（信号与信息处理专业论文）基于dm642的声源定位系统的设计与研究.pdf

中文摘要 现代监控系统是当前研究和产业的热点，目前的大部分监控系统都是基于视 频的静态或动态监控。通过麦克风阵列定位声源的研究经历了长时间的发展。将 声源定位和摄像头动态采集结合起来，为更加有效的安全监控提供了新的思路。 本论文论述了空间六元麦克风阵列定位的原理，并设计了通过广义互相关函 数法进行时延估计的算法以及进一步定位声源的算法。 本论文以1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 数字信号处理器为核心，搭建了声源定位及摄像 头自动控制的平台。论文中论述了：m c a s p 的原理和应用方法；声波的a d 变 换及采样模块设计以及该模块与d s p 的接口设计；通过扩展存储器接口e m i f 对d s p 进行外部存储器扩展的设计以及地址空间配置；利用c p l d 作为地址、 数据总线管理模块的设计；u a r t 串行传输模块设计；对f l a s h 的分页控制和 程序代码烧写；以及通过r s 4 8 5 串行传输协议对摄像头进行控制的原理和程序 设计。 经验证，该系统在低噪声干扰的实验环境下，可以有效的对声源进行定位并 实现对摄像头的控制。 关键词：麦克风阵列声源定位时延估计数字信号处理器 a b s t r a c t m o d e mm o n i t o rs y s t e mi si ng r e a td e m a n di nr e s e a r c ha n di n d u s t r ya r e a c u r r e n t l y , m o s to fm o n i t o rs y s t e ma r es t a t i co rd y n a m i ct r a c kb a s e do nv i d e o 1 1 1 er e s e a r c ho f s o u n ds o u r c el o c a t i o nb ym i c r o p h o n ea r r a yh a se x p e r i e n c e dal o n gt i m ed e v e l o p m e n t c o m b i n a t i o no fs o u n ds o u r c el o c a t i o na n dd y n a m i cm o n i t o ro fc a m e r ap r o v i d e san e w , a n dm u c hm o r ee f f i c i e n tw a yf o rs a f e t ym o n i t o r t h i sa r t i c l ed e m o n s t r a t e st h e p r i n c i p l eo fs o u n ds o u r c el o c a t i n g w i t ha s i x - m i c r o p h o n e da r r a y a n dp r o v i d e s a r i t h m e t i co ft i m e d e l a ye s t i m a t i o nb y g e n e r a l i z e dc r o s sc o r r e l a t i o na n da r i t h m e t i co fs o u n ds o u r c el o c a t i o n t h er e s e a r c hi sb a s e do nt m $ 3 2 0 d m 6 4 2d s pk e r n e l i nt h i sa r t i c l ea u t h o rb u i l d sa p l a t f o r mf o rs o u n ds o u r c el o c a t i o na n dc a m e r aa u t o c o n t r 0 1 m a i nc o n t e n t sm e n t i o n e d i nt h i sa r t i c l ei n c l u d e ：p r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fm c a s p ；a dc o n v e r to fs o u n d w a v e ；c o n n e c t i o no fd s pa n da d c d e s i g no fe m i fa n dm e m o r ym a p ；d e s i g no f c p l da sm a n a g e ro fa d d r e s sb u sa n dd a t ab u s ；d e s i g no fu a r t f l a s hp a g e a d d r e s s i n g a n df l a s hb u m ；，d e s i g no fc a m e r ac o