（电路与系统专业论文）基于主从结构的dsp教学演示系统设计与实现.pdf

f ! 、j 0 i c l a s s i f i e di n d e x ：t n 91 1 7 2 u d c ：6 2 1 3 8 d i s s e r t a t i o nf o r t h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g d s pt e a c h i n gd e m o n s t r a t i o n s y s t e md e s i g na n d i m p l e m e n t 厶江i o nb a s e do n m a s t e r s l a v es t r u c t u r e c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： s u b s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： s h i t a i j i a p r o f p a n gz h i f e n g p r o f w a n gx i a o j u n m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c i r c u i t sa n ds y s t e m s n o v e m b e r ，2 0 0 9 d e c e m b e r ，2 0 0 9 h e b e iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乃天铜乙 指导教师签名： 力。口弦l - 月z 7 日 珈7 f 硒新尹 年f 瑚z 7 日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 囱不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：石1 i = 侈 指导教师签名： 沙oc 7 年耽月7 日 廖新手 加7 年，z 月7 日 0 摘要 摘要 随着信号处理技术的发展，数字信号处理技术已经成为我国实施以信息化带动 工业化战略的桥梁，已渗透到科学研究、技术开发、工业生产、国防和国民经济的 各个领域，取得了丰硕的成果。 数字信号处理也成为相关专业本科生培养中，继信号与系统、通信原 理等课程之后的- - 1 7 专业技术课。数字信号处理的英文缩写是d s p ，包括两重 含义：数字信号处理技术和数字信号处理器。目前我国本科生开设的数字信号处理 课程大多侧重在处理技术方面，由于课时安排和其他一些原因，通常的特点是注重 理论推导而忽略具体实现技术的介绍。导致学生在学习了数字信号处理课程之后并 不能把所学的理论知识与实际的工程应用联系起来，表现在他们做毕业设计时即使 是对学过的只是也无法用具体的手段来实现。 本文针对这一问题，首先介绍了数字信号处理教学的现状和相关基本原理。然 后结合d s p 芯片，设计了基于主从结构的d s p 教学演示系统。可以动态加载各种 实验程序，可以对数字信号处理课程中的实验进行直观的演示。通过视觉和听觉加 深学生对所学数字信号处理知识的理解，激发他们的学习兴趣。并在此基础上，对 基于m f c c 的语音识别算法进行了研究，在演示系统上进行了验证。 关键词主从结构；动态加载；d s p ； 语音识别；教学演示；m f c c ； 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g yh a sb e c o m ec h i n a sb r i d g eo ft h es t r a t e g yt op r o m o t ei n d u s t r i a l i z a t i o nw i t h i n f o r m a t i o n i z a t i o na n dh a ss e e p e dt os c i e n t i f i cr e s e a r c h , t e c h n i c a ld e v e l o p m e n ta n d i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，n a t i o n a ld e f e n s ea n dn a t i o n a le c o n o m i cf i e l d sa n dh a sm a d eg r e a t a c h i e v e m e n t s t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g , a l s ob er e l a t e dm a j o r si nt h ec u l t i v a t i o no fr e l e v a n t p r o f e s s i o n a lu n d e r g r a d u a t e ，f