基于DSP的语音采集系统硬件设计.doc

西安文理学院机械电子工程系本科毕业设计（论文）题 目 基于DSP的语音采集系统硬件设计 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 设计所在单位 机械电子工程系 西安文理学院本科毕业设计（论文）任务书题 目基于DSP的语音采集系统硬件设计学生姓名学 号专业班级指导教师职 称教 研 室毕业设计（论文）任务与要求设计一个由DSP控制的语音录放系统，要求设计硬件电路，由DSP芯片实现语音信号的采集，存储和回放功能。其中DSP芯片采用美国TI公司生产的TMS320VC5416-160型号，语音采集芯片为具有智能化的TLC320AD50C。本课题的任务与要求如下：1通过查阅相关资料，掌握DSP软硬件设计原理和设计方法。2. 掌握对TLC320AD50C的编程方法；掌握Protel进行电路设计的基本方法。3. 使用集成开发环境CCS编写程序，通过仿真调试器将程序下载至DSP存储芯片中并进行在线仿真调试。4. 利用软硬件资源完成系统的整体调试。5. 按照西安文理学院本科毕业论文（设计）工作规定撰写论文。毕业设计（论文）工作进程起止时间工作内容2010-3-12010-3-192010-3-202010-5-32010-5-42010-5-262010-5-272010-6-72010-6-82010-6-10利用学校图书馆电子阅览室和图书，查阅有关运用DSP设计的相关知识，收集资料，填写开题报告。根据设计方案，购买元器件并设计电路，检查错误并进行实验。根据相关资料和设计程序，完成全部论文内容，并写好任务书。指导老师审核。论文答辩。开始日期 2010-3-1 完成日期 2010-6-10 教研室主任（签字） 系主任（签字） 西安文理学院本科毕业设计（论文）开题报告题 目学生姓名学 号专业名称指导教师开题时间班 级一、选题目的和意义：目前，由于具有运算速度快、片上资源丰富和能够实现复杂的线性和非线性算法等特性，DSP已成为通信、雷达、声纳和消费电子产品等领域的基础器件，其中在图像、语音信号处理技术方面显得尤为突出。但是语音处理算法实现的前提是语音信号的录入和存储。本课题就是完成语音数据的采集、存储和回放。其控制核心采用TI的TMS320VC5416-160。技术指标：采样率2Khz-22.5Khz，录音时间约7s，工作频率为10Mhz-160Mhz，供电电压9V,系统功耗为40mA-100mA。数据采集使用具有智能化的语音数据采集芯片TLC320AD50C。通过本课题，能够掌握DSP硬件设计的基本方法，为今后从事DSP方面产品开发打下坚实的基础。二、本课题在国内外的研究状况及发展趋势：数字信号处理器是20世纪60年代前后发展起来的，并广泛应用于许多新兴领域的新型学科，进入70年代以来，随着电子计算机，大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）以及处理器技术的迅速发展，数字信号处理无论在理论还是在工程应用中，都是目前发展最快的学科之一，并且日趋完善和成熟。语音信号处理一直是数字信号处理的一个方向，广泛使用在通信，安防等各类工程应用中。在电子通信中，带宽很窄，因此只能将语音信号进行数字化处理后，才能进入信道进行通信；另外每个人都有独特的声音指纹（声纹），通过数字信号处理后提取出声音的特征，可广泛应用于安全防护，用户甄别等产品中。现在国内外都在努力开发语音处理系统，其某些研究已经成功应用于实际生活。三、主要研究内容：本课题需要重点研究的是DSP芯片的工作原理，程序算法的设计，以及外围电路的时序搭配。程序是系统的灵魂，通过程序算法的编写和调试，完成各个不同的功能；最终实现从话筒采集语音信号，存储并回放，完成整个系统的设计。在研究该课题之前要通过阅读相关DSP设计和程序算法的书籍，对DSP的工作原理有一个深刻的认识，对DSP的结构要深入到内部的每一个寄存器，以备后期程序编写时能够合理调用寄存器。同时必须能够熟练操作TI的DSP开发环境CCS，及Protel的使用方法，在电路设计中要加入仿真接口的设计。在设计过程中，分模块进行程序的编写并调试，待所有的模块都调试完成后，将程序汇总，烧写到存储器中，完成整体功能的运行。本课题的研究结果与实际应用基本一致，对于后期的语音算法研究与实验起了基础性的作用。指导教师意见及建议： 目前，数字信号处理器（DSP）以其独体的结构和快速实现各种数字信号处理算法的突出优点，发展十分迅速，并在通信、雷达、声纳、语音合成和识别、图像处理、影视、高速控制、仪器仪表、医疗设备、家用电器等众多领域获得了广泛的应用。因而，掌握DSP的软硬件开发方法是电子信息工程专业学生应具备的素质之一。通过本课题，学生能够较好地掌握DSP芯片的软硬件开发方法，为今后从事DSP开发方面的工作打下坚实的基础。