DSP的语音录放系统电路设计方案.docx

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DSP的语音录放系统电路设计方案

城南学院

CHANGSHAUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY

毕业设计（论文）

题目基于DSP的语音录放电路系统设计

学生姓名：

邓程萌

学号：

200984250324

班级:

258410903

专业：

电子信息工程

指导教师：

王创新

2013年6月

基于DSP的语音录放电路系统设计

学生姓名：

邓程萌

学号：

200984250324

班级：

258410903

所在院（系）:

电气与信息工程学院

指导教师：

王创新

完成日期:

2013.6

基于DSP语音录放电路系统的设计

摘要

以数字信号处理器（DSP）TMS320VC5402为核心处理器,设计了一个语音录放系统。

该系统采用的数字编解码模块是由TLC320AD50芯片完成的,采用音频线,通过DSP内部的多通道缓冲串口（MCBSP）将电脑中的音频信号送到DSP中,DSP再将音频信号进行处理,通过TLC320AD50输出。

最后,音频信号从耳机或外置喇叭传出。

在语音信号处理中，录放系统是非常重要的。

语音数据的压缩，存储和分析已经显示出其有很大的用处。

对于语音恢复从混合噪声，数字滤波去噪和联合时频提取是有效的。

不仅重构信号的信噪比大大提高，语音信号可以被删除，以及一些随机噪声的大多数组件严重模糊。

在大多数的情况下，保证清晰的语音，以帮助分析。

DSP能处理大量信号、处理速度快性价比高，其高品质的表现结果成为数字信号产品的核心，而现阶段音频信号通过DSP进行处理的依赖程度也日益增加。

使用快速成本低的DSP芯片和精密音频接口芯片对音频信号进行处理，能满足现代大众对视听高质量享受的要求。

本设计介绍了以TI公司的TMS320C5402和芯片TLC320AD50C实现对音频信号的采集与回放的方法，其中着重介绍了系统硬件电路设计及TMS320C5402和TLC320AD50C实现语音采集并实时回放。

关键词:

DSP；TMS320C5402；MCBSP；TLC320AD50C；语音录放

THEPROGRAMMINGOFAUDIOCOLLECTIONANDRETURNBASEDONDSP

ABSTRACT

Basedonthedigitalsignalprocessor（DSP）TMS320VC5402asthecoreprocessor,thedesignofavoicerecordingsystem.ThesystemusesthedigitalcodinganddecodingmoduleiscompletedbytheTLC320AD50chip,theaudioline,throughmulti-channelbufferedserialport（MCBSP）withintheDSPaudiosignalinthecomputerissenttotheDSP,DSPandaudiosignalprocessing,outputbyTLC320AD50.Finally,theaudiosignalscomingfromtheheadphonesorexternalspeakers.Inspeechsignalprocessing,recordingandreproducingsystemisveryimportant.Voicedatacompression,storageandanalysishasshownitsgreatusefulness.Forvoicerecoveryfrommixednoise,digitalfilteringnoiseandjointtime-frequencyextractionisvalid.NotonlygreatlyimprovetheSNRofthereconstructedsignal,thevoicesignalcanbedeleted,andsomerandomnoiseseriouslyobscuremostofthecomponents.Inmostcases,toensureclearvoice,tohelpanalyze.TheDSPcanhandlealargenumberofsignalsfastprocessingspeed,highratioofperformancetoprice,thehighqualityperformanceresultsasthecoredigitalsignalproducts,dependenceandatthisstageaudiosignalthroughtheDSPtreatmentalsoincreased.DSPchipusingfastlowcostandprecisionaudiointerfacechipforprocessingaudiosignals,tomeetthemodernpeopletoenjoyhighqualityaudio-visualrequirements.ThisdesignintroducedbyTI,TMS320C5402andAIC（analoginterfacecircuit）methodtorealizetheacquisitionandplaybackofaudiosignalchipTLC320AD50C,whichfocusesontheimplementationofspeechacquisitionandreal-timeplaybacksystemhardwarecircuitdesignandTMS320C5402andTLC320AD50C.Realizetherealsoundacquisitionandplayback.

