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太原理工大学硕士研究生学位论文 嵌入式语音处理系统的设计及其在基音检测中的应用 摘要 语音处理是一个重要的科研领域，主要包括语音识别、语音编解码、 语音合成等学科分支。随着嵌入式系统的发展和人们对语音交互价值认识 的深入，二者融合的嵌入式语音处理技术逐步成为新的研究热点。作为嵌 入式系统的核心组件，面向数字信号运算的d s p 处理器也得到了推广应用。 课题以嵌入式语音处理为研究背景，通过分析语音处理系统的实际功 能需求，了解c 5 5 x 系列d s p 的硬件结构和特点，综合考虑多种因素，提 出了系统整体设计方案，选择了t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 作为主处理器进行嵌入式 语音处理硬件平台的搭建。 论文中详细介绍了电源电路、系统译码电路、存储器单元、复位和时 钟电路、音频处理单元、通信接口单元、人机交互单元、j t a g 仿真单元以 及扩展接口单元的设计原理和过程。其中存储器单元包括f l a s h 、s d r a m 和e e p r o m ，通信接口单元包括r s 2 3 2 、r s 4 8 5 r s 4 2 2 和u s b 主从接口。 设计中考虑了电路的信号完整性问题，并根据分析调整了电路设计。利用 c c s 开发平台对关键模块电路进行了测试，并初步探讨研究了系统基于 f l a s h 的自举引导。 基音检测是语音信号处理领域的一个重要部分，在语音识别、语音合 成等研究中有一定的应用价值，因此有必要将其在设计的硬件平台上进行 移植实现。论文通过对常用检测算法的分析比较，确定了选用自相关函数 法，并在此基础上添加了一定的预处理和后处理措施。在对算法的c 程序 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 进行定点修改设计后，通过分配存储空间，编写初始化程序，构建双缓冲 结构，最后将算法在平台上进行了移植实现，并做了相应的测试。整个基 音检测的实现思路以及基于d m a 构建的双缓冲结构具有通用性，因此也可 用于今后其它语音信号处理算法的实时实现研究。 关键词：嵌入式语音处理，d s p ，信号完整性，基音检测，双缓冲 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e s i g n o fe m b e d d e ds p e e c hp r o c e ss i n gs y s t e m a n di t sa p p l i c a r i o ni np i t c hd e t e c t i o n a b s l c t s p e e c hp r o c e s s i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l d s ，m a i n l y c a u d i n ) e e c h 一 ) e e c h g l g ，一yincluding s p e e c hr e c o g m l a o n , s p e e c he n c o d i n go rd e c o d i n g s p e e c hs y n t h e s i s ， a n do t h e rd i s c i p l i n eb r a n c h e s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e d s y s t e ma n di n c r e a s i n gu n d e r s t a n d i n go ft h a tp e o p l et ot h ev a l u eo fs p e e c h i n t e r a c t i o n ，e m b e d d e ds p e e c hp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi s g r a d u a l l yb e c o m i n ga n e wr e s e a r c h h o t s p o t a st h e c o r eo fe m b e d d e d s y s t e m ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) ，w h i c hm a i n l yf a c e st h ed i g i t a ls i g n a lo p e r a t i o na p p l i c a t i o n s ， i su s e dm o r ew i d e l y t a k i n ge m b e d d e ds p e e c hp r o c e s s i n gf o rr e s e a r c hb a c k g r o u n d ，b ya n a l y z i n g t h ef u n c t i o n r e q u i r e m e n t so fs p e e c hp r o c e s s i n gs y s t e m ，u n d e r s t a n d i n gt h e h a r d w a r