通信工程毕业设计（论文）-基于DSP与USB的语音采集处理系统的设计与实现.doc

基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 基于基于 dspdsp 与与 usbusb 的语音采集处理系统的的语音采集处理系统的 设计与实现设计与实现 the design and realization of a phonetic data acquisition system based on dsp and usb 院（系）： 计算机与信息工程学院 专 业： 通信工程 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2012 年 4 月 南阳理工学院 nanyang institute of technology 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 通信工程 摘摘 要要随着计算机技术的发展，数字信号处理技术己经成为高速实时处理的 一项关键技术，广泛应用于图形图像处理、语音识别、智能检测、工业控制等各个领 域。数据采集系统可以通过 a/d 转换把模拟信号转换成数字信号，并可以方便地实现 数字信号存储、处理及再现，是数字信号处理的重要组成部分，得到了越来越广泛的 应用。 本毕业设计以应用于工业测试系统的在线状态检测数据采集系统的设计为研究对 象，讨论了基于 dsp 数字信号处理器和 usb 通用串行总线接口数据采集系统的软硬件 设计的主要步骤和方法，分析了数据采集应用对象的特征，阐述了系统硬件电路的搭 建，介绍了 dsp 的线性预测编码算法在语音信号处理中的作用。特别地，在传统数据 采集研究成果的基础上，完成了基于 usb 和 dsp 技术的数据采集所涉及的有关总体方 案、硬件电路、软件程序、性能测试等方面的工作。 关键词关键词数据采集；通用串行总线；dsp；预测编码 the design and realization of a phonetic data acquisition based on dsp and usb communication engineering major ding xiao-li abstract: along with the development of computer technology, digital signal processing technology has been a kernel technology in high-speed real-time processing. it is widely used in many fields such as graph and image processing, voice identification, intelligent checking, industry control,etc. the data acquisition system is an important part of dsp. in this system, analog signals are transformed to digital signals by analog- digital converters(adc), and then be stored, transacted and recuperated easily. taking the design of the industry on-line state detection data acquisition system as example, the graduation dissertation discusses the main processes and measures on the software and hardware design based on dsp and usb. the feature of data acquisition object is analyzed in 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 the graduation dissertation. the design of system hardware circuit is expatiated in detail. linear predictive coding in phonetic signal processing on dsp is introduced as well. specially , based on the research achievements of traditional data acquisition system, the paper accomplishes the data acquisition system involved total project，hardware circuit, software program, performance testetc based on dsp and usb. key words： data acquisition; universal serial bus; dsp; linear predictive coding 