Keywords:

DSP。

TMS320C5402。

MCBSP；TLC320AD50。

HARDDISKCIRCULT

1绪论……………………………………………………………………………………………………………………….1

1.1设计背景及目的………………………………………………………………………………………..….1

1.2设计内容………………………………………………………………………………….......................2

2系统总体设计………………………………………………………………………………………………………..2

3器件选择………………………………………………………………………………………………………………..4

3.1DSP芯片选择………………………………………………………………………………………….……..4

3.2语音编解码选择………………………………………………………………………………..………….5

4系统硬件设计………………….……………..………....................................…….....................6

4.1电源管理电路设计…………………………………….....................……...........................6

4.2译码电路………………………………………………………………………………………………….…….7

4.3时钟及复位电路设计…………………………………………………………………………………….8

4.3.1时钟电路设计………………………………………………………....………………..............8

4.3.2复位电路设计………………………………………………………………………..................8

4.4储存器扩展电路……………………………………………………………………………………..…….11

4.5McBSP多通道缓冲串口………………………………………………………………………….……..12

4.6JTAG在线调试仿真接口电路设计…………………………………………………................17

4.7A/D和D/A接口模块设计……………………………………………………………………………..19

4.8信号输出模块…………………………………………………………………………………………….….21

5软件设计…………………………………………………………………………………………………………….….21

5.1程序主流程图....................................................................................................21

5.2McBSP多通道缓冲串口软件设计……………………………………………………………..…..22

5.2.1McBSP寄存器的配置………………………………………………………………………….22

5.2.2McBSP接收与发送中断的软件设计…………………………………………………..23

5.3语音采集与回放…………………………………………………………………………………….………25

5.4程序模块…………………………………………………………………………………………………….....25

总结……………………………………………………………………………....................................................26

参考文献………………………………………………………………………………………………………………..…...27

致谢…………………………………………………………………………….……………………………………………....29

附录………………………………………………………………….……………………………………………………..…..30

附录系统程序……………………………………………………………………………………….………30

附件系统总原理图

1.绪论

1.1设计背景及目的

在很多语音处理的系统中需要用到语音录放系统,将现场的声音录下,供以后回放,或者对这些声音进行相关的特征分析与处理。

对于语音的录放系统,有多种设计方法。

可以用声卡采集,通过网卡传送到其他处理器（或PC）上,但这样就需要将PC放在录音现场,在某些特定场合不适用。

也可以将采样电路、ADC、DSP芯片及外部存储器设计在一块电路板上,但是这样实现有困难。

因为对语音的采样频率一般为8kHz,如果每个样本用8bit表示,则一秒钟语音就需要64kbit的存储空间,对于外接存储器来讲,使用过多,不但成本高,而且占用空间。

信息技术和超大规模集成电路工艺的不断发展，极大地推动了的DSP发展。

DSP技术的应用领域也越来越广，尤其在音频处理领域。

目前，在很多语音处理系统中都用到了语音录放模块，采集现场的声音并存储起来供以后回放。

语音处理系统的实时性、功耗低、体积小、以及对语音信号的保真度都是很影响系统性能的关键因素。

设计采用的高速芯片，能够很好的解决系统的实时性；采用TMS320C5402的数字编解码芯片以下简称TMS320C5402（5402）具有位采样精度高，录音回放模式下仅的16~3223mW低功耗的特点。

因此，该音频编解码芯片与54xDSP的结合是可移动数字音频录放系统、现场语音采集系统的理想解决方案。

它提出的设计方案,将数据的采集和处理经DSP在现场处理,保存在硬盘中,供下次回放使用,很好地解决了以上问题。

TMS320VC5402（以下简称C5402）是TI（德州仪器）公司1999年10月推出的性价比极高的定点数字信号处理器（DSP）。

指令执行速率高达100MIPS，已经广泛用于实时语音处理、个人数字助理（PDA）和数字无线通信等嵌入式系统。

本系统主要研究在TMS320VC5402数字信号处理器从多路模数转换器（ADC）通道获取信息，并将经DSP处理后的数字信号传送到多路数模转换器（DAC）通道。

但关键问题是怎样在DSP系统中十分容易且高效地实现这些转换，而这必然涉及到接口电路的设计。

为此，本设计将介绍一种在单片内集成有ADC通道和DAC通道的模拟接口器件TLC320AD50（（简称AD50）是TI公司生产的SIGMA-DELTA型单片音频接口芯片（AIC））与TMS320VC5402缓冲串口进行接口的设计方法，同时通过对这种接口电路的硬件进行软件编程来实现音频信号的采集与回放。

1.2设计内容

本系统主要包括:

对语音信号进行放大、滤波、采样、A/D转换等的预处理部分。

目前,在很多语音处理系统中都用到了语音录放模块，采集现场的声音并存储起来供以后回放。

语音处理系统的实时性、功耗、体积以及对语音信号的保真度都是影响系统性能的关键因素。

该设计要求采用高速54xDSP芯片,最高频率能达到100MIPS，解决系统的实时性。

设计一个符合要求的数字音频录放、现场语音采集系统。

本设计实现的基于DSP语音录放系统具有如下要求：

1）要求设计能接收ADC/DAC采样数据的通道

2）能把接受的数据压缩储存RAM中

3）要求语音信号频率在4KHZ左右

4）要求采用高速54xDSP芯片,解决系统的实时性

5）能不失真的进行真人真声的语音录放

6）保证声音能长时间保存

2.系统详细设计

本设计采用的核心处理器是TI公司的TMS320VC5402DSP,数字编解码芯片TLC320AD50实现了模数转换和数模转换的功能。

二者是通过DSP内部的多通道缓冲串口（MCBSP0）连接的,其整个系统设计框图如图2所示。

图2.1系统总体方框图

图中,DSP作为主芯片实现各模块之间的通信,其主要工作有:

上电自举,并初始化音频编码芯片AD50等。

CPLD（复杂可编程逻辑器件）为整个系统提供时序[1]。

输入信号可以有各种各样的形式,它可以是麦克风输入的语音信号或是电话线来的已调数据信号,也可以是编码后在数字链路上传输或存储在计算机里的语音信号等。

输入信号首先进行滤波和采样,然后经音频转换芯片TLC320AD50的ADC通道转换后得到数字信号,输入到TMS320VC5402中,在系统内部由各种处理算法将信号进行快速运算和处理。

最后,经过处理后的数字样值再经DAC转换,进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。

输出信号可以使耳机；扬声器等。

整个系统以流水线的方式进行工作,一部分信号正在A/D通道中进行ADC转换,而另一部分信号则在DSP处理器中同时进行算法处理[2]。

3芯片选择

3.1DSP芯片的选择

我们所用的TMS320VC5402是TI公司推出的性价比较高的定点数字信号处理器,其主要特点是:

先进的改造型哈佛结构,操作速率可达100MIPS。

先进的多总线结构,3条16位数据存储总线和1条程序存储器总线。

40位算术逻辑单元（ALU）包括1个40位桶形移位器和2个40位累加器。

1个17×17位乘法器和1个40位专用加法器,允许16位带或不带符号的乘法。

8个辅助寄存器及1个软件栈,允许使用业界最先进的定点DSPC语言编译器。

数据/程序寻址空间1M×16bit,内置4K×16bitROM和16K×16bitRAM。

内置可编程等待状态发生器、2个多通道缓冲串行口、1个8位并行与外部处理器通信的HPI口、2个16位定时器以及6通道DMA控制器。

低功耗,工作电源有3V和1.8V（内核使用）。

TMS320C5402DSP芯片的主要特征如下：

·CPU先进的多总线结构（1条程序总线，3条数据总线和4条地址总线）40位算术逻辑运算单元（ALU），包括1个40位桶型移位寄存器和2个立的40位累加器7位×17位并行乘法器，与40位专用加法器相连，用于非流水线式单周期乘法/累加（MAC）运算比较，选择，存储单元（CSSU）,用于加法/比较选择指数编码器,可以在单周期内计算40位累加器中数值得到指数双地址生成器，包括8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术运单元（ARAU）存储器192K字可寻址存储空间（64K字程序存储器，64K字数据存储器以及64字I/O空间）片内ROM，可配置位程序/数据存储器片内双寻址RAM（DARAM）C5402中的DARAM分为若干块。

由于在每个机器周期内,允许对同一DARAM块寻址2次，因此CPU可以在一个机器周期内对同一DARAM读出1次。

一般情况下，DARAM总是映象到数据存储空间，主要用于存放数据。

但是，它也可以映象到程序存储空间，用来存放程序代码[3]。

·指令系统

单指令重复和块指令重复操作；块存储器传送操作；32位长操作数指令；同时读入2或3个操作数的指令；能并行存储和并行加载的算术指令；条件存储指令；从中断快速返回。

·在片外围电路

软件可编程等待状态发生器；可编程分区转换逻辑电路；带有内部震荡器或者用外部时钟源的片内锁相环（PLL）时钟发生器；时分多路；缓冲串行口（BSP）；16位可编程定时器；8位并行主机接口（HPI）；外部总线关断控制，以断开外部的数据总线、地址总线和控制信号；数据总线具有总线保持器特性；

·电源

可用IDLE1,IDLE2,IDLE3指令控制功耗，使其工作在省电方式下；CLKOUT输出信号可以关断；

·在片仿真接口

具有符合IEEE1149.1标准的在片仿真接口。

3.2语音编解码芯片选择

从适应语音信号频率、满足实时性、降低成本和简化设计的要求出发,该系统选择TLC320AD50芯片。

该器件与C5402接口易于实现,开发和使用更加方便。

尤其适合应用于低比特率、高性能密集设备的话音增强,识别及合成等的各种VOIP,调制解调器和电话领域。

AD50集成了16位A/D和D/A转换器。

使用过采样（OverSampling）技术提供16位A/D和D/A低速信号转换,该器件包括2个串行的同步转换通道（用于各自的数据方向）,工作方式和采样速率均可由DSP编程设置。