es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co f c 5 5 x d s p ，c o n s i d e r i n gm a n yf a c t o r s ， w e p u tf o r w a r dao v e r a l ls y s t e md e s i g nm e a s u r e ，a n ds e l e c tt m s 3 2 0 v c 5 5 0 2a s t h ec o r et ob u i l dah a r d w a r e p l a t f o r mo fe m b e d d e ds p e e c hp r o c e s s i n gs y s t e m t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g np r i n c i p l ea n dp r o c e s si nd e t a i lo f p o w e r s u p p l yc i r c u i t ，s y s t e md e c o d i n gl o g i cc i r c u i t ，m e m o r yu n i t ，r e s e ta n dc l o c k c i r c u i t ，a u d i op r o c e s s i n gu n i t ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eu n i t ，h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o nu n i t ，j t a gs i m u l a t i o nu n i ta n de x p a n di n t e r f a c eu n i t i nt h em e m o r y d e s i g np a r t ，f l a s hd e s i g n ，s d r a md e s i g na n de e p r o md e s i g na r e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 i n t r o d u c e d t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eu n i td e s i g ni n c l u d e sr s 2 3 2i n t e r f a c e d e s i g n ，r s 4 8 5 瓜$ 4 2 2i n t e r f a c ed e s i g n a n du s bh o s t s l a v ei n t e r f a c ed e s i g n t h e s i g n a li n t e g r i t yo f t h et o t a lc i r c u i ti sa l s oc o n s i d e r e di nt h ed e s i g np r o c e s s w e a d ju s tt h ec i r c u i tt od e s i r eg o a la c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i n gr e s u l t s t h ep a p e r e x p o u n d st e s t i n g f l o w o ft h ek e ym o d u l ec i r c u i t s i n s y s t e mw i t hc c s d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a n dd i s c u s s e sp r e l i m i n a r i l y t h es y s t e mb o o t l o a db a s e do n f l a s h p i t c hd e t e c t i o ni sav e r yi m p o r t a n tp a r to fs p e e c hs i g n a lp r o c e s s i n gf i e l d ， w h i c hh a ss o m ea p p l i c a t i o nv a l u ei nr e s e a r c ho fs p e e c hr e c o g n i t i o no rs p e e c h s y n t h e s i s t h e r e f o r e ，i t sn e c e s s a r y t ot r a n s p l a n ta n dr e a l i z et h ed e t e c t i o n a l g o r i t h mo nt h ed e s i g n e dh a r d w a r ep l a t f o r m b yc o m p a r i n gt h ec o m m o n d e t e c t i o na l g o r i t h m ，w ec h o o s ea u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o