基于dsp的音頻信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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基于DSP的音頻信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本設(shè)計(jì)是一個(gè)基于TMS320VC5402的音頻信號(hào)采集系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)方案和硬件設(shè)計(jì)，利用TMS320VC5402芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的采集和輸出。本系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)部分：電平轉(zhuǎn)換電路、AD轉(zhuǎn)換電路、靜態(tài)存儲(chǔ)與動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、USB接口以及JTAG部分。最后通過(guò)對(duì)DSP系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)式，證明所設(shè)計(jì)的基于DSP的硬件系統(tǒng)是一個(gè)很好的音頻信號(hào)采集系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：DSPTMS320VC5402音頻信號(hào)采集與處理1、確定硬件實(shí)現(xiàn)方案系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)部分：電平轉(zhuǎn)換電路、AD轉(zhuǎn)換電路、靜態(tài)存儲(chǔ)與動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、USB接口以及JTAG部分。系統(tǒng)通過(guò)采集聲音信號(hào)來(lái)檢測(cè)器械的裂紋、密合度等。將DSP高速處理數(shù)字信號(hào)的能力與USB高速傳輸數(shù)據(jù)的能力結(jié)合起來(lái)，使其服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)，是該系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目的。硬件設(shè)計(jì)思想人類可以聽(tīng)到的聲音信號(hào)是范圍在20-20kHz的模擬信號(hào)，所以首先需要傳感器接收該聲音信號(hào)，接著需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使聲音信號(hào)由模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。之后通過(guò)分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，利用被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)和相干性，檢測(cè)被覆蓋的聲音信號(hào)。在檢測(cè)方法上有頻域信號(hào)的相干檢測(cè)、時(shí)域信號(hào)的積累平均、離散信號(hào)的計(jì)數(shù)技術(shù)、并行檢測(cè)等方法。圖1硬件系統(tǒng)框圖Figure1blockdiagramofhardwaresystem2、器件的選擇2.1芯片的選擇本系統(tǒng)中DSP采用的是TI公司的TMS320VC5402（以下簡(jiǎn)稱5402），其操作速率達(dá)100MIPS，由于其具有改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，所以它可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成32x32bit的乘法，亦可以迅速完成數(shù)學(xué)運(yùn)算最常用的乘加運(yùn)算。它有4條地址總線、3條16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和1條程序存儲(chǔ)器總線，40位算術(shù)邏輯單元(AIU)，一個(gè)17×17乘法器和一個(gè)40位專用加法器。8個(gè)輔助寄存器及一個(gè)軟件棧，允許使用最先進(jìn)的定點(diǎn)DSP的C語(yǔ)言編譯器，內(nèi)置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)(PLL)時(shí)鐘產(chǎn)生器、兩個(gè)多通道緩沖串行口、一個(gè)8位并行與外部處理器通信的HPI口、2個(gè)16位定時(shí)器以及6通道DMA控制器，特別適合電池供電設(shè)備．2.2ADC的選擇本設(shè)計(jì)中選用的AD轉(zhuǎn)換芯片是TI公司的TLC320AD50C。該芯片的采樣采用ΣΔ技術(shù)，即將一個(gè)抽樣濾波器放置于ADC后，將一個(gè)差值濾波器放置在 DAC前。這種結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)就是使系統(tǒng)可同時(shí)進(jìn)行接收、發(fā)送任務(wù)。TLC320AD50C可實(shí)現(xiàn)高采樣率（最高可達(dá)22.5kb/s）的AD/DA轉(zhuǎn)換，該功能由2個(gè)16位的同步串行轉(zhuǎn)換通道實(shí)現(xiàn)，可直接和DSP連接進(jìn)行通信。2.3存儲(chǔ)器的選擇由于5402片內(nèi)的ROM和DRAM資源有限，所以該系統(tǒng)需要外部存儲(chǔ)設(shè)備，本設(shè)計(jì)選擇一片SRAM作為靜態(tài)存儲(chǔ)器，一片F(xiàn)LASH作為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備。其中SRAM使用的是GS1117：64K×16的1MB異步靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。GS71116是一個(gè)由高速的互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管（CMOS）組成的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，不需要外部時(shí)鐘或時(shí)間頻閃觀測(cè)器。3.3V的操作電壓，所有的輸入輸出均兼容晶體管邏輯電路（TTL）。它的快速通道時(shí)間小于15ns，操作電流小于100mA。2.4通信器件的選擇該設(shè)計(jì)利用USB接口芯片直接與DSP相連，通過(guò)DSP的程序?qū)崿F(xiàn)USB的協(xié)議，最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以保障數(shù)據(jù)交換的速度。