o l l o w i n gt h e “s i g n a la n ds y s t e m a n d “as p e c i a l i z e dc o u r s e s e c t i o n ”t h ea b b r e v i a t i o no f “d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g i sd s p , w h i c hi n c l u d st w o m e a n i n g s ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r c u r r e n t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc o u r s e so f c h i n e s eu n d e r g r a d u a t em o s t l yf o c u s e do nt h e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , d u et os c h e d u l i n ga n ds o m eo t h e rr e a s o n s ，u s u a l l yi sc h a r a c t e r i s t i c o ft h et h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n di g n o r et h ei n t r o d u c t i o nt h er e a l i z a t i o nt e c h n o l o g y i t m a k e st h a tt h es t u d e n t sc a nn o tc o m b i n et h et h e o r yt h e yh a v el e a r n e dw i mt h ep r a c t i c a l e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na f t e rt h e yl e a r nt h ec o u r s e i tm a n i f e s t e di n t h a tt h e yc a nn o t r e a l i z eb yu s i n gs p e c i f i cm e a n se v e nt h a tt h e yh a v el e a r n e dw h e nt h e yd ot h e i rg r a d u a t i o n d e s i g n b a s e do nt h i sp r o b l e m ，f i r s t l yt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t a t eo fe d u c a t i o no fd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ，a n d i n t e r r e l a t e dh a sp r i n c i p l e t h e nd e s i g n i n gad s pt e a c h i n g d e m o n s t r a t i o ns y s t e mw i mm a s t e r - s l a v es t r u c t u r e i tc a nl o a d i n ge x p e r i m e n tp r o g r a mo f d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s i n gd y n a m i c a l l y , d e m o n s t r a t i n gt h ee x p e r i m e n t so fd s pc o u r s e 。i t c a l le n h a n c et h eu n d e r s t a n d i n go fk n o w l e d g ew h a tm e yl e a r nt h r o u g hv i s i o na n dh e a r i n g a n ds t i m u l a t et t l e ：i ri n t e r e s ti nl e a r n i n g a n do nt h i sb a s i s ，m f c c - b a s e ds p e e c hr e c o 咖t i o n a l g o r i t h m sh a v e b e e ns t u d i e di nt h ed e m o n s t r a t i o ns y s t e ma n dv e r i f i e d k e y w o r d m a s t e r - s l a v es t r u c t u r e ； t e a c h i n gd e m o n s t r a t i o n ； d y n a m i cl o a d ；d s p ；s p e e c hr e c o g n i t i o n ； m f c c ； u 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第1 章绪论1 1 1 数字信号处理教学现状1 1 2 数字信号处理的实现1 1 3d s p 芯片的发展历程2 1 4 课题的背景和意义3 1 5 论文结构安排4 第2 章硬件平台设计“5 2 1 硬件体系结构：“5 2 2m s p 4 3 0 单片机，一6 2 3t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的特点7 2 4c o d e c ”8 2 4 1 a i c 2 3 的特点一8 2 4 2a i c 2 3 的使用方法9 2 5 存储器设计：l2 2 5 1 外部数据存储器”1 2 2 5 2 外部程序存储器1 7 2 6d s p 与单片机接口1 7 2 7 串口电路”1 9 2 8 本章小结1 9 第3 章动态加载”2 0 3 1b o o t l o a d e r ”2 0 3 1 1b o o tl o a d e r 概念”2 0 3 1 2b o o tl o a d e r 模式”2 0 3 1 3h p ib o o tl o a d e r 方法2 2 3 2 主从结构”2 2 3 2 1主从结构2 2 3 2 2 主从结构的优点”2 3 3 3 程序下载”2 4 i i i 河北科技大学硕士学位论文 3 3 1h e x 文件2 4 3 3 2h e x 文件的格式2 4 3 3 3工程中段的处理2 5 3 3 4h e x 文件生成方法2 6 3 4 数据下载2 7 3 5 本章小结2 9 第4 章实验设计3 0 4 1c o d ec o m p o s e rs t u d i o 3 0 4 2c 5 4 x 信号处理库3 0 4 3f i r 滤波器实验3 2 4 3 1f i r 滤波器的特点3 2 4 3 2f i r 滤波器定义3 2 4 3 3f i r 滤波器特性”3 3 4 3 4f i r 滤波器的结构3 3 4 3 5f i r 滤波器的d s p 实现3 4 4 3 6d s p 实验程序设计3 4 4 4i i r 滤波器实验一3 6 4 4 1i i r 滤波器的特点3 6 4 4 2i i r 滤波器的结构3 7 4 4 3i i r 滤波器的d s p 实现3 8 4 4 4d s p 实验程序设计3 8 4 5 快速傅里叶变换实验4 0 4 5 1 傅里叶变换的意义山“4 0 4 5 2 离散傅里叶变换4 1 4 5 3快速傅立叶变换4 1 4 5 4 快速傅里叶变换的d s p 实现4 2 4 5 5 正弦信号振荡器“4 3 4 5 6d s p 实验程序设计4 5 4 7 f l a s h 烧写实验4 7 4 7 1现场f l a s h 编程4 7 4 7 2d s p 实现”4 7 4 8 本章小结”4 8 第5 章语音识别算法的实现一4 9 5 1 语音识别系统的分类4 9 i v i 目录 5 2 语音识别原理4 9 5 3 预处理5 0 5 4 特征提取5 0 5 4 1m f c c ”5l 5 4 2 计算方法51 5 5 端点检测“5 2 5 5 1 短时能量”5 2 5 5 2 短时平均过零率5 3 5 5 3双门限法”5 3 5 6 模式匹配5 4 5 6 1 d t w 算法5 4 5 6 2d t w 的改进算法5 6 5 7 定点编程”5 8 5 8 语音识别的d s p 实现? 5 8 5 8 1控制方式”5 8 5 8 2 提示音烧写”5 8 5 8 3 程序流程5 9 5 9 本章小结“6 1 第6 章上位机程序设计6 2 6 1 单片机程序设计”6 2 6 1 1程序下载”6 2 6 1 2 下载单个数据“6 3 6 1 3d a t 文件下载6 3 6 2 上位机程序设计6 4 6 2 1 串口通信6 4 6 2 2画图”6 4 6 2 3f i r 上位机程序设计6 5 6 2 ai i r 滤波器实验上位机程序设计6 6 6 2 5f f t 实验上位机程序设计6 6 6 2 6 语音识别软件设计6 7 6 2 7f l a s h 擦写上位机程序设计”6 8 6 2 8 下载其他实验6 9 6 3 本章小结7 0 结论7 1 v 河北科技大学硕士学位论文 参考文献7 2 攻读硕士学位期间发表论文7 4 致谢”7 5 0 河北科技大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 数字信号处理教学现状 数字信号处理作为信号和信息处理的一个分支学科，对信号在时域及变换域的 特性进行分析、处理，能使我们对信号的特性和本质有更清楚的认识和理解，得到 我们需要的信号形式，提高信息的利用程度，进而在更广和更深层次上获取信息。 