基于DSP的最小应用系统设计实现毕业设计论文.docx

基于DSP的最小应用系统设计实现毕业设计论文.docx

《基于DSP的最小应用系统设计实现毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于DSP的最小应用系统设计实现毕业设计论文.docx（52页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于DSP的最小应用系统设计实现毕业设计论文

基于DSP的最小应用系统设计实现

摘要

语音信号处理就是研究如何能更加有效地产生、传输和获取语音信息的学科。

本论文首先介绍了语音信号处理的发展概况及国内外研究现状，并对未来发展做了展望，分析了语音特征参数的物理意义以及如何对其进行提取。

在硬件部分本文主要围绕TMS320VC5402为核心，给出一个语音处理系统的设计方案。

首先对DSP系统的组成简要说明了一下，然后给出了设计的基本框架，接下来分别就音频转换模块、电源电压转换模块等主要部分做了详细说明，最后对其它附属电路简要介绍。

在设计中应用到了数字信号处理器（DSP）技术。

在软件部分本文首先对TI公司的DSP开发工具CCS作了介绍，接着对DSP软件开发流程进行了简要的叙述，然后就详细的分别对DSP的初始化、音频采集、TMS320VC5402的并行引导装载程序进行了分析与设计。

本文所涉及内容属于一个语音识别系统的一部分，在研究过程中对于语音处理的发展与研究现状进行了深入了解，对于TMS320VC5402芯片的性能参数以及软硬件相关知识掌握较详细，熟悉了DSP系统的设计与开发流程。

关键词：

语音信号处理;特征参数;数字信号处理器;ISD4004;SPI

Abstract

Speechsignalprocessingisasubjecttostudyhowtoproduce，transmitandobtainspeechinformationeffectively．Thethesisstartswithaliteraturereviewaboutthedevelopmentofspeechsignalprocessingandprovidesanexpectationforthefuture．Next．ananalysisiscarriedoutonproductionmechanismofspeechsignal，settingupasimpleandfeasiblemathematicmodeltoanalyzethephysicalsignificanceofspeechcharacteristicparameterandhowtodetermineit．Fromtheaspectofitshardware，adesigningprojectofthespeechprocessingsystemisestablishedonthebasisofTMS320VC5402．TheprojectfirstgivesabriefintroductionaboutthecompositionofDSPsystemandthendisplaysitsbasicframework．Next,allelaborationisprovidedforthepartslikeselectionofchip，moduleofaudiofrequencyswitch，extendedmemorizer,UARTdatacommunicationandpowervoltageswitch．ThetechnologyofDSPisappliedinthedesigningprocess．Fromtheaspectofsoftware．thethesisstartswithanintroductionaboutCCS．andthenaboutDSPsoftwaredevelopingflow．Atlast，adetailedelaborationisgivenrespectivelytothedesigningandanalysisofinitializationofDSPcollectionofaudiofrequencyandparallelbootloadprocedureofTMS320VC5402

Thestudyinthethesistouchesuponapartofaspeechidentificationsystem．Aprofoundexplorationhasbeenconductedontheareaslikedevelopmentandresearchstatementofspeechprocessing，capabilityparameterofTMS320VC5402chip,knowledgeaboutsoftwareandhardware，aswellasthedesigninganddevelopingflowofDSPsystem．

Keywords：

speechsignalprocessing，characteristicparameter,Digitalsignalprocessor,informationstoragedevices4004（ISD4004）,SerialPeripheralInterface（SPI

第1章绪论

1.1引言

语音，作为一种典型的非平稳随机信号，是人类交流信息最自然、最有效、最方便的手段，在人类文明和社会进步中起着重要的作用。

随着电子通信业的出现和计算机技术的发展，人们开始可以从数字信号处理的角度了解语音。

语音信号的研究可以从时域和频域两个方面进行。

其中时域的分析处理有两种方法：

一是进行语音信号分析，这属于小型处理的范畴，主要是通过信号的加减、时移、倍乘、卷积、求相关函数等来实现；另一种是生成和变换成各种调制信号，这属于非线性的范畴，主要是对信号平均累加器的动态范围进行压缩扩张，用门限方法对噪声的抑制。

