（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp和usb的声音信号采集系统设计.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 声音信号广泛存在于日常生活和工业生产过程中，具有实时性和稳定性等特点，声 音信号的检铡与处理对工业过程的故障诊断具有重要的意义，因此本文设计了一套针对 铝电解槽生产过程的声音信号采集与处理系统，并论述了硬件和软件的具体实现方案。 硬件系统主要包括d s p 模块、电源模块、a d 转换模块、扩展存储器模块、u s b 传输模块。d s p 模块选用公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片，由复位电路、时钟电路、 j r r a g 接口电路组成。a d 转换电路主要包括声音信号的输入和输出模拟通道、d s p 和 兀公司的t l c 3 2 0 a d 5 0 c 连接，其中d s p 与a d 5 0 c 的连接是通过m c b s p 口实现的。 扩了程序区和数据区存储器，f l a s h 保存程序源代码，s r a m 提供程序运 放空间。在数据传输上，采用d s p 和p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 芯片并行 电源模块为整个电路提供1 8 v 和3 3 v 两种电压。 计包括d s p 程序设计、u s b 固件程序设计、驱动程序设计和应用软件设计 d s p 程序主要是a d 、d a 程序，实现声音信号的采集与播放，并给出具体 。固件程序是软件开发中的重点，先从总体上介绍了固件程序的设计思想及 ，随后详细介绍了各层次程序的设计过程，并给出了各层流程图和部分源代 ：备驱动程序采用w i n d r i v e r 工具开发。主机应用程序主要提供一个友好的人 采集系统进行控制并显示采集后数据。 已完成了基于d s p 和u s b 的声音信号采集和处理系统的设计，实现了基本的 集功能。使用u s b 总线传输数据，为声音信号采集系统与计算机之间的通讯 道路。 d s p ，u s b ，声音信号 北方工业大学硕士学位论文 d e s i g no f s o u n ds i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do n d s p a n d u s b a b s t r a c t s o u n ds i 刚e x i s t si nd a i l yl i f ea n di n d u s l f i a lp r o c e s se x t e n s i v e l y b c g a t l s ci 招f e a u n 岱o f r e a l - 血n ea n ds t a b i l i t y , i ti si m p o r t a n tmf a u l td i a g n o s i so f i n d u s m a lp r o c e s s 1 1 p a p e rd e s i g n s a na c q u i s i t i o ns y s t e mf o rs o u n d s i g n a l sa c c o r d i n g t oa l u m i n u me l e c l r o l y s i sc e l l ，a n dd i s c u s s e s i t sr e a l i z a t i o n t h es y s t e m m a i n l yi n c l u d e sm o d u l e so f d s p ，p o w e r , a dc o n v e r s i o n , e x t e n d e dm e m o r y a n du s b 乜a n s p o r t a f i o n d s pm o d u l ei sd e s i g n e db yc h o s eo f s1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 w h i c hi s c o m p o s e do f r e s e tc i r c u i t , c l o c kc i r c u i t , a n dj t a gi n t e r f a c e t l c 3 2 0 a d 5 0 co f t lw i t h m c b s pi n t e r f a c ei sa d o p t i x li na dc o n v e r s i o n , w h i c hm a i n l yr e a l i z e sa n a l o gt od a t ac o n v e r t a n dd a t at oa n a l o go u r p 咄a n d 趣c o n n e c t i o nt od s p 1 h cs y s t e me x t e n d sm e m o r yf l l a p p c do n c o d ea r e aa n dd a t aa