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 目目 录录 1 绪论 1 1.1 选题依据及研究意义.2 1.2 dsp 发展状况 .3 1.3 usb 的发展状况 .5 1.4 本文的主要研究工作.5 1.4.1 研究工作.5 1.4.2 主要研究内容.6 1.5 论文的组织结构 6 2 软硬件开发平台及器件介绍 7 2.1 软件开发环境 7 2.1.1 ccs 集成开发环境 .7 2.1.2 系统仿真.9 2.2 硬件开发环境 .10 2.2.1 数据采集 a/d 转换器10 2.2.2 dsp 较其它处理器的优势 10 2.2.3 tms320c6713 芯片介绍 11 2.3 usb 芯片介绍 13 2.3.1 主流芯片的分类13 2.3.2 pd1usbd12 芯片功能 13 3 系统的实现方案与硬件电路设计 .15 3.1 高速采集传输系统分析 .15 3.2 dsp 的外围结构框图 16 3.3 片外存储器接口的接口信号 .18 3.4 emif 与 sdram 的接口逻辑 .19 3.5 电源系统设计 .20 4 dsp 的音频采集与处理22 4.1 语音信号的线性预测分析22 4.1.1 语音线性编码的原理22 4.1.2 dsp 程序的实现 25 4.2 本系统采用的 ccs 环境和 ietce 开发板 .27 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 4.3 软件程序设计和运行结果 .28 5 工作总结 .30 参考文献 .31 致谢 .32 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 1 1 绪论 语音数据采集系统主要完成语音信号的采集、a/d/a 转换，然后通过 pc 接口总线 将处理后的数据送入计算机作进一步处理。目前以这一部件为核心的设备在国内外得 到广泛的应用，如机场、商场等人流量大或比较重要的场所安装的监控设备；工业控 制中现场数据的采集系统；家庭影院、视频会议、可视电话等多媒体设备。但是，这 些数据采集系统普遍采用的是 pc 上的 rs-485 总线、isa 总线、pci 总线、firewire 等。 rs-485 总线和 isa 总线的传输速度慢，不能满足音视频高速实时传输的要求；采 用 pci 接口设计的数据采集卡虽然数据传输率很高，但是还存在整个系统笨重、安装 麻烦、价格昂贵，受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差，缺乏灵活 性，不能实现即插即用，不适合小型、便携设备采用。在一些电磁干扰性强的测试现 场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真，因此工程师们往往需要花费大 量的时间和资源用于系统搭建。firewire（即 ieee1394）是由苹果公司于 80 年代中期 开始开发的一种允许连接多种高性能设备的高性能总线互连，它的传输速率可高达 3.2gbps，主要使用在高速的影像或者连接设备没有 pc 主机的场合，它比 usb 有弹性， 不过目前 pc 外围普遍没有 1394 接口，还得添加 1394-pci 转接卡才能使用 1394 接口 设备，相对外围电路较复杂且昂贵，对 1394 应用的比较少。 通用串行总线（usb）是应用在 pc 领域中的新型接口技术，自从 windons98 操作 系统全面对 usb 接口支持后，usb 逐渐进入实用阶段。利用 usb 可以实现较传统方式更 有效、更经济、更多扩展的 pc 外设与 pc 相连。通用串行总线（usb）作为一种新兴的 计算机外设总线标准，从标准的出现到大规模的应用，仅用了短短几年的时间，这一 切都得益于它易用、真正的热插拔、高性能和系统造价低廉等优点。 随着数字信号处理理论的发展，数字信号处理器 dsp（digital signal processors）得到了长足的发展，同时也使数字信号处理理论得以实现。dsp 的突出特 色包括哈佛（harvard）结构、流水线操作、独立硬件乘法器、零开销循环等。dsp 具 有快速的运算速度和强大的数据处理能力，特别适合于数字信号处理场合，它能满足 数据采集系统中对数据处理速度的要求。dsp 芯片性能价格比和开发手段不断提高，使 得 dsp 芯片已经在通信与信息系统、信号与信息处理、自动控制、雷达、军事、航空 航天、医疗、家用电器等许多领域得到广泛的应用。 本论文通过对传统语音采集系统弊端的分析，将深入研究基于 usb2.0 和 dsp 的技 术，研究实现一种易于和计算机相连且高速实时的语音采集系统。由于该系统采用 dsp 芯片，克服了以前采用单片机作处理器而使系统速度慢及数学运算能力差等缺点。用 usb 作通信总线，其优点是可实现热插拔、扩展方便，特别适合便携式计算机，系统既 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 2 满足实时性，又满足易扩展性，有一定的实用价值。 1.1 选题依据及研究意义 数据采集是控制系统中至关重要的一个环节，在工业生产和科研中常常需要对各 种数据进行采集，如温度、压力、液位、流量等。与采样系统不同，数据采集系统不 仅仅包括信号的取样而且还包括信号的传输和处理过程，而采样系统仅仅指信号的获 取。采样包含于采集之中，要进行采集必须先进行采样，因此，采样而来的数据要能 真实反映原始信号的信息。