同意开题。 签字： 年 月 日教研室审核意见： 签字： 年 月 日注：此表前三项由学生填写后，交指导教师签署意见，经教研室审批后，才能开题。西安文理学院本科毕业设计（论文）中期检查表题 目学生姓名学 号专业名称指导教师检查时间班 级毕 业 设 计（论文） 进 展 情 况本人在开题后及查找相关书籍进行学习，3月初基本有了整体的设计思路，再经过了2个星期左右的准备，于3月中旬开始着手芯片选型及原理的设计，参考SZDSP试验平台很快确定了初期方案，于3月下旬开始正式购买各种元件，然后开始绘制电路板走线图，使用的是PROTEL DXP电路设计软件。再次期间本人有很多问题都是与指导老师和同组的李超同学商讨并参考各种资料才得以解决的。目前工作基本上都是顺利按原计划完成，为了很好的完成本次设计，本人又重新学习了PROTEL及CCS工具的使用方法，但任务安排时间全在计划之内，4月初基本完成电路板的布线，目前正在进一步的检查漏洞，争取制板一次成功，预计4月中旬可以出图制作，4月下旬即可着手调试。 若按照目前的进度进行，基本可在5月下旬作品审核前完成,并留有充足时间进行论文书写及答辩的准备。指 导 教 师 意 见王家华同学对毕业论文题目的要求理解到位，明白完成该题目所需掌握的相关知识和技术。该同学动手能力较强，学习积极主动，设计进度较快，目前已完成大部分任务。签字： 年 月 日教研室意见签字： 年 月 日西安文理学院本科毕业设计（论文）指导教师评分表学生姓名王家华学 号02101060225专 业电子信息工程班 级06级2班毕业设计（论文）题目基于DSP的语音采集系统硬件设计设计（论文）起止时间 2010年3月1日 至 2010年5月28日指导教师评语：建议成绩：指导教师签名： 年 月 日西安文理学院本科毕业设计（论文）评阅教师评分表学生姓名王家华学 号02101060225专 业电子信息工程班 级06级2班毕业设计（论文）题目基于DSP的语音采集系统硬件设计设计（论文）起止时间 2010年 3 月 1 日 至 2010 年 5 月 25 日评阅教师评语：建议成绩：评阅教师签名： 年 月 日西安文理学院本科毕业设计（论文）答辩记录学生姓名王家华学 号02101060225专业名称电子信息工程答辩时间2010年5月28答辩地点指导教师刘渭清题 目基于DSP的语音采集系统硬件设计答辩小组成 员姓 名职 称姓 名职 称提问及回答情况记录： 记录人签字： 年 月 日答辩成绩：答辩小组组长签名： 年 月 日毕业论文成绩答辩委员会认定成绩毕业论文等级系（院）答辩委员会意见：负责人签名： 年 月 日注：1、毕业论文成绩=指导教师成绩40%评阅教师成绩20%答辩成绩40%；2、论文等级分优秀（90分）、良好（8089分）、中等（7079分）、及格（6069分）、不及格（60分）。基于TMS320VC5416的语音采集系统摘要：设计采用TMS320VC5416 DSP芯片及TLC320AD50C 语音芯片，制作了一个高精度语音采集回放系统。系统可实现对语音信号的无失真采样，满足后续的语音信号处理的要求，并可实现对语音信号录音回放或者经DSP实时处理放音等功能。本设计从硬件到软件提供了一套完整的解决方案。对于系统硬件部分，采用TMS320VC5416-160作为采集回放控制及算法处理器。TLC320AD50C作为语音信号AD/DA转换芯片，采用DSP的多缓冲串口通道进行接收中断方式读取数据，读取的数据分页存放在外扩的SRAM中，可通过JATG口读取采集的数据。系统配有AM29LV800B FLASH存储芯片用来存放程序、数据，掉电不丢失。系统软件部分采用CCS2.0集成环境及SZ-DSPF仿真平台进行设计及仿真,软件设计语言采用汇编及C语言进行编写，并给出了各个模块的驱动程序及详细软件实现方案。关键词：TMS320VC5416; TLC320AD50C; 语音采集; 录音回放Audio collection system based on TMS320VC5416Abstract：The design uses a TMS320VC5416 DSP chip and TLC320AD50C audio chip, the production of a high-precision audio capture playback system. System can realize the lossless audio signal sampling, follow-up of the voice signal processing to meet the requirements, and can realize the speech signal recording or playback of real-time