nm e t h o d ，a n da d ds o m e p r e - p r o c e s s i n ga n dp o s t p r o c e s s i n gm e a s u r e s a f t e rd e s i g n i n g a n do p t i m i z i n g t h ef i x e d p o i n tcp r o g r a m ，w er e a l i z et r a n s p l a n t a t i o na n d t e s to ft h ea l g o r i t h m o np l a t f o r mt h r o u g ha l l o t i n gm e m o r ys p a c e ，w r i t i n gs y s t e mi n i t i a lp r o g r a m a n d e s t a b l i s h i n gd o u b l eb u f f e r s t h ee n t i r er e a l i z a t i o nt h o u g h t so fp i t c hd e t e c t i o n a n dd o u b l eb u f f e r ss t r u c t u r eb a s e do nd m at e c h n o l o g ya r ec o m m o n s ot h e y c a na l s ob eu s e df o rt h er e a lt i m er e a l i z a t i o nr e s e a r c ho fo t h e rs p e e c hs i g n a l p r o c e s s i n ga l g o r i t h mi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：e m b e d d e ds p e e c hp r o c e s s i n g ，d s p ，s i g n a li n t e g r i t y ，p i t c h d e t e c t i o n ，d o u b l eb u f f e r s i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 1 1 1 嵌入式系统 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 的最早出现可以追溯到上世纪7 0 年代，当时单片 机的兴起已使一些电子产品初步具备了嵌入式的应用特点，但由于大多使用的是8 位芯 片，只能处理一些单线程任务，所以还不是真正意义上的“系统 。在过去的四十多年 中，科学技术的发展日新月异，嵌入式系统产品已经充斥了我们生活的各个角落，世界 也因此变得更加丰富多彩。如今的嵌入式系统是融合计算机技术、半导体技术、微电子 技术甚至传感器技术与各种具体功能应用的产物，可以从一定程度和层面上反映现代科 技的发展水平。 嵌入式系统本身是一个比较模糊的定义，目前普遍认为嵌入式系统指非p c 的专用 计算机系统，以计算机技术为基础，应用为中心，软硬件可裁剪，能适应应用系统对功 能、性价比、体积、功耗等方面的严格要求( 1 】。系统结构通常分为硬件层和软件层两部 分，底层硬件层包括处理器、存储器、输入输出等，上层软件层包括操作系统和设备的 应用软件。相比于通用计算机系统，嵌入式系统功耗较低，可靠性高；功能强大，性价 比高；体积小，集成度高，使用方便灵活；实时性强，支持多任务；有一定的专用性， 面向特定应用；内核可灵活裁剪；投放市场应用后，生命周期较长。 嵌入式系统应用领域广泛，目前主要包括工业控制、交通管理、信息通讯、日常家 电、家庭智能管理系统、销售终端网络及电子商务、自然环境工程监测、机器人、机电 产品等，未来的发展趋势是绿色化、多样化、小型化、智能化，并能实现网络互联，提 供友好的人机交互界面。 1 1 2d s p 处理器 硬件层是嵌入式系统的核心，而嵌入式处理器是核心中的核心，主要用来控制、辅 助系统工作运行。从最初的4 位到现在的3 2 位、6 4 位，目前世界上出现的嵌入式处理 器已经超过3 0 多个系列，1 0 0 0 多个品种。这些处理器主要分为四类：嵌入式微处理器 m p u 、嵌入式微控制器m c u 、嵌入式d s p 处理器、嵌入式片上系统s o c t 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 d s p 处理器在通信技术飞速发展的背景下应用而生，主要面向于数据处理和运算， 其发展经历了三个阶段：7 0 年代理论先行，8 0 年代产品普及，9 0 年代突飞猛进。如今， d s p 主要应用于3 c 领域，即通信类( c o m m u n i c a t i o n ) 、计算机类( c o m p u t e r ) 、消费电 子类( c o n s u m e r ) 【2 1 。 相比于其它处理器，d s p 在实时高速数字信号处理方面占有明显优势，这与d s p 在硬件结构和指令运算方面的改进有关。