由香农定理可知：采样信号的频率必须大于或者等于最高 信号频率的两倍。 目前，国内外数据采集系统多采用实时存盘卡形式的嵌入式系统板卡来实现。一 般的数据采集处理系统的组成框图如图 1 所示。它们的共同特点是板卡上集成 ide 总 线或是 scsi 总线，存盘数据直接写入板接硬盘，上位 pc 机对数据进行分析和处理时， 必须把板接硬盘里的数据转存上位机硬盘。控制器一般采用单片机，单片机的字长也 由 4 位、8 位、16 位向着 32 位发展，对于大多数的场合来说己经能够满足要求了，同 样，单片机也有价格低廉、结构简单、接口扩展方便等优点。但是最大的缺点在于运 算速度慢、数学运算能力差。在一些要求信号处理的数学运算比较复杂的领域，如视 频、语音通信或是复杂控制领域，单片机往往力不从心，这需要更高级的 cpu 来支持。 采采集集模模块块ide或或scsi接接口口板板接接硬硬盘盘 pci接接口口 上上机机位位系系统统 图 1 传统数据采集实时存盘系统原理框图 另一方面，板卡式的数据采集卡，多通过系统总线也就是 1/0 通道总线、微型计 算机总线或者是板级总线和上位机插槽上的各个扩充板卡相连，常用的有 pci、sia、eisa 等。对于用户来说，要打开机箱，加入硬件并且进行配置，这需要一 定的技术支持。况且，接口卡的配置必须停机，驱动程序的安装、调试甚至正常运行 也需要人工干预，板卡与系统之间的中断冲突、兼容性等问题也是需要考虑的。基于 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 3 此，有必要选择更加方便的通道进行数据传递。本文采用 usb 进行数据传递，实现了 高速数据传输。 由上可知，由于一般的数据采集系统存在以上诸多问题，因此采用 dsp 作为控制 器，而采用 usb 和上位机相连接将是以后数据采集处理系统的发展方向。 而在语音处理技术发展史上，语音编码的研究始于 1939 年 dudlye 的创造性发明 声码器。从那时开始直至 20 世纪 70 年代中期，除 pcm（脉冲编码调制）和 adpcm（自适应差分脉冲编码调制）已取得较大进展之外，中低比特率语音编码一直没 有实质性的突破。到了 1980 年美国政府公布了一种 2.4kb/s 的线性预测编码标准算法 lpc-10 以后，整个语音编码技术领域发生了一次质的飞跃，人们梦寐以求的在普通电 话带宽信道中传输数字电话的愿望终于变成现实。 虽然数字电话具有保密性高、容易克服噪声累计现象，便于进行程控交换等优点， 但是 64kb/s 的 pcm、32kb/s 的 adpcm 要占用几十千赫信道带宽，都不便于在普通话路 中传输，因此语音压缩编码技术一直是一个令人关注的课题。除 pcm，adpcm，am（增 量调制） ，lpc（线性预测编码） ，me-lpc（多脉冲激励线性预测编码）等声码器之外， 美国在 1988 年又公布了一个 4.8kb/s 的 celp（码激励线性预测编码）语音编码标准算 法，欧洲也推出了一个 16kb/s 的 relp（规则脉冲激励）线性预测编码算法，其语音质 量都能达到高音质。近几年又出现了更好的编码算法多带激励声码器（mbu） ，它可 以在 2.4kb/s 的速率下提供较高质量的语音。这些算法都可用数字信号处理器实时实 现，目前正努力进一步减小时延，使之在移动通信中得到广泛应用。语音编码产品化 的过程比语音识别来的容易，因此其研究成果能很快转向实际应用，对通信领域的发 展起到了重要的推动作用。 嵌入式语音处理技术得到了广泛应用的是语音编码技术。根据语音识别性能及算 法的不同，语音级别专用芯片大致有以下几种类型： 1.由单片机组成的语音专用 ic。它以 8 位机或 16 位机为计算核心，外加 ad/转换、 d/a 转换及存储器。由于单片机的运算能力有限，因为其编码和识别算法不可能复杂， 精度也低，典型的芯片是 1996 年美国 sensory 公司生产的 rsc-146。 2.由数字信号处理器 dps 组成的语音处理系统。它一般由定点 16 位 dsp 外加 a/d 转换和 d/a 转换，以及 rom，ram，flash 等存储器组成。由于 dsp 包含用做数字信号 处理运算的专用部件，因而运算能力强，精度高，适于组成较高性能的语音系统。最 常用的 dsp 芯片有 ti 公司的 tms320c6713 系列，ad 公司的 adsp218x 系列以及 dspg 公 司开发的 oak 系列。用 dsp 组成的语音系统可以实现高质量、高压缩率语音编解码功 能，同时可以产生高品质的语音合成和语音回放功能，这是当前语音级专用芯片的主 流组成。本设计即是采用 ti 公司的 tms320c6713 芯片作为编解码处理器。 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 4 1.2 dsp 发展状况 dsp 芯片，即数字信号处理芯片，也称为数字信号处理器，是一种特别适合于进行 数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。 与通用微处理器相比，dsp 芯片的其他通用功能相对较弱一些。但是，近年来新推出的 dsp 芯片已经将通用微处理器的一些功能集成在芯片中，dsp 芯片已经可以实现普通微 处理的功能。一个典型的 dsp 系统如图 2 所示。 