processing by the DSP playback functions. This design from hardware to software to provide a complete solution. The hardware part, by collecting TMS320VC5416-160 as the playback control and algorithm processor. TLC320AD50C as a voice signal AD / DA converter chips, using DSP multi-channel buffered serial port receiver interrupt read data, read out the data page stored in the expansion of the SRAM can be read by JATG population data collected. System with AM29LV800B FLASH memory chips used to store programs, data, power down is not lost. Software part is CCS2.0 integrated simulation environment and the SZ-DSPF Design and simulation platform, software language using C language compilation and preparation, and gives the driver of each module, and details of software implementation.Key words：TMS320VC5416; TLC320AD50C; Audio collection; Recording playback目录目录第一章 绪论11.1 选题的目的与意义11.2 本课题的发展趋势11.3 本课题主要研究内容21.4 论文的结构说明2第二章 TMS320VC5416结构及原理32.1 哈佛结构32.2 流水线结构32.3 专用硬件乘法器42.4 特殊的DSP指令42.5 快速的指令周期52.6 硬件组成框图5第三章 语音采集系统的整体方案介绍63.1系统介绍63.2系统指标63.3系统结构框图63.4芯片选型方案73.4.1主芯片73.4.2语音处理芯片83.4.3语音放大芯片83.4.4存储芯片93.4.5显示芯片93.4.6电源芯片9第四章 语音采集系统的硬件设计104.1硬件电路设计104.1.1 电源设计104.1.2 存储模块设计124.1.3 DSP外围电路设计154.1.4 显示模块174.1.5 语音放大模块184.1.6 语音转换模块204.1.7 外围接口224.1.8 按键设计224.2硬件工具介绍234.2.1 DSP实验平台234.2.2 电路图设计工具244.2.3 硬件调试仪器24第五章 语音采集系统的软件设计255.1软件设计框架255.2驱动层软件设计255.2.1 DSP初始化设计255.2.2 AD50驱动设计275.2.3 存储驱动设计295.2.4 显示驱动设计305.3应用层软件设计325.3.1 按键设计325.3.2 采集回放设计345.3.3 显示应用设计355.4软件设计工具介绍35第六章 语音采集系统的应用测试376.1硬件测试376.2软件测试38结束语39致谢40参考文献41附录421硬件原理图422硬件布线图473主程序清单49第2页西安文理学院本科毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 选题的目的与意义目前，由于具有运算速度快、片上资源丰富和能够实现复杂的线性和非线性算法等特性，DSP已成为通信、雷达、声纳和消费电子产品等领域的基础器件，其中在图像、语音信号处理技术方面显得尤为突出。但是语音处理算法实现的前提是语音信号的录入和存储。本课题就是完成语音数据的采集、存储和回放。其控制核心采用TI的TMS320VC5416-160。数据采集使用具有智能化的语音数据采集芯片TLC320AD50C。通过本课题，能够掌握DSP系统的硬件及软件设计的基本方法，为今后从事DSP方面产品开发打下坚实的基础。