对频域分析处理，即对信号的频率特性在频谱中加以分析研究，这拓展了信号分析的范围，是对不确定信号分析的主要方法。

随着计算机技术处理和信息技术的发展，语音交互已经成为人机交互的必要手段，而语音信号的采集处理是人机交互的前提和基础。

声卡是计算机对语音信息进行加工的重要部件，它具有对信号滤波、放大、采样保持、A/D和D/A转换等功能。

语音信号处理作为一个重要的研究领域，已经有很长的研究历史。

但是它的快速发展可以说是从1940年前后Dudley的声码器和Potter等人的可见语音开始的；20世纪60年代中期形成的一系列数字信号处理方法和技术，如数字滤波器、快速傅里叶变换等成为语音信号数字处理的理论和技术基础；到了80年代，由于矢量量化、隐马尔克夫模型和人工神经网络等相继被应用于语音信号处理，并经过不断改进与完善，使得语音信号处理技术产生了突破性的进展。

进入90年代以来，语音信号处理在实用化方面取得了许多实质性的进展。

一方面，对声音语音学统计模型的研究逐渐深入，鲁棒的语音识别、基于语音段的建模方法及隐马尔可夫模型与人工神经网络的结合成为研究的热点。

另一方面，为了语音识别使用化的需要，讲着自适应、听觉模型、快速搜索识别算法以及进一步的语言模型的研究等课题备受关注。

在语音记录芯片中，美国ISD公司的ISD系列芯片倍受广大用户的青睐。

它采用直接模拟存储专利技术,把语音信号以原始的模拟形式直接存储在片内的EEPROM存储器中.无须进行A/D转换和压缩处理，没有大多数固态数字化声音存储技术对声音质量的影响，从而减少了失真，提高了录放音质量，并具有抗断电、音质好、使用方便、可反复录放、无需专的语音开发工具、能随意更改内容和耗电少等优点，很适合于现场录放音系统。

国内用户多习惯使用8031系列单片机作微控制器，与ISD330000,40000系列均可以方便地连接。

因此很多资料均是ISD系列芯片与单片机构成的系统，而ISD40000系列芯片与DSP的应用文献几乎没有。

本文以TMS320C54x系列的TMS320VC5402为例，说明语音录放芯片ISD4004应用在DSP系统的设计方法。

1.2系统设计的意义

语音不仅是人与人之间进行信息交流最直接、最方便和最有效的工具，而且也是人与机器之间进行通信的重要工具。

1874年电话的发展可以认为是现代处理的开端。

电话的理论基础是尽可能不失真地传送语音波形。

这种“波形原则”几乎统治了其后整整一百年。

1939年产生了一种概念全新的语音处理技术，这就是著名的通道声码器技术。

声码器的理论基础是认为语音是由人的声带振动产生的生源（载波）受到运动的声道的控制（调制）而产生的，因而将载波和调制两部分分开来进行传送便可极大地压缩频带。

这一概念已经包含着其后出现的语音参数模型的基本思想。

40年代后期，研制成功了能够把语音信号的时变谱用语音表示出来的仪器——语音仪，为语音信号分析提供了一个有力的工具。

对于语音信号，数字处理比模拟处理具有更多的优点。

这是因为：

第一，数字技术能够完成许多很复杂的信号处理工作；第二，通过语音进行交换的信息本质上具有离散的性质，因为语音可以看成是因素的组合，这就特别适合于数字处理；第三，数字系统具有高可靠性、价廉、紧凑、快速等特点，很容易完成实时处理任务；第四，数字语音适合于在强干扰通信中传输，易于和数据一起在通信网中传输，也易于进行加密传输。