抗抗混混叠叠 滤滤波波 输输入入 a/d dsp 芯芯片片 d/a平平滑滑滤滤波波 输输出出 图 2 典型的 dsp 系统 1965 年快速傅立叶变换 fft 算法的提出被公认为数字信号处理 dsp 这一学科的开 端。世界上第一片单片 dsp 芯片是 1978 年 ami 公司宣布的 s2811。在近四十年的发展 过程中，数字信号处理自身已基本形成一套较为完善的理论体系。这些理论包括： 1.信号的采集（a/d 技术、抽样定理、量化噪声分析等） ； 2.离散信号的分析（时域及频域分析、各种变换技术、信号特征的描述等） ； 3.离散系统分析（系统的描述、系统的单位抽样响应、转移函数及频率特性等） ； 4.信号处理中的快速算法（快速傅立叶变换、快速卷积与相关等） ； 5.信号的估值（各种估值理论、相关函数与功率谱估计） ； 6.滤波技术（各种数字滤波器的设计与实现） ； 7.信号的建模； 8.信号处理中的特殊算法（如抽取、反卷积、信号重建等） ； 9.信号处理技术的实现（软件实现和硬件实现）与应用； 数字信号处理器是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理 器，其处理速度比最快的 cpu 还快 1050 倍。其结构特征如下： 1.普遍采用了数据总线和程序总线分离的改进的哈佛结构，比传统处理器的冯.诺 依曼结构有更高的指令执行速度； 2.dsp 大多采用了流水线技术。计算机在执行一条指令时，总要经过取指令、译码、 访问数据、执行等几个步骤，需要若干个指令周期完成。流水线技术是将各指令的执 行时间重叠起来。综合起来看，使得每条指令的最终执行时间是在单个指令周期内完 成的； 3.片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅助寄存器 用于寻址，它们可以在寻址访问前或后自动修改内容，以指向下一个要访问的地址； 4.针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘累加运算的特点，dsp 硬件的乘累加结 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 5 构使得它可以在一个指令周期完成一次乘法和一次加法运算； 5.多数 dsp 带有 dma 通道控制器和同步串行接口，配合片内多总线结构，可以大 大提高数据块传输速度； 6.具有中断处理器和定时控制器，可以方便地构成一个单芯片系统； 7.具有软、硬件等待功能，能与各种高低速存储器接口。 继 1978 年 am 公司发布的 52811 之后，1979 年美国 intel 公司发布的商用可编程 器件 2920 是 dsp 芯片的一个重要里程碑。这两种芯片内部都没有现代 dsp 芯片所必须 有的单周期乘法器。1980 年，日本 nec 公司推出的林 pd7720 是第一个具有乘法器的商 用 dsp 芯片。 1.3 usb 的发展状况 usb 是一个新接口，新接口并不会常常出现，因为人们已经习惯于旧有的接口，对 于新接口往往不会立即全盘接受。如果新接口是建立在旧接口的基础上，则不仅可以 节省开发的时间及成本，而且用户也比较能够接受。 由于 pc 机在进行重新配置时缺乏足够的灵活性，已经严重影响了 pc 机的进一步 发展与普及随着友好用户界面核心的硬件软件机制的结合一直到相应的诸如 pci、pnp isa 和 pcmcia 等新一代体系结构的提出，计算机看起来已经不如当初那么直观了。而 且从用户的角度来看，pc 机上的 i/o 接口如串行/并行接口，键盘/鼠标/游戏杆并不具 有即插即用的功能，而在同时人们对计算机的要求也越来越多，所以各种用来扩充计 算机功能的外设也就不断出现，与之相应，后面的端口越来越紧张，这正是缺乏一种 双向的、廉价的支持中速的外设总线。 为了解决以上这些问题，相应的通用串行总线的概念（usb）也就产生了。1994 年 microsoft、compaq、digital、ibm、nec、north-telecom、intel 这些世界上著名 的计算机公司和通信公司成立了 usb 论坛，并于 1994 年 11 月 11 日推出了 usbo.7 规 范，于 1995 年 4 月 13 日推出了 usbo.9 规范，1995 年 8 月 25 日推出了 usbo.99 规范， 于 1996 年 11 月 3 日推出了 usb1.o 规范，于 1998 年 8 月 23 日推出了 usb1.1 规范。 1997 年开始有真正符合 usb 技术标准的外设出现。usb1.1 是目前推出的支持 usb 的计 算机外设上普遍采用的标准。在 1999 年 2 月 23 日的英特尔开发者论坛大会上，介绍 了 usbz.o 规范。在微软公司与英特尔公司推出的 pc，99 的硬件体系规范和 pc，99 的 软件规范都包含对 usb 的支持。苹果公司的 mac05 及微软公司公司的 windows 98、windows 2000、windows xp 中全面支持 usb。 由于 usb 在接口方面的使用极其方便，可以连结多个不同的设备，一个接口理论 上可以连接 127 个设备，而过去的串口和并口只能接一个设备。速度快也是 usb 技术 的突出特点之一，usb 接口的最高传输率可以达到 12mb/s（2.0 协议的可以达到 480mb/s） ，比一般的串口快 100 倍以上，这使得高分辨率、真彩色的大容量图像和声 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 6 音的实时传送成为可能，所有这些突出的优点使得 usb 技术广泛的应用、发展和普及。 