r e ao u t w 她a n df l a s hi su s e dt os a v es o u r c ec o d e , s r a m p r o v i d e s s p a c ef o rp r o g r a ma n dd 卸hd a t at r a n s m i s s i o ni sr e a l i z e db y p a r a l l e lc o n n c c ：t i o no f d s p w i l h p h i l i p s p d i u s b d l 2 p o w e r m o d u l e p r o v i d e s l 8 v a n d 3 3 v f o r t h e w h o l e c i r c u i t t h es o f t w a r ei sa l s od e s i g n e da n dt h es o f l w a l r ef l o wc h a r t sa r eg i v e n w h i c hi n c l u d e sd s p s o d l e ，矗 i n w a r ed e s i g n , d e v i c ed r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a m d s ps o ：r w a mm a i n l y i n c l u d e s a d a n d d ，as o n w a e t h e 丘i m 眦i s t h e k e y f o r t h e p r o j e c t t b e i d e a o f p r o g r a m a n dt h eh i e r a r c h yi sd e s c r i b e d , a n dt h e nt h ep r o g r a md e s i g ni nd e t a i li si n t r o d u c e d n 把p a p e r c h o o s e s w 碱v e r t o d e s i g n t h e d r i v e r p r o g r a m h o s t a p p l i c a t i o n p r o g r a m p r o v i d e s a f r i e n d l y u s e ri n t e r f a c et oc o n t r o lt h ea c q u i s i t i o ns y s t e ma n dd i s p l a yt h ed a t a 1 1 1 cp a p e rh a sf i n i s h e dt h ed e s i g no f s o u n ds i g n e da c q u i s i t i o ns y s t c l nb a s e do nd s pa n d u s b ，a n dr e a l i z e dt h cs o u n ds i g n a la c q u i s i t i o n u s i n gu s bb u st oi r a n s f e rd a t ab l a z e daw a y i i l c o m m u n i c a t i o nb e t 、) 煳d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dc o m p u t e r 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及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得韭直至些太堂或其他教育机构 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谢意。 学位论文作者签名普 擎字日期：如b 绛勿弘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 左王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权j b 友王些去堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：、智诤 签字日期：雄妇湖 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 1 1 论文研究背景及意义 在现场各种类型的信号中，声音信号是很常见的信号，并且具有实时性、精确性和 稳定性等特点，所以检测现场声音信号具有独特的优越性【l 】a 随着声音信号处理技术和 微电子技术的发展，带动了声音信号采集处理系统的快速发展。声音信号采集处理系统 是运用数字信号处理的方法对现场采集的声音信号进行实时分析，为现场状况的预测提 供精确的数据分析依据，现已经在故障检测、灾害预防、军事等方面得到了广泛的应 用，取得良好的效果网。 