因此数字语音信号处理是主要研究方向。

无论是人与人之间还是人与计算机之间的语音通信，语音处理，特别是语音数字处理的理论和技术，具有特别重要的作用。

用DSP控制语音芯片，再把DSP和语音芯片嵌入到通信设备，智能仪器，治安报警及儿童玩具中，就可做成语音播放的机器，应用范围广泛。

用DSP控制语音芯片设计语音录放系统,该系统功能多，录放音音质好，外围电路简单。

1.3系统设计的目的

设计一个基于DSP的语音录放系统，语音录放模块由单片语音录放芯片ISD4004及其外围电路组成；控制电路是由DSP编程控制实现。

要求实现功能：

录音、放音、快进、擦除、音量控制。

可以应用于通讯设备、智能仪表、治安报亭、语音报站、报数报价、语音讲解、语音记录、语音复读、教学仪器、智能玩具、电子礼品等领域。

要求放音质量好，系统具有较强的抗干扰能力，便于安装和扩展。

1.4系统采用的实现方法

本系统主要设计一个DSP控制的语音录放系统，该系统由语音录放模块、放音电路、电源电路、控制电路构成，实现录音、放音、快进、擦除、音量控制。

在实际生活中，本系统可以应用在汽车倒车系统、家庭安防系统、公交车报站以及医院的病房室等应用之中。

技术关键是理解ISD4004语音芯片操作功能的时序图，内部地址构架，以及与DSP之间的SPI通信模式。

实现顺序依次是设计硬件原理图,焊接语音模块,包括电压转换芯片,音频小功率放大器ISD4004的连接.编写软件程序,利用DSP控制技术控制实现录、放、停等操作。

第2章DSP控制技术和开发环境介绍

2.1DSP核心芯片TMS320C5402引脚的介绍

2.1.1概述

TMS320VC5402是美国TI（德州仪器）公司推出的一款高性能的定点DSP，最高频率为100MHz，内部提供16K的存储空间。

它提供的多信道缓冲串口（MCBSP）可以设置为SPI工作方式，从而使得DSP与ISD4004的接口设计成为可能。

2.1.2TMS320C5402主要性能参数

TMS320C5402是TI公司于1996年推出的一种定点DSP芯片,采用先进的修正哈佛结构和8总线结构,使处理器的性能大大提高。

其独立的程序和数据总线,允许同时访问程序存储器和数据存储器,实现高速并行操作。

例如,可以在一条指令中,同时执行3次读操作和1次写操作。

TMS320C5402的运行速度为40MIPS（每秒执行40百万条指令）。

指令周期为25ns。

此外,还可以在数据总线与程序总线之间相互传送数据。

从而使处理器具有在单个周期内同时执行算术运算,逻辑运算,位移操作,乘法累加运算以及访问程序和数据存储器的强大功能。

图1为TMS320C5402DSP的内部硬件组成框图。

包括:

CPU,总线,存储器,在片外围电路,串行口,以及外部总线接口等部分组成

2.1.3TMS320C5402引脚功能说明

图2-1TMS320C5402外部引脚分布

A19（MSB）~A0（LSB）:

20位并行地址总线。

低16位地址（A15~A0）用于寻址外部数据/程序存储器或I/O空间，高四位地址（A19~A16）仅用于寻址外部程序存储器。

当处于保持方式或者OFF引脚为低电平时，这些引脚处于高阻状态。

D15（MSB）~D0（LSB）:

16位并行数据总线。

D15~D0用于CPU与外部数据/程序存储器或I/O设备之间传送数据。

当没有输出或者RS或HOLD信号有效时，D15~D0处于高阻状态。

若EMU1/OFF为低电平时，则D15~D0也变成高阻状态。

数据总线具有总线保持功能，降低由悬浮的、未使用的管脚引起的静态能量消耗。

总线保持功能使未使用管脚上无需外接偏置电阻，当5402不驱动数据总线时，总线保持引脚上处于先前的逻辑电平。

5402复位时总线保持功能无效，但可以通过分区转换控制寄存器（BSCR）的BH位使能/无效。

IACK:

中断响应信号。

IACK有效时，表示接收到一次中断，程序计数器按照A15~A0所指示的位置取出中断向量。

当OFF为低电平时，IACK也变成高阻状态外部中断请求信号。

INT0~INT3的优先级为：

INT0最高，INT3最低。

这四个中断请求信号都可以用中断屏蔽寄存器（IMR）和中断方式位屏蔽。

INT0~INT3可以通过中断标志寄存器（IFR）进

行查询和复位。

NMI:

非屏蔽中断。

NMI是一种外部中断，不能用IMR和中断方式位对其屏蔽。

RS:

复位信号。

RS有效时，DSP结束当前正在执行的操作，CPU和外设重新初始化。

当RS有效，强迫程序计数器变成0FF80h，当RS变为高电平时，处理器从程序存储器的0FF80h单元开始执行程序。

RS对各寄存器和状态位有影响。

BIO:

控制分支转移的输入信号。

当BIO低电平有效时，有条件的执行分支转移。

执行XC指令，是在流水线的译码阶段采样BIO，执行其他条件指令时，是在流水线的读操作数阶段采样BIO。

REDAY:

数据准备好信号。

REDAY高电平有效时，表明外部器件已经做好传送数据的准备。

如果外部器件没有做好传送数据的准备（REDAY为低电平），处理器就等待一个周期，再检查REDAY信号。

注意，如果软件编程2个以上等待状态，处理器才检测REDAY信号。

而且在软件等待状态完成之后，CPU才检测READY信号。

BCLKR0~BCLKR1:

接收时钟输入。

BCLKR能够被设置为输入或输出。

在缓冲串行口传

送数据期间，这个信号必须存在。

如果不用缓冲串行口，可以把BCLKR0和BCLKR1作为输入端，通过缓冲串行口控制寄存器（BSPC）的IN0位检查它们的状态。

BDR0~BDR1:

串行数据接收输入端。

串行数据由BDR0/BDR1端接收后，传送到缓冲串行口接收移位寄存器（BRSR）。

BFSR0~BFSR1:

用于接收输入的帧同步脉冲。

BFSR能够被设置为输入或输出，复位后BFSR配置为输入信号。

BFSR脉冲启动BDR的数据接收过程。

BCLKX0~BCLKX1:

发送时钟。

BCLKX作为McBSP发送器的串行移位时钟。

BCLKX能够被设置为输入或输出，复位后被配置为输入信号。

当EMU1/OFF为低电平时，BCLKX变成高阻状态。

BDX0~BDX1:

缓冲串行口数据发送端。

来自缓冲串行口发送移位寄存器（BXSR）的数据经BDX引脚串行传送出去。

当不发送数据或EMU1/OFF为低电平时，BDX变成高阻状态。

BFSX0~BFSX1：

用于数据输入/输出的帧同步脉冲。

BFSX初始化数据传输过程。

BFSX能够被设置为输入或输出，复位后被配置为输入信号。

当EMU1/OFF为低电平时，BFSX变成高阻状态。

2.2CCS开发环境和建立工程

2.2.1CCS简介

C5402的开发工具包括代码生成和代码调试工具两大类。

代码生成工具是将源程序进行编译、汇编并链接成可执行程序。

代码调试工具是对可执行程序进行调试，使其能够达到预计目标。

CCS（CodeComposerStudio）是TI公司推出的用于开发DSP芯片的集成开发环境，它采用Windows风格界面，集编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试以及实时跟踪等功能于一体，能完成DSP系统开发过程的各个环节，极大地方便了DSP芯片的开发与设计，是目前使用最为广泛的DSP开发软件之一。

CCS有两种工作模式，即：

软件仿真器模式和硬件在线编程模式；前者可以脱离DSP芯片，在PC机上模拟DSP的指令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调试；后者可以实时运行在DSP芯片上，与硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。

CCS运行时的主窗口如图2-2所示。

图2-2

2.2.2CCS的组成

CCS的开发系统主要由以下组件构成：

①TMS320VC54X集成代码产生工具；

②CCS集成开发环境；

③DSP/BIOS实时内核插件及其应用程序接口API；

④实时数据交换的RTDX插件以及相应的程序接口API；

⑤由TI公司以外的第三方提供的各种应用模块插件。

2.2.3CCS的主要功能

CCS的功能十分强大，它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持C/C++和汇编的混合编程，其主要功能如下：

具有集成可视化代码编辑界面，用户可通过其界面直接编写C、汇编、.cmd文件等；

含有集成代码生成工具，包括汇编器、优化C编译器、链接器等，将代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能集成到一个软件环境中；