d s p 采用哈佛结构，程序和数据空间分开，可 对指令和数据同时进行读写；片内集成有分块组织的r a m ，可通过独立数据总线同时 访问其中的两个块；支持相关硬件实现低开销或无开销循环及跳转；支持快速中断处理 和硬件i o ；具有多个硬件地址产生器，能在单周期内进行操作；集成专用运算单元， 能在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法；具有专门的寻址方式和指令集，可以并 行执行多个操作；支持流水线操作，取址、译码和执行可重叠进行吼 d s p 处理器提供商有t i 、a d i 、i n t d 、s i e m e n s 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 等，其中t i 是 典型代表。目前应用广泛的是t i 的t m s 3 2 0 系列，具体又分c 2 0 0 0 、c 5 0 0 0 、c 6 0 0 0 三 个子系列，c 2 0 0 0 主要应用于控制领域，c 5 0 0 0 更多为音频处理方案所采用，c 6 0 0 0 则 侧重于图像和视频处理。 d s p 是目前电子工业领域产品迅速增长点之一，以d s p 为核心处理器的嵌入式系 统产品在国民日常生活中所占比重越来越大。随着3 g 时代的到来和智能终端的出现， 未来d s p 产品将向着高性能、低功耗、加强融合和拓展多种应用的趋势发展 3 1 。 1 1 3 嵌入式语音技术 语言是人类沟通交流、获取信息的重要手段，语音是语言的声学表现。对语音信号 处理展开分析研究，途径和目标是多种多样的，涉及的学科也相互交叉、门类繁多，其 结果有着重要的社会意义和应用价值。总的来说，语音信号处理的分支主要有语音识别、 语音合成、语音编解码、语音通信、语音增强等，经过科研工作者几十个春秋的不懈努 力，语音技术的理论算法研究已经取得了重大的突破进展。 计算机技术的飞速发展，使人类萌生了将之与语音技术相结合，让计算机具备能 “听”会“说”能力的想法，这也是语音技术从理论研究转向应用实践的开始。随着嵌 入式产品的日益流行，语音技术也延伸到了嵌入式系统研究领域，人们越来越迫切的需 要使用基于语音的一种方便的、自然的人性化人机交互方式，嵌入式语音技术的提出研 究已是势在必行。作为战略性和前瞻性的重要新兴产业，嵌入式语音技术领域逐渐成为 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 国内外科学界和产业界的关注焦点和竞争热点，世界各国都力争取得关键技术突破，占 据产业先机位置，并取得对整个语音产业的领导权h 1 。 目前嵌入式语音技术已应用到以导航为代表的汽车环境，以手机为代表的移动通信 环境和以电子词典、数码电子为代表的随身学习、娱乐环境中【4 】，而实现手段通常采用 基于d s p 和语音芯片的嵌入式语音解决方案。这类系统需要注意的技术问题有：系统 资源的分配；使用环境的噪声鲁棒性情况；使用自然度要求；使用距离范围要求；语音 通道问题；功耗、体积、可靠性、实时性等【5 】o 智能终端的不断涌现将引领嵌入式语音技术的未来发展。在2 0 0 8 年美国国际消费 电子展的一次演讲中，比尔盖茨描述了下一个“数字十年”的发展趋势，将智能语音 技术视为未来技术发展三大关键趋势之首，认为智能语音将带来人机交互模式的根本性 变革f 4 】。随着嵌入式消费电子产品的日益普及、互联网络的不断发展以及人们对语音交 互价值认识的不断深化，语音技术的应用会越来越广泛，逐步真正地走进千家万户，造 福人类生活。 1 2 课题研究内容 1 ) 课题以嵌入式语音处理为研究背景，基于德州仪器公司的c 5 5 x 系列d s p t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 及其丰富的片上外设展开研究，详细论述了整个嵌入式语音处理平台的 搭建过程。研究中首先对t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 的硬件结构进行了学习了解，结合嵌入式语 音处理的实际需要，经分析后给出了系统整体解决方案，并具体详尽的阐述了各单元电 路设计的原理和过程。设计中充分考虑了整个系统的信号完整性问题，并根据分析添加 了一些保证信号完整性的措旅。硬件平台搭建完成之后，进一步对系统的关键模块进行 了功能测试，确保了平台的正常运行，以开展语音处理研究工作。相关模块测试序列的 设计包括d s p 初始化和相应外设功能软件两部分。为了缩短开发周期，d s p 初始化部 分设计时充分利用了t i 提供的各种a p i 库资源，结合平台具体的硬件环境，在其基础 上进行了相应修改。测试完成后，课题还对平台基于外扩f l a s h 的自举引导进行了初 步研究。 2 ) 基音周期是描述语音激励源的重要时域参数，语音信号处理中通常使用基音周 期和其它参数联合展开分析研究，而其较为广泛的独立应用是声调识别和音乐检索( 6 【7 1 。 基音周期的估计称为基音检测。由于声道特征因人而异，且具有易变性，基音周期的范 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 围又很宽泛，同一个人用不同情感发音时基音周期也不尽相同，加之基音周期还受到单 词发音音调的影响，因此要实现准确的基音检测并非易事【3 9 1 ，这也制约着基音检测的研 究停留在m a n a b 程序设计仿真阶段。课题基于已有的自相关函数( a u t o e o r r e l a t i o n f u n c t i o n ，a c f ) 检测法，围绕性能和速度两个方面，对算法进行了相应修改，加入了 一定的预处理和后处理。