在铝电解生产过程中，铝电解槽内强大的电流产生强大磁场，强大的磁场和强电流 的相互作用产生电磁力，使熔体( 电解质和铝液) 发生循环流动和界面波动口】；同时由 于铝电解槽阳极产生的二氧化碳和一氧化碳气体的排出会引起熔体的旋转和波动；熔体 的剧烈运动，会使一次电解出来的金属铝又被从铝电解槽阳极排除的气体氧化，因此， 熔体循环流动、界面波动以及铝电解槽内阳极气体的排出和阳极效应的出现都将伴随有 相应的特征声音【4 】。 于是本文设计了一套针对铝电解槽生产过程的声音信号采集处理系统。此系统在线 采集铝电解槽生产过程中的特征声音信号，运用数字信号处理技术对这些信号进行实时 处理和分析，克服了检测某些参数存在的实时性较差，数据处理及传输速度慢等缺点， 并与其他参数测量及其分析结果结合在起，共同做出铝电解槽运行状况的判断，这样 能更好地控制铝电解槽正常生产，提高铝的产量，获得更大的经济效益，而且可以应用 于各种类型的铝电解槽【5 】。 1 2 声音信号采集与处理系统的研究现状、存在的问题及发展趋势 早期的声信号处理均是模拟处理。在6 0 年代以前，对声信号最常用的滤波、相 关、谱分析等运算，部分采用模拟电路来实现。这一时期的典型产品，如b & k 的频谱 仪、日本t e a c 相关器等世界著名产品，都是采用模拟电路的技术实现的。它们广泛使 用于各种声信号的处理和分析的系统之中。模拟处理的缺点是：精度较差、信号处理 能力低、功能单一而没有灵活性、很难构成大型的实时信号处理系统。在实时运算 和现场使用上亦存在着运算速度、体积、重量、可靠性、稳定性及成本高等多方面 的不足。 北方工业大学硕士学位论文 7 0 年代诞生的单片机将计算机的c p u 、r a m 、r o m 、定时缁【器和多种f o 接口集 成在一片芯片上，形成芯片级的计算机。它具有集成度高、体积小、性价比高、控制功 能强、接口扩展能力等诸多优点，弥补了模拟电路处理声信号的不足之处，单片机应用 于声信号处理系统中，对声信号进行实时处理和控制。但有个很明显的缺点就是数学运 算能力差，它可以应用在一些对采样信号数学处理较为简单的领域。而一些要求对信号 的数学处理比较复杂的工业领域来说，单片机就显得力不从心了。 还有就是在和上位p c 机之间的数据传输问题上。以前的信号采集系统一般都通过 系统总线也就是f o 通道总线、微型计算机总线或板级总线和上位机p c 系统相连，它 是微型计算机最重要的种总线。微型机总线一般有以下几种标准：p c i 、i s a e i s a 等，其数据地址不同，以适应不同的应用系统。虽然他们的传输速度比较快，分别为 1 3 2 m s 、1 6 m s 、3 2 m s ，但由于p c 接口资源有限且需要对接口卡的硬件资源进行合 理的配置，因此扩展难度很大嘲。 为了解决功能扩展接口插卡最头疼的配置问题，九十年代推出了即插即用接口卡标 准( p o 和i s ap n p ) ，由即插即用基本输入输出系统和即插即用操作系统完成对接口卡 资源的自动配置，以使功能扩展接口卡的使用变得相对简单方便，但功能扩展接口卡仍 存在以下问题：第一，接口卡的配置必须停机，并需打开p c 机箱进行安装和拆卸，这 个过程仍需要一定层次的技术支持，即插即用技术的采用只是降低了功能扩展卡的技术 需要程度，这对p c 这样广泛运用的工具而言仍显不足；第二，接口卡设备驱动程序的 安装、调试甚至正常运行的过程仍需要各种技术支持，特别是接口插卡作为一种硬件设 备插入p c 后，总要占用p c 的各种硬件资源，即插即用算法虽能解决绝大多数的资源 配置，但不能保证1 0 0 的解决，因此，其安装和配置过程仍需要人工干预。而当扩展 卡较多时，常会出现块或多块插卡因无法合理配置而不能正常工作的情况，严重时可 导致系统崩溃：第三，接1 3 插卡的质量高低、兼容性和标准性的程度以及驱动软件的可 靠性直接影响计算机的寿命和系统的稳定性即可靠性网r 刀嘲。 通用串行总线( u s b ) 是应用在p c 领域中的新型接口技术，自从w i n d o n s 9 8 操作 系统全面对u s b 接口支持后，u s b 逐渐进入实用阶段嘲。利用u s b 可以实现较传统方 式更有效、更经济、更多扩展的p c 外设与p c 相连。通用串行总线( u s b ) 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f 1 0 l 1 1 1 1 2 1 。 随着数字信号处理理论的发展，数字信号处理器d s p s ( d i g i t a ts i 驴a lh 麟埘滞 到了长足的发展，同时也使数字信号处理理论得以赛观【1 3 l 。d s p s 具有丰富的硬件资 2 北方工业大学硕士学位论文 源、改进的并行结构、高速数据处理能力和强大的指令系统，己经成为半导体产业中的 一个热点。一些厂商还推出了同时具有控制功能的产品，使d s p s 深入到工业和民用的 方方面面【1 4 】【15 1 。 由于一般的声音信号采集系统存在诸多问题，因此采用以d s p 作为控制器，而用 u s b ( 通用串行总线) 和上位机连接来设计声音信号采集处理系统，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u s b 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，系统既满足实时性，又满足易扩展 性，有一定的实用价值。将d s p 和u s b 结合应用于声音信号采集处理系统将成为一种 发展趋势。