n t r o lb yr s 4 8 5s e r i a l c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 i ti sv a l i d a t e dt h a tt h i ss y s t e mc a na c h i e v et h eg o a lo fs o u n ds o u r c el o c a t i o na n d c o n t r o l l i n gc a m e r au n d e r al o w - n o i s ee n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：m i c r o p h o n ea r r a y , s o u n ds o u r c el o c a t i n g , t i m ed e l a y e s t i m a t i o n ，d s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多旋 亟琵 签字r 期：。司年石月l g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：乡办蹴 签字日期：渺7 年舌月l2 日 翩躲郡一 签字同期：加0 7 年月馏日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 在各种电子设备高度智能化的今天，语音增强与声源定位技术成为语音通信 领域中两种不可缺少的技术。例如，在视频会议中，通过声源定位技术控制摄像 头，使其自动转向当前发言人的方向；对于高速行驶的车辆，为避免驾驶员用手 去接听电话，车载免提电话应运而生：基于阵列的语音增强技术的助听器，利用 声源的位置信息进行空间滤波，抑制除说话人以外的其他方向的噪声，使得助听 器话音更加清晰。在本文中，将声源定位和摄像头监控结合起来，以d m 6 4 2 数 字信号处理器为核心，设计了一套声源定位监控系统，为声源定位技术在安防监 控领域的应用展开一些思路。 安全监控已成为一个高速发展的产业，尤其在9 1 1 事件之后，社会对监控产 品和监控技术的需求大大提高。 目前国内外的安全监控可大致分为静态监控和动态监控，静态监控的监控范 围是固定的，比如利用摄像头对某一场景进行拍摄：动态监控花样繁多，如跟踪 某特定目标等，但是主要以图像检测为主。本课题以声音变化为监控系统的原始 控制信号来源，目前类似的研究和成果比较少，但是其实现对安防监控领域具有 十分重要的意义。 声音监控在理论和应用方面具有较大的意义和广泛的应用前景。当前视频监 控占主流，在画面变化幅度大，视觉效果混乱，或者异常目标伪装很好，做到“只 闻其声，不见其人”时，声音监控的效果和必要性就充分体现出来。同时本课题 提出的监控方法是一种自动监控，可以减轻监控人员的工作强度，提高监控效率， 节约人力。 不同性质的声源会产生特定的声波信号，声波按确定的物理规律在空间传播 形成声场，应用一个无方向特性的麦克风可以测得一个标量的声压时间历程，这 个时同历程度量了在麦克风位置处大气压力脉动的大小，从这个时间历程不能得 到其它更多的声源信息。麦克风阵列测量技术是一个特殊的声学测量分支，所谓 麦克风阵列就是由多个在空间确定位置上排列的一组麦克风，如果一个麦克风阵 列记录了空间一个声场信号f ( x ，t ) ，假设这个声场信号包含要测定的某个信号 场s ( x ，t ) 和信号噪声n ( x ，t ) ，即f ( x ，t ) = s ( x ，t ) + n ( x ，0 ，则通过对麦克风阵 列中每个麦克风记录的信号y ( x ，t ) 进行适当的数据处理，可以从声场信号f ( x ，t ) 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 中分离出希望得到的信号场s ( x ，0 有关信息，包括这个信号场的声源位置、声压 级大小、频谱特性等。 麦克风阵列语音的定位和分离处理与传统的阵列信号处理主要有以下几种 不同： 1 传统的阵列信号处理处理的信号一般是有一个调制载波的窄带信号，如通信 信号和雷达信号等，而阵列麦克风处理的语音信号没有载波，其频率分布大 部分集中在3 0 0 - 30 0 0h z 之问，是一个多频宽带信号； 2 传统的阵列处理技术一般处理的信号为平稳或准平稳信号，而麦克风阵列处 理的信号通常为非平稳语音信号； 3 传统的阵列处理一般采用远场模型，而麦克风阵列处理要根据不同的情况选 择远场模型还是使用近场模型； 4 在传统的阵列处理中，噪声一般为高斯噪声( 包括白、色噪声) ，与信源无关、 在麦克风阵列处理中噪声既有高斯噪声，也有非高斯噪声( 如室内的空调风机 的噪声，打字机发出的干扰噪声，碎纸机的声音，突然出现的电话铃声等) ， 这些噪声可能和信源无关，也有可能相关。 宽带和窄带的区别：传统的阵列处理接收信号为典型的窄带信号，此时阵列 接收信号的相位差由载波中心频率和阵列结构决定。