在使用m a t l a b 软件对算法进行验证之后，编写了算法的c 语 言程序，并做了定点化修改设计，同时在硬件实现架构中依据d m a 技术搭建了双缓冲 结构，最终确保了算法移植实现的准确性和实时性。 1 3 论文结构安排 第一章是绪论部分，首先依次介绍了嵌入式系统和d s p 处理器的基础知识、研究 现状和发展趋势。基于语音技术和嵌入式系统的结合，对嵌入式语音技术也做了简要阐 述，并由此引出了本课题的研究内容。 第二章首先对c 5 5 x 系列d s p 的硬件结构做了介绍，然后分析了t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 的特点和片上外设，并对d s p 系统的开发过程进行了简要说明。 第三章是本文的核心部分，嵌入式语音处理硬件平台的设计搭建是本文研究的出发 点也是最终目的。本部分首先给出了系统整体解决方案，然后详细阐述了各个单元电路 设计的原理和过程，最后对系统的信号完整性进行了分析。 第四章承接前一章内容，首先对软件开发平台c c s 作简要介绍，然后给出了系统 单元电路的测试序列，由于涉及模块较多，论文中只提供了语音处理研究中使用的关键 模块的测试流程，最后初步探讨研究了系统基于f l a s h 的自举引导。 第五章对应于本文的第二个研究内容。在简单介绍过基音周期和自相关函数法的基 础知识之后，阐述了检测算法的修改设计流程，并对c 程序的定点化和优化方法进行说 明。接着介绍了算法的移植实现，内容涉及存储空间分配、软件设计和硬件结构的搭建。 第六章是总结和展望。总结了论文所做的工作，并对课题的下一步研究内容提出建 议和展望。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章c 5 5 xd s p 处理器 2 1 世纪是数字化时代，数字化社会的进步推动了d s p 技术的蓬勃发展。d s p 处理 器逐步渗入了人类的生产生活中，成为电子产品世界的中流砥柱。德州仪器( t e x a s i n s t r u m e n t ，简称t i ) 公司作为全球最大的d s p 处理器提供商，其产品独树一帜，以雄 厚的实力占据了业界市场的半壁江山。在众多类型中，t i 把较为成熟流行的d s p 划分 为三大平台着重推广，分别是c 2 0 0 0 、c 5 0 0 0 和c 6 0 0 0 。各平台依据自身特点，侧重的 应用领域不尽相同，其中c 5 0 0 0 是1 6 位定点系列，目标应用为手持通讯产品和便携式 上网设备。该平台中t i 先后推出了c 5 4 x 和c 5 5 x 两个子系列，二者外设大体相同，但 相比于c 5 4 x ，c 5 5 x 具有更快的处理速度和更低的功耗，且d s p 代码与c 5 4 x 兼容。 2 1c 5 5 x 结构原理 c 5 5 x d s p 采用改良型哈佛结构，内核进行高度模块化设计，具体结构如图2 1 所 示。处理器内部包含5 个功能单元：存储器缓冲单元( m 单元) 、指令缓冲单元( i 单元) 、 程序控制单元( p 单元) 、地址生成单元( a 单元) 和数据计算单元( d 单元) 【引。 i 数据读数据蓉线b b c a ，d b ( 1 6 位) 年li i 数据读地址总线b a b c a b ，d a bc 2 3 位) llil 读程序敦蟹总线p b ( 3 2 9 t ) ii l i读翟序地址总线p a b ( 2 4 位) li li 且埘铂韭古磕 ， 1 ， l 、1， 11、， l ，- _ w 【 ，j 7 l ，；i c p u ：令 存储罂接口 l 鬻冀目粼国糕慧曰黜l 外部数据总线 单元( m ) ：= = = 今 liijl i写数据蒙据总线e b ，f b ( j 6 位) i 写致据地址总线乜心，f a b ( 2 3 位) 图2 1c 5 5 x 内核结构图 f i g u r e2 - 1 s 仃u c t u r ef i g u r eo f c 5 5 xc o r e c 5 5 x 内部有1 条3 2 位程序数据总线( p b ) ，1 条2 4 位程序地址总线( p a b ) ，5 条 1 6 位数据总线( b b 、c b 、d b 、e b 、f b ) 和5 条2 3 位数据地址总线( b a b 、c a b 、 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 d a b 、e a b 、f a b ) ，极大地扩充了寻址能力【8 j 。这些总线将各个功能单元连接，同时通 过m 单元与外部总线相连，以实现c p u 与外部存储器的数据交换。这种高度模块化的 多总线结构，使得c 5 5 x 拥有超强并行处理能力，大大提高了程序执行效率，实际运算 能力可以高达6 0 0 m i p s ( 百万条指令秒) 。 c 5 5 x 的程序和数据空间采用统一编址，其中程序空间按8b i t 字节进行编址，访问 时采用2 4 位p a b 读取相关字节单元；数据空间按1 6b i t 字进行编址，访问时采用字地 址，2 3 位地址左移一位，数据地址总线最低位强制填0 形成2 4 位地址值。 c 5 5 x 具有如此高的性能，还因为它提供了针对功能特点的硬件和软件设计。