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本论文把u s b 技术与数字信号处理器的应用结合起来，以检测铝电解槽声音 信号为背景，围绕d s p 系统开发的一般流程，在硬件设计和系统软件设计两方面 进行深入研究。论文各章节的安排如下： ( 1 ) 绪论：介绍了论文的研究背景及其意义，声音信号采集与处理系统的发 展及存在的问题，引出本文设计，并给出了本文的主要工作及内容安排。 ( 2 ) 系统硬件设计与实现：提出了一种音频信号在线检测与处理系统的硬件 方案，并从芯片的选型、电路接口设计详细分析了硬件系统的各个模块，包括d s p 模块、a d 转换模块、扩展存储器模块、u s b 模块、电源模块，并结合实践介绍了设计 高频电路时所采取的措施。 ( 3 ) 硬件驱动程序设计：介绍了硬件驱动程序的设计思想以及开发过程，分 为d s p 程序和u s b 固件程序两大部分进行细致的阐述。d s p 程序主要是a d 、d a 程 序，实现声音信号的采集与播放，并给出具体软件流程图。重点介绍了固件程序的设计 思想及其层次结构，随后详细介绍了各层次程序的设计过程，并给出了各分层的程序流 程图和部分源代码。 ( 4 ) u s b 设备驱动程序及应用程序设计：论述了驱动程序开发工具的选择， 介绍了采用w i n d r i v c r 开发工具开发u s b 驱动程序和应用软件的过程，以及w d m 驱动程序的基本概念和结构。 ( 5 ) 论文的最后对本文进行了总结，根据笔者在实践中的体会，指出了有待 改进的地方。 3 北方工业大学硕士学位论文 2 1 硬件总体结构 声音信号采集与处理系统硬件部分的主要任务是设计一块以d s p 为核心的声音信号 在线采集处理板( 印制电路板) ，来完成数据信号采集、数据处理、数据存储以及数据 传输等功能。 系统需要完成的主要功能列举如下： ( 1 ) 数模转换。麦克风输入的是模拟信号，要进行数字处理，必须先把模拟信号 转换为数字信号，再经过数模转换并实时地通过扬声器接口回放出来。 ( 2 ) 声音信号处理。对采集的声音信号进行数字信号算法处理，f 1 1 d s p 模块完 成。 ( 3 ) 程序与数据存储。整个系统要脱离调试用的p c 机独立运行，就必须要有可掉 电保存程序的存储器。另外，还需要保存处理过程中的数据和参数。 ( 4 ) 数据传输。d s p 可以通过u s b 接口同p c 机进行数据交换。 ( 5 ) 支持软件调试。需要为软件调试预留接口。 从上述的功能出发，整个硬件系统由d s p 模块、a d 转换模块、扩展存储器模块、 u s b 模块、电源模块五个部分组成，硬件总体结构设计如图2 1 示： 图2 1 硬件总体结构 5 北方工业大学硕士学位论文 2 2 d s p 模块 d s p 芯片是d s p 处理系统的核心，它的处理能力直接决定了处理系统的处理能 力。根据本系统的实时处理、低功耗、低成本、微型化的性能要求，考虑到运算速度、 存储空间大小、性能价格比、硬件资源、开发工具、功耗以及芯片订货的难易程度等多 个方面，本方案选定了t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为核心处理器。 2 2 11 m s 3 2 0 、，c 5 4 0 2 简介 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ( 以下简称c 5 4 0 2 ) 是公司1 9 9 9 年推出的一款定点低功耗数字 信号处理器，是目前d s p 中性价比极高的一款【1 6 】。本系统采用了t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 芯片，使得系统的集成度大大提高，开发周期大量缩短，系统成本大幅降低，可扩展性 很强，系统功耗低，该系统的信号处理、控制功能皆是由d s p 芯片完成的。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 芯片的主要特点如下【1 7 1 1 1 1 【1 9 1 啪1 ： ( 1 ) c p u ：片内总线采用哈佛结构，c 5 4 0 2 片内具有三套1 6 b i t 数据总线c b ， d b ，e b 和一套程序总线p b 以及对应的4 套地址线c b a , d b a , e b a , p b a ( 4 套总线可 以同时操干乍) ；1 个4 0 b i t 算术逻辑单元删：1 个1 7 x 1 7 并行乘法器和一个4 0 b i t 的专 用加法器；比较，选择角翟单元( c s s l l ) 有助于实现v i t e d o i 算法；指数译码功能：两个地 址产生器，8 个辅助寄存器a r a r 7 ；程序空间扩展到l m ，数据空间和的空间各 6 4 k ，2 0 条地址线，1 6 条数据线；片内部4 k x l 6 b i t r o m ，包含压扩表、2 5 6 点正弦 表、引导程序等；片内1 6 k 1 6 b i t 的双存r a m 。 ( 2 ) 指令系统：单指令重复或指令块重复功能；程序空间和数据空间的数据块移 动指令：可对3 2 b i t 的长字操作；一个指令内可以读后2 0 个操作数：6 级流水完成一 条指令操作：预取指、取指、译码、访问、读数、执行：运算指令和存取指令并行执 行；条件存储指令；延迟跳转和快速返回；软件堆栈。 ( 3 ) 片内设备：1 个用于程序、数据、f o 内存空间的软件可编程等待状态发生 器、数据组间切换可编程逻辑；片内锁相环，分频和倍频功能；2 个多通道缓冲串口 m c b s p ；1 个8 位的增强型并行主机接口i i p i ，h p i 可与外部标准的微处理器直接接 口；2 个1 6 位软件可编程的定时器；6 通道d m a 控制器：并行f o 口。 ( 4 ) 指令速度：1 0 m 的单周期定点指令执行时间，1 0 0 m i p s ，每秒百万条指令。 ( 5 ) 低功耗：n 腮3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 核在3 3 幻电压，1 8 v 核电压下工作，工 作电流平均值为7 5 m a ，其中核4 5 m a , f o 约3 0 m a 。 6 北方z _ q k 大学硕士学位论文 ( 6 ) 其它：片上j t a o 仿真口；1 4 4 脚p q f p 表贴封装或1 4 4 脚b g a 封装，体积 小，成本低。 2 2 2d s p 模块电路设计 c 5 4 0 2d s p 芯片的电源和地线引脚c v d d 、c v s s 、d v d d 、d v s s 共3 2 只。其中c v d d 为d s p p 目核供电引脚，供电电压要求为1 8 伏；d v d d 为d s p 片内设备供电引脚，供电电 压要求为3 3 伏：c v s s 、d v 嚣引脚为地线引脚，接数字地。 c 5 4 0 2 有一个复位引脚r s 捍将c p u 至于可知状态，电源刚加上电时，c 5 4 0 2 处于复位 状态，r s # 为低使芯片复位。对于上电后的正确系统操作，r s # 至少保持低电平3 个 c l k o u t 周期以确保数据、地址和控制总线被正确的设置，同时也会发生一系列其他的 操作，比如各种寄存器初始值的设置，图2 2 是该系统的一个简单的复位电路， b dr e s e l 链接到c 5 4 0 2 的r s 捍引脚。 主n d 图2 2 复位电路 给d s p 芯片提供时钟一般有两种方法。一种是利用d s p 芯片内部所提供的晶振电 路，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到x 2 c l k i n 管 脚，x 1 悬空。为了产生稳定的时钟信号，我们采用了后者，设计时将管脚x 1 和 x 2 c l k o u t 之间连接一个1 0 m h z 晶体来启动内部振荡器，如图2 _ 3 所示。 7 北方工业大学硕士学位论文 3 3 v 图2 3 采用外接晶体的时钟电路 为了实现d s p 系统实时处理信号的效果，希望系统频率越快越好。c 5 4 0 2 最高可 达1 0 0 m h z 工作频率。传统方式采用的2 分频或4 分频，势必要求外部频率很高，在这 里采用了更加灵活的可编程锁相环( p l l ) ，它可以配置为以下两种模式团】： p l l 模式，输入时钟乘以个1 3 l 之间的常数； d i v 模式，输入时钟除以2 或4 。 p l l 具有倍频的功能，其输出信号的频率是输入信号的频率乘上个倍数，正是 p l l 把外部基准频率交成多种频率提供给不同的具体系统，以满足各种应用的需要。 p i 工受存储器映射的时钟模式寄存器c l k m d 控制，复位后c i x m d 的值根据d s p 芯 片三根输入引脚c u ( m d l 戈u 确定，从而确定d s p 的工作时钟。本方案中，外 接晶体频率为1 0 m i - i z ，为了得到倍频系数1 0 ，需设置时钟模式寄存器c l k m d 的值为 9 0 0 7 h ，引脚c i 舳1 c i k m d 3 设计成0 0 1 ，则复位后c 5 4 0 2 的工作频率是1 0 x 1 0 = 1 0 0 肛k 。 3 3 v g n dj t a g 图2 4 y r a g 接口的连接方法 8 北方工业大学硕士学位论文 c 5 4 0 2 支持j 1 r a o 防真接口，所以，只需把这个玎a g 接口与仿真器相连接，就可以 在p c 机e 对d s p 进行实时软件调试。c 5 4 0 2 的a g 引脚有7 只，与仿真器接口的连接方 法如图2 4 所示。 2 3 a d 转换模块 对于d s p 夕 - 部的a d 、d a 转换设备，使用具有串行数据接口的把a d 、d a 功能合 二为一的数模转换芯片，会节省d s p 芯片的串行接口资源。在选择数模转换芯片型号 时，需要考虑刖d 的转换精度、采样速率以及芯片的工作电压和接口电压。本系统中， 要求 d 的采样速率为8 0 0 0 h z ，精度为1 6 比特，与d s p 的接口电平为3 3 伏。目前，与 公司d s p 接口的音频编解码芯片多采用1 f i 公司的n c 3 2 0 a d 5 0 芯片( 以下简称a d 5 0 ) ， 具体型号为c 3 2 d 5 0 c d w 的a d 5 0 芯片，具有2 8 引脚的贴片封装形式，该芯片可满 足上述要求。 