1.4 本文的主要研究工作 1.4.1 研究工作 本文的主要工作如下： 1.大量阅读国内外有关数据采集系统的文献，并进行分析、整理和消化，提出采 用 dsp 作为数据处理 mcu，设计基于 tms32oc6713 的语音采集和回放电路及编程实现预 测线性压缩编码算法。 2.使用 ccs 集成开发环境。 3.熟悉了软件设计和开发的一般方法、步骤，使开发的软件具有较好的可靠性、 可维护性、可读性。 1.4.2 主要研究内容 与国内外相关课题的研究现状相比，本课题研究有以下几点特色和创新： 1.引入数据压缩算法（线性预测编码 lpc） ，减少高采样率下采集系统数据传输量。 2.提出了运用 usb 串行接口实现高速数据传输，较传统的 sia、pci 并口而言，提 高了数据传输率。 3.应用 dsp 代替单片机进行数据处理，加快了数据处理速度。 1.5 论文的组织结构 本套数据采集卡的适用对象是语音放大器输出的模拟电压信号，研究目标是实现 对模拟信号的模数采样，并把转换后数据存储到计算机上，以及将存储后的数据经过 数模变化输出模拟信号。 本文主要研究了基于 dsp 与 usb 的语音采集处理的常用算法的基本理论和关键技 术。对于 dsp 的数据处理主要介绍了线性预测编码压缩算法。各章节的安排如下： 第一部分 重点介绍论文的选题背景、目的和意义、国内外的发展现状、趋势，以 及本文的主要研究内容等。 第二部分 介绍硬件开发系统。重点介绍本文中语音采集处理所应用的硬件平台 dsp 及 tms320c6713 处理器以及 icetek-6713-a 评估板功能，软件开发环境 ccs 3.3 和 系统仿真及 usb 芯片选择。 第三部分 重点介绍本系统中所采用的软件系统和硬件系统的设计。 第四部分 介绍了 dsp 的音频采集与处理数据采集处理的相关技术，如线性预测编 码的预测分析。 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 7 第五部分 总结全文，并对未来工作进行展望。 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 8 2 软硬件开发平台及器件介绍 大部分基于 dsp 的应用程序的开发包括四个基本阶段：应用设计、代码创建、调 试、分析与调整。而这些都依托于软件和硬件开发平台。本文是在 icetek-6713-a 评 估板和 ccs 3.3 的软件仿真环境下所进行的设计。 2.1 软件开发环境 可编程 dsp 芯片的开发工具分为代码调试工具和代码生成工具两大类，代码生成 工具的作用是将用 c 语言、代数语言、汇编语言或者两者的混合语言编写的 dsp 程序 编译、汇编并链接成可执行的 dsp 程序，代码生成工具主要包括：c 编译器、汇编器和 链接器等。还有一些辅助工具程序，如文件格式转换程序、库生成和文档管理程序等； 代码调试工具的作用是对 dsp 程序及系统进行调试，使之能达到设计的目的，tms320 系列 dsp 芯片的系统集成和调试工具有：c/汇编语言原码调试器、初学者工具 dsk、软 件模拟器、评价模块 evm 软件开发系统 swds 和仿真器等。 2.1.1 ccs集成开发环境 ccs 集成开发环境支持编辑、编译、汇编、链接和调试 dsp 程序的整个开发过程， 它还允许编辑 c 代码和汇编源代码，还可以在 c 代码之后显示与之对应的汇编指令。 只需要在菜单 view 中选择 mix source/asm 选项，即可看到 c 之后跟着的汇编语句。 与以往的 dsp 开发软件不同的是，ccs 使用工程（project）来管理应用程序的设计文 档，这与以往的 microsoft visual studio 有很大的相似处。工程中包含有源代码、 目标文件、库文件、连接命令文件和头文件。在以往的开发工具中，编译、汇编和链 接是各自独立的执行程序，开发设计人员需要熟悉每个程序的相关参数，且需要在 dos 窗口下键入这些繁琐的命令，而在 ccs 集成开发环境下只需要修改这些参数即可。而 且，ccs 能自动查找工程所需要的头文件，并将它加入工程中。ccs 工作界面如图 3。 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 9 图 3 ccs 工作界面 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。软件仿真器方式可 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。硬件在线编程模式可以实时运行在 dsp 芯片上，与硬件开发板相结合在线编程 和调试应用程序。 1.ccs 的调试工具有下列特性： 设置一个或者多个断点，在断点处自动更新窗口； 使用 watch 窗口查看变量； 查看和编辑存储器、寄存器； 使用 probe point 工具在主机与目标系统间传输数据流； 可对目标系统中的信号绘图显示； 使用 profile point 查看执行统计信息； 观察目标系统中执行的反汇编和 c 指令； ccs 还提供 gel 语言，允许开发者向 ccs 菜单中增加功能。 2. dsp/bios 插件 在软件开发的分析阶段，传统的调试手段对诊断实时系统中的错综复杂问题无能 为力。