TMS320VC5410在语音信号中的应用.docx

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TMS320VC5410在语音信号中的应用

论文题目

摘要

20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术（DSP）应运而生并得到迅速的发展。

数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。

自从20世纪80年代第一片SP芯片诞生至今,其性能得到了极大的提高应用,领域取得了不断的拓展。

目前己经成为通信、计算机、网络、工业控制以及家用电器等电子产品不可或缺的基础器件,尤其在通信领域,数字信号处理器以其能快速地实现各种数字信号处理算法的优点从而得到了广泛的应用。

随着超大规模集成电路技术（vLS）I的高速发展.DSP的性价比也在不断提高。

针对数字信号处理器以及其在通信系统中的应用特点，具体讨论了16片TMS320VC5410和CPLD相结合构成的一种语音信号处理硬件平台，同时就设计中要处理的各种复位和各种接口的具体实现方案给出了相应的原理框图

关键词：

DSP；TMS320VC5410；通信

Abstract

Sincethe1960s,withtherapiddevelopmentofcomputerandinformationtechnology,digitalsignalprocessingtechnologyarisesatthehistoricmomentandhasaflourishdevelopment.Digitalsignalprocessingusesthecomputerordedicatedprocessingequipment,withtheformofdigitalcollection,afterthetransformation,filtering,valuation,enhancement,compression,thesignalsareanalyzed,andfinallycangetthissignalmeetingpeople'sneeds.Sincethe1980s,thefirstpieceofSPisborn,itsperformancehasbeengreatlyimprovedandchipapplicationsachievedcontinuouslyexpanding.Itbecomeanindispensablebasicdevicesofthecommunication,computer,network,industrialcontrol,andelectricalproductssuchashomeappliancesatpresent,especiallyinthefieldofcommunications,digitalsignalprocessorcanquicklyrealizeallkindsofdigitalsignalprocessingalgorithm,ithasbeenwidelyusedbecauseofthisadvantage.Withthedevelopmentofintegratedcircuittechnology（vLS）,DSP’scombinationpropertyhasenhanced.

Fordigitalsignalprocessoranditsapplicationcharacteristicsinthecommunicationsystem,thereisadeepstudyonaspeechsignalprocessinghardwareplatformwhichiscombiningof16slicesofTMS320VC5410andCPLDconstitute.Todealwiththedesignofallkindsofresetandallkindsoftheconcreteimplementationplanoftheinterface,thispapergivesthecorrespondingprincipleblockdiagramatthesametime.

Keywords:

DSP；TMS320VC5410；communication

前言

DSP也称作数字信号处理器,是一种具有特殊结构的微处理器。

DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器.广泛采用流水线操作.提供特殊的DSP指令,可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。

DSP芯片已经在通信与电子系统、信号与信息处理、自动控制、留达军事、航空航天、医疗、家用电器在等许多领域得到广泛的应用。

而这种广泛的应用又成为促进DSP芯片飞速发展的动力。

DSP芯片的分类有三种不同的方式。

按用途可分为通用型和专用型两大类。

通用型DSP芯片是一种软件可编程的DSP芯片,可适用于各种DSP应用。

专用型OSP芯片则将FFT、数字滤波和卷积等算法集成到DSP芯片内部.一般适用于某些专用的场合.便于提高信号处理的速度。

按照数据格式可分为定点和浮点度两种.它代表了DSP芯片工作的数据格式,值得注意的是,不同浮点DSP所采用的浮点格式也不完全一样.有的浮点DSP采用自定义的格式。

按照基础特性分类,则可分出静态DSP芯片和一致性DSP芯片两大类.如果在某时钟频率范围内的任何时钟频率上，DSP芯片都能正常工作，没有性能上的下降，这类DSP芯片一般称为静态DSP芯片:

如果两种或互兼容则这类芯片称为一致性DSP芯片。

1.DSP系统特点以及设计过程

数字信号处理系统以数字信号处理理论为基础，具有数字信号处理全部优点：

●接口方便：

DSP 系统与其它以数字技术为基础的系统或设备都是相互兼的比模拟系统与这些系统接口要容易的多。

●编程方便：

DSP 系统中的可编程，DSP芯片可以使设计人员在开发过程中灵活方便的进行修改和升级，可以将C语言与汇编语言结合使用。

●具有高速性：

DSP系统的运行较高，最新DSP芯片运行速度高达10GMIPS以上。

●稳定性好：

DSP 系统以数字处理为基础，受周围环境，如噪声、温度等的影响小、可靠性高；

●精度高：

例如16位数字系统可以达到

的精度。

●可重复性好：

模拟系统的性能受元件参数性能变化影响大，而数字系统基本不受影响，更便于测试、调试和大规模生产。

●集成方便：

DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模生

一般来说，DSP的设计过程应遵循一定的设计流程，如图示：

图1DSP设计过程

2.TMS320VC5410性能介绍

TI公司DSP种类多，品种齐全，适合各种需要。

目前，使用较为广泛的主要有三个系列：

C2000，C5000和C6000。

其他系列产品应用较少或已经淘汰。

每个系列又有多种DSP可供选择。

同一系列的DSP具有相同的内核、相同或兼容的汇编指令集；它们之间的差别是具有不同大小的片内存储器、不同的片内外设和外部接口等，工作电压和速度也有所区别。

以上3大系列DSP实现功能的侧重点不同，就是说应用领域有所不同：

●C2000系列是16位定点DSP。

它是一个控制器系列，主要应用于工业控制领域，它除了具有一个DSP内核外，还有大量的片内外设资源，如A/D、定时器、各种同步和异步串口、看门狗、CAN总线接口等；加上其价格低廉，速度更高，可靠性更强，可以取代传统单片机。

内部具有Flash，方便固化程序，而其他系列DSP都没有内部Flash。

●C5000系列DSP是16位定点低功耗DSP，性价比极高，主要应用于无线通信系统及手持式通讯产品，如手机，PDA和GPS等。

C5000又分为C54X和C55X两个系列。

相对C2000系列来说，其内部存储更大，运行速度更快，更适合执行较为复杂的数字信号处理任务，但控制功能相对较弱。

一般由核心电压和I/O电压两种电压供电。

核心电压较低，所以功耗很低，且体积很小，方便集成。

●C6000系列是32位的DSP系列。

在TI的所有系列DSP中运行速度最快。

其中C62XX是定点DSP，而C64XX和C67XX是浮点DSP，它主要应用于需要大量快速运算的场合，如数字视频处理、无线基站等。

由于速度很高，所以功耗也很大。

在本设计中使用的DSP是TMS320VC5410。

它属于TIC5000系列中的C54X系列，正如前面所说，同一系列的DSP具有相同的内核、相同或兼容的汇编指令集，差别仅在于内存储器的大小，片内外设等等，所以就首先介绍一下C54系列DSP普遍具有的特点和性能。

54X具有改进的哈佛结构，使其处理能力达到最大。

分开的程序空间和地址空间提供了高度的并行性，可以同时访问程序指令和数据，例如三次读操作和一次写操作可以在一个周期内完成。

带并行存储的指令和具有特殊应用的指令充分利用了这种结构。

这种并行性支持一套强大的算术运算、逻辑运算和位操作运算，所以使得这些运算可以在单个机周期内完成。

而且54X的运行机制还支持中断处理、重复操作和函数调用等等。

对于任意通用可编程芯片来说，一般都具备以下几个部分：

●部存储器：

主要用来存储程序、执行程序、存储数据等；

●中央处理单元（CPU）：

用来实现各种运算功能；

●片内外设：

用来实现一些特定功能，如时钟发生器、硬件定时器等等；

●外部总线接口：

用来和其他芯片接口，协同工作；

●通信接口：

用来从外围芯片获得数据或者将处理完的数据传输出去；

●内部总线：

用来连接芯片中不同的单元，上各个部分的通信是通过内部总线来完成的

3.TMS320VC5410在通信中的应用

3.1芯片在通信中的应用

目前，在通信系统中，为实现系统性能的最优化，在许多情况下利用数字信号处理器（DSP）来完成系统中的一部分重要功能，如第3代移动通信（3G）系统中所要求的回声消除、维特比译码、主叫号码识别等。

但就目前的一般情况而言，往往是单个DSP的处理能力有限且DSP的接口与其它器件的接口不能直接兼容，而整个系统需求的处理容量较大且要求接口灵活，因此，在一个通信系统中，多个DSP之间及其与其它器件之间的接口的协调处理就显得尤为重要，而完成这样的工作主要是靠可编程逻辑器件来完成。

