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基于d s p 测试平台的相关算法在声源定位技术中的应用 摘要 相关检测是基于信号和噪声的统计特性进行检测的，可以在许多重要的 领域中得到实际应用。近二十年来，随着大规模集成电路技术和计算机技术 的发展，使得相关检测技术可以经济地被实现。一些基于相关技术的实用系 统也不断问世。声源定位是一个具有明确应用背景，又同时具有前沿技术特 点的问题。f f t 是时域信号和频域信号相互转换的有力工具，也是计算相关函 数的一种有效方法。 本设计就是尝试采用相关检测技术来对声源进行定位。我利用t i 公司性 价比很高的数字信号处理芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 设计了一套声源定位系统。该系 统可以对信号进行采集，并进行数据的相关算法处理。 本课题主要做了如下工作：首先设计了一套d s p - - v c 5 4 0 2 开发系统，在 该系统上开发了全部相关算法处理软件；然后设计开发了并行口对f l a s h 自 举的b o o t l o a d e r 程序，通过仿真器验证整个系统的运行是否正确。 通过本课题的研究，可以熟悉d s p 芯片的功能和资源，而且这个系统实 用性较强，稍加调整可用于管道检漏及距离或速度检测。利用d s p 进行相关 算法目前还很少见，本课题提供了一种新的思路。该开发系统资源丰富，还 可以进行d s p 其它方面的开发工作，为进一步在d s p 方面的开发工作奠定了 基础。 关键词：相关算法，声源定位，d s p ，f f t ，仿真 t h ea p p l i c a t i o no fc o r r e l a t i o n a l g o r l t h mt os o u n do r i e n t a t i o n b a s e do nd s pt e s t i n gp l a t f o r m a b s t r a c t c o r r e l a t i o nd e t e c t i o ni sb a s e do i ls t a t i s t i c sc h a r a c t e r i s t i co fs i g n a la n d n o i s e i ti sb e c o m i n ga l li m p o r t a n tm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ei nm a n y e n g i n e e r i n g f i e l d s i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i ta n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y ， c o r r e l m i o nd e t e c t i o nc a l lb ea c h i e v e dm o r ee c o n o m i c a l l y s o m e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no fc o r r e l a t i o nt e c h n i q u eg u s h e dc o n t i n u o u s l y t h es o u n d o r i e n t a t i o ni sap r o b l e mw i t hs t r a i g h t f o r w a r dp r a c t i c a lb a c k g r o u n da n da d v a n c e d t e c h n o l o g y f f ti sa ni m p o r t a n tm e a n si nt r a n s f o r mb e t w e e nt i m ef i e l d sa n d f r e q u e n c yf i e l d s i ti sa l s oa l le f f i c i e n tm e t h o di nc o r r e l a t i o na r i t h m e t i c t h i sd e s i g nt r i e dt oa p p l yc o r r e l a t i o nd i a g n o s i st os o u n do r i e n t a t i o n w e d e s i g n e d o n e s y s t e mu s