ccs 提供支持实时分析的 dsp/bios 插件。可以用它来实时跟踪和监视一个 dsp 应用程序，同时对实时性能的影响达到最小。 dsp/bios api 提供以下实时分析特性。 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 10 程序跟踪：显示写入目标日志的事件，并在程序执行过程中反映动态控制流程； 性能监测：跟踪统计目标板资源的使用情况，如处理器负载和线程时序等； 文件流：将目标板上的 i/o 对象与主机上的文件联系在一起。 dsp/bios 同时提供基于优先级的调度方案，支持函数的周期性执行和多优先级线 程。 3硬件仿真和实时数据交换 ti dsp 芯片提供片上仿真支持，使 ccs 能控制程序的运行并实时监视程序的活动。 主机与目标 dsp 通信是通过 jtag 接口来完成的，这种连接方式对 dsp 目标系统的实时 性能没有太大的影响。仿真器提供与主机通信的 jtag 口。片上仿真硬件提供以下功能： 运行、停止、或复位 dsp 芯片。 将代码和数据加载到 dsp 芯片中。 检查硬件指令或数据相关的断点。 各种计算功能，包括精确到指令周期的剖析（profile）功能。 提供主机和目标系统间的实时数据交换。 ccs 支持这些片上的仿真功能，而且 ccs 的 rtdx 功能使主机和 dsp 之间能双向实 时通信，rtdx 提供一个连续的、实时的可视环境，使开发者能看到 dsp 应用程序工作 的真实过程，rtdx 允许系统开发工作者在不停止运行目标应用程序的基础上，在计算 机和 dsp 芯片之间传输数据，同时还可在主机上利用对象链接嵌入（ole）技术分析和 观察数据，这样可以提供给开发者一个真实的系统工作过程，从而缩短开发时间。 2.1.2 系统仿真 当系统的硬件结构和图像处理算法基本确定后，接下来的主要任务是在 ccs 集成开 发环境下，选择好编程语言编写源程序。对于 tms320c6713，c 代码的效率是人工编写 汇编代码的 70%80%。且由于是实时性要求不是特别强的应用，采用 c 语言编程就完 全可以满足需要。 dsp 程序编写完成好，需要对程序进行调试和仿真。主要有两种模式：软件仿真和 硬件仿真。 软件仿真就是靠主机上的软件模拟器（simulator）完成程序的执行，无需目标板 （dsp 处理平台）就可以开始软件编程，但仿真速度慢，且无法仿真某些外设的功能。 硬件仿真是利用开发系统将代码直接下载到目标板上，在芯片中直接运行，仿真速度 快，且仿真结果与系统实际一致。 本系统中，目标板（evm 板）通过 icetek-5100usb v2.0 仿真器与主机相连。仿真 程序就是利用 usb 仿真器 icetek-5100usb v2.0（如图 4）将代码下载到 dsp 芯片中， 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 11 在芯片上直接运行。 图 4 icetek-5100usb v2.0 仿真器 2.2 硬件开发环境 数字信号处理 dsp（digital signal processing）简称 dsp，是一门十分重要的 新兴科学。随着计算机和信息科学的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅 速的发展。其中尤以 ti 公司生产的系列 dsp 芯片应用最为广泛。先后推出 tms320c2000、tms320c5000、tms320c6000 系列芯片。 2.2.1 数据采集a/d转换器 模/数转换（analog to digit）的一般转换过程为：采样、保持、量化和编码 采样要遵循采样定理：fsfmax。式中 fs为采样频率，fmax为输入信号的最高频率 分量的频率。常用的模/数转换器 adc（analog-digit converter） ，其工作原理有基于 并行比较型的、逐次逼近型的、积分型的、-脉宽调制型的、电压 v-频率 f 变换型 的等。 2.2.2 dsp较其它处理器的优势 目前的微处理器分为通用处理器、单片机和 dsp 三大类。dsp 与单片机及通用微处 理器相比具有很大的优越性。通用微处理器一般用在 pc 和服务器领域，与单片机相比， dsp 具有较高的集成度并具有更快的运行速度，dsp 器件比 16 位单片机单指令执行时 间快 810 倍，在乘法处理上，dsp 的优势更为明显，完成一次乘累加运算快 1630 倍。 这一性能决定了 dsp 的应用领域主要集中在较复杂的算法处理中，dsp 处理器的主要结 构特点是： 1哈佛结构 传统的微处理器通常采用冯诺曼总线结构：统一的程序和数据空间，共享的程序 和数据总线。由于总线的限制，微处理器执行指令时，取指和存取操作数共享内部总 线，因而程序指令只能串行执行。当面对数据密集型算法时，会造成传输通道上的瓶 颈现象。dsp 处理器采用的是程序与数据总线分离的哈佛总线结构，能同时取指和取操 作数，并行处理指令和数据，大大提高了程序效率。 2流水技术（pipeline） 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 12 在处理器内，计算机执行一条指令分为：取指、译码、取数、执行运算等步骤， 需要若干个指令周期才能完成。流水技术可以使 2 个或更多不同的操作重叠执行。即， 第一条指令取指后，译码时，第二条指令取指；第一条指令取数时，第二条指令译码， 第三条指令取指，一次类推，如图 5 所示。 