随着科学技术的飞速发展，数字信号处理技术已经成为我国实施以信息化带动 工业化战略的桥梁，已渗透到科学研究、技术开发、工业生产、国防和国民经济的 各个领域，取得了丰硕的成果。 目前，数字信号处理已成为国内许多高校电子信息工程专业本科生必选的专业 课程【1 1 。课程的任务是使学生牢固掌握离散时问信号和系统分析的基本原理和基本分 析方法，深入理解离散傅里叶变换的基本原理，学会应用离散傅里叶变换快速算法 解决信号分析问题的方法。掌握数字滤波器的设计原理和实现方法，学会信号谱分 析的基本方法，为学生进一步学习有关信息方面的课程打下良好的理论基础。 “数字信号处理 课程的特点是理论性强、抽象概念多，起点高、难度大、数 学推导严密。同时，又是- i - j 实用性强，理论内容丰富且涉及知识面广的课程。 “数字信号处理”课程在教学时间中已显现出不相适应的问题，课程体系上以 系统分析为主，信号分析为辅，重在介绍一般原理与方法，其内容、分析方法和处 理技术方面的基本观念、基本体系逐渐与学科发展和技术进步不相适应；教与学的 过程在原理、方法、和应用三方面有所脱节【1 1 。为了改善这一不足，国内外的教育界 都在寻求一些改革途径。 目前，主要有以下两个方向 1 ) 使用m a t l a b ，l a b v i e w 等工具软件，对数字信号处理的算法做仿真。这类 方法主要是通过图像或者动画，对f f t 和滤波器等原理进行说明。 2 ) 引入已经在工程中广泛使用的d s p 器件，进行实验教学，指导学生完成数字 信号处理算法的实现，特别是实时实现。这类方法更接近实际，在帮助学生理解数 字信号处理知识的同时，还可以提高学生的学习兴趣。 1 2 数字信号处理的实现 1 ) 在通用的计算机上用软件实现。软件是可以自己编写的，亦可以使用现成的 软件包。这种方法缺点是速度太慢，不能用于实时系统，只能用于教学与仿真研究。 2 ) 用单片机来实现。单片机的接口性能比较良好，容易实现人机接口。但由于 单片机采用的是冯诺依曼总线结构，所以单片机系统复杂，乘法运算速度慢，很 第1 章绪论 难实现运算量大的实时控制系统。 3 ) 利用专门用于信号处理的可编程d s p 芯片来实现。与单片机相比，d s p 有 着更适合于数字信号处理的优点。如采用改进的哈佛总线结构，内部有硬件乘法器、 累加器，使用流水线结构，具有良好的并行特性，并有专门设计的适于数字信号处 理的指令系统等。d s p 芯片的这些特点使得对不允许延迟的实时应用非常理想。因 此，可以说，d s p 芯片的问世及飞速发展，为信号处理技术应用于工程实际提供了 可能。 4 ) 用f p g a 等可编程阵列产品开发a s i c 芯片实现数字信号处理算法。这一方 法由于具有通用性的特点并可以实现算法的并行运行运算，无论是作为独立的数字 信号处理器，还是作为d s p 芯片的协处理器，目前这都是比较活跃的研究领域。 5 ) 在通用的计算机系统中加上加速卡来实现。加速卡可以是通用的加速处理机 ，亦可以是由d s p 开发的用户加速卡。如果加速卡是用d s p 开发的用户加速卡，那 么在日益复杂的控制系统中，在d s p 芯片价格不断下降的条件下，这一方法应该是 很常用的。 1 3 d s p 芯片的发展历程 数字信号处理器( d s p ) 是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学 科。在通常的实时信号处理中，它具有可程控、可预见性、精度高、稳定性好、可 靠性和可重复性好、易于实现复杂算法、大规模集成等优点，这都是模拟系统所不 及的。 在数字信号处理技术发展的初期( 二十世纪5 0 - - 6 0 年代) ，人们只能在微处理 器上完成数字信号的处理。直到7 0 年代，有人才提出了d s p 的理论和算法基础。一 般认为，世界上第一个单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 1 。1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。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m pd 7 7 2 0 是第一个具有硬件乘法器的商用d s p 芯片，从而被认为是第一 块单片d s p 器件。 随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年美国德州仪器公司推出世界上第一代 d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品，标志着实时数字信号处理领域的重大突破。t i 公司之后不久相继推出了第二代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1 m s 3 2 0 c 3 0 c 3 l c 3 2 。9 0 年代d s p 发展最快，t i 公司相继推出第四代 d s p 芯片1 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 x c 6 7 x 等。 