i n gh i g hc a p a b i l i t yp r i c er a t i od s pc h i po f t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2o ft ic o r p o r a t i o n i tc a na c q u i r et h es a m p l i n gd a t aa n d p r o c e s s t h ed a t ab ym e a n so f c o r r e l m i o na l g o r i t h m t h em a i nw o r ko fd e s i g na r ef o l l o w s ：f i r s tw ed e s i g n e dd s p v c 5 4 0 2 d e v e l o p m e n ts y s t e m ；t h e nw ef i n i s h e dc o r r e l a t i o na r i t h m e t i cs o f t w a r eo l li ta n d s o f t w a r eo ff l a s hb o o t l o a d e r p r o g r a m ；f i n a l l yw ev a l i d a t e dt h es y s t e mb y j t a ge m u l a t o r a f t e rr e s e a r c ho ft h ep r o j e c t ，w ec a nb ew e l l i n f o r m e da b o u tt h e f u n c t i o na n dr e s o u r c eo fd s pc h i p t h ea p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e mt oo t h e rf i e l d s s u c ha sp i p e l i n el e a kd e t e c t i o na n ds p e e dm e a s u r e m e n ti se a s y c o r r e l a t i o n u t i l i z i n gd s pi s l a c k e db yn o w t h i sp r o j e c ta f f o r d e dan e wt h o u g h t t h e d e v e l o p m e n ts y s t e mc a nb eu s e di no t h e rd s p w o r kw i t hi t sr i c hr e s o u r c e ，s ow e l a yaf o u n d a t i o no f f a r t h e rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：c o r r e l a t i o n ，s o u n do r i e n t a t i o n ，d s p ，f f t ，e m u l a t e 引言 相关技术在信号和系统的分析和综合中占有重要位置，基于相关技术的检测系统也有 很多种。从本质上说，相关检测是基于信号和噪声的统计特性进行检测的，是两个时域信 号相似性的一种度量，能从噪声和其他无关信号中找出信号两部分之间或两个信号之间的 函数关系。相关检测可以在许多重要的领域中得到实际应用，大致包括以下几个方面：从 噪声中提取信号；渡越时间检测；速度或距离检测；系统动态识别。人们认识到相关技术 的重要性已经有很多年，近二十年来，大规模集成电路技术和计算机技术的发展，使得相 关检测技术可以经济地被实现。在检测数据处理和微弱信号检测领域，更多地使用相关技 术可使解决一些难于解决的问题成为可能，一些基于相关技术的实用系统也不断问世。 声源定位是一个具有明确应用背景，又同时具有前沿技术的特点问题，内容涉及压电 效应与传感技术，信号的转换、放大与检测，计算机接口和实验数据的处理等，综合性很 强。 f f t 是时域信号和频域信号相互转换的有力工具，也是计算相关函数的一种有效方法。 f f t 算法中有大量的乘法运算存在，采用一般的计算机或c p l d 可以实现算法，但是速度不 能达到要求。t i 公司的d s p 芯片都有硬件乘法器，使得乘法运算可在一个指令周期内完成， 实时处理能力很强。 本设计就是尝试采用相关检测技术来对声源进行定位。采用t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 为 微处理器，完成a d 、d a 的控制和基于f f t 的相关算法，从而确定声源的位置。