其中 主要硬件单元有：2 个1 7 1 7b i t 乘法累加单元m a c ，4 个4 0b i t 累加器a c c ，1 个4 0b i t 和1 个1 6b i t 算术逻辑单元a l u ，1 个4 0 b i t 桶形移位器，1 个3 2 x 1 6b i t 指令缓存队列， 4 个临时寄存器，8 个辅助寄存器等。软件方面，支持流水线操作，不同指令的不同阶 段在时间上相互重叠，提高了指令执行的速度；提供一些高效的并行指令和针对特殊运 算的专门指令；新增一些特殊的寻址方式。 c 5 5 x 采用增强的电源管理技术，可以持续监视内部单元，当检测到不工作单元时 便自动对其做断电处理，同时用户还可根据需要自由配置i d l e 域，设置d s p 的工作模 式。此外，c 5 5 x 还提供了丰富的片上外设。通过采用先进的半导体工艺，优化片内资 源管理，整体上实现了高性能、低功耗目标。 2 2t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 简介 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 是c 5 5 x1 6 位定点d s p 系列的典型代表，以改进的并行处理和功 耗控制技术获得了高性能和低功耗，特别适合于音频处理与无线网络通信的应用场合， 提供1 7 6 - p i np g f 封装，便于p c b 的制作，其功能框图如图2 - 2 所示，主要特点如下9 1 ： 1 c p u 一多总线结构：一条程序总线，三条数据读总线，两条数据写总线： 双1 7 x 1 7b i tm a c ，可实现6 0 0 m m a c s ( 百万次乘加运算秒) ； 叫ob i t 和1 6b i t 算术逻辑单元( a l u ) ，具有并行处理能力； 一工作频率可达3 0 0 m h z ，对应的指令周期为3 3 3 n s ； 一双电源供电机制：3 3 vi o 电压和1 2 6 v 内核电压，可实现低功耗。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 2t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 功能结构框图 f i g u r e2 - 2t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m 2 存储器 一片上有8 x 8 k b 的双存取r a m ( d a r a m ) ，1 6 k b 的i - c a c h e ，3 2 k b 的片内r o m ； 一最大可寻址8 m x l 6b i t 外部存储空间。 3 片上外设 一6 通道直接存储器存取( d m a ) 控制器，可独立于c p u 进行数据传输； 一3 个多通道缓冲串口( m c b s p ) ，提供与各种工业级串行设备的无缝接口； 一可编程模拟锁相环( a p l l ) 时钟发生器： 1 8 个复用的和8 个通用的i o 引脚，1 个专用输出引脚x f ； - - 8b i t 1 6b i t 并行主机接1 2 1 ( h p i ) ，方便主机访问片上存储器； 1 路6 4b i t 通用定时器，1 路6 4b i t 看门狗定时器，1 路d s p b i o s t m 计数器； 一1 路1 2 c 主从接口； 一1 路通用异步收发器( u m 玎) ，与m c b s p 2 通道复用； 一3 2b i t 外部存储器接1 2 1 ( e m i f ) ，可无缝连接异步静态r a m ( s r a m ) 、异步 e p r o m 、同步动态r a m ( s d r a m ) 、同步突发式r a m ( s b r a m ) 等； 一支持i e e e 标准11 4 9 1 边界扫描逻辑。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3d s p 系统开发流程 通常，使用d s p 进行应用系统开发的具体流程如图2 3 所示【1 们，本文中嵌入式语音 处理系统的设计也采用此流程方法。 i 根据系统功能 l 编写c 程序或 汇编程序 程序优化 l 汇编、编译、 链接生成 l 可执行文件 仿真调试 图2 - 3d s p 应用系统开发流程图 f i g u r e2 - 3d e v e l o p m e n tf l o wc h a r to f d s pa p p l i c a t i o ns y s t e m 设计前，要根据语音处理的具体要求展开分析研究，确立系统的设计目标。对于语 音信号处理的核心算法，应先使用m a u a b 软件进行仿真验证，根据输出结果分析数据 的范围和精度要求，确定系统性能指标。d s p 和外围器件的选择要根据功能要求、运算 速度、功耗、片上资源、价格等因素综合考虑。硬件设计开始后，首先应确定整体方案， 并画出框图，然后采用自顶向下或自底向上的思路分模块对各功能单元进行设计。p c b 设计完成后，使用相应的测试程序对焊接组装完成的硬件平台进行加电测试。 软件设计通常包含语音处理算法和功能程序两部分，其中功能程序主要完成对模块 电路的初始化配置，以驱动电路正常工作。设计时可以采用c 语言或d s p 汇编语言， 编写完成后要对关键程序部分进行迭代优化，直至满足系统的性能和实时要求。利用 c c s 软件开发平台，可以将整个程序经汇编、编译、链接后生成可执行目标文件，以软 件模拟或硬件在线仿真的方式进行调试。 系统硬件和软件调试完毕后，可以将程序直接烧写固化到硬件平台的存储器中，使 应用系统脱离p c 运行工作。