表1.1 DSP与普通MCU的设计及应用前景对比普通MCUDSP54X软件设计8位/16位设计，应用多为简单控制，软件结构简单基本无算法要求16位/32位设计，应用多为高速算法处理，软件结构复杂稳定性要求高，有深入学习的必要硬件设计硬件接口少，可扩展应用能力较弱，外围电路结构基本固定，无太大的研究价值硬件接口全，兼容性和可扩展性强，高速应用时外围电路设计有一定的研究价值硬件结构单一有专用算法硬件结构工作频率10M20M100M500M指令支持简单语言汇编指令DSP专用指令集及精简指令集应用前景低成本，低要求产品（应用面窄）高速，高精度，专业级产品（应用面宽）1.2 本课题的发展趋势数字信号处理器是20世纪60年代前后发展起来的，并广泛应用于许多新兴领域的新型学科，进入70年代以来，随着电子计算机，大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）以及处理器技术的迅速发展，数字信号处理无论在理论还是在工程应用中，都是目前发展最快的学科之一，并且日趋完善和成熟。语音信号处理一直是数字信号处理的一个方向，广泛使用在通信，安防等各类工程应用中。在电子通信中，带宽很窄，因此只能将语音信号进行数字化处理后，才能进入信道进行通信；另外每个人都有独特的声音指纹（声纹），通过数字信号处理后提取出声音的特征，可广泛应用于安全防护，用户甄别等产品中。现在国内外都在努力开发语音处理系统，其某些研究已经成功应用于实际生活。DSP芯片走过了近30年的发展历程。1978年AMI公司发布了S2811，是世界上的第一款单片DSP芯片，接下来1979年美国Intel公司发布了2820芯片。在这之后，美国和日本的许多厂商都相继投入了DSP芯片的研制和开发工作。1982年后，作为后起之秀的美国德州仪器公司（TI）推出了TMS320系列的DSP芯片中的第一代产品TMS32011、第二代产品TMS320C25/C26/C28、第三代TMS320C30/C31/C32、第四代TMS320C30/C31/C32、第五代TMS320C5x/C54x。本设计选用的就是TMS320C54x系列的DSP芯片。1.3 本课题主要研究内容本课题需要重点研究的是DSP芯片的工作原理，程序算法的设计，以及外围电路的时序搭配。程序是系统的灵魂，通过程序算法的编写和调试，完成各个不同的功能；最终实现从话筒采集语音信号，存储并回放，完成整个系统的设计。在研究该课题之前要通过阅读相关DSP设计和程序算法的书籍，对DSP的工作原理有一个深刻的认识，对DSP的结构要深入到内部的每一个寄存器，以备后期程序编写时能够合理调用寄存器。同时必须能够熟练操作TI的DSP开发环境CCS，及Protel的使用方法，在电路设计中要加入仿真接口的设计。在设计过程中，分模块进行程序的编写并调试，待所有的模块都调试完成后，将程序汇总，烧写到存储器中，完成整体功能的运行。本课题的研究结果与实际应用基本一致，对于后期的语音算法研究与实验起了基础性的作用。1.4 论文的结构说明本论文分为六个部分:第一章：绪论简述本课题的研究内容和课题的研究必要性以及本课题的今后发展状况。第二章：TMS320VC5416结构及原理介绍了本设计中采用的TMS320VC5416 DSP处理器的原理及结构。第三章：语音采集系统的整体方案主要说明本课题设计的基础理论知识，介绍了各个芯片的选型方案，还介绍了本系统的技术指标及和整体设计流程。第四章：语音采集系统的硬件设计详细说明了硬件选型方案，各模块的电路原理及设计思路，还介绍了高速电路中布线的方法及设计时所需要考虑到的问题，及一些硬件调试方法。第五章：语音采集系统的软件设计详细介绍了各个模块的软件驱动设计方案及解决方法，给出了应用层软件设计的整体流程框图，还介绍了设计中所用到的软件工具及调试方法。第六章：语音采集系统的应用展示说明了该做品的具体应用方法，并将最终的设计成品在实际使用中的效果做以展示，给出测评和结论。第二章 TMS320VC5416结构及原理DSP 芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字信号处理的目的，DSP 芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。为了快速地实现数字信号处理运算，DSP 芯片一般都采用特殊的软硬件结构。下面以本设计中采用的 TMS320VC5416为例介绍DSP 芯片的基本结构。TMS320VC5416芯片的基本结构包括：哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP 指令、快速的指令周期。这些特点使得TMS320VC5416芯片可以实现快速的DSP 运算，并使大部分运算（例如乘法）能够在一个指令周期内完成。由于TMS320VC5416芯片是软件可编程器件，因此具有通用微处理器具有的方便灵活的特点。下面分别介绍这些特点是如何在TMS320VC5416芯片中应用并使得芯片的功能得到加强的。