a d 5 0 芯片的特点主要有：双供电电压，模拟部分电路5 伏供电，数字部分电路3 3 伏供电：可变采样速率，最高可达2 2 0 5 k h z ，精度可达1 6 比特圈。它是一种具有许多 优良特性的模拟接口电路芯片，该芯片可广泛用于各种电路，尤其是应用在d s p 领域 中。a d 5 0 芯片采用过采样a 技术，可进行模拟信号到数字信号( a d ) 和数字信 号到模拟信号( d a ) 的高分辨率、低速信号转换。该器件同时还包括两个串行同步转 换电路( 用于各自的数据方向) ，在d a 之前有一个内插滤波器，而在a d 之后有一 个抽取滤波器，由此可降低a d 5 0 的本底噪声。a d 5 0 中的可选项和电路配置可以通过 串行口进行编程，a d 5 0 配置位可进行软件编程，该器件中共有七个数据和控制寄存器 可供使用 2 3 1 。 音频信号的采集和播放系统的硬件电路设计主要包括音频信号的输入和输出模拟通 道、d s p 和a d 5 0 的连接等。 音频信号的前后端处理包括两个电路：音频输入模拟信号的处理电路和音频输出模 拟信号的处理电路。这两个处理电路的主要作用是将信号进行处理，使之更加适合a 仍 和d a 的要求，尽量避免由于输入输出引入的噪声。同时，还可以调整输入输出的放大 系数，使得音频信号适合各种不同的功放和喇叭，得到最佳的语音效果。 为了达到更好的信号处理效果，a d 5 0 的模拟信号输入采用差分输入方式，即使用 两个运算放大器，将单端输入信号转换成差分输入信号，电路连接如图2 5 所示。使用 差分信号，信号一正一负同时进入采集系统，此时有随机噪声出现，可通过正负信号的 加减，有效消除部分噪声。从图中可以看出，单端输入信号经过两个2 2 心的隔直电容， 9 北方工业大学硕士学位论文 送入运算放大电器的反相端，输出反相自言q l n p ii n p 再输入到另个信号的反相端， 输出同相信号i n m ，从而形成差分输入信号d 口和矾m 。 c 2 0a l 图2 5a m 单端信号转换成差分信号 a d 5 0 的d 忱输出为差分信号，可以直接驱动6 0 0 q 的负载。d a 输出处理电路如图 2 6 所示。 图2 6 a d s 0 的d a 后端输出信号处理 d s p 与a d 5 0 j 奎接是通过d s p 的多通道缓存串行i u m c b s p 实现的，m c b s p 具有全双 工的通信机制以及双缓存的发送寄存器和三缓存的接收寄存器，允许连续的数据流传 输，数据长度可以为8 、1 2 、1 6 、2 0 、2 4 、3 2 ；同时还提供了a 一律和l 降压扩，多达 1 2 8 个通道的发送与接收。m c b s p 通过7 个引脚使得一个数据通路和个控制通路与外部 设备相连。m c b s p 的引脚如下刚： d x ：发送引脚，与m c b s p 相连发送数据。 d r ：接收引脚，与接收数据总线相连。 c l k x ：发送时钟引脚。 c l k r ：接收时钟引脚。 1 0 北方工业大学硕士学位论文 f s x ：发送帧同步引脚。 f s r 接收帧同步引脚。 a d 5 0 的工作过程分为a d 通道工作过程和d ，a 通道工作过程。a d 通道把模拟信号 转换成数字信号，并以二进制补码形式表示。当帧同步信号有效时( f 刚为低电平) ， 1 6 位( 或1 5 位) 数字信号在s c l k 的上升沿输出到d 叭玎引脚，一位数据对应一个s c l k 周期。数据传输时序如图2 7 所示。 12幅 61 7 s c u c 精 u t 1 1 6 - 1 3 1 1 ) o 嘣r r l 5 一埘q 图2 7a d 5 0 的a 仍通道数据佶输时序 a d 5 0 的蝴道把送入的数字信号转换成模拟信号。在s c l k 的作用下，数字信号 通过d n 引脚进入d a 通道，每个s c u 【的下降沿输入一位数字信号。d a 将输入的数字 信号转换成模拟信号输出，蝴道的数据传输时序如图2 8 所示。 s c l k 嚣 d 刚 f 1 6 - t 嘲 洲 1 1 s * l - m 0 21 51 61 7 f1 糯 图2 8a d 5 0 的d ，磁数据传输时序 图2 9 给出c 5 4 0 2 与a d 5 0 硬件接口电路，将a d 5 0 的数字电接到3 3 v 电源，模拟电 接n 5 v 电源，管脚m s 经过1 0 k 电阻上拉，将a d s 0 设置成主动工作模式；管j 哇g f c 接 地，系统只能采用软件方式申请触发辅助通信( 二次通信) 模式；数据格式为1 5 + 1 比特 模式，管脚f s d 可以输出到后面的a d s 0 的f s 管脚，以实现设备的同步。通过寄存器设 置，将c 5 4 0 2 的f s x ，f s r ，c l k r ，c l k x 配置为外部输人，a d 5 0 的s c l l ：配置为内部 北方工业大学硕士学位论文 产生。这样数据接收俊送帧同步信号、移位时钟信号均由a d 5 0 产生，即在同一个帧同 步信号下，a d 5 0 同时完成数据的接收和发送。 