然而在麦克风阵列处理中， 接收信号是没有经过调制的自然信号，阵列接收信号的相位差信号源的特性和阵 列结构决定。麦克风阵列接收的信号频率常常在1 0 0 - - 一4 0 0 0 h z 之间，中心频率 随声源的变化而变化。因此麦克风阵列处理是一个复杂的宽带系统。 平稳和非平稳信源的区别：传统的阵列处理的接收信号一般为平稳电磁波信 号，相关函数可以通过时间相关来准确获得，而麦克风阵列的接收信号为短时平 稳的语音信号，用时间平均来求得准确的相关函数比较困难，因此要采样其他的 方法来获得准确的相关函数。 天津大学硕士学位论文第二章空间麦克风阵列声源定位原理 第二章空间麦克风阵列声源定位原理 2 1 基本的信号模型 理想情况下，阵列接收信号的模型1 可以用图2 1 来表示。第i 个麦克风所 接收到的信号如公式( 2 1 ) 所示： 薯( f ) = q s o 一弓) + 伟( f )( 2 - d 其中j ( f ) 为源信号，q ，q 和吩o ) 分别表示从声源到第i 个麦克风的时间延迟、 幅度衰减和加性噪声。 - l葩m3啊t - i 图2 1 理想环境的阵列接收信号模型 然而，由于方向性噪声以及混响的存在，实际环境中的信号模型更为复杂。 此时的信号模型可以表示为公式( 2 2 ) 所示： p 毛( f ) = 嘞( f ) 木s o 一西) + 惕o ) ，= l ( 2 2 ) 其中( f ) 为声源到第i 个麦克风处的第l 条传播路径的脉冲响应；以为相应的传 播时延。直达路径的时间差乃= 以一嘭，给出了到达时间差( t i m e d e l a y o f a r r i v a l ， t d o a ) 的值，这一参数将被用于双曲定位中。 天津大学硕士学位论文第二章空间麦克风阵列声源定位原理 2 2 时延估计概述 时延估计( t i m ed e l a ye s t i m a t i o n ，t d e ) 是语音增强与声源定位领域内的一 项关键技术。所谓时间延迟，是指传感器阵列中不同传感器接收到的同源信号之 间由于传输距离不同而引起的时间差。t d e 就是利用参数估计和信号处理的理 论和方法，对上述时间延迟进行估计和预测。基于t d e 的双步声源定位就是先 估计出信号在不同阵元处的到达时间差( t i m ed e l a yo f a r r i v a l ，t d o a ) ，进而再 利用这些参数通过双曲线方程进行定位。由于误差扩散效应，t d e 估计精度关 系着整个定位系统的性能，因而成为语音通信领域内关注的热点。从2 0 世纪7 0 年代开始，许多大学和实验室就已经投入到该领域的研究中，例如布朗大学，贝 尔实验室以及以色列技术学院等。他们先后提出了不同的t d e 方法，例如广义 互相关( g c c ) 方法，自适应最小均方( l m s ) 方法，倒谱预滤波( c e p ) 技术， 基于空间的特征值分解( e v d ) 方法等等。 2 3 广义互相关( g c c ) 时延估计法 广义互相关( g e n e r a l i z e dc r o s sc o r r e l a t i o n ，g c c ) 方法【2 】是一种传统的t d e 估计方法。由于来自同一声源的信号存在一定的相关性，通过计算不同麦克风所 接收到的信号之间的相关函数，就可以估计出t d o a 值。然而在实际环境中， 由于噪声和混响的影响，相关函数的最大峰会被弱化，有时还会出现多个峰值， 这些都造成了实际峰值检测的困难。g c c 方法就是在功率谱域对信号进行加权， 突出相关的信号部分而抑制受噪声干扰的部分，以便使相关函数在时延处的峰值 更为突出。 对于两个麦克风而言，接收到的信号x i ( t ) 和列( t ) 的互相关函数可以表示为公 式( 2 3 ) ： 冠1 2 ( f ) = e ( x 1 ( t ) x 2 ( t f ”喁足0 一2 ) + 民( r )( 2 3 ) 其中e 为数学期望；近似项对于无混响和空间平稳的噪声成立。公式( 2 3 ) 表明， 如果信号的信噪比足够大，t d o a 可以从相关函数中获得。 互相关函数的傅立叶变换给出了两通道信号的互相关谱，如公式( 2 4 ) 所示： q 1 2 ( f ) = a l a 2 g s ( f ) e - 2 q 2 + g ( 力( 2 - 4 ) 天津大学硕士学位论文第二章空间麦克风阵列声源定位原理 然而，混响的存在使得信号中包含了多个回波分量，此时计算出的互相关函 数会包含直达波与反射波形成的峰值，这些峰值在低信噪比的条件下都会造成 t d o a 检测的困难。特别对于宽带语音信号，基音周期的存在使得互相关函数更 加复杂。为了使t d o a 估计不受信号本身特性的影响，并尽可能的抑制混响和 噪声，需要对观察信号的频谱做特殊的处理，这就是g c c 方法的出发点，并且 由此得到的互相关函数被称为g c c 函数。 用c j c c 方法进行时延估计的示意图如图2 2 所示。 x 1 图2 2g c c 方法进行时延估计框图 延 其中常用的加权函数有6 种，其各自的表达式及特点如表2 1 所示。 