2.1 哈佛结构哈佛结构是不同于传统的冯诺曼（Von Neuman）结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯诺曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，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。取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，TMS320VC5416芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器（Cache）中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。如TMS320VC5416具有64 个字的Cache。2.2 流水线结构与哈佛结构相关，DSP 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。TMS320VC5416处理器的流水线深度从26 级不等。TMS320VC5416处理器采用二级流水线，第二代采用三级流水线，而第三代则采用四级流水线。也就是说，处理器可以并行处理26 条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。图2.1 所示为一个三级流水线操作的例子。图2.1 三级流水线操作在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行能完全重叠。在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态，每个指令处于不同的阶段。例如，在第N 个指令取指时，前一个指令即第N-1 个指令正在译码，而第N-2 个指令则正在执行。一般来说，流水线对用户是透明的。2.3 专用硬件乘法器在一般形式的 FIR 滤波器中，乘法是DSP 的重要组成部分。对每个滤波器抽头，必须做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，DSP 处理器的性能就越高。在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成。相比而言，DSP 芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。在TMS320VC5416芯片中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。从最早的TMS320VC5416实现FIR 的每个抽头算法可以看出，滤波器每个抽头需要一条乘法指令MPY：LT ；装乘数到T 寄存器DMOV ；在存储器中移动数据以实现延迟MPY ；相乘APAC ；将乘法结果加到ACC 中其他三条指令用来将乘数装入到乘法器电路（ LT），移动数据（DMOV）以及将乘法结果（存在乘积寄存器P 中）加到ACC 中（APAC）。因此，若采用256 抽头的FIR 滤波器，这四条指令必须重复执行256 次，且256 次乘法必须在一个抽样间隔内完成。在典型的通用微处理器中，每个抽头需要30 40 个指令周期，而TMS320VC5416只需4 条指令。如果采用特殊的DSP 指令或采用TMS320VC5416等新一代的DSP 芯片，可进一步降低FIR抽头的计算时间。2.4 特殊的DSP指令DSP 芯片的另一个特征是采用特殊的指令。2.2.3 节中介绍的DMOV 就是一个特殊的DSP 指令，它完成数据移位功能。在数字信号处理中，延迟操作非常重要，这个延迟就是由DMOV 来实现的。TMS320VC5416中的另一个特殊指令是LTD，它在一个指令周期内完成LT、DMOV 和APAC 三条指令。LTD 和MPY 指令可以将FIR 滤波器抽头计算从4 条指令降为2 条指令。在第二代处理器中，如TMS320C25，增加了2 条更特殊的指令，即RPT 和MACD 指令，采用这2 条特殊指令，可以进一步将每个抽头的运算指令数从2 条降为1 条：RPTK 255 ；重复执行下条指令256 次MACD ；LT, DMOV, MPY 及 APAC2.5 快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的 DSP 指令再加上集成电路的优化设计，可使DSP 芯片的指令周期在200ns 以下。TMS320 系列处理器的指令周期已经从第一代的200ns 降低至现在的20ns 以下。快速的指令周期使得DSP 芯片能够实时实现许多DSP 应用。2.6 硬件组成框图TMS320VC5416 DSP的基本结构围绕8条总线(4条程序/数据总线和4条地址总线)，有中央处理器(CPU)、存储器及片内外设与专用硬件电路三类。