主要的工 作有设计d s p 5 4 0 2 开发系统，包括最小系统、存储器扩展、函数信号发生器、音频接口模 块、输入输出扩展等；进行相关算法的研究，特别是对f f t 算法的优化等，缩短运行时间， 提高系统性能。 通过本课题的研究可以把握专业的发展方向，掌握微弱信号检测的方法，熟悉d s p 芯 片的功能和资源，利用d s p 的相关算法进行实时信号处理。而且这个系统实用性较强，稍 加调整可用于管道检漏及距离或速度检测。本课题提供了一种新的思路，同时在软件和硬 件方面的一些方案也有一定参考价值。 一相关检测原理与声源定位算法 ( 一) 相关检测原理 相关检测法是指利用两个传感器拾取声源发出的声波，对这两路声波信号进行互相关 分析，没有声波时，相关函数的值在零附近；有声波信号后，相关函数的值将发生显著变 化；另外当声源的位置不同时，两个信号的延迟时间就有区别，信号的相关函数的值就会 改变。因此，根据信号的相关函数信息，就可以由对声源的位置情况进行检测0 4 1 。 ( 二) 声源定位原理 图1 - ! 声源定位原理图 f i g l 1s c h e m a t i co f s o u n do r i e n t a t i o n 声源定位技术的工作原理如图卜1 所示。假设在q 点的声源发出声波信号，该声波信 号将以一定的波速v 向两端传播，安装在a 、b 两端的传感器分别在t 和( 什t ) 时刻检测 到这个信号( 这里假设q 点距离两个传感器的距离l a l b ) ，由于同时也有外部噪声的影响， 设a 、b 两端的传感器测得的信号样本函数分别为a 0 ) 、b ( d ，因而它们可以表示为以下 形式： a ( t 户f ( t ) + n a ( 0b ( t ) = f ( 什t 卜n b ( t ) 其中n a ( t ) 和n b ( t ) 分别为a 、b 两点的背景噪声。 对a ( t ) 、b ( o 进行相关运算： r ”( r ) = 熙( 争f 即+ ) 疵 ( 1 1 ) 为了处理数据方便，一般认为声波信号与噪声信号相互独立不相关，噪声信号n a ( f ) 和n b ( t ) 完全不相关，那么， r m ( f ) = 嬲哼1 ) j 巾) 几+ r 矽 ( 1 2 ) 当相关函数r m ( t ) 达到峰值时，所对应的t 值正好与两个传感器检测到的信号的时 间差相一致。由此求出to ，再测出两个传感器之间的实际长度l 和声波的传播速度v ， 源点q 的位置就可以用下面的公式计算出来 l a = ( l - o x v ) 2 ( 1 3 ) 或者l b 鼍l + o x v ) 2 ( 1 4 ) 由上面的分析可知，用相关法测量延时的特点是抵御噪声的能力强，只要干扰噪声与 信号不相关，测量结果就不受噪声影响，条件是计算相关函数的积分时间要足够长。 ( 一) t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 简介 二硬件电路设计 选择d s p 除了要充分考虑d s p 的数据处理能力和片内、片外的数据传输能力外，也不 能忽视d s p 的开发、调试环境。美国t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 x 系列是当今d s p 应用中的主流 产品，拥有强大的数字信号处理能力，而且与其配套的集成可视化开发环境c c s 功能强大， 它提供的c 编译器把标准的a n s i c 语言程序转换成d s p 能够识别执行的汇编语言代码，使 得d s p 应用程序的开发如虎添翼。 1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ( 以下简称c 5 4 0 2 ) 是德州仪器公司1 9 9 9 年1 0 月推出的性价比极高 的定点数字信号处理器( d s p ) 1 - 9 1 。与c 5 4 x 系列的其它芯片橱比，c 5 4 0 2 一推出就以其 独有的高性能、低功耗和低价格特性受到业内用户的欢迎。c 5 4 0 2 是一种特殊结构的微处 理器，为了达到快速进行数字信号处理的目的，采用将程序与数据分开的总线结构，流水 线操作、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。 