬件实现方案----------------------------------------------------------------------2

系统框图------------------------------------------------------------------------------------3

二、各部分器件选择及介绍----------------------------------------------------------------3

(一)DSP芯片--------------------------------------------------------------------------3

(二)复位电路---------------------------------------------------------------------------5

(三)时钟电路--------------------------------------------------------------------------5

(四)ADC电路-------------------------------------------------------------------------6

(五)时序控制器电路-----------------------------------------------------------------7

(六)电源--------------------------------------------------------------------------------8

(七)存储器-----------------------------------------------------------------------------8

(八)仿真电路--------------------------------------------------------------------------9

(九)音频电路-------------------------------------------------------------------------10

三、总结--------------------------------------------------------------------------------------10

四、参考文献--------------------------------------------------------------------------------11

 

课程设计要求:

(1)绘制系统框图(VISIO);

(2)包括电源设计、复位电路设计、时钟电路设计、存储器设计、A/D接口电路设计(P240)、JTAG接口设计等

(3)参考文献、论文格式规

摘要:

本设计是一个基于TMS320VC5416的音频信号采集系统。

介绍了该系统的总体实现方案和硬件设计,利用TMS320VC5416芯片来实现音频信号的采集和输出。

本系统主要分为以下几个部分:

TMS320VC5416芯片、时钟电路、电源电路、AD转换电路、音频电路以及JTAG部分。

最后通过对DSP系统进行仿真调式,证明所设计的基于DSP的硬件系统是一个很好的音频信号采集系统。

关键词:

DSPTMS320VC5416音频信号采集与处理

近年来,随着DSP技术的普及和低价格、高性能DSP芯片的出现,DSP已越来越多地被广大的工程师所接受,并越来越广泛地被应用于各个领域,例如:

语音处理、图像处理、模式识别及工业控制等,并且已日益显示出其巨大的优越性。

DSP是利用专门或通用的数字信号处理芯片,以数字计算的方法对信号进行处理,具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小及可靠性高等优点,满足了对信号快速、精确、实时处理及控制的要求。

DSP器件具有较高的集成度。

DSP具有更快的CPU,更大容量的存储器,置有波特率发生器和FIFo缓冲器。

提供高速、同步串口和标准异步串口。

有的片集成了A/D和采样/保持电路,可提供PWM输出。

DSP相对于一般微处理器作了很大的扩充和增强,主要是:

1.修正的哈佛结构,多总线技术以及流水线结构。

将程序与数据存储器分开,使用多总线,取指令和取数据同时进行,以及流水线技术,这使得速度有了较大的提高。

2.硬件乘法器以及特殊指令。

这是区别于一般微处理器的重要标志。

一般微处理器用软件实现乘法,逐条执行指令,速度慢。

而DSP依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算,而且还具有专门的信号处理指令,如TM320系列的专门的信号处理指令F取S,UMS,MACD指令等

一、确定硬件实现方案

硬件设计思想:

人类可以听到的声音信号是围在20-20kHz的模拟信号,所以首先需要传感器接收该声音信号,接着需要进行转换,使声音信号由模拟信号变为数字信号。

之后通过分析噪声产生的原因和规律,利用被测信号的特点和相干性,检测被覆盖的声音信号。

在检测方法上有频域信号的相干检测、时域信号的积累平均、离散信号的计数技术、并行检测等方法。

由于本系统采用DSP作为中央处理单元,基于其强大的数字信号处理能力和丰富的嵌入式功能,因而使本系统非常易于性能扩展。

例如,在硬件方面,若配置以太网接口和有关控制芯片,即可使系统成为独立(不依赖PC机)的音频播放器。

在软件方面,若改变算法,如配置MP4或其它音频解码标准,那么,本系统就可作为MP4或其他标准的音频播放器。

系统整体框图:

二、各部分器件选择与介绍

(一)DSP芯片

本系统中DSP采用的是TI公司的TMS320VC5416(以下简称5416),其部的高性能CPU拥有算术逻辑单元ALU、2个40位累加器ACCA和ACCB、40位桶行移位寄存器、乘累加单元以及寻址单元,算术逻辑单元包括1个40位的ALU,1个比较、选择和存储单元(CSSU)和1个指数编码器,具有高度的并行性。

本文采用的TMS320VC5416芯片最大可寻址能力为192K字(包括64K字的程序空间、64K字的数据空间和64K字的I/O空间),扩展寻址模式下有256K字~8M字的扩展地址空间,并拥有一套高效灵活的指令集。

其指令周期为6.25ns,执行速度最高可以达到160MIPS,完全可以满足实时处理的要求。

TMS320VC5416芯片部结构图:

DSP最小系统的设计:

DSP最小系统的设计,一般包括DSP复位、时钟、电源部分的设计和简单的外围扩展期间的设计。

现将TMS320VC5416作为系统核心处理器,分析进行最小系统的设计。

DSP最小系统逻辑图见图:

(二)复位电路

对于实际的DSP应用系统,特别是产品化的DSP系统,其可靠性是~个不容忽视的问题。

由于DSP系统的时钟频率较高,在运行时极有可能发生干扰和被干扰的现象,严重时系统可能会出现死机现象。

为了克服这种情况,除了在软件上作一些保护措施外,硬件上也必须作相应的处理。

硬件上最有效的保护措施就是采用具有看门狗(WatcM09)功能的自动复位电路和手动复位电路相结合的方式。

自动复位电路除了具有上电复位功能外,还具有监视系统运行并在系统发生故障或死机时再次进行复位的能力。

其基本原理就是通过电路提供一个用于监视系统运行的监视线,当系统正常运行时,应在规定的时间给监视线提供一个高低电平变化的信号,如果在规定的时间这个信号不发生变化,自动复位电路就认为系统运行不正常并对系统进行复位。

自动复位的功能可以通过“看门狗”芯片实现。

如图为用MAX811芯片搭建的“看门狗”电路

(三)时钟电路

给TI公司54系列DSP芯片提供时钟一般有两种方法:

一种是利用DSP芯片部所提供的晶振电路,在DSP芯片的X1和X2/CLKIN之间连接晶振可启动部振荡器;另一种方法将外部时钟源直接输人X2/CLKIN引脚,X1悬空,采用封装好的晶体振荡器,这种方法使用方便,因而得到了广泛的应用,因为无源晶振的体积要小得多,电路连接上也更

早期的DSP芯片一般工作频率较低,因此其工作频率与外部提供的频率相等或者是外部频率的2分频或5分频。

随着DSP芯片运算速度的提高,如果仍然采用这种工作方式,则势必要求外部的频率很高,而这必然会引起高频干扰,影响系统的稳定性。

因此,现在的DSP芯片一般提供多种工作方式:

不仅具有传统的分频方式,而且采用更加灵活的可编程锁相环(PLL)方式。

软件可编程PLL受一个存储器映射的时钟模式寄存器(CLKMD)的控制,CLKMD用于定义PLL时钟模块的配置。

复位后CLKMD的值根据DSP芯片的3根输人引脚CLKMD1—CLKMD3来确定,从而确定DSP的工作时钟

 

 

图中采用16MHZ无源晶体振荡器。

 

(四)ADC电路

本设计中选用的AD转换芯片是美国ANALOGDEVICE公司的AD7336_SOP28。

该芯片的采样采用Δ-Σ技术,可实现十六位的分辨率。

由于原理采用了过采样,噪声成行和数字抽取等技术,可用较低的成本实现较高的分辨率,因此特别适合低频率,高分辨率,宽动态围的A/D转换,而且可直接和DSP连接进行通信。

 

 

(五)时序控制器

CPLD与专用DSP一样,是用硬件完成数字信号处理算法的,其单一运算速度很高,输人至输出的延迟也比DSP小。

但它进行各种数字信号处理混合功能实现就不如DSP,进行复杂运算和解方程或浮点数据处理也不如DSP。

数字电路设计中常把DSP的灵活性和CPLD的高速、高效性结合在一起,可充分发挥二者各自在软、硬件上的可编程能力。

有的DSP芯片由于I/O引脚数有限,可把大量的数字接口电路、控制逻辑电路转移到CPLD中完成。

DSP系统中CPLD承担的主要功能:

(1)由DSP的地址信号及控制信号产生所需的译码及片选逻辑;

(2)由电源、看门狗电路、复位键产生DSP及其他电路模块的复位逻辑;

(3)把DSP的外部中断信号进行扩展,以适应多个外围中断源的情况;

(4)把DSP的复用读、写信号变为其他模块处分立的读。

写信号;

(5)由DSP主时钟分频得到外围电路需要的时钟信号;

(6)按键去抖动电路;

(7)液晶显示驱动电路

由以上功能可以知道在DSP系统硬件平台中,基于实现地址译码、数据缓冲、锁存及其他一些功能,在系统中选择并扩展了一片ALTRA公司的CPLD芯片。

它是一种基于乘积项结构的可编程逻辑器件,特别适合于实现高速、复杂的组合逻辑

本次设计所采用的CPLD如下图

(六)电源

TMS320VC43x的电源分为两种:

核电源(CVDD)和I/O电源(DVDD)。

其中,I/O电源需要3.3V电压,而核电源需要的电压为1.6V或1.8V,降低核电压的主要目的还是降低功耗

5416的CPU电压为3.3V,外设电压为1.6V,所以该系统还需要一个供电的电源模块,可以将一般的输入电压5V转化为3.3V与1.6V的电压为DSP供电,该5V电压还可为除DSP以外的其他设备供电。

电源电路如下图:

(七)存储器

由于5402片的ROM和DRAM资源有限,所以该系统需要外部存储设备,故选择一片SRAM作为静态存储器。

其中SRAM使用的是IS61LV25616/51216的1MB异步静态随机存储器。

IS61LV25616/51216是一个由高速的互补性金属氧化物半导体晶体管(CMOS)组成的静态随机存储器,不需要外部时钟或时间频闪观测器。

3.3V的操作电压,所有的输入输出均兼容晶体管逻辑电路(TTL)。

电路如图:

(8)仿真电路

设计一个DSP系统,一般必须考虑系统的软、硬件调试,调试DSP系统一般离不开DSP仿真器,而仿真器通过仿真接口实现与DSP之间的数据交互。

设计仿真接口比较简单,只要根据DSP芯片所提供的接口类型按照相应的接口标准设计即可。

仿真器即扩展开发系统(XDS),可用来进行系统级的集成调试,是进行DSP芯片软。

硬件开发的最佳工具。

目前主要有两种类型的仿真器:

一种是主要用于早期的TMS320C1X和TMS320C2X两代DSP芯片的仿真,这两代DSP芯片没有仿真信号线;另一种是先进的扫描仿真器,在这些DSP芯片上提供了用于仿真的一些信号线。

传统的电路仿真器对用户板进行硬件仿真时,仿真器的电缆插头必须插入到用户硬件电路中DSP芯片的相应位置,也就是说,仿真电缆的插头引脚必须与DSP芯片的引脚一一对应。

扫描仿真器不采用插入仿真的方法,而是通过DSP芯片上提供的几个仿真引脚实现仿真的功能。

这种方法为TI公司所开发,可用来解决高速DSP芯片的仿真问题。

由于高速DSP芯片具有高度并行的结构、快速的指令周期、高密度的封装等特点,采用传统的电路仿真方法很难实现可靠的仿真。

扫描仿真消除了传统的电路仿真存在的问题。

TMS320VC54x系列的仿真器采用了14线的仿真接口,通过这个接口与目标系统的芯片相连进行仿真。

下表为JTAG仿真信号的定义

1

2

3

4

5

6

7

TMS

TRST

TDI

GND

+5V

GND

TDO

8

9

10

11

12

13

14

GND

TCK

GND

TCK

GND

EMU0

EMU1

其中,TMS:

模式选择;TRST:

复位;TDI:

数据输入;TDO:

数据输出;TCK:

时钟。

电路图如下:

(9)音频电路

模拟音频信号的数字化过程可以分为采样、量化和编码3个阶段。

数字化的第一步是在时间上对信号进行离散处理,即将时间上连续的信号变换成时间上离散的信号,这一过程称之为采样。

采样后的信号序列幅度仍然是连续变化的,通过量化可以将幅度连续的信号转换成离散的信号,即用某个特定的量化电平值代替原始信号幅度。

编码则是用一组特定的代码来代表每个量化电平值的,不过在具体实现上,编码与量化通常是同时完成,换句话说,量化实际是在编码过程中实现的。

量化是把取值连续的信号转换成取值离散的信号,也就是用有限数量的样值代替原模拟信号无限多种样值的过程。

根据对信号的不同处理方式,可以把量化分为两大类:

标量量化与矢量量化。

前者简单、直观、易于实现;后者复杂,但具有较高的数据压缩效率。

电路图如下:

三、总结

在信息资源大大丰富的今天,数字化程度已经越来越高。

而DSP作为这一技术的重要组成部分,对我们的生活已经产生了越来越深刻的影响。

在数字化时代背景下,DSP已成为各种电子产品等领域的基础器件,而其在电机控制、声音识别与图像识别领域中的应用则是更为广泛。

通过这个声音采集系统,我们可以把无形的声音信号转化为图形进行处理,可以观察它的波形特点进行研究、工业生产等等。

而在设计其他的DSP应用系统接口电路时,要根据具体情况综合考虑性能指标、器件选取、外围电路设计等方面,仔细选取器件,精心合理布局,才能达到理想的设计效果。

而且通过本次的课程设计,让我对学习的DSP知识加深了巩固,让我能够学以致用,同时也加强我们自主学习,设计的能力。

要完成这次课程设计,我们也必须在网络上寻找他人共享的知识,来丰富我们自身。

四、参考文献

(1)邹彦等,DSP原理及应用,电子工业,2011年5月,279-330

(2)利,DSP原理及应用技术,中国水利水电,2004年,200-210

(3)汪安民,TMS320C54xxDSP实用技术,清华大学,2002年7月,156-175

(4)江涛、朱光喜,基于TMS320VC5402的音频信号采集与处理系统,华中科技大学电子与信息工程系,2009年,78-79

(5)冬玲、王良红,基于DSP的微弱信号检测采集系统设计,微计算机信息,2005年3月,83-84

(6)Texas Instruments Incorporated,TMS320C54x系列DSP的CPU与外设,,清华大学,2006.9

(7)ISO/IECJTC1/SC29/WG11,Pattaya,OverviewoftheMPEG-7StandardDecemeber2001

(8)俊,蔡宣平等,数字音频技术及其应用与发展(—),电声技术,2001年5期

(9)俊,蔡宣平等,数字音频技术及其应用与发展(—),电声技术,2001年1期

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