取指译码取数执行 取指译码取数执行 取指译码取数执行 取指译码取数执行 图 5 流水技术 流水处理技术使得若干条指令的不同执行阶段可以并行执行，是提高 dsp 程序执行 效率的另一主要手段。 3算术单元 硬件乘法器 在数字信号处理的算法中，乘法和累加是基本的大量的运算。往往需要占用 dsp 处 理器的绝大部分处理时间。在通用微处理器内通过微程序实现的乘法操作需要 100 多 个时钟周期，非常费时，因此在 dsp 处理器内专门设置了硬件乘法器来完成乘法操作， 以提高乘法速度，这也是 dsp 区别于通用微处理器的一个重要标志。 多功能单元 为了进一步提高速度，可以在 cpu 内设置多个并行操作的功能单元（alu 乘法器、 地址产生器等），如 ti 的 dm642 系列 dsp 内部有 8 个功能单元，包括 2 个乘法器和 6 个 alu。这 8 个功能单元最多可以在 1 个周期内同时执行条 32 位指令。由于多功能单 元的并行操作使 dsp 在相同的时间内能完成更多的操作，因而提高了程序的执行速度。 4专用寻址单元 要达到很高的数据处理速度必须要有很高速度的数据访问和传输相配合。随着频繁 的数据访问，数据地址的计算时间也线性增长。在通用 cpu 中，数据地址的产生和数 据的处理都有 alu 来完成。在 dsp 处理器中，则设置了专门的数据地址产生器，与 alu 并行工作，从而节省了 cpu 的时间，提高了信号处理速度。 5片内存储器 当面向数据密集型应用时，存储器访问速度对处理器的性能影响很大。现代微处理 器内部一般不设存储程序的 rom 和存储数据的 ram，因为处理器的程序一般都很大，片 内存储器不会给处理器性能带来明显改善。但 dsp 算法的特点是需要大量的简单计算， 相应的程序比较短小，存放在 dsp 片内就可以减少指令传输时间，并有效缓解芯片外 部总线接口的压力。dsp 上述这些特点，使其在各个领域得到了广泛的应用。 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 13 2.2.3 tms320c6713芯片介绍 dsp 处理器比较有代表性的产品是 ti（texas instruments，德州仪器）的 tms320 系列和 motorola 的 dsp56000 系列。本文采用的是 tms320c6713，tms320c6713 dsp 是 美国 ti 于 1997 年推出的 c6000 系列 dsp 芯片的一款，是迄今为止德州公司推出的最 快的浮点处理器，其主频可达 200mhz，这就为需要高精度和快速处理的应用打下了一 个坚实的基础。其次 tms320c6713 芯片是 tms320c6000 系列的首款采用表面贴装的芯 片，封装的修改，将大幅度降低生产、维护和开发中的难度，加快产品的市场化速度。 结构图如图 6 所示： 图 6 tms320c6713 结构图 tms320c6713 基本性能： 支持 vliw 超长指令字，8 个独立的功能单元：2alus（定点）；4alus（定点 或者点）；2 乘法器（定点或浮点）； 支持单精度和双精度指令；8 位防溢出保护；饱和模式； l1/l2 存储器结构： -4k 字节 l1p 程序 cache（直接映射）； -4k 字节 l1d 数据 cache（2 路径）； -256k 字节的 l2 存储器：64k 字节可以做 2 级 cache 使用，192k 可以做内 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 14 部 ram 使用，同时 256k 都做内部 ram 也是可以的； 器件配置方式有 8- 16- 32-的 rom 配置，hpi 配置端模式是大端和小端，一般 场合使用小端模式； qfp 封装的 6713emif 接口 16bit，可以无缝 sdam，eeprom，flash，sdram，sbram. 512m 的地址总线空间； 扩展的直接存储器存取控制器（edma）； 16 位主机（hpi）接口； 2 个多通道音频串行口（mcasps）；2 个 mcbsp 接口； 2 个 i2c 接口（i2c1 跟 mcbsp 接口复用）； 2 个 32 位的定时器； 16 个 gpio（复用）。 2.3 usb 芯片介绍 2.3.1 主流芯片的分类 现在的 usb 生产厂商很多，几乎所有的硬件厂商都有 usb 的产品。usb 控制器一般 有两种类型：一种是 mcu 集成在芯片里面的，如 intel 的 sx93oax，cypress 的 ez- usb，siemens 的 c541u 以及 motolora、national semiconductors 等公司的产品，但 是这种芯片价格相对较为昂贵；另一种就是纯粹的 usb 接口芯片，仅处理 usb 通信， 如 philips 的 pdiusbd11（i2c 接口）、pdiusbd11a，pdiusbd12（并行接口）， national semiconductor 的 usbn9602，usbn9603，usbn9604 等，价格低廉。前一种由 于开发时需要单独的开发系统，因此开发成本较高；而后一种只是一个芯片与 mcu 接 口实现 usb 通信功能，成本较低，而且可靠性高。 pdiusbd12 是 philips 公司推出的一种价格便宜、功能完善的并行接口芯片，性价 比很高。