5 v a g n d1 f 图2 9 c 5 4 0 2 与a d 5 0 硬件接口电路 a d 5 0 要求外接时钟源，由外部时钟源的频率、内部分频系数和内部锁相环使能共 同决定a d 5 0 中模数转换器的采样频率当锁相环使能( - v 作) 时，采样频率6 由下式 决定口5 】： 蠡= m c l k ( 1 2 8 n ) ( 2 1 ) 当锁相环使能无效( 不工作) 时，采样频率自由下式决定： f s = m c l k ( 5 1 2 x n )( 2 力 其中，m c i k 是a d 5 0 外接时钟源的频率，n 是分频系数，l n 兰8 。锁相环使能 控制位和n 黼a d 5 0 的控制寄存器中进行设置。对于本系统，a d 5 0 的外部输入时钟 由一有源晶体振荡器提供，频率为8 1 9 2 m i - l z 。声音信号的频率范围为2 0 i - i z 3 4 0 0 h z ，所 以采样频率要求为8 0 0 0 h z ，因此a d 5 0 在锁相环工作目n ；4 时可满足要求。 1 2 北方工业大学硕士学位论文 2 a 扩展存储器模块 c 5 4 0 2 内部的1 6 字的d r a m 存储器，在默认的状态下，即可以映射到程序空 间，也可以映射为数据空间，但它内部没有非易失存储器以保护代码【2 6 】。因此必 须外扩非易失存储器。根据系统设计用途和使用目的不同，可选择不同的 b o o t l o a d e r 方式，因而外扩存储器类型不同，所配置的空间也不同。考虑到以后在 本系统的设计中，选择使用并行1 6 位引导方式，这样所扩展的非易失存储器，必 须配置到数据区，来保存程序源代码。c 5 4 0 2 系统进行外部程序存储器扩展的主要 原因是内部的程序区容量不够使用，或者是内部的存储器被单一用做数据区使用， 这时也必须外扩以加载运行程序。 本系统在设计时同时外扩了程序区和数据区存储器。在选择具体的芯片时，主 要考虑了一下的系统要求：低电压工作、接口速度、容量、时序要求等因素。 c 5 4 0 2 内部设有软件可编程等待发生器，对不同的地址空间可设置不同的存取 等待周期，以便和不同速度的器件接口。设计接口的重点是接口时序的分析设计， 然后由控制逻辑生成所要求的控制时序。 2 a 1 片外f l a s h 硬件接口设计 对于d s p p 部的非易失性存储器，除了要求有并行接口外，还要考察存取速度、存 储容量等指标嗍。c 5 4 0 2 的处理速度为1 0 0 m i p s ，可得每一个指令周期为1 0 n s 。c 5 4 0 2 在 使用外部存储器接口读写数据时，通过设置寄存器，可插入最多1 4 个等待周期，相当 于延长了d s p 读写外部存储器的周期，降低了对外部存储器存取时间的要求。 ( 1 4 + 1 ) 6 2 5 = 9 3 7 5 n s ，所以c 5 4 0 2 可以支持存取时间在9 0 n s 以下的外部存储器。 由于( 2 5 4 0 2 的总线电平为3 3 v ，因此选择存储器器件时考虑用3 3 v 器件，数据总线 宽度必须为1 6 位。 对于存储器容量，c 5 4 0 2 的并行引导方式最多支持1 6 k 字长的程序，而f l a s h 作为一 种非易失存储器，在本系统中用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保 存的用户数据等，依据这两点可以选取外部存储器所需的最小存储容量。 出于上述因素的考虑，选用低功耗的s s t 3 9 、4 0 0 a _ 7 c e k 作为非易失性存储 器。它是2 5 6 k 1 6 大小的f l a s h 芯片，存储器内部组织成区、块、片结构，可根据使 用要求进行分别擦除。供电电压3 3 伏，数据读取时间为7 0 n s ，贴片封装。d s p 与f l a s h 之间的硬件连接电路如图2 1 0 所示。其中，a 1 7 至_ a 0 为外部地址管脚，d 1 5 至d o 为1 6 条 1 3 北方工业大学硕士学位论文 数据线，c 腊为片选控制管脚( 低有效) ，o 删为输出控制管脚( 低有效) 。w e # 为写入控制 管脚( 佣：有蜘，其数据、地址线与d s p 的数据、地址线直接连接。 s g b 9 v f 4 0 0 a 幽2 1 0d s p 与f l a 册之同的电路接口设计 2 4 2 片外s r a m 硬件接口设计 与f i a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大 大高讯a s h 存储器，且具有读，写的属性，因此，s r i r 怂脚e 系统中主要用作程序的运 行空间、数据及堆栈区。当系统启动时，硎喵先从复位地址处读取启动代码，在完成 系统的初始化后，程序代码调a , s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度。同时，系统 及用户堆栈、运行数据也都在s 工) r a m 中 在本系统中，选用高速、低功耗的c y 7 c 1 0 2 1 v 3 3 作为外部静态s r a m ，将 c y 7 c 1 0 2 1 v 3 3 作为t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的片外存储器，实现在d s p 外部扩展6 4 k 字 的程序存储空间。3 3 v 供电，c y 7 c 1 0 2 1 v 3 3 存储器大小为6 4 k x l 6 b i t ，存取速度为 1 2 a s ，只需加入个等待周期，最高工作频率可以达到9 0 m h z ，最大峰值功耗为 5 7 6 m w ，满足系统使用要求。