表2 1 各种g c c 加权函数及其相应的特点 加权函数表达式 特点 c c 1对外围噪声、反射和有限观测数据敏感。 1 等价与w i n e n e r 滤波，可以有效的抑制噪声大的r o t h q 。：( 厂) 频带，但会展宽互相关函数的峰。 l 相比r o t h 加权，s c o t 同时考虑两个通道的影响。s c o t q 。l r ) 6 , 趋( ) 当q 。( ) = q 2 2 ( 厂) 时，s c o t 等价于r o t h 处理， 所以也会展宽互相关函数的峰。 l 相当于白化滤波，但用l q 。：( ) i 对q ；：u ) 进行加p 姒t i g 。：u ) i 权，在信号能量较小时分母会趋于0 ，从而会加 大误差，一些改进的方法考虑在分母中加入一个 固定的常数。 e c k a r t 口g ( 厂) 以输出信噪比最大作为优化的标准，可以抑制噪 瓯。，( 厂) q 复( 厂) 声高的频带。与p h a t 加权不同，当信号趋于0 天津大学硕士学位论文第二章空间麦克风阵列声源定位原理 时，e c k a r t 权值也随之减小，不会引起噪声被加 重的现象，但是其加权函数要通过对信号和噪声 谱估计来获得。 【l h t1 一l 乃：1 2i 乃：( ) f 2 为模平方相干函数。最大似然加权函数 l q 。：u ) i 一【l 一防：u ) 1 2 】 对大信噪比频段给予大权值，小信噪比频段给予 小的权值，从而较好的抑制了噪声的影响，是统 计意义下最优的滤波器。 g c c 方法是建立在非混响模型基础上的，倾向于估计比较强的信号的t d o a 值，应用于低混响和非相关噪声的场合，计算复杂度较低且易于实现【3 】。 2 4 空间六元麦克风阵列原理 空间锥形六元麦克风阵列【4 j 采用时延法进行声源定位。空中运动声源相对于 麦克风阵列来说可以看成点目标，要确定其在全空域的三维坐标至少需要5 个阵 元( 平面四元阵定位所解得的目标坐标是以阵平面为分界的上、下半球内的两个 解，无法判断目标在哪个空域) ，锥形五元阵虽然具备全空域声源定位能力，但 与平面四元阵相比。定位精度并没有得到提高而锥形六元麦克风阵列既具有全 空域定位能力，又具有优于平面四元阵的定位精度，同时还保留平面四元阵的分 维特性优势5 1 。 、 t6 【，兄z ) ? s 5 1 、? s 3 沙 h 入 s 2 i 弱 ， s l j 图2 3 空间锥形六元麦克风阵列 天津大学硕士学位论文第二章空间麦克风阵列声源定位原理 将6 元麦克风建立在如图2 3 所示的三维直角坐标系中。x 、y 、z 三个方向 上的两个阵元的距离是相等的，设为2 d 。则这6 个阵元坐标分别为：s l ( d ，0 ， 0 ) 、s 2 ( 0 ，d ，0 ) 、s 3 ( - d ，0 ，0 ) 、s 4 ( 0 ，- d ，0 ) 、s 5 ( 0 ，0 ，d ) 、s 6 ( 0 ，0 ， d ) 。设声源目标的坐标为t ( x ，y ，z ) ，到坐标系原点距离为1 7 ，俯仰角为0 ， 方位角为缈。声源t 与各阵元s 1 、s 2 、s 6 的距离分别为r l 、r 2 、r 6 。 设声波自声源发出，以各方向等速度的球面波方式，到达阵元s 1 的时问与 到达s 3 的时间间隔为t 1 3 ，同理，声波到达s 2 与到达s 4 的时间间隔为t z 4 ，到达 s 5 与到达s 6 的时间间隔为t 5 6 。依此类推。设空气中声速为c ，c 均匀且固定。 根据以上条件，可以得出： ( x d ) 2 + y 2 + z 22 ，i 2 x 2 + ( y d ) 2 + z 2 = 考 ( x + d ) 2 + ) ，2 + z 2 = 芬 x 2 + o + d ) 2 + z 2 = 孑 x 2 + y 2 + ( z d ) 2 = x 2 + y 2 + ( z + d ) 2 = x 2 + y 2 + z 2 = ，2 式( 2 - 7 ) 与式( 2 5 ) 相减，可得 x ：叠蔓：! 垒二丛墨尘 4 d4 d 式( 2 8 ) 与式( 2 6 ) 相减，可得 v ：丝：! 垒= 垒塾垒垒2 。4 d4 d 式( 2 1 0 ) 与式( 2 - 9 ) 相减，可得 z ：丝：! 堡二堡! ! 堡堡1 4 d4 d 由于声源距麦克风阵列的距离远大于各阵元之间的距离，故 r 3 + ，i 2 r r 4 + r 2 2 r r 5 + r 6 2 r 式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 可简化为： x = 熹( 弓一，i )x = 一l 一，：l 2 d ” ” y = 二( _ 一眨) 1 ，= 一i 兀一一 。 2 d 、 。7 z = 熹( 一吩)z = 一l 疋一疋j 2 d ” ” ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一l o ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 天津大学硕士学位论文第二章空间麦克风阵列声源定位原理 又由 r 3 一，i = q 3 r 4 r 2 = c t 2 4 r 6 。