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章系统硬件平台的搭建 3 1 硬件平台整体架构 结合对语音处理系统的要求，以1 i i 公司生产的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2d s p 和c o d c c 芯片 t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 为核心，充分利用d s p 提供的丰富片上外设，并结合实际需要，自行 扩展了一部分外围接口，设计出了性能高、功耗低、结构紧凑的嵌入式语音处理平台。 设计完成后，不仅可以在硬件平台上进行语音处理算法的前期测试和仿真，而且可以把 小型、成熟的算法移植固化到系统f l a s h 中，即可脱离p c ，构成具体的语音处理应用 系统，具有一定的实用性和通用性。系统硬件平台的整体结构框图如图3 1 所示。 立体声输入 麦克风输入 耳机输出 ( 立体声输出) d c 5 v 一螺单怒嬲8 0 1 叭 m c b s p + 1 2 c 音频接口单元：c o d e c 仿真单元：j t a g r s 2 3 2 叫u a r t u s b 通 信 接 口 照 兀 ! ：! 型童童! ：! t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 3 0 0 m h z 8 k x1 6b i ti c a c h e 3 2 k x1 6b i td a r a m 1 6 k x l 6b i t r o m 1 2 c i 串行e e p r o m 存i 3 2 k x 8 梳 储l s d r a m 单i 基本配置：2 m x 3 2 b i t j h l f l a s h i 基本配置：5 1 2 k x l 6b i t 显示单元：1 2 8 6 4 z w 1 6 舵 键盘单元：2 x 4 键盘 总线扩展 备用接口单元：m c b s p g p i o 、h p i 等 图3 1系统硬件平台结构框图 f i g u r e3 - 1 s 缸u c t u r eb l o c kc h a r to fs y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 2 系统单元电路设计 3 2 1 电源电路设计 电源是系统的动力所在，所以在系统硬件平台搭建时首先进行电源电路模块的设 计。为了降低功耗，t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 采用低电压、双电源供电机制，其i o 口供电电压 为3 3 v ，核心组件供电电压为1 2 6 v i 9 1 ，而且在扩展设计相应外设的过程中，系统还使 用了一些5 v 供电的芯片和模块，所以系统整体是一个多电源供给系统。电源电路设计 框图如图3 2 所示。 t p s 7 6 8 0 1q 图3 - 2系统电源设计框图 f i g u r e3 - 2 b l o c kc h a r to f p o w e rd e s i g n 系统的电压产生方案是：以d c5 v 作为电源输入，使用低压差线性稳压器( l d o ) t p s 7 6 8 0 1 q 和t p s 7 5 7 3 3 输出提供系统所需的3 3 v 和1 2 6 v 。 t p s 7 6 8 0 1 q 的输出电压可调，输入电压范围较宽：2 7 v - 1 0 v ，输出电流为1 a ，转 换效率可达9 8 ，具有快速瞬态响应特性和热关断保护功能【l 。t p s 7 6 8 0 1 q 以d c5 v 为输入，通过电阻分压网络产生1 2 6 v 电压，为处理器提供核心组件所需电源。 当输入电压符合要求时，t p s 7 5 7 3 3 具有固定的电压输出。它的输出电流为3 a ，转 换效率为9 7 【j 2 】。设计时以d c5 v 作为t p s 7 5 7 3 3 的输入电压，输出的3 3 v 为系统提 供外围总线接d 电压、存储器电源电压，同时用于对键盘单元、l e d7 段数码管、l c b 显示单元、通信接口单元以及扩展备用接口单元等提供工作电源。 系统电源设计原理图如图3 3 所示。其中j a c k 为d c5 v 输入端，s 1 为按键自锁 开关。当s 1 处于断开状态时，1 、2 管脚和4 、5 管脚分别相连；当s 1 处于闭合状态时， 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 、3 管脚和5 、6 管脚分别相连，电路处于接通状态。f b l 为快速熔断器，额定值2 5 a ， 若输入电流超过额定值会自动熔断，对整个电路起到过流保护作用。d b l 是一个6 v 的 稳压二极管，防止d c 电压输入大于6 v ，对电路起到过压保护作用。f b l 和d b l 共同 组成二级保护电路，防止电源接通时的振荡现象对电路造成不稳定影响。c 1 1 3 是滤波 电容。d 2 为5 v 电源指示灯，d 4 为3 3 v 电源指示灯。在尽可能靠近t p s 7 6 8 0 1 q 和 t p s 7 5 7 3 3 电源输入端处放置陶瓷旁路电容，以改善负载瞬态响应和噪声抑制特性。 