2 d ， 一一 河北科技大学硕士学位论文 随着c m o s 技术的进步与发展，日本的h i t a c h i 公司在1 9 8 2 年推出第一个基于 c m o s - i - 艺的浮点d s p 芯片，1 9 8 3 年日本f u j i t s u 公司推出的m b 8 7 6 4 ，其指令周 期为1 2 0 n s ，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个 高性能浮点d s p 芯片应是a t & t 公司于1 9 8 4 年推出的d s p 3 2 。 与其他公司相比，m o t o r o l a 公司在推出d s p 芯片方面相对较晚。1 9 8 6 年，该 公司推出了定点处理器m c 5 6 0 0 1 。1 9 9 0 年，推出了与i e e e 浮点格式兼容的浮点d s p 芯片m c 9 6 0 0 2 。 美国模拟器件公司( a d ) 在d s p 芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了 一系列具有自己特点的d s p 芯片，其定点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 1 2 1 0 3 2 1 0 5 、 a s d p 2 1 1 1 2 1 1 5 、a d s p 2 1 6 1 2 1 6 2 2 1 6 4 以及a d s p 2 1 7 1 2 1 8 1 ，浮点d s p 芯片有 a d s p 2 1 0 0 0 2 1 0 2 0 、a d s p 2 1 0 6 0 2 1 0 6 2 等。 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越来越广泛， 并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一 次加法) 时间已经从2 0 世纪8 0 年代初的4 0 0 n s ( 如t m s 3 2 0 1 0 ) 降低到i o n s 以下( 如 t m s 3 2 0 c 5 4 x 、t m s 3 2 0 c 6 2 x 6 7 x 等) ，处理能力提高了几十倍。d s p 芯片内部关键 的乘法器部件从1 9 8 0 年占模片区( d i ea r e a ) 的4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 数量增加一个数量级以上。d s p 芯片的引脚数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在 的2 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩展 和处理器间的通信等。 而且近年来出现了许多新型的d s p 芯片，如采用d s p + a r m 的方式，集成了更 丰富的外设资源，更有利于实现片上系统。 如l e n s l e t 公司的e n l i g h t2 5 6 光学d s p ，通过光学器件和硅器件相结合的方法， 每秒钟可执行2 4 0 0 亿次乘加( m a c ) 指令。 d s p 芯片的快速发展，也伴随着价格的降低，使用d s p 芯片作为辅助教学的方 法也得到了推广普及。 1 4 课题的背景和意义 在“数字信号处理”教学中，使用m a t l a b 等仿真软件进行课堂演示和使用 在“数字信号处理 教学中，使用m a t l a b 等仿真软件进行课堂演示和使用d s p 等器件进行试验教学对教学都有很大帮助，但这两种方法都有一些缺点。 使用仿真软件进行课堂教学这类方法虽然可以让学生明白数字信号处理一些原 理，但是大多数学生对这些仿真软件很陌生，所以这样进行课堂教学往往缺乏互动， 学生也很难将枯燥的图像演示和实际联系起来，难以将数字信号处理的知识应用到 实际中。 3 第1 章绪论 与使用仿真软件进行演示相比，使用d s p 器件实验教学更加贴近工程实际，可 以让学生在动手操作的过程中，加深对所学知识的理解。但是这类方法也有一些缺 点，大多数学生对d s p 器件往往非常陌生，指导学生完成这些实验需要更多的课时， 往往学生勉强做完实验也很难将这些实验与实际应用相联系。 针对上述两种方法的缺点，本论文提出基于主从结构的d s p 教学演示系统。 该系统采用单片机+ d s p 的主从结构，可以灵活地演示本科教学中数字信号处理 课程中的各个实验。 系统通过h p i 的方式加载程序，在d s p 中使用数字信号处理课程中的方法对经 a d 采样得到的信号或者自身生成的信号进行处理，然后经c o d e c 输出，并可以在 主机上对数据进行图形显示，学生可以通过听觉，视觉相结合来加深对所学知识的 理解。这样可以激发学生对学习课程的兴趣，将所学知识与实际应用联系起来。 并且在该系统的基础上，研究了基于m f c c 的孤立词、特定人语音识别算法， 并在实验演示系统上进行了验证。 