r 5 = c f i 6 故 x = r c t 1 3 2 d v = r c t 2 4 2 d z = r c t 5 6 2 d 根据直角坐标系与球坐标系的转换关系 x = r s i n s c o s 伊 y = r s i n o s i n 伊 z = r c o s 秒 因此 s i n 曰c o s 够：鱼选 z _ j s i n 8 s i n ：c t 2 4 2 上) c o s 秒= c t 5 6 2 d 将式( 2 3 1 ) 与式( 2 3 0 ) 相除，可得 t a n 缈2 等 将式( 2 - 3 0 ) 与式( 2 31 ) 方程两边分别平方相加，可得 s i n 2 口= 万6 , 2 阮+ 幺) 将式( 2 3 2 ) 方程两边分别平方，并分别除以式( 2 - 3 4 ) 两边，可得 t a n p ：丛 综上所述，计算出俯仰角和方位角分别为 缈。一等 秒：锄锄篮互 可见，由声波到达阵元的延时即可求出声源位置对原点的角度【6 】。 ( 2 - 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) d 笏 钟 $ d d 缈叻 d 动 之乏乏 。 乞 乏 乏乏之 o o 弓 p g q p q q p p p q q g 天津大学硕士学位论文第三章系统的硬件设计 第三章系统的硬件设计 3 1 系统总体框图及工作流程 系统总体框图如图3 1 所示。6 个麦克风构成六元阵列，经过a d 转换后送 入d s p 进行算法处理，各a d c 与d s p 专门的音频处理接口m c a s p 连接。s d r a m 用作系统工作时高速的程序和数据存储器。f l a s h 存储算法程序，系统复位后 总是从f l a s h 引导启动程序。u a r t 是实现对摄像头控制的接口，而c p l d 用 来对f l a s h 和u a r t 进行管理。 i m i cha d l - l s 1 l 、1 一 1 l m i c 。 a d i d s p 叫一e- l c a m e r a l m i c h a d l i l m i c h a d l - 叫卧蹦1 l m i c 一 i l a d i i m i c h a d l - 吲凹l d 图3 1 系统整体框图 系统上电后，首先将f l a s h 中的初始化程序读入d s p 中运行，完成系统的 初始化设置并给出程序跳转地址。之后，系统将根据此地址向s d r a m 中搬移程 序。程序搬移完成后，各路麦克风采集的声音信号经a d 变换后通过m c a s p 送 入d m 6 4 2 进行处理。经算法处理后，可得到控制摄像头转动的参数，按照摄像 头的协议生成控制信号，通过r s 4 8 5 接口发送给摄像头，控制其转动。 天津大学硕士学位论文 第三章系统的硬件设计 3 2 数字信号处理器( d s p ) 模块 3 2 1d s p 发展简史 世界上第一片单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 年a m 公司宣布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司宣布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个重要里程碑。 但这两种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年，日 本n e c 公司推出的l l p d 7 7 2 0 是第一片具有乘法器的商用d s p 芯片。 在这之后，最成功的d s p 芯片当数美国1 i 公司的一系列产品。t i 公司在 1 9 8 2 年成功推出其第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品t m s 3 2 0 1 1 、 t m s 3 2 0 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等之后相继推出了第二代d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 、 t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ，第四代d s p 芯 片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x ，第二代d s p 芯片的改 进型t m s 3 2 0 c 2 x x ，集多片d s p 芯片于一体的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 c 8 x 以 及目前速度最快的第六代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 列c 6 4 x c 6 7 x 等。 