CPU包括算术逻辑单元(ALU)、累加器(ACC)、乘累加单元(MAC)、移位寄存器和寻址单元等。存储器包括片内ROM、单访问RAM(SARAM)和双访问RAM(DARAM)。片内外设与专用硬件电路包括片内各种类型的同步串口、主机接口、定时器、时钟发生器、锁相环及各种控制电路。图2.2 DSP硬件组成框图第三章 语音采集系统的整体方案介绍3.1系统介绍随着电子技术的发展，各种各样的语音处理系统对语音信号的采样精度要求是越来越高，并且各种高速处理芯片所要求的语音采样速率也是越来越快。针对各种不同要求的语音信号设计出了本系统，本系统可根据用户需要实现语音信采样，并可以根据要求的数据存储长度及方式进行存放供后续处理使用。本系统采用TI公司的TMS320VC5416 DSP芯片作为核心处理器，并采用TLC320AD50C 语音芯片进行AD、DA转换。本系统设计方案从硬件到软件全部应用于实际使用中，经试验已达到预期效果。3.2系统指标为了实现高精度的语音信号的采集与回放，整个系统的指标必须达到以下要求，特别是语音信号AD/DA转换时的保真问题，以及进行算法验证时语音信号的高速处理，系统指标如下：(1) 采样率：采样率可设置在2Khz22.5Khz范围，此采样率基本涵盖标准语音信号的大部分范围，从而保证了无失真采样，默认采样率为8Khz；(2) 工作频率：为满足后续高速算法应用时的需求，系统特采用PLL锁相环倍频方式使工作频率可设置在10Mhz160Mhz之间，倍频模式设计成了可由用户跳线的开关方式，从而方便用户手动设置，无需从程序入手，是考虑功耗及稳定性还是要求速度由用户自行决定；(3) 输入电压：为满足各种不同的输入电压，使用LM7805作为输入转换，输入电压可在DC 6V20V之间，标准为DC 9V电源，可使用9V电池；(4) 录音时间：为了演示方便，系统默认提供54K字存储空间，采样率为8Khz时录音时间约7S，录音结束后自动回放，另外系统配有外扩SRAM及FLASH，可使用分页存放方式以及块操作方式实现大量音频数据的存放功能。(5) 系统功耗：由系统工作频率以及放音设备的不同，系统功耗于40mA-100mA不等，默认工作频率100Mhz使用耳机作为放音设备时功耗小于60mA。3.3系统结构框图系统由DSP、电源、存储、按键、显示、语音采集、语音播放、外围接口几个模块构成，其中串口0的显示功能仅为调试时使用。图3.1 系统结构框图(1) 电源模块：由于TMS320VC5416-160 DSP的内核工作电压需要1.6V，I/O供电电压为3.3V，外围器件电压大部分是CMOS电平，MAX7219显示模块为TTL电平供电，所以需要提供5V、3.3V、1.6V三种电平同时供电。(2) 存储模块：本设计提供外扩8Mb FLASH存储空间，可用来存储程序，在DSP上设置成从FLASH上电加载程序即可，另外提供256Kb的程序、数据暂存空间，为DSP的高速运算提供了存储空间的保证。(3) 按键模块：提供4个中断方式的按键可供用户使用。(4) 仿真模块：本设计并未提供大部分设计中用到的TTL电平串口，因为配合USB仿真器同样可以实现调试、仿真功能，所以本设计中JTAG仿真口起到了程序下载、数据上传、仿真调试等多项功能，并且配合CCS仿真软件使用时，串口调试法就显得不太实用。(5) 显示模块：为了方便与用户互交，添加了8个8端数码管显示功能，设计中采用McBSP0多缓冲串口将串行数据发送给MAX7219芯片，由该显示芯片进行扫描方式显示，该模块的软件设计上采用C语言进行编写，方便用户二次开发时进行函数封装形式调用。(6) 语音采集回放模块：该模块采用McBSP1多缓冲串口进行通讯，与AD50通讯时工作在SPI模式下，AD50另一端连接硬件放大电路和功率放大电路，从而实现与外围设备的无缝链接。3.4芯片选型方案3.4.1主芯片TMS320VC5416TMS320VC5416是TI公司生产的一种性能价格比较高的16位定点DSP，它具有运算速度快、通用性能、接口连接方便特点，尤其适合在语音和通信中应用。在硬件上内部多总线结构保证在一个机器周期内可以多次访问程序空间和数据空间；指令执行时的多重流水线结构将指令周期降低到了最小值；多处理单元可以在一个指令周期内同时进行运算，而这种结构恰好满足了数字信号处理中的一些特殊要求如FIR、IIR、FFT等运算。在软件上7种有效灵活的寻址方式，仅为10ns的指令执行周期。总结下来VC5416有以下特点：增强型哈佛结构，一个程序总线，三个独立的数据总线；40bit的算术逻辑单元ALU；可寻址的程序空间达1M*16bit；4K*16bit片内ROM；16K*16bit双口片内RAM；软件可编程等待状态发生器；片内锁相环时钟发生器；两个多通道缓冲串口；增强型8bit并行HPI口；两个16bit定时器；六通道DMA控制器；节电模式IDLE1，IDLE2，IDLE3做功耗控制；单周期定点指令（100MIPS）执行时间为10ns。