0 0 7 f h 0 0 8 0 h 第0 页程序存储器第0 页程序存储嚣数据存储器 保留( o v l y = 1 l 或 外部( o v l y = 0 ) 片内d a r a m ( o v l y = d 或 外部( o v l y = 0 ) 外部 内部r o m 保留 中断( 片内) 0 0 7 f h 0 0 8 0 h 3 册i 4 0 ( 烛 f f 7 f h f f 8 0 h 保留( o v l v = 0 或 外部( o v l y = 0 ) 片内d a r a m ( o v l y = i ) 或 外部( o v l y = 0 ) 外部 中断 ( 外部) 0 0 7 f h 0 0 8 0 h 3 n 7 f h “l o o h e f f f h f 0 0 0 h f e 硐l 兀砌l n m m p m c 带= im p 舢。睁1 微处理器模式微处理器模式 表2 - ic 4 2 0 2 程序和数据存储器映射图 存储器映射寄存器 暂存寄存器 内部d a r a m ( 1 6 k 1 6 位) 外部存储器 d r o m = o 外部 d r o m = i 内部r o m d r o m = o 外部存储器 d r o m = i 保留 d r o m 控制的 数据存储空闻 t a b l e 2 - im e m o r y m a p o f t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 具有高性能的改进的哈佛总线结构，不同于传统的冯诺依曼结构的 并行体系，将程序与数据分别存储，独立编址，独立访问，三条独立的数据总线和一条程 序总线使数据的吞吐量提高了一倍，采用了8 级流水线，并行处理多条指令。c 5 4 0 2 具有 一个4 0 b i t 的算术逻辑单元，包括一个4 0 b i t 桶形移位器和两个独立的加法器：1 7 x1 7 b i t 的并行乘法器与专门的4 0 b i t 加法器相结合可以在一个并行指令周期内完成一次乘加操作 4 淼= = l l ( m a c ) 。具有专用于v i t e r b i 蝶形算法的比较、选择和存储单元( c s s u ) ；指数译码器 可以在一个指令周期内求一个4 0 b i t 累加数的指数值；两个地址发生器、八个辅助寄存器 和两个辅助寄存器算术单元( 灿认u ) g 单周期定点指令执行时间为1 0 n s 。 c 5 4 0 2 共有1 9 2 k 字1 6 位的存储空间，分为三种专门的存储器空间：6 4 k 的程序空间， “k 的数据空间和6 4 k 的i o 空间。存储器映射见表2 - 1 。在任何一种存储空间内，r o m ， r a m ，e p r o m ，e e p r o m 或存储器映射外设都可以驻留在片内或片外。c 5 4 0 2 片内具有 4 k 字的r o m 和1 6 k 字的d a r a m ( 双访问r a m ，一个r a m 块在一个机器周期内可被 访问两次) ，且这1 6 k 的d a r a m 被分成两个8 k 字的块来组织，可以使用户在同一个周 期内从同一块d a r a m 中取出两个操作数，并将数据写入另一块d a r a m 中，即完成两 次读或一次读和一次写操作。 c 5 4 0 2 可以采用分页方法扩展程序存储器，最大扩展程序区为1 0 2 4 k x1 6 b i t ，因此， 它有2 0 根地址线，并用一个存储器映像寄存器一程序计数器扩展寄存器x p c ( 映射到数据 存储器的0 0 1 e h 单元) 来指示扩展程序存储器的页号。软件编程时有六条专门寻址扩展程 序存储器的指令。c 5 4 0 2 的程序空间共分1 6 页，每页6 4 k 字。 片上外设具有软件可编程的等待状态发生器、可编程的分区切换等待状态；并行i o 口；一个增强的8 位主机接口( h p l 8 ) ；两个多通道缓冲串口( m c b s p s ) ；两个硬件定 时器；一个带有锁相环( p l l ) 的时钟发生器；一个直接内存访问控制器( d m a ) ( - - ) d s p - - 5 4 0 2 开发系统 d s p - - - 5 4 0 2 开发系统的核心部分是嵌入式v c 5 4 0 2 单元，为了方便调试，合理利用芯 片资源，作成了适配器而不是把它和其他部件设计在一块电路板上这样既可以单独作为 一块处理板使用，也可以插在母板上与其他资源配合使用。整个开发系统包括嵌入式 v c 5 4 0 2 、存储单元、d s p 与a d d a 的接口、信号发生器四个单元，图2 - 1 给出了整个系 统的结构框图。 图2 - 1d s p 一5 4 0 2 系统方框图 f i g2 - 1b l o c kd i a g r a mo f v c 5 4 0 2d e v e l o p m e n ts y s t e m 1 嵌入式v c 5 4 0 2 嵌入式v c 5 4 0 2 其实就是最小系统。主要设计有复位、电源变换、驱动隔离电路、扩 展接口、j t a g 接口、利用内部锁相环实现时钟倍频的外部时钟设置电路。 ( 1 ) 电源变换 图2 - 2 最小系统的电源电路 f i g2 - 2d i g i t a lv o l t a g er e g u l a t o ro f v c 5 4 0 2 6 v c 5 4 0 2 采用双电源供电机制，以获得更好的电源性能，其中内核电源电压为1 8 v ， i o 口电源为3 3 v 。因此需要从通用的5 v 电压产生。选用t i 公司提供的有两路输出的电 源芯片t p s 7 3 h d 3 1 8 ，它的输出电压一路3 3 v ，一路1 8 v 。每路电源的最大输出电流为 7 5 0 m a 。芯片还提供两个宽度为2 0 0 m s 的低电平复位脉冲。图2 - 2 是最小系统的电源变换 电路。 ( 2 ) 电平变换 v c 5 4 0 2 的i o 口的工作电压是3 3 v ，如果外围其他芯片的工作电平也是3 3 v ，那么 可以直接相连，但是考虑到许多外围器件的工作电压都是5 v ，因此不能将i o 口直接和外 围扩展的5 v 器件相连，必须加入电平转换和隔离器件。典型的就是数据线，必须进行隔 离。图2 3 是最小系统的电平变换和隔离电路。 本设计采用双电压供电的驱动器s n 7 4 a l v t h l 6 2 4 5 。它是t i 公司生产的3 3 v 和5 v 双向收发器，一个1 6 4 2 4 5 可以看作两个8 位收发器或一个1 6 位收发器。它由3 3 v 和5 v 双电源供电，收发的方向由两个方向控制端管脚( d i r ) 控制。它串在地址总线和数据总 线上，既可为d s p 提供驱动5 v 数字电路的能力，也可为d s p 提供5 v 信号读入的保护。 对于地址总线，只是输出信号，所以将同地址总线相接的1 6 4 2 4 5 的d i r 信号接高，使其 只完成从3 3 v 到5 v 的转换。使用1 6 4 2 4 5 ，总线就可以为扩展的多个外设提供可靠的接 口，解决了3 3 v 和5 v 混合逻辑设计问题。 ( 3 ) 复位和时钟电路 复位电路主要包括上电复位和硬件手动复位，每次复位要求有8 到1 0 个系统时钟周 期。因此要求适当的配置复位电路r c 网络。时钟电源主要利用数字信号处理器外部晶振 源，并通过内部锁相环控制电路，选择适当倍频倍数，为c p u 内部提供系统时钟。在系 统加电时将c 5 4 0 2 的倍频选择为2 ，即将c l k m d i 、c l k m d 2 、c l k m d 3 分别没置为l 、 0 、0 ，让d s p 工作在4 0 m h z 的频率，等加载完成之后再通过软件将c 5 4 0 2 的工作频率调 高到1 0 0 m h z ，使c 5 4 0 2 达到最大的工作效率。图2 4 是它的应用电路。 图2 - 3v c 5 4 0 2 的驱动隔离电路 图2 - 4d s p 复位和时钟电路 f i g2 - 3b u f f e ra n dd r i v e ro f v c 5 4 0 2 f i g2 - 4r e s e ta n dc l o c kc i r c u i to f d s p ( 4 ) 扩展接口 嵌入式v c 5 4 0 2 扩展了几乎所有的外围接口信号，方便以后扩展使用。以插槽的形式 扩展到母板上。各扩展引脚功能如下： p 1 口( 数据地址1 3 ) ：d g n d ，d 0 d 1 5 ，a 0 a 1 5 ，v c c ： p 2 口( 控制信号口) ：r e a d y ，p s ，d s ，i s ，r w # ，m s t r b ，i o s t r b ，m s c ，x f ， h o l d a ，从q ，h o l d ，b i o ，c l k r o ，c l k r l ，f s r 0 ，f s r i ，d r 0 ，d r l ，c l k x 0 c l k x i ，f s x o ，f s x l ，d x o ，d x i ，n m i ，i a c k ，i n t 0 i n t 3 ，c l k o u t ，r e s e t ： p 3 口( 主机接1 3 ) ：h d o h d 7 ；h p i e n a ，h d s l ，h d s 2 ，h b i l ，h a s ，h c s ，h r w 。 h c n t l 0 ，h c n t l l ，h i n t ，h r e a d y ： ( 5 ) j t a g 接口 硬件仿真器采用边界扫描技术和d s p 通过j t a g 口相连接。实现主机对d s p 芯片的 完全检测和控制，可通过j t a g 和相应的软件调试环境实现开发系统的硬件调试和软件的 8 再现调试开发工作。 j t a g 的定义如图2 - 5 所示。 