3 2 2t m s 3 2 0 d m 6 4 2 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 t 7 】是美国德州仪器公司( t i ) 推出的一款面向数字多媒体应 用的d s p ，它在n 的c 6 4 xd s p 内核基础上进一步集成了完备的视频音频输入 输出接口、以太网接口、p c i 6 6 总线等片上外设，不仅能使用户很方便的对音 频视频等各种复杂的运算进行高速处理，还能为方便、无缝的接口视频音频编 解码器件和以太网p c i 总线等数据传输接口。非常适用于v o i p 、数字视频服务 器、d v r 等应用，提供高质量的视频音频编解码解决方案。 d m 6 4 2 的一些特点如下： 1 高性能数字多媒体处理器。可选5 0 0 、6 0 0 和7 2 0 m h z 时钟频率，8 条3 2 位指令流水，处理性能可达5 7 6 0 m i p s 。 2 c 6 4 x 内核上扩展的v l i w 。具有8 个高度独立的功能模块，非线性存取 结构，6 4 个3 2 位通用寄存器，以及指令打包技术减少代码尺寸。 3 l l l 2 缓存结构。1 2 8 k 的l 1 p 程序存储器，1 2 8 k 的l 1 d 数据存储器， 2 m 统一寻址的二级缓存( n - i 做r a m c a c h e ) 。 4 6 4 位外部存储器扩展( e m i f ) 。异步同步存储器扩展接口，寻址空间可 达4 g 。 5 多通路音频串口( m c a s p ) 。具有8 路串行数据接口，支持多种协议的 天津大学硕士学位论文 第三章系统的硬件设计 音频传输。 6 3 3 v 的i o 口电压；1 4 v 核心电压嗍。 3 2 3 外部存储器扩展( e m i f ) d m 6 4 2 的程序数据空间以字节为单位进行统一编址，整个寻址空间为4 g 字节。其片上存储器、片上外设、及外部存储器接口( e m i f ) 均映射到这4 g 空 间中。 d m 6 4 2 的存储空间映射如图3 - 2 所示。 d m 6 4 2 通过外部存储器接口( e m i f ) 9 1 访问片外存储器，e m i f 由6 4 位片 外存储器d 6 3 ：0 ，2 0 位地址线a 2 2 ：0 3 ，8 位字节使能线b e 7 ：0 ，4 位片选线 c e 3 e 0 ，以及各类存储器的读写控制信号删s a d s s d c a s s r e 、 a o 王s o e s d r a s 、a w e s w e s d w e 、a r d y 、s d c k e 、s o e 3 、h o l d 、h o l d a 、 e c l k i n 、e c l k o u t l 、e c l k o u t 2 组成。每个c e x 空间有2 5 6 m 字节寻址空 间，并且可配置为与s r a m 、f l a s h 、s d r a m 、z b t s r a m 等各类存储器接口。 本设计中e m i f 的外部输入时钟e c l k i n 设计为1 3 3 m h z 。 系统通过e m i f 扩展的外部存储资源有： f l a s h ：4 m 8 位8 位异步静态存储器接口 _ s d r a m ：4 m 6 4 位6 4 位同步动态存储器接口 - 状态控制寄存器：8 * 8 位8 位异步静态存储器接口，这些寄存器位于 c p l d 中实现 u a r t b ：8 * 8 位8 位异步静态存储器接口 系统c e 0 子空间被配置为s d r a m 接口，s d r a m 的工作时钟由d m 6 4 2 的 e c l k o u t l 提供，此处配置为e c l k i n ，即1 3 3 m h z 。s d r a m 在c e 0 子空间 具体定位为0 x 8 0 0 00 0 0 0 - 4 ) x 8 1 f ff f f f 。 通过c p l d 对f l a s h 和u a r t 的数据和控制信号进行复用。 c e 2 和c e 3 空间在本系统中未使用。 天津大学硕士学位论文第三章系统的硬件设计 b l o c k s 既 懈y 圈艇kd e s c r i p t i o n h e x 翻x 璐兄舢涟 i b y i e 鳓 一删r a m & 动 2 翳k o ao d 一0 3 f f f f r e 劓m v 酬础0 d 酗0 0 0 0 一0 0 0 ff f f f 掩。掌e r v 曹d剐，o 一0 1 7 f ! 