其内部ADC之后有抽样滤波器,DAC之前有插值滤波器,接收和发送可同时进行,且输入输出增益控制可编程,可工作在单端或差分方式[4]。

AD50特点如下：

·输入信号。

单端信号输人，幅度在1～4V之间。

·输出信号。

单端信号输出，幅度在1～4V之间。

·单一5V电源供电，也可以使用5V模拟电源和3V数字电源同时供电。

·最大工作功耗为100mW。

·通用16位数据格式，也可以采用2的补码数据格式。

·内部基准电压。

·AD为64倍采样，DA为256倍采样。

·支持各种V．34协议的采样速率。

·具有多种可选的采样频率。

·支持商业级音响应用。

·工作温度范围从－40～850。

4系统硬件设计

根据本设计的特点，下面将选择性介绍其中部分原理和设计方法

4.1电源管理电路设计

现在的DSP均向着低电源电压、低功耗方向发展，工作电压为3.3V甚至更低。

为了进一步降低DSP功耗，又不影响与外围电路的接口，TI新一代DSP内核的CPU工作电压与其片内I/O设备的工作电压也不同。

I/O设备的电源电压（DVdd）一般是3.3V，CPU的内核工作电压（CVdd）是3.3V、2.5V或1.8V甚至更低。

这样，一片DSP上就有两个不同得电源电压，并且往往这两个电源电压加电的顺序也有要求，这要根据各个不同DSP芯片的数据手册来定。

所以TI和其他公司也提供了许多单路或双路电源电压供电芯片。

图示出了使用TI公司的电源芯片实现的TMS320C5402DSP的典型供电系统方案。

TMS320C5402DSP的CPU工作电压是1.8V，片内I/O设备工作电压是3.3V。

图4-1-2TPS76318是将5V直流电压转换为1.8V的电压调整器；图4-1-1TPS76333是将5V直流电压转换为3.3V的电压调整器。

它们分别为DSP芯片的CPU和片内I/O设备提供工作电压[5]。

图4.1.1转化3.3V的典型供电电路

图4.1.2转化1.8V的典型供电电路

在设计DSP系统时，若在一个系统中同时存在3.3V和5V系列芯片，让两种电压芯片的输入输出直接连接是不行的，不仅会造成电平逻辑混乱，使电路不能正常工作，而且还有可能损坏元器件。

在硬件电路中DSP芯片的引脚CNT可以调节DSP输入输出引脚与TTL与CMOS的兼容逻辑，既当CNT为高电平时，为3V工作状态，I/O接口电平与CMOS电平兼容。

当CNT下拉到低电平时，为5V工作状态，所有I/O接口与TTL电平兼容，因此在电路设计与应用时可以根据电路特点设置CNT引脚的状态[6]。

4.2译码电路

5402对外部接口的控制信号有限,又要同时完成对A/D、D/A、EPROM的控制,最有效的办法是加入译码电路。

本系统采用通用的328译码器74LS138,使用5402的高位地址线A13、A14、A15作为译码输入,IS和IOSTRB作为译码使能端输入,译码地址见下表。

表4.2.1DSP译码地址

信号名地址访问对象及操作

CS12000H使能DAC0832输入选通信号

CS24000H使能ADC0809输出允许信号

CS36000H启动ADC0809的数据转换

4.3时钟及复位电路设计

4.3.1.时钟电路设计

一般C54X芯片的时钟电路由两种。

一种是利用芯片内部的振荡电路与X1、X2/CLK引脚之间连接的一只晶体和两个电容组成并联谐振电路如图4.3.1所示。

它可产生与外加晶体同频率的时钟信号。

电容C1、C2通常在0—30pF之间选择，它们可对时钟频率起到微调作用[7]。

另一种方法是采用封装好的晶体振荡器，将外部时钟源直接输入X2/CLK引脚，而X1引脚悬空。

由于此种方法简单方便，系统设计一般采用上种方法。

但此方法抗干扰能力差，因此本设计中采用了无源晶振。

图4.3.1内部振荡电路图

4.3.2复位电路设计

C54X的复位输入引脚/RS使‘C54X复位到一个已知状态。

为保证DSP可靠复位，/RS引脚必须为低电平，且至少保持2个主频（CLKOUT）时钟周期。

当复位发生时，DSP终止程序运行，并使程序计数器PC复位为0FF80H，地址总线也变成0FF80H，数据总线为高阻，/PS、/MSTRB和R//W等信号为高电平。

复位脉冲消失后约5个时钟周期，DSP开始从0FF80H处取代码执行[8]。

在设计复位电路时，一般应考虑两种复位需求：

一种是上电复位；另一种是工作中的复位。

在系统刚接通电源时，复位电路应处于低电平以使系统从一个初始状态开始工作。

这段低电平时间应该大于系统的晶体振