d s p 与s r a m 之间的硬件连接电路如图2 1 1 所示，其中 1 4 - 北方工业大学硕士学位论文 a 1 5 至a 0 为外部地址管脚，d 1 5 至d o 为1 6 条数据线，o e # 和w e # 分别为读使能和写 使能，c e # 为片选信号，b h e # 和b l e # 接低电平，选择1 6 位数据模式。 3 3 v c y 7 c 1 0 2 l v 3 3 - 1 2 z c 图2 1 1d s p 与s r a m 的电路接口设计 2 4 3 读写控制时序设计 d s p 的读写信号线r w # 是复用的，高电平时是读状态，低电平为写有效。但扩展 的f l a s h 芯片和s r a m 芯片，它们要求独立的读写信号和选通控制，它们之间的差异 由控制逻辑来协调。表2 1 列出了它们的读写控制要求。实现d s p 与f l a s h 、s r a m 连接的组合逻辑电路如图2 1 2 所示。 1 5 北方工业大学硕士学位论文 表z l 存诸器读写控；刍! 情号 信号 c e0 ew e 状态 芯片 s r a mllh 读 lxl 写 hxx 高阻 f l a s hllh 读 lhl 写 hxx 高阻 s w i t c h 3 s w d f 4 图2 1 2d s p 与f l a s h 、s r a m 连接的组合逻辑电路 2 5 u s b 欺 在进行一个u s b 设备开发之前，首先要根据具体使用要求选择合适的u s b 控制 器。目前，市场上供应的u s b 控制器主要有两种：带u s b 接口的单片机( m c u ) 或 纯粹的u s b 接口芯片。 带u s b 接口的单片机从应用上又可以分成两类，刁瞧是选用设计成标准u s b 控制 器的底层芯片，比如c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 3 5 1 3 ( 低速) 、c y 7 c 6 4 0 1 3 ( 全速) ，这类 芯片是完全按照u s b 协议设计的，但由于其结构不同于其他常用控制芯片，开发者需 1 6 北方工业大学硕士学位论文 要较长的学习时间，不利于快速开始一个项目。另类是采用具备u s b 通信功能的普 通单片机，例如h 1 钯l 公司的8 x 9 3 1 ( 基于8 0 5 1 ) 、c y p r e s s 公司的e z - u s b ( 基于 8 0 5 1 ) ，选择这类u s b 控制器的最大好处在于开发者对系统结构和指令集非常熟悉， 开发工具简单，是目前常用的一种方案，但对于简单或低成本系统，价格高将会是最大 的障碍。 纯粹的u s b 接口芯片仅处理u s b 通信，必须有一个外部微处理器来进行协议处理 和数据交换。典型产品有p h i l i p s 公司的p d i u s b d l l ( 1 2 c 接口) 、p d i u s b d l 2 ( 并行 接口) ，n s 公司的u s b n 9 6 0 3 9 6 0 4 ( 并行接口) 等。u s b 接口芯片的主要特点是价格 便宜、接口方便、可靠性高，尤其适合于产品的改型设计，硬件上仅需对并行总线和中 断进行改动，软件则需要增加微处理器的u s b 中断处理和数据交换程序、p c 机的u s b 接口通信程序，无需对原有产品系统结构作很大的改动。 在本系统中选用p 蛐酗公司的p d i u s b d l 2 ，它是种价格便宜、功能完善的并行 接口芯片，支持多路复用、非多路复用和d m a 并行传输p d i u s b d l 2 接口芯片遵从 协议u s b l 1 ，适合于不同用途的传输类型。p d i u s b d l 2 需要外界微控制器( m c u ) 来进行协议处理和数据交换，它对m c u 没有特殊要求，而且接口方便灵活，可利用 p h i l i p s 公司的固件结构来缩短开发时间、降低风险、减小投资嗍嘞。 2 5 1p d i u s b d l 2 芯片简介【3 川口1 1 3 2 ( 1 ) p d i u s b d l 2 芯片特性 符合通用串行总线u s b1 1 版规范 高性能u s b 接口器件集成了s mf 球o 存储器收发器以及电压调整器 符合大多数器件的分类规格 可与任何外部微控制器馓处理实现高速并行接口2 m 字节秒 完全自治的直接内存存取d m a 操作 集成3 2 0 字节多结构f o 存储器 主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输 在批量模式和同步模式下均可实现l m 字节秒的数据传输速率 具有良好e 特性的总线供电能力 在挂起时可控制l 丝y c l o c k 输出 可通过软件控制与u s b 的连接 采用o o o d l 蜮术的连接指示器，在通讯时使u d 闪烁 可编程的时钟频率输出 1 7 北方工业大学硕士学位论文 符合a c p iq 州o w 和u s b 电源管理的要求 内部上电复位和低电压复位电路 有s 0 2 8 榔s o p 2 娃 装 工业级操作温度4 0 + 8 5 - 高于8 k v 的在片静电防护电路减少了额外元件的费用 具有高错误恢复率( 9 9 绚的全扫描设计确保了高品质 双电源操作3 3 - j ：