阼f f 霸r n 一哺m 叫嘲一5 | 侄硎吣潮嗍粼 o 0 0 0 0 - 0 1 8 3f 阡f 1 2p 目j m粼o 伯4i i o d o o 佃盯f f f f h 户i 伊l 粼 o t 嬲一们嬲阡f f 峨p d 弛 口i 螂 2 5 6 ko 8 c 0 0 一0 1 8 ff f i f f 瞄p 1r e 掣婀s删口伯0 蝴一0 1 9 3f f f f t w o 秘皇晒魄；粼 0 1 9 40 0 0 0 一o 髑1 7f 阡f f u r 陆崤蝴2 5 6 i (0 1 9 6 卿0 0 1 9 8 f f f f l m 皇m 班s 幽曲计r 筻两暗限 翌海k 们9 巴0 0 一t l l g ft = f f i ： 跚a r 醐a n d 涨轴棚 粼 d 0 啪一0 1 a 3f f f f r 翻峙f v d 钉2 k0 1 4 0 o 0 1 | b i = f f f f r i e r2 黜掣趣略 z 而kb 1 c 一0 1 a ff f l f f g p o 钿脚 粼一k0 1 8 00 0 0 0 一o e 3 f f f d 酣i e ec l 帅f i g u 璃墩mr 嘲曲聊 4 ko ，b lf 一0 t 8 3f f f f 1 2 c 8d a t a 一d 血口lr q i 棚1 议 d 1 8 4 一0 艇强3 f f t = r o r , o r v e d越ko 叭4 0 1 1 0 o l b 48 f f f m e 雌p oo 柚d 两嘲臁 毛k0 1 8 4o b 一们b 瘁 = f f f r 目n 唰1 9 烈 1 1 8 5o 彤一a 1 酎f f 薯币 向e 弓剽e d2 5 6 k0 1 8 8 0 0 一0 1 b bf f f f n w 由蝴麓谚k0 1 b c 一0 1 i ff f = f f p c l 融唧曲e 曙粼0 1 ( 3 0 0 0 0 0 一0 1 ( ：3 f f 雨 v 1 0 0c o r a 划l a 们“一0 1 c 4 3 f f f v p l c a 坩d 6 ko c 4 4 0 一0 1 钴7 f f f v p 2c o n t r o l1 6 k0 1 c 48 0 0 0 一们c 4b f f f v c c 翻删伯k0 1 c 4c o o w , af 仵f # k s e r 倒1 啦，( o l c 5 一0 c 7t = f f f 曰僦c 田d4 xo i c 8 帅一0 c 8o f f f f m a cw 糟印暂 8 1 1 2 s 数据格式，即相似的位流格式； 从2 到3 2 通路的t d m 格式的数据流； s 伊d i f 、i e c 6 0 9 5 8 一l 、a e s 3 格式。 m c a s p 的基本框图如图3 3 所示。 在本设计中，m c a s p 同时接入6 路音频输入，其协议采用b u r s tf r a m es y n c m o d e 。 天津大学硕士学位论文 第三章系统的硬件设计 图3 3m c a s p 原理框图 3 3 2t i 3 2 0 a i c 2 3 b 简介 t l v 3 2 0 a i c 2 3 b ( 简称a i c 2 3 b ) h i 是n 公司推出的一款高性能的立体声音 频c o d e c 芯片，内置耳机输出放大器，支持m i c 和l i n ei n 两种输入方式( - - 选一) ，并且输入和输出都具有可编程增益调节。a i b 2 3 的模数转换( a d c ) 和 数模转换( d a c ) 部件高度集成在芯片内部，采用了先进的s i g n m - d e l t a 过采样 技术，可以在8 k - x ) 6 k 采样率范围内提供1 6 位、2 0 位、2 4 位、3 2 位采样，a d c 和d a c 的信噪比分别可达到9 0 d b 和1 0 0 d b 。同时，a i c 2 3 b 还具有很低的能耗， 回放模式下功率仅为2 3 r o w ，省电模式下更是小于1 5 u w 。 m c 2 3 的管脚和内部结构框图如图3 - 4 所示。 天津大学硕士学位论文 第三章系统的硬件设计 n o t e 硼g o k , 州洲弧- 归曲帕舶嵋b 由醋l 图3 - 4t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 内部结构 a i c 2 3 b 与微处理器的接口有二个，一个是控制1 2 1 ，用于设置a i c 2 3 b 的工 作参数，另一个是数据口，用于传输a i c 2 3 b 的a d 、d a 数据。本设计中将 d s p 的m e a s p 配置成b u r s tf r a m es y n cm o d e 方式，与6 片a i c 2 3 b 的数据口接 口：使用i i c 总线与a i c 2 3 b 的控制口接e l 。 a i c 2 3 b 的数据口有4 种工作方式，分别为： 1 r i g h tj u s t i f i e d 天津大学硕士学位论文第三章系统的硬件设计 2 l e f tj u s t i f i e d 3 sm o d e 4 d s p m o d e 其中后两种可以很方便的与d s p 的m c a s p 串口相连接。设计中以d s pm o d e 模式进行数据口的连接。其硬件上管脚说明如下： 1 。b c l k - 数据口位时钟信号，当a i c 2 3 b 为从模式时( 通常情况) ，该时 钟由d s p 产生；当a i c 2 3 b 为主模式时，该时钟由a i c 2 3 b 产生。 