e h u e l 7 】口 图2 - 5j t a g 接口 f i g2 - 5j t a g i n t e r f a c e 2 存储单元 s s t 公司的s s t 3 9 v f 4 0 0 a ，s r a m 采用g i g a 半导体公司生产的g s 7 1 1 1 6 。 闪烁存储器( f l a s hi v l o m o r y ) 是可以在线电擦写、掉电后信息不丢失的存储器 s s t 3 9 v f 4 0 0 a 是s s t 公司推出的2 5 6 k x l 6 位产品，可以直接与d s p 相接，具有以下主 要特点：可直接与3 3 v 的高性能d s p 接口，简化了系统的电源要求：最快的存取速度 高达7 0 或9 0 n s ，c m o s 工艺，具有1 0 0 0 0 次写入擦写寿命：低功耗灵活的块结构支 持整片擦除、块擦除、段擦除：块保护功能，具有防止对任何区段进行编程或擦除的硬 件保护机制：与j e d e c 标准兼容，引脚分布和命令集与单电源f l a s h 相兼容。有复位 引脚，可以和系统复位相连；有判断擦除、编程结束的引脚，可以是判断引脚d q 6 电位 恒定或d q 7 为1 。 g s 7 11 1 6 是一种高速c m o ss r a m ，其容量为6 4 k 1 6 b i t ，访问速度为1 0 、1 2 或1 5 n s ， 采用3 3 v 电源，输入输出电平与r r l 兼容，可以和c 5 4 x 实现无缝连接。 f l a s h 和s r a m 与d s p 的连接电路图如图2 - 6 ，c e # 、o e # 、w e # 和存储器空间分 配由逻辑单元译码产生，内部逻辑来讲这三个信号都是由d s p 的m s t r o b 、p s 、d s 和 r w # 经过组合产生。 9 图2 - 6 存储单元原理图 f i g2 - 6s c h e m a t i co f m e m o r y 3d s p 与a d c 、d a c 的接口 在d s p 的外围电路中，a d c 和d a c 是十分重要的器件它对于整个系统的精度有很大 影响。本设计要完成声音信号的采集与处理，选用t i 公司的t i _ c 3 2 0 a d 5 0 c t l 2 - 1 3 1 。设计中 以片上标准外设m c b s p 串口为中介，采用软件触发方式启动二次通讯从而成功地实现了 c 5 4 0 2 对a d 5 0 c 的访问。 ( 1 ) 多通道缓冲串口m c b s p t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 提供了两个高速、全双工的m c b s p t ”i 。m c b s p 是在标准同步串行口 的基础上增加了一个自动缓冲单元( a b u ) 。它提供了双缓存的发送寄存器和三缓存的接收 寄存器，具有全双工的同步或异步通信功能，允许连续的数据流传输：数据发送和接收有 独立可编程的帧同步信号：能够与工业标准的解码器、模拟接口芯片( a i c s ) 或其他串行 a d 与d a 设备、s p i 设备等直接相接：支持外部时钟输入或内部可编程时钟：每个串行口 最多可支持1 2 8 通道的发送和接收：串行字长度可选，包括8 、1 2 、1 6 、2 0 、2 4 和3 2 位： 支持1 1 l a w 和a - l a w 数据压缩扩展。a b u 利用独立于c p u 的专用总线，让串行口直接 1 0 读写c 5 4 0 2 的内部存储器，这样使得串行口处理事务的开销最省，并能达到较快的数据传 输速率。 m c b s p i 由数据通道和控制通道组成，它通过7 根管脚与外部相连，通过d x 和d r 引脚 完成与外部设备进行通信时数据的发送和接收，f 扫c l k x 、c l k r 、f s x 、f s r 实现时钟和 帧同步的控制，c l k s 为外部时钟源。发送数据时，c p u 和d m a 控制器将要发送的数据写 到数据发送寄存器d ) m ，然后送入发送移位寄存器( x s r 1 ，2 】) 中，在f s x 和c l k x 作用 下，由d x 引脚输出。接收数据时，来f l d r g i 脚的数据首先存放在接收移位寄存器( r s r 1 ， 2 】) 中，当一个完整的字接收完毕后，结果将被复制到接收缓冲寄存器r b r 【1 ，2 】，最后 再由r b r 1 ，2 】复$ 峥u d r r i ，2 中，在f s r 和c l k r 作用下，从数据接收寄存器d e r q ，读 出数据。接收和发送帧同步脉冲既可以由内部采样速率产生器产生，也可以由外部脉冲源 驱动，m c b s p 分别在相应时钟的上升沿和下降沿检测。