它支持多路复用、非多路复用和 dma 并行传输。pdiusbd12 接口芯片遵从协议 usb1.1 适合于不同用途的传输类型。pdiusbd12 需要外接微控制器（mcu）来进行协议 处理和数据交换，它对 mcu 没有特殊要求，而且接口方便灵活，因此可以选用自己熟 悉的 mcu 对芯片进行控制，也可以利用 philips 公司的固件（firmware）结构来缩短 开发时间、降低风险、减小投资。本课题就是选用 pdiusbd12 作用通讯接口芯片。 2.3.2 pd1usbd12芯片功能 pdiusbd12 是物美价廉而且性能较优的 usb 设备。它一般用在微控制系统中，通过 并行接口和控制器进行高速通讯，也支持本地 dma 传输。具下的重要特点： 1.和 usb1.1 完全兼容 2.片内集成了 sie、fifo、收发器和电压调整电路 3.和外部的微控制器和微处理器的高速并口相接 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 15 4.支持 dma 操作 5.块传输和同步传输下可达 1mbps 的传输速率 6.支持总线供电有很好的抗电磁辐射能力 7.可软件控制 usb 总线的连接和断开 8.有连接指示器 9.有上电复位和低电压复位电路 10.能输出可编程的脉冲 其功能框图如图 7 所示。下面，简单介绍一下各部分功能： 软件连接 d+d- 模拟收发器 tx/rx philips串 行接口引擎 位时钟恢复 pll 存储器管理 单元 片内ram 并行dma 接口 电压调节器 6mhz 图 7 pdiusbd12 芯片的功能框图 1.模拟收发器 集成的收发器接口可通过终端电阻直接与 usb 电缆相连。 2.电压调整器 片内集成了一个 3.3v 的调整器用于模拟收发器的供电，该电压还作为输出连接到 外部 1.5k 的上拉电阻，可选择 d12 提供的带 1.5k 内部上拉电阻的软件连接技术。 3.pll 锁相环 片内集成了 6mhz8mhz 时钟乘法 pll，这样就可使用低成本的 6mhz 晶振，emi 也随 之降低，pll 的工作不需要外部元件。 4.位时钟恢复 使用 4x 过采样规则，从进入的 usb 数据流中恢复时钟，能跟踪 usb 规定范围内的 抖动和频漂。 5.philips 串行接口引擎（psie） psie 实现了全部的 usb 协议层，且完全由硬件实现而不需要固件的参与。 该模块的功能包括：同步模式的识别、并行/串行转换、位填充/解除填充、crc 校 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 16 验/产生、pid 校验/产生、地址识别和握手评估/产生。 6.sotfconnecttm usb 的连接（对高速 usb 设备）可以通过片内集成的 1.5k 上拉电阻来实现，建 立连接命令可以通过外部控制器来发出，重新初始化不要求把设备拔出。 7.goodlinktm goodlinktm指的就是当设备在枚举过程中发光二极管在闪烁，但设备配置完成以后 发光二极管就始终的亮着，但当它再次收到主机的响应信号以后会熄灭，当设备挂起 时它也熄灭，这就能给开发者一个直观的判断。 8.存储器管理单元（mmu）和集成 ram 在以 12mb/s 的速率传输并与微控制器并口相连时，mcu 和集成 ram 作为 usb 之间 速度差异的缓冲区，这就允许微控制器以其自己的速率对 usb 信息包进行读写。 9.并行和 dma 接口 对微控制器而言，d12 看起来就像一个带 8 位数据总线和一个地址位（占用两个位 置）的存储器件。 3 系统的实现方案与硬件电路设计 3.1 高速采集传输系统分析 本文介绍的数据采集传输系统通过 usb 接口接收 pc 机指令，进行数据采集与数据 传输。系统接收指令后，使用tms320c6713芯片内部的模数转换模块（adc）进行数据 的采集及 a/d 转换，转换后的数据预先存储到片外的 ram 中，再经 dsp 进行完整性检 测后，通过 usb 总线传给上位机，并在上位机上进行处理和分析。本系统是一个高速 信号采集传输系统，基本结构图如图 8 所示： 模拟输入信号信号调理模块上位机 扩展ram 61lv-51216 tms320c6713 核心处理器 usb2.0模块 pdiusbd 12 电源模块 图 8 系统的基本结构 系统的基本原理图如图 9 所示。 基于 dsp 与 usb 的语音采集处理系统的设计与实现 17 话筒a/d编程mcbsp dspusb计算机声卡d/a扬声器 emif sdram 图 9 系统的基本原理图 该系统由输入信号调理模块、数字信号处理模块、扩展存储模块和 usb 模块组成。 其中输入信号调理模块主要是对被采集的模拟信号进行调理（如电平变换和滤波） ，以 满足数字电路对信号的要求；数字信号处理模块是对输入的信号采集和部分处理，主 要由 dsp 和一些必要的外设组成，dsp 主要负责系统的逻辑、时序控制、数据采集及一 些实时处理；扩展存储模块暂时存储采集的数据，经完整性检测等操作后传递到 usb 模块：usb 模块负责传递控制命令和将 dsp 采集并处理数据传送到上位机中；上位机负 责整个系统的控制和采集数据的接收，并可以进一步分析处理，得到所需的结果。 下面简要介绍该系统的工作流程： l）系统开机运行后，由上位机应用程序通过 usb 芯片向 dsp 发出数据采集命令。 2）输入信号调理模块对输入信号进行电平转