利用USB通訊的主要優(yōu)點(diǎn)，便是傳輸速度快，支持熱插拔，占用資源少，可擴(kuò)展性強(qiáng)。3、電源5402的CPU電壓為3.3伏，外設(shè)電壓為1.8伏，所以該系統(tǒng)還需要一個(gè)供電的電源模塊，可以將一般的輸入電壓5伏轉(zhuǎn)化為3.3與1.8伏的電壓為DSP供電，該5V電壓還可為除DSP以外的其他設(shè)備供電。4、原理圖設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，幾個(gè)基本環(huán)節(jié)就是：電平轉(zhuǎn)換電路：將5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V與1.8V，分別為DSP芯片的片上外設(shè)以及CPU供電；AD信號(hào)轉(zhuǎn)換電路：將傳感器接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供DSP進(jìn)行處理；信號(hào)的存儲(chǔ)電路：儲(chǔ)存DSP處理的信號(hào)；信號(hào)傳輸電路：將經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)上傳至電腦；仿真電路：用于測(cè)試DSP芯片。4.1電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路，顧名思義，就是將電源供電的電壓轉(zhuǎn)換為適合芯片工作的電壓。由于5402的核電壓與片上外設(shè)電壓不同，而且整個(gè)電路需要的電壓并不能由電源直接提供，所以電平轉(zhuǎn)換電路可以說(shuō)是整個(gè)電路工作的動(dòng)力，為各個(gè)元器件提供適合其工作的條件。在該電路中，電源芯片使用的是TI公司的TPS767D301(以下簡(jiǎn)稱D301)。D301是一款可以使不同電壓分別輸出的芯片，可輸出3.3V和介于1.5-5.5V之間的某一調(diào)整后的電壓。因?yàn)?402的外設(shè)電壓是3.3V，核電壓為1.8V，所以在此設(shè)計(jì)中，將該芯片的輸出設(shè)定為3.3V和1.8V，與5402匹配。連接圖如圖2所示。在1OUT的輸出部分Vo=Vref×（1+R1/R2），在D301中，Vredf=1.1834V，所以Vo=1.1834V×（1+15.8/30.1）=1.8V。4.2AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中選用的AD轉(zhuǎn)換芯片是TI公司的TLC320AD50C。TLC320AD50C中的可選項(xiàng)和電路配置可以通過(guò)串行口進(jìn)行編程，該芯片對(duì)掉電、復(fù)位、信號(hào)采樣率、串行時(shí)鐘率、增益控制、通信協(xié)議、測(cè)試模式等可通過(guò)串行口進(jìn)行編程和電路配置。具體連接如圖3： 圖2電平轉(zhuǎn)換電路Figure2thelevelconvertingcircuit圖3AD轉(zhuǎn)換電路Figure3theADconversioncircuit片外復(fù)位電路提供上電復(fù)位，晶振電路可提供10MHz的主時(shí)鐘頻率，數(shù)據(jù)采樣頻率和其他時(shí)鐘信號(hào)均由此頻率分配。5402與AD50C之間的通信格式為主串行通信格式：接收和發(fā)送轉(zhuǎn)換信號(hào)。4.3USB接口設(shè)計(jì)PDIUSBD12是一款帶并行總線的USB接口器件，它符合通用串行總線USB1.1版規(guī)范，集成了SIE、FIFO、存儲(chǔ)器收發(fā)器以及電壓調(diào)整器等，可與任何外部微控制器或微處理器實(shí)現(xiàn)高速并行接口2M字節(jié)/秒，且在批量模式和同步模式下均可實(shí)現(xiàn)1M字節(jié)/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率，可通過(guò)軟件控制與USB的連接，采用GoodLink技術(shù)的連接指示器,在通訊時(shí)使LED閃爍，具有可編程的時(shí)鐘頻率輸出，內(nèi)部上電復(fù)位和低電壓復(fù)位電路，為雙電源操作，在3.3±0.3V或擴(kuò)展的5V電源下均可使用，可實(shí)現(xiàn)多中斷模式的批量和同步傳輸。連接圖如圖4： 圖4USB接口Figure4USBinterface5DSP設(shè)計(jì)5.1復(fù)位電路采用MAX706R芯片組成的自動(dòng)復(fù)位電路，既能實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，又能檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行。電路如下圖：圖5自動(dòng)復(fù)位電路Figure5Automaticresetcircuit5.2時(shí)鐘電路采用外部時(shí)鐘源，設(shè)置CLKMD1=1，CLKMD2=0，CLKMD3=1。芯片上電后，使CLKMD寄存器的復(fù)位值為F000H，DSP芯片的時(shí)鐘為外部晶振頻率的1/4。5.3串行接口TMS320VC5402提供了2個(gè)高速、雙向、多通道帶緩沖功能的串行口McBSP。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)串行口方式。5.4外部存儲(chǔ)器5402與SST39VF400的接口電路設(shè)計(jì)如圖1所示。該電路主要通過(guò) DSP的相關(guān)輸出管腳來(lái)控制FLASH的擦除和讀寫。其中，A0～A19為地址線，DQ0～DQ15為數(shù)據(jù)線，OE和WE分別為輸出使能和寫使能，CE1為片使能。6結(jié)論在數(shù)字化時(shí)代背景下，DSP已成為各種電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件，而其在電機(jī)控制、聲音識(shí)別與圖像識(shí)別領(lǐng)域中的應(yīng)用則是更為廣泛。通過(guò)這個(gè)聲音采集系統(tǒng)，我們可以把無(wú)形的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為圖形進(jìn)行處理，可以觀察它的波形特點(diǎn)進(jìn)行研究、工業(yè)生產(chǎn)等等。而在設(shè)計(jì)其他的DSP應(yīng)用系統(tǒng)接口電路時(shí)，要根據(jù)具體情況綜合考慮性能指標(biāo)、器件選取、外圍電路設(shè)計(jì)等方面，仔細(xì)選取器件，精心合理布局，才能達(dá)到理想的設(shè)計(jì)效果。參考文獻(xiàn)（1）鄒彥等，DSP原理及應(yīng)用，電子工業(yè)出版社，2011年5月，279-330（2）李利，DSP原理及應(yīng)用技術(shù)，中國(guó)水利水電出版社，2004年，200-210（3）汪安民，TMS320C54xxDSP實(shí)用技術(shù)，清華大學(xué)出版社，2002年7月，156-175