2 l r c i n ：数据口d a c 输出的帧同步信号。 3 l r c o u t ：数据口a d c 输入的帧同步信号。 4 d i n ：数据口d a c 输出的串行数据输入。 5 d o u t ：数据口a d c 输入的串行数据输出。 3 3 3t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 与m c a s p 的连接 触c 2 3 b 可以和d s p 的m c a s p 接口无缝连接，当m c a s p 为主模式时，m c a s p 产生所有的信号，连接示意图如图3 - 6 所示。 通路l 的输出与m c a s p 的a x r 0 连接，通路2 的输出与m c a s p 的a x r f q 连 接，通路3 的输出与m c a s p 的a x r 2 连接，通路4 的输出与m c a s p 的a x r 3 】 连接，通路5 的输出与m c a s p 的a x r 4 连接，通路6 的输出与m c a s p 的a x r 5 】 连接，6 个通路的帧同步信号、发送与接收时钟均是共用的。当m c a s p 工作在 主模式时，其发送始终选择为m c a s p 产生，接收时钟为外部( 即a c l k x ) 。 m c a s p 与a i c 2 3 b 的数据交换的协议可以采用d s p 模式与i i s 模式，其区 别在于m c a s p 帧同步信号的宽度。后者的帧同步信号宽度必须为一个字( 1 6 位) 长，而前者的帧宽度可以为一个位长。比如在字长为1 6 位，帧长为3 2 位的情况 下，如果采用i i s ，帧同步信号宽度应为1 6 位，而采用d s pm o d e 帧信号宽度为 1 位即可。本设计中采用d s pm o d e 与m c a s p 连接，其时序图如图3 5 所示。 l r c l n 广1 i r c o u t 一1 b a l k 几几几几 几1 几几 _ 1 l 几j i “靠a 臻叫啾c h a l m e ii 。器二二皿工正口互工正 图3 ，5d s p 模式的时序 天津大学硕士学位论文 第三章系统的硬件设计 l d 卫睡 t 咖 d o u t c l 鳓 b c l k a f s xl r c n t f s rl r c o u t 毗c 2 擒 d m d o u t x r 【l j b c l k l r c 丑汀 l r c o u t a i e 2 3 蕾 d 甜 郎皿脚 d o u t b c l k l r c 丑叮 l r c o u _ t 虹e 2 3 雷 d m 幻邳1 d o u t b c l k l r c n f l r c o u t 虹c 2 3 田： d 甜 t 睁1 d o u t b c l k l r c 卫呵 l r c o u t k 良1 9 2 强： d d 呵 砧盈翻 d o u t b c l l 【 l r c d 呵 m e a 霉：p ： l r c o u t 斌i e 铂田j 图3 - 6a i c 2 3 b 与m c a s p 的连接 3 3 4a i c 2 3 b 的控制口 a i c 2 3 b 的控制接口有两种工作方式，分别为：2 线制的i i c 方式( m o d e 为低) ；3 线制的s p i 方式( m o d e 为高) 。 本设计中采用i i c 方式控制a i c 2 3 b 。其硬件管脚说明如下： s d i n ：a i c 2 3 b 控制口串行数据输入 s c l k ：a i c 2 3 b 控制口的位时钟 当使用i i c 总线对a i c 2 3 b 进行配置时，u c 总线选择7 位地址的寻址方式，并 由于a i c 2 3 b 的寄存器只有写操作而无读操作，因而，其通信协议为每个字的前 7 位为寄存器地址，后9 位为寄存器内容。其时序图如图3 7 所示。 天津大学硕士学位论文 第三章系统的硬件设计 b f l s - g l c a 斑d ia d d r e s sb i t s 8 1 8 _ 栅 c o n t r o ld a t ab i t s s t a r t撕 n广1 湖。计 同同rw1 盯 iiif liii s 璜1 l 圈生丑士冒竺i 仁 uu 图3 72 线制配置的时序 每个a i c 2 3 b 只有两个不同的i i c 总线设备地址可供选择，当c s 为0 时( 默 认) 的地址0 x 0 0 1 1 0 1 0 ( 0 x l a ) 和当c s 为1 时的地址0 x 0 0 1 1 0 1 1 ( 0 x l b ) 。为了 实现对6 路音频输入的配置，在设计中采用了i i c 总线切换的方法。利用g p i o 的g p 0 与g p l 两根引线，将d s p 的i i c 总线切换成3 路i i c 总线，每一路连接 2 个a i c 2 3 b ，从而实现对6 个a i c 2 3 b 的配置。其原理框图如图3 - 8 所示。 图3 8i i c 总线切换框图 a i c 2 3 b 的控制寄存器列