图3 3系统电源设计原理图 f i g u r e3 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f p o w e rd e s i g n 太原理工大学硕士研究生学位论文 t p s 7 6 8 0 1 q 的可调输出电压由o u t 引脚、f b 引脚、r 1 0 1 和r 1 0 2 组成的外部分 压网络经分压后得到，分压电流限定在5 0ua 左右，r 1 0 2 选取参考值3 0 1 k q t t 。r 1 0 1 的阻值通过式3 1 求得： 洲= 鬯棚r 抛 。 其中v 0 = 1 2 6 v ，k f = 1 1 8 3 4 v ( 内部参考电压) ，由此计算r 1 0 1 = 2 i c q 。 对于多电源供电的d s p 系统，上电时应注意次序问题。若先给内核供电，这时不 会损坏芯片，只是没有输入输出而已；但是如果i o 口先于内核得到供电，则有可能使 d s p 引脚和外围器件引脚同时作为输出端，此时如果双方输出值相反，两输出端就可能 会因反向驱动出现大电流，从而影响器件的寿命，甚至损坏器件【1 3 】。所以设计时采用 t p s 7 6 8 0 1 q 的p g 输出端和n p n 型三极管m m b t 5 5 5 1 组成的电源分配开关来解决上电 次序问题。当t p s 7 6 8 0 1 q 获得稳定的1 2 6 v 输出电压后，p g 引脚输出有效高电平，q l 的基极加正向偏置电压，q 1 导通，t p s 7 5 7 3 3 的e n 抖引脚输入有效低电平，其被选通， 开始工作，输出3 3 v 电压，因此确保了正确的上电顺序。p g 为集电极开路输出引脚， 所以要接上拉电阻r 9 9 。r 1 3 为限流电阻。 3 2 2 系统译码电路设计 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 有2 4 位地址总线，3 2 位数据总线，程序空间和数据空间采用统一 编址，整个字节寻址范围是0 0 0 0 0 0 b f f f f f n l ，空间大小为1 6 m b ，片上存储器共占据 9 6 k b ，其中片内双存取r a m ( d a r a m ) 占据前6 4 k b ，片内r o m 占据后3 2 k b ，其 余存储空间被映射到由c e 0 # - - - c e 3 # 片选的4 个片外子空间，通过外部存储器接口e m i f 支配使用。c p u 采用2 4 位地址按字节访问程序空间，而当读写数据空间时，则采用2 3 位地址按字访问。两种情况下地址总线均采用2 4 位地址值，只是在访问数据空间时地 址值的最低有效位被强置为0 。 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 的整个存储空间的映射结构【9 】如图3 4 所示。片内r o m 是否使用 由c p u 存储器映射寄存器s t 3 中的m p n m c 位来决定。当m p n m c = i 时，片内r o m 被屏蔽，3 2 k b 存储空间被映射到c e 3 # 片选的外部存储空间中；当m p n m c = 0 时，片 内r o m 被映射到整个存储空间的后3 2 k b ，即f f 8 0 0 0 h f f f f f f h ，用于存放启动引导 代码b o o t l o a d e r 、启动模式跳转表、正弦函数值查找表以及中断向量表等。m p n m c 的 状态由系统硬件复位时b o o t m 2 ：0 的采样信号值决定。当b o o t m 2 ：0 = 0 0 0 b 或1 0 0 1 3 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 时，m p n m c = i ；否则，m p n m c = o 。 d 棚鼬u 雠自时 n r 删 l | 啪 d r 舢 i i k 驸i n r 誓b 雠自伸时 b r 驰 b r 糙 似嘲，蛐 n 冀i 雌 雠确伸 d r 7 i 觚蜘i e 柚b m d 锄匀，蝴 i i i i i n u i i 骞x 却h 碑 巳l 啊姻两_ 泔晌l b 鼬粕c e 2 却眦 l 撕l 丑蚋h 自由啊_ c 日却，鼢 岬挂塔韵敷勘峭 曩o 仁3 】陋磅 d 奠籼 t r o t 目哼_ l b 触h 懈两l l n u 盥 t r o t 确，- b r 韵 t r o td i ) n r 麒 t r o t 呐l n r 5 雕自- i i b 兔黻 t r o t 嘲- ， b 兔黼 雕蛳 f z m m a l c e o s p a ：e 瞄暑似两岫 自由朋c 翻皇_ 瞄 4 u 两目 e z b m 馓翱黼 牌两，叫 e z l m , m d 馏匀- * 岬嘲曩l pnc善0-翻pc曩 图3 - 4t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 存储空间映射 f i g u r e3 - 4 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2m e m o r ym 印 设计中主要对c e i # 片选控制的4 m b 空间进行了再分配，使用一片3 8 译码器 s n 7 4 l v c l 3 8 配合地址线a 2 1 - 1 9 对片选信号c e i # j 注行译码。系统译码电路原理图如 图3 5 所示。 经过译码之后，c e i # 空间被平均分成8 部分，每