本课题的研究对于提高学生对于数字信号处理课程的兴趣，改善教学质量有着 积极的意义。 1 5 论文结构安排 根据完成的工作，本文的内容安排如下： 第1 章主要介绍了数字信号处理教学的现状和本文的主要工作。 第2 章主要介绍对硬件结构和设计方法进行了介绍。首先对t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯 片和m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机进行简单介绍，然后对c o d e c ，存储器和串口电路等进行 了分述。 第3 章是程序的加载方法。对程序的动态加载方法进行了具体介绍，并用流程 图的方式进行了说明。 第4 章是实验设计。主要对实验的d s p 的实现进行了介绍。 第5 章是语音识别算法的实现。对基于m f c c 的语音识别的原理和实现方法进 行了介绍。 第6 章是上位机程序设计。对单片机上解析程序，下载程序的方法和上位机程 序的设计进行了介绍 第7 章是总结，对论文进行了总结，并对以后的研究方向进行说明。 4 河北科技大学硕士学位论文 第2 章硬件平台设计 2 1 硬件体系结构 硬件结构如图2 - i 所示。 甲 图2 - i 系统结构 f i g 2 - is y s t e ma r c h i t e c t u r e 演示系统的硬件结构采用单片机+ d s p 的主从结构。如图2 1 所示，由 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p ，c o d e c 等几部分组成。 其中p c 机通过串口与单片机连接，而单片机通过h p i 口与d s p 连接，d s p 实 验程序的加载采用动态加载的方法，动态加载程序的流程如下： 将实验程序编译、链接后生成的o u t 文件转换成h e x ( 十六进制文件) 后，p c 机读取h e x 文件，经串口传输到单片机上，单片机上解析h e x 文件，写入d s p 中， 实现程序的动态加载，通过动态加载的方法，可以通过加载不同的h e x 文件以演示 任意的实验程序。 在p c 机上也可以经过单片机将数据写入d s p 中，实现在同一个程序中，演示 出不同的实验效果，如f i r 滤波器实验，可以通过加载不同的系数，实现不同的效 果。 d s p 处理后的数据经c o d e c 输出，同时处理后的数据也可以通过单片机读出 第2 章硬件平台设计 后上传到p c 机上，在p c 机上进行波形显示，这样可以直观地显示处理后的结果， 还可以在d s p 上验证一些算法。 p c 机程序拥有完整的人机界面，主要完成读取程序和数据文件，配合单片机完 成程序数据的加载，对上传的数据进行波形显示等功能。 键盘和液晶屏，通过单片机上的人机界面完成人机交互的功能，实现对c o d e c 工作方式的控制，如音量大小，采样率。 f l a s h 和r a m ，作为外部数据程序存储器，其中f l a s h 是外部数据存储器， 在本设计中主要用来存储语音识别用到的提示音，也可以存储一些常数数据，如一 段音乐，也可以存放语音识别的模板。或者可以使用f l a s h 进行d s p 程序的并口 加载。r a m 作为外部程序存储器，主要用于突破d s p 内部r a m 的大小限制，演示 更大的程序。 2 2m s p 4 3 0 单片机 单片机采用m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机的m s p 4 3 0 f 1 4 9 ( 简称f 1 4 9 ) ，在本系统 中，f 1 4 9 单片机是d s p + 单片机的主从结构中的“主”的部分，主要配合p c 机上程 序完成d s p 程序加载、数据传输，对d s p 和c o d e c 的工作方式和状态进行控制。 m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机有以下主要特点【2 】： 1 ) 低电压，超低功耗。 2 ) 强大的处理能力。m s p 4 3 0 f 1 4 9 系列单片机为1 6 位的r s i c 结构，具有丰富 的寻址方式、简洁的指令、大量的寄存器以及片内的数据存储器都可以参加多种运 算，还有高效的查表处理方法，有较高的处理速度，在8 m h z 晶振下运算能力达到 了i m i p s ( 每秒执行1 0 0 万条指令) 。这些特点使该系列单片机采用c 语言开发仍能 有很高的效率，从而可以减少开发的周期，也可以实现程序的可移植性。 3 ) 系统工作稳定。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 系列单片机在上电复位后，首先由d c o c l k 启动c p u ，保证程序 从正确的位置开始执行，同时也保证了晶体振荡器有足够的起振和稳定时间。在程 序运行过程中，如果程序出错的话，可以设置看门狗来解决。 