本文以TMS320VC5410（以下简称C5410）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）的结合为例，简述它在一种通信语音信号处理系统中的硬件平台设计要点，同时就各种软接口的实现机理和复位的协调处理给出了原理框图。

3.2硬件平台概述

在硬件平台设计中，要充分考虑各个接口和各种复位的设计。

系统电路连接如图所示。

在图中给出了主控中央处理单元MPC860通过CPLD和1片C5410的电路连接框图。

在该系统中，采用MPC860控制16个进行并行信号处理的DSP来完成信号的处理，考虑到C5410的4种引导方式中，只有采用主机端口接口（HPI）引导方式时（HINT和INT2相连），硬件成本才具有较低的特点；而且MPC860只有通过HPI接口才能和各个DSP通信，所以系统设计时必须考虑HPI的设计。

又因为C5410要处理的信号是以El链路的形式接入，因此也应该考虑E1链路和C5410的多信道带缓存串口（McBSP）连接时的接口设计。

在系统工作中复位是不可缺少的，而复位又包括上电复位、手动复位、软复位、看门狗复位[4]，因此对每一个DSP的各种复位处理也是CPLD的一个设计重点。

图2系统电路连接框图

3.3接口设计

接口的设计包括HPI接口设计和McBSP接口2个部分。

HPI接口用于系统信息管理，McBSP接口用于用户数据处理。

3.3.1HPI接口设计

对HPI接口的设计，应考虑HPI接口的选通控制和数据流控制两部分。

对选通控制，包括对DSP的HAS，HDS[2～I]和HCS的信号控制。

如图示，因为MPC860的地址和数据没有复用，地址选通管脚HAS不用而接高电平；数据选通管脚HDS[2～11之问要满足逻辑相反的关系；DSP的片选原理如图2所示，在Addr8=0和MPC860对CPLD访问有效的情况下（CS=O），通过Addr[6-3]译码使某一片DSP的HCS为低电平，因此第n片DSP的片选地址为由构成CS的基址与8n的和。

图3DSP片选译码原理图

数据交易控制主要是对MPC860和DSP进行数据传输时的握手信号处理。

在C5410芯片中，HPI的数据宽度是8bit（HPI一8），通过HPI一8，C5410内置的RAM和MPC860能够进行数据交换。

HPI一8的使用是通过对地址寄存器HPIA、控制寄存器HPIC和数据寄存器HPID3个寄存器赋值实现的。

具体的寄存器选择通过HCNTL[1--O]决定，功能描述如表示

表1HPI-8输入控制管脚和功能描述

如上描述的寄存器都以16bit的形式出现，而HPI一8的数据宽度是8bit，因此MPC860要想对如上所述的寄存器完成一次完整的访问，必须进行2次的8bit数据交易，且每个8bit数据都应有高低字节指示。

在该系统中，通过AddrO在CPLD中传输后直接和HBIL连接来指示传输的字节是高字节还是低字节；通过Addr[2-1]在CPLD中传输后直接和HCNTL[1～0]连接来对寄存器的进行选择。

另外，如图所示，在读写过程中，还需对MPC860的读写信号R/

、传输开始信号

、传输应答信号

和C5410的读写信号HR/

、HPI准备好信号HRDY之间的握手进行控制，其中HR/

可通过CPLD传输后与R厩直接相连接，其余信号的握手处理如图所示，因为C5410在它的片选信号无效时或片选信号有效且可以对HPI的寄存器访问时，HRDY均为高电平，因此对HRDY处理时，必须考虑CS信号是否有效，如图所示的3个逻辑门的输入控制。

另外从图所示的读写握手信号时序图可知，从C5410数据传输有效开始到下一次数据传输有效大约有5个DSPclk周期，而MPC860的工作频率是C5410的一半，所以MPC860要想连续完成2次读写操作，必须使相邻的传输开始信号r11S之间至少有3个CPUclk的周期间隔，对此的处理是由图3中的3位串联D

触发器来完成。

当TAl有效时，表示HPI已经处理好了上次交易的数据，此时MPC860结束本次访问，准备下一次访问。

另外，因为与MPC860相连的所有设备共用一个TA信号，为防止信号冲突，以上产生的TAl信号不能直接送给MPC860，而是在MPC860不访问C5410时，从C5410返回给MPC860的7rA信号应为高阻状态。