高性能编辑器支持汇编文件的动态语法加亮显示，使用户很容易阅读代码，发现语法错误；

工程项目管理工具可对用户程序实行项目管理。

在生成目标程序和程序库的过程中，建立不同程序的跟踪信息，通过跟踪信息对不同的程序进行分类管理；

基本调试工具具有装入执行代码、查看寄存器、存储器、反汇编、变量窗口等功能，并支持C源代码级调试；

断点工具，能在调试程序的过程中，完成硬件断点、软件断点和条件断点的设置；

探测点工具，可用于算法的仿真，数据的实时监视等；

分析工具，包括模拟器和仿真器分析，可用于模拟和监视硬件的功能、评价代码执行的时钟；

数据的图形显示工具，可以将运算结果用图形显示，包括显示时域/频域波形、眼图、星座图、图像等，并能进行自动刷新；

提供GEL工具,利用GEL扩展语言，用户可以编写自己的控制面板/菜单，设置GEL菜单选项，方便直观地修改变量，配置参数等；

支持多DSP的调试；

支持RTDX技术，可在不中断目标系统运行的情况下，实现DSP与其他应用程序的数据交换；

提供DSP/BIOS工具，增强对代码的实时分析能力。

2.3ISD4004介绍

2.3.1性能简述和引脚图

ISD4004系列工作电压3V,单片录放时间8至16分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。

芯片采用CMOS技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。

芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口SPI送入。

芯片采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和"金属声"。

采样频率可4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100年（典型值），反复录音10万次

图5ISD4004引脚图

图2-3ISD4004管脚分布图

2.3.2引脚描述

电源:

（VCCA,VCCD）为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的不同管脚上,模拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。

地线:

（VSSA,VSSD）芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。

同相模拟输入（ANAIN+）这是录音信号的同相输入端。

输入放大器可用单端或差分驱动。

单端输入时,信号由耦合电容输入,最大幅度为峰峰值32mV,耦合电容和本端的3KΩ电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。

差分驱动时,信号最大幅度为峰峰值16mV，为ISD33000系列相同。

反相模拟输入（ANAIN-）差分驱动时,这是录音信号的反相输入端。

信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰峰值16mV音频输出（AUDOUT）提供音频输出,可驱动5KΩ的负载。

片选（SS）此端为低,即向该ISD4004芯片发送指令，两条指令之间为高电平。

串行输入（MOSI）此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供ISD输入。

串行输出（MISO）ISD的串行输出端。

ISD未选中时,本端呈高阻态。

串行时钟（SCLK）ISD的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步MOSI和MISO的数据传输。

数据在SCLK上升沿锁存到ISD,在下降沿移出ISD。

中断（/INT）本端为漏极开路输出。

ISD在任何操作（包括快进）中检测到EOM或OVF时,本端变低并保持。

中断状态在下一个SPI周期开始时清除。

中断状态也可用RINT指令读取。

OVF标志----指示ISD的录、放操作已到达存储器的未尾。

EOM标志----只在放音中检测到内部的EOM标志时,此状态位才置1。

行地址时钟（RAC）漏极开路输出。

每个RAC周期表示ISD存储器的操作进行了一行（ISD4004系列中的存贮器共2400行）。

该信号175ms保持高电平,低电平为25ms。

快进模式下,RAC的218.75μs是高电平,31.25μs为低电平。

图2-4RAC周期

外部时钟（XCLK）本端内部有下拉元件。

芯片内部的采样时钟在出厂前已调校,误差在+1%内。

商业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化在+2.25%内。

工业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化在-6/+4%内,此时建议使用稳压电源。

若要求更高精度,可从本端输入外部时钟（如前表所列）。

由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定,故上述推荐的时钟频率不应改变。

输入时钟的占空比无关紧要,因内部首先进行了分频。

在不外接地时钟时,此端必须接地。

自动静噪（AMCAP）当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于养活无信号（静音）时的噪声。

通常本端对地接1mF的电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。

检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较,决定自动静噪功能的翻转点。

大信号时,自动静噪电路不衰减,静音时衰减6dB。

1mF的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。

本端接VCCA则禁止自动静噪。

2.4SPI（串行外设接口）

2.4.1协议介绍

ISD4004工作于SPI串行接口。

SPI协议是一个同步串行数据传输协议,协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿动作,因此对ISD4004而言,在时钟止升沿锁存MOSI引脚的数据,在下降沿将数据送至MISO引脚。

协议的具体内容为：

所有串行数据传输开始于SS下降沿。