3.4.2语音处理芯片TLC320AD50CTLC320AD50C是TI公司生产的一种16位、音频范围(采样频率为222.05kHz) 、内含抗混叠滤波器和重构滤波器的模拟接口电路,它有能与许多DSP相连的同步串行通信接口。TLC320AD50C内还包括定时器(调整采样率和帧同步延时) 和控制器(调整编程放大增益,锁相环,主从模式) 。TLC320AD50C 将A/D和D/A转换功能集成在一起,采用-技术在低系统成本下实现了高精度的A/D和D/A转换,所以成为以TMS320C5416为CPU的DSP开发系统的理想配置。TLC320AD50C有28脚的塑料SOP封装（带DW后缀）和48脚的塑料扁平封装（带PT后缀），体积较小，适应于便携设备。AD50的工作温度范围是070，单一5V电源供电或5V和3.3V联合供电，工作时的最大功耗为120 mW。3.4.3语音放大芯片信号放大:TLC2272语音信号放大器采用美国德州仪器公司的TLC2272，是单芯双运放放大器，具有相当好的AC性能，有更好的输入失调电压、噪声和功耗性能，增益带宽为2 MHz，转换速率为3 V/s。功率放大:LM386功率放大采用美国国家半导体的LM386，LM386为音频功率放大器，具有静态低、工作电压范围宽、增益可调和失真度低等优点。3.4.4存储芯片FLASH: AM29LV800BAM29LV800BB-90EC是AMD公司生产的NORFLASH，访问时间90 ns，存储容量8Mbit，工作温度范围-55+125，在线编程电压3.03.6 V，低功耗读操作时电流为7 mA，编程擦除时电流为15 mA，DSP芯片使用时一般作为存储BOOT程序使用。SRAM: IS61LV25616ALISSI的IS61LV25616AL是一个256K*16位字长的高速率静态随机存取存储器。访问时间只有10ns，低功耗操作5mA。非常适合DSP程序存储器扩展时使用，甚至不用加入等待周期。3.4.5显示芯片MAX7219MAX7219是美信公司生产的一种高度集成的串行输入/输出共阴极驱动器，它具有集成度高，性能强，不闪烁，电路连接简单等优点。一片MAX7219可驱动8个7段（包括小数点共8段）数字LED、LED条线图形显示器、或64个分立的LED发光二级管。该芯片具有10MHz传输率的三线串行接口可与任何微处理器相连，只需一个外接电阻即可设置所有LED的段电流。它的操作很简单，MCU只需通过模拟SPI三线接口就可以将相关的指令写入MAX7219的内部指令和数据寄存器，同时它还允许用户选择多种译码方式和译码位。此外它还支持多片7219串联方式，这样MCU就可以通过3根线（即串行数据线、串行时钟线和芯片选通线）控制更多的数码管显示。与DSP连接仅需1个串口即可驱动8联数码管。3.4.6电源芯片5V: 78M05本设计中选用的78M05为江苏长江公司生产的3端5V稳压电源，最大工作电流可达500mA，该芯片具有稳定性好，工作范围宽（7V-20V），价格低廉等优点。3.3V&1.6V: TPS73HD301TPS73HD301为TI公司生产的双通道LDO线性稳压器，具有输出电压可调节的最大优点，本设计中用此芯片提供3.3V及1.6V DSP核心电压。第四章 语音采集系统的硬件设计4.1硬件电路设计4.1.1 电源设计电源电路中采用7805实现5V输出稳压，为5V器件提供TTL电平，并且为后继TPS73HD301的转换提供输入。TPS73HD301为双输出稳压电源，可提供一路3.3V的电源，为DSP及外围器件提供CMOS电平，另一路为可调电源，由于5416核心电压需要1.6V所以调整至1.6V输出。 图4.1 78M05设计参考 图4.2 本设计中的78M05模块电路78M05在使用时首先需要注意入口滤波电容和出口电容的选择，必须要求入口电容大于出口电容，且不能高出太多，否则可能会出现电源输出不稳定，输出电压值偏差较大等现象。其次再设计时必须要考虑到输出0.5A的电流是否能保证系统正常工作。最后在LAYOUT时必须设置大面积地来保证散热完全，并且要求滤波电容靠近7805的两边引脚，大滤波电容必须靠近总电源入口，这样才能保证将电源干扰降到最小。 图4.3 78M05布线设计 图4.4 总电源入口设计TPS73HD301电源转换原理与LM7805不同，LM7805内部将欲输出电压与实际输出电压使用稳压管进行差值比较，进行门开关输出控制，从而达到平衡输出的效果。而TPS73HD301内部结构较为复杂，将DC直流电源在内部变换为交流电的形式，通过外部所接电阻的不同，将不同的交流累积电平输出，在通过电容滤波实现DC输出达到电平转换的目的，所以该芯片可以在内部将5V DC输入电源变换为两路不同电平的DC输出。