m c b s p 串行口接收和发送时序图 如图2 7 所示。 。弧里咂 撇 ) 癸e 卜 i l s b 图2 - 7 m c b s p 时序图 f i g2 - 7 m c b s p t i m i n gw a v e f o r m 串行口的操作由串行口控制寄存器s p c r 1 ，2 】和引脚控制寄存器p c r 来决定；接收控 制寄存器r c r 1 ，2 】和发送控制寄存器x c r 1 ，2 分别设置接收和发送的各种参数，如帧 长度等。m c b s p 的控制寄存器采用子地址寻址方式访问。串行口子地址寄存器s p s a 用来 选择子地址，子数据寄存器s p s d 用于指定的s p s a 中数据的读写。 ( 2 ) 音频模拟芯片t l c 3 2 0 a d 5 0 c t l c 3 2 0 a d 5 0 c 是t i 公司生产的一种1 6 位、音频范围的模拟接口电路，它有能与许多 d s p 相连的同步串行通信接口。t l c 3 2 0 a d 5 0 c 将a d 和d a y p 专换功能集成在一起，采用 a 技术在低系统成本下实现了高精度的a d 和d a 转换，采样速率最高可达2 2 0 5 k b s ，其 典型信噪比为8 9 d b ，动态范围为$ s d b 在t l c 3 2 m d 5 0 c 内部d a c 之前有插值滤波器，a d c 之后有抽样滤波器，接收和发送可同时进行。同时t l c 3 2 0 a d 5 0 c 内部包含7 个控制寄存器 使用户可以串行方式对它的工作方式进行设置，包括复位，下电、采样率、f s d 延迟、放 大器增益、p l l 状态以及通信协议等。可采用5 v 单电源供电或5 v 的模拟和3 v 数字供电，支 持主从两种工作模式，并且最多支持3 个从设备。 ( 3 ) t i 正3 2 0 a d s o c 的操作 t l c 3 2 0 a d 5 0 c 可以工作在主、从两种模式下，由上电时m s # 管脚的电平决定。 t l c 3 2 0 a d 5 0 c 支持主通信和辅助通信两种通信模式，主通信专门用作正常的a d c 或d a c 传输数据；而从通信是用来设置或读出寄存器的值。两种通信模式下的时序如图2 8 所示。 黜巨巫_ 1 1 f 毫 d i 耳 l 曙 i f - k 一s c u 咖轴州蚺崎喇l s m 岫o 图2 - 8t l 3 2 0 a d s o c 时序 f i g2 - 8t l 3 2 0 a d 5 0 ct i r m n gw a v f f o n n s 在主通信模式中，帧同步脉冲周期包含2 5 6 个s c l k ，帧同步脉冲有效持续期为1 6 个 s c l k ，即等于数据宽度。在辅助通信模式时2 5 6 个s c l k 中存在两个帧同步脉冲，即辅助 1 2 豁 iiipil 通信总是紧随在主通信之后，两者各占1 2 8 个s c l k 。辅助通信模式可由硬件或软件两种方 式触发。在硬件触发方式下，t l c 3 2 0 a d 5 0 c 在f s # 上升沿采集管脚f c 的电平，如果为高则 下一个帧同步为辅助通信模式。外部器件也可以通过将d i n 上的数据的d o 位置l 来软件触 发辅助通信模式，当然此时a d s o c 必须工作在1 5 + 1 的数据格式下。 辅助通信数据格式如图2 9 所示，其中d 7 d 0 为控制寄存器数据，d 1 1 d 9 为控制寄 存器地址，d 1 2 = l 为读控制寄存器数据，d 1 2 = 0 对控制寄存器写数据，d 1 5 d 1 3 为片地址。 通过辅助通信，可实现a d 5 0 c 初始化和修改a d 5 0 c 内部控制寄存器。 o s l 5d s o 图2 - 9 辅助通信数据格式 f i g2 - 9t h es c c o n d a wc o m m u n i c a t i o nd a t af o r m a t t l c 3 2 0 a d 5 0 c 有1 6 位传送模式和1 5 + 1 位传送模式，可通过控制寄存器设定若采用 1 5 + 1 位传送模式，其中高1 5 位用来传送a d c 或d a c 的数据，d i n 上的d o 位用来表示下一帧 是否为辅助通信模式，而d o u t 位上的d o 位表示当前的数据是来自主设备还是从设备。 i m s 3 2 0 v c ，4 0 2 。