图4HPI读写握手信号控制原理图

图5HPI读写握手信号时序图

3.3.2MCBSP接口设计

McBSP接口的数据传输受到帧同步信号FSR/X（ext）和数据时钟CLKR/X的控制，如图所示。

如果数据传输没有延迟（R/xDATDLY=00b），则数据的传输相对于FSR/X（ext）的上升沿有一定的延迟，且CLKR/x的下降沿也不能对应于数据的中间位置，在这种情况下，若CLKR/X受到干扰或有长时间的漂移或抖动，就会出现采样错误。

但如果数据传输有1bit延迟（刚xDATDLY=01b）时，CLKR/X对第（n一1）个数据的采样位置就处于数据的中间位置。

鉴于此，考虑采用数据有1bit延迟的方式来传输数据。

然而，由此引起了McBSP接口数据和E1数据不兼容，即McBSP接口的数据相对于E1接口的数据有1bit的延迟，处理的方法是将E1帧同步信号F0超前1bit作为FSR/X）（ext）的输入，在实际控制中，无法做到超前，只能通过255bit的延迟来代替1bit的超前。

另外，为避免FS胀（ext）和CLKR/X的相位相对变化，采用FSR/X（ext）复位来控制4MHz时钟的分频作为McBSP的收发数据时钟CLK/X。

图6McBSP接口时序图

3.4复位设计

在复位设计中，要处理上电复位、手动复位、软复位和看门狗复位。

上电复位是每一个硬件正常工作之前都必须具有的操作，在此期间，各个器件要完成初始化的处理；手动复位是在系统出现故障而无法用现有的软件处理时采取的常规措施；而软复位主要是为了实现HPI引导和功能调试；看门狗复位是为了提高系统的可靠性采取的措施。

3.4.1上电复位和手动复位

复位原理图如图所示，上电复位和手动复位的工作对象是所有的C5410。

但考虑到手动复位键的按下与抬起都会有lO～20ms的抖动毛刺存在，因此，为

获取稳定的按键信息，要避开这段抖动期，设计中采取了去抖动处理，如图中的20ms时钟对上电复位信号

和手动复位信号

相与的信号进行采样。

3.4.2软复位

对系统中的某一片C5410进行复位，如图所示，利用Addr[7—4]译码控制复位对象是哪一片DSP，而利用Addr3的高低电平来控制是否复位，当Addr3为低电平时，所选DSP的进行复位，反之，将其取消复位，因此复位对象和复位时间可通过软件控制。

图7复位原理图

3.4.3看门狗复位

在该系统中，实现看门狗的方案有3种：

利用CPLD、专用定时复位芯片以及C5410的内置定时器。

比较而言，在多DSP系统中，前2种方案使得系统的硬件成本急剧上升，因此建议采用C5410的内置定时器来实现看门狗。

C5410内置了1个16bit的定时器，利用其内部的定时器，使C5410在一定的时间段丁内，对C5410的工作状态进行监视，如出现程序“跑飞”现象，则采取中断处理重新复位。

C5410内置的定时器是一个减法计数器，在定时中断允许和定时中断的服务程序中含有

复位程序片段的情况下，当它减到0时，完成复位工作。

如希望在正常情况下，计数器不要计数到0，同时正常的处理程序应继续工作；而在“跑飞”的情况下，使计数器计数到0，中断复位程序开始工作，重新初始化整个C5410芯片的设置，且程序从开始处运行。

根据以上分析，设计的流程如图所示。

图8看门狗软件流程图

在如上的基础上，同时要具备以下2个条件：

定时器的初始化和开中断的程序段必须在程序运行的时间段T内运行一次；在正常工作时，中断服务程序中优先权比定时中断高的中断服务程序不能工作。

4.总结

简明扼要地对多个DSP和CPLD相结合构成的通信硬件平台进行了讨论，同时就诸如复位和接口等问题给出了具体的实现方案。

它是目前大容量处理系统中常见的构架，这种构架所构成的系统具有控制简单、成本低廉、易于实现的特点。

虽然文中的DSP器件以C5410为例，但对由TI公司C54系列的其它器件构成

的多DSP系统的接口和复位设计都有参考价值。

参考文献：

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2.李建霓.浅谈DSP在通信系统中的应用.科技资讯.2007

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