4 ) 丰富的外设资源 m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机根据不同的型号提供不同的外设资源，主要的外设资 源有定时器看门狗、比较器、串口、硬件乘法器、a d c 模块和丰富的端口资源。 5 ) 方便的调试功能。 m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机一般是基于f l a s h 型的，可以实现写入和擦除， m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机提供了j t a g 口，可以实现很好的在线调试仿真功能。通 过集成的i d e 开发环境，使用户很容易调试程序。开发工具能很好支持c 语言开发， 6 河北科技大学硕士学位论文 这样能缩短程序开发的时间，也保证程序的可移植性。 6 ) 代码保护功能。 该系列单片机具有代码保护功能，就可以防止程序被读出来进行拷贝，从而起 到保护知识产权的作用。 2 3t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的特点 d s p 芯片采用的是t m s 3 2 0 v c 5 4 x 系列的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ( 以下简称v c 5 4 0 2 ) d s p ，在本系统中，v c 5 4 0 2d s p 是单片机+ d s p 的主从结构的“从 的部分，运行 由p c 机加载的程序，从c o d e c 接受信号存储到内部存储器，进行处理后将输出的 结果从c o d e c 输出，还可以将输出存储到输出缓冲区，供主机读取，在主机上进 行波形显示。 v c 5 4 0 2 有以下的特点： 1 ) 哈佛总线结构 计算机的总线结构可分为两种。一种是冯诺依曼结构，其特点是程序和数据 共用一个存储空间。统一编址依靠指令计数器提供的地址来区分是指令数据还是地 址。由于对数据和程序进行分时读写，执行速度漫。但是半导体工艺的飞速发展克 服了这一缺陷，同时这一结构使计算机结构得到简化，并成为计算机发展的一个标 准。但由于原理上的特点，这一结构并不适合进行具有高度实时要求的数字信号处 理。哈佛结构与冯诺依曼结构相比，其主要特点是程序和数据具有独立的存储空 间，有着各自独立的程序总线和数据总线，大大地提高了数据处理能力，非常适合 于实时数字信号处理。t i 公司的d s p 芯片的结构是改进的哈佛结构，内部采用三个 并行的总线，程序读写总线、p a b ) 、读数据总线( d a b i ) 、写数据总线( d a b z ) ，每组 总线连接不同的存储器空间，使程序存储器与数据存储器成为独立的两个存储空间， 并且允许数据在程序存储器和数据存储器之间进行传递，这种结构允许取指令和取 操作数并行进行，增加了器件的运算速度。 2 ) 硬件乘法器 在通用的计算机上，算术逻辑单元( a l u ) r f l 皂完成两个操作数的加、减及逻辑运 算，而乘法( 或除法) 则是由加法和移位来实现。因此它们实现乘加运算就比较慢，而 在数字滤波算法中需要大量的乘加运算，在1 m s 3 2 0 c 5 4 x d s p 中有一个硬件乘法器， 可以在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法运算，可以大大提高数字滤波系统 的运算速度。 3 ) 流水线结构 ，i m s 3 2 0 c 5 4 ) s p 采用四级流水线指令操作方式，减少了指令的执行时间，提高 了处理器的吞吐量。任何处理器执行一条指令，总是要经过取指令、译码、读操作 7 第2 章硬件平台设计 数和执行指令四个阶段，需要若干个机器周期才能完成。t m s 3 2 0 c 5 4 x d s p 系列由于 指令和操作数来自不同的空间，同一时刻，可以有四条指令的不同阶段在并行处理， 尽管每条指令执行的时间仍然是几个机器周期，但由于指令的流水作业，实现了多 条指令的并行执行。 4 ) 高效指令集 数字信号处理运算的特点之一就是单一运算的重复执行，在通用的处理器中， 一般采用软件的方法来解决，基本方法是采用循环控制或指令重复，循环控制除了 在判断行环次数及操作转向上需要指令开销外，还会因d s p 流水线的频繁中断而造 成相当大的开销：指令重复的代价是增加了程序代码长度，占用更多的存储空间。 而在t m s 3 2 0 v c 5 4 xd s p 中设置了硬件循环控制电路，提供了重复指令，实现零开 销的循环控制。 所有这些优点使得d s p 非常适合来做数字滤波器的硬件电路t m s 3 2 0 c 5 4 x d s p 其硬件构成的几个主要部分包括：总线结构、中央处理单元、内部存储器及片内外 设等。 2 4c o d e c c o d e c 采用t i 公司的t l v 3 2 0 a i c 2 3 b ( 以下简称a i c 2 3 ) 语音解码芯片，本 系统中，c o d e c 主要对输入信号进行采样，如话筒输入和直通输入，验证一些算法， 如对输入信号进行幅频均衡、自动增益控制等。以声音的方式输出处理