图4.5 TPS73HD301设计参考可以看到该芯片的输出电平是由电阻R1控制1路电压，电阻R2控制2路电压，该电阻的选择遵循以下公式：式4.1 R1、R2与输出电压的关系通过计算可得R1选择56K电阻R2选择169K电阻可以得到1路1.6V输出2路3.3V输出，同时值得注意的是R1与R2电阻需要选择精度为1%的电阻，否则可能会出现输出电压偏差。图4.6 本设计中的TPS73HD301模块电路在LAYOUT时同样要注意元件摆放和散热问题，需要注意的是TPS73HD301芯片背面为金属结构设计，布线时需要在背面打通孔时需要注意覆阻焊层。4.1.2 存储模块设计在设计存储模块时必须先要完全理解TMS320VC5416的内部存储结构，这样才可以正确的进行扩展存储空间的设计。VC54x的存储空间可以分为3个可单独选择的空间：程序、数据、I/O空间。这三个空间的总线地址范围为192K（有的器件外部程序存储空间可扩展到8M字）。程序存储器空间存放要执行的指令和执行中所用的系数表。数据存储器空间存放执行指令所要用的数据。I/O存储器空间可与存储器映像外围设备接口，也可以作为附加的数据存储器空间使用。 图4.7 TMS320VC5416存储器空间分配图在设计中我们首先需要考虑的问题是外部程序存放到何处才能实现掉电不丢失，并且能实现上电自举加载且自动运行，如图4.7我们可以看到，TMS320VC5416自举加载的选择过程。在硬件复位器件，如果VC54X的MP/MC引脚为高电平，表示DSP设置为微处理器工作方式，则从外部程序存储器0FF80h起执行用户程序；若MP/MC为低电平，表示DSP设置为微型计算机工作方式，则从片内ROM的0FF80h起执行选择自举方式的程序。在片内ROM的0FF80h地址上，有一条分支转移指令，以启动ROM中存放的自举加载器程序。图4.8 TMS320VC5416自举加载方式的选择过程在设计上选择通用的外扩FLASH的方法进行程序的存放，AM29LV800B为8M FLASH，在结构上该FLASH为地址总线与数据总线是分开的，所以我们可以断定为该程序加载的方式为图中的Parallel boot方式即并行口自举加载。在设计中需要将DSP部分引脚进行如下配置：1. MP/MC=02. INT2=13. INT3=1整个启动运行过程如下图：图4.9 上电从FLASH自举加载的全过程关于寄存器的详细设置、FLASH的操作方法、时序及BOOT表的构造方法请参见第五章软件部分。 图4.10 FLASH模块电路设计 图4.11 SRAM模块电路设计IS61LV25616为25616 SRAM，用作扩展DSP程序空间或数据空间。在硬件电路上可由用户手动配置存储器工作方式。在读写信号的处理上使用了CD4069反向芯片，使读写信号相分离可直接接入存储芯片，这样的设计省去了CPLD/FPGA芯片。如果为了更加简化设计可以直接使用晶体管工作在开关方式来实现反向信号。 图4.12 存储方式配置 图4.13 读写信号控制 在存储电路设计中布线时首要考虑的问题就是高速电路中控制信号等长线的问题，举例来说若果读写控制信号和数据信号长度相差太多，等读写信号到达存储器端后一段时间后，数据信号还没有到，在此等待期间如果第二个读写信号出现，但数据信号并没有跟上，则会在硬件上出现时序错误，这样的问题如果不注意，是非常难处理的，在设计中我们可以考虑走蛇形线等方式来解决此问题，这需要根据布线工具来选择方法，在本设计中使用的是Protel DXP 进行绘图，需要自行根据实际需要调节长度。图4.14 存储器高速设计中走线等长设计4.1.3 DSP外围电路设计DSP外围设计包含DSP时钟震荡信号、复位信号、工作方式、时钟方式设定等。在DSP时钟信号设计时选用20M无源时钟晶体震荡器，由内部振荡电路配合产生时钟信号，由程序控制PLL倍频实现不同频率工作，5416可达160MHz。DSP复位信号电路提供上电复位功能并可以手动复位。工作方式和PLL倍频方式可由硬件预置。 图4.15 时钟信号设计 图4.16 时钟及滤波电容走线设计 在时钟电路设计时需要注意到得是，无源晶体振荡的引脚必须经过1030pF的高频滤波电容然后接地，而且电容需要紧靠晶体振荡器，振荡器引脚需要紧靠DSP器件振荡信号输入引脚，值得注意的是如果使用的是有源晶体振荡器，则只需接X2/CLKIN引脚即可。同样需要注意的是DSP滤波电容需要紧贴各个电源入口引脚，如图4.16。 图4.17 复位电路设计 图4.18 时钟频率及工作方式选择设计在复位电路设计中，采用大电容充放电延时的原理实现上电复位和手动按键复位，如果想提高电路稳定性，设计中可以直接使用MAX811等复位芯片，可节约一些布线面积。图4.19 PLL倍频模式选择如图4.18所示，本设计中采用用户选择方式来设置启动方式，用户可根据图