1 1 c 3 2 0 a b j o s o c c l k o t r r a c l x r摹c l x b c l ，【xj b p s 冀舟 b p s xj 酋b 冀d o r r d n 图2 - 1 0a d 5 0 c 争d s p 典型连接图 f i 9 2 - 1 0 t y p i c a l a d s o c c o r a a e e t i o n t o d s p ( 4 ) t l c 3 2 0 a d s o c 与d s p 的连接 在应用中如图2 1 0 所示，将t l c 3 2 0 a d 5 0 c 接至d s p 的同步串口，并将t l c 3 2 0 a d 5 0 c 设成主动工作方式，即由t l c 3 2 0 a d 5 0 c 提供帧同步信号和移位时钟。 本设计因为要完成两路信号采集，所以选用两片a d 5 0 c 。将一片t l c 3 2 0 a d 5 0 c 设成 主动工作方式，而另一片t l c 3 2 0 a d 5 0 c 设成从设备工作方式。图2 - i1 是设置为主动工 作方式的t l c 3 2 0 a d 5 0 c 实际电路连接图。 图2 - 1 1t l 3 2 0 a d s o c 原理图 f i g r e2 - ii s c h e m a t i co f t l 3 2 0 a d 5 0 c 设计中将a d 5 0 c 的数字电接到3 3 v 电源；管脚m s # 经1 0 k 电阻拉高；选择i n p 和 i n m 作为a d c 的输入，将a u x p 和a u x m 接至模拟地；d a c 的正向输出o u t p 和反相 输出o u t m 经一阶低通滤波后送给模拟设备；管脚f c 接地，系统只能采取软件方式触发 辅助通信，数据格式为1 5 + i 比特；输入主时钟m c l k 为8 1 9 2 m h z ，采样频率选为8 k h z ， 且内部p l l 使能，因而控制寄存器4 中的n = 8 ；管脚f s d # 输出至从a d 5 0 c 的f s # 脚，以 实现从设备的同步。 ( 5 ) 音频输入输出模块 音频输入 音频输入可以采用三种输入模式：麦克输入、r i v i 输入和c d 输入。不同方式输入可 以通过放大处理前端的输入阻抗跳线来选择。语音前置放大电路采用偏置和差动放大技 术，并经过滤波和处理后输入到a d 5 0 c ，前端输入的电压范围为- 2 5 + 2 5 v 。经过变换 后输入到a d 5 0 c 芯片的差动信号范围为o 一5 v 。由于a d 5 0 c 内部有可编程增益和可编程 滤波电路，因此在转换前可进一步作前期处理。从而方便a d 转换电路的数据采集和d s p 内部的数据处理。 音频输出功率放大 图2 一1 2 音额输入原理图 f i g2 - 1 2s c h e m a t i co f a u d oi n p u t 音频输出通过数模转换后输出，由于a d 5 0 c 输出差动信号因此首先经过差动放大后 输出，语音回放终端选用功率为0 3 w 的扬声器，放大过程采用低通滤波防止高频振荡。 具体参见原理图2 1 3 。 图2 - 13 音频输出原理图 f i g2 - 1 3s c h e m a t i co f a u d oi n p u t 4 信号发生器 为了便于调试电路、测试软件而设计了基于m a x 0 3 8 芯片的信号产生模块。m a x 0 3 8 是美国马克西姆公司开发的新一代函数信号发生器。能精密地产生三角波、锯齿波、矩形 波( 含方波) 、正弦波信号。频率范围从o 1 1 - i z 2 0 m h z ，最高可达4 0 m h z ，各种波形的 输出幅度均为2 v ( p - - p ) 。占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不 影响。波形失真小，采用5 v 双电源供电，电源电流为8 0 i l 认，典型功耗4 0 0 m w ，工作 温度范围为0 7 0 c ，具有输出过载短路保护。电路原理图如图2 一1 4 所示； mmm 上m r ，r ”j忑 u 堕一 im 叫t l 荨 m 望邕 i n h k m 归 +计l 一 信号产生原理图 三软件设计 要由a d 采样、相关算法、d a 转换组成，同时开发了f l a s h 的并行 boooader。 ( - - d 采样1 参数 分使用t i 公司的t l c 3 2 0 a d 5 0 c ，它的最高采样率可以达到2 2 k h z 。考虑漏1 6 水声音信号一般是2 k h z 以下，传播速度为1 0 0 0 米每秒，设两路传感器相距5 0 米，则两路 信号最大延时为5 0 m s 。同时由于采样的数据要进行存储，要花费一定的时间，所以两路总 采样率控制在1 6 k 左右，采样点数为1 0 2 4 点，采样时间为1 0 2 4 1 0 k = 1 0 2 4 m s ，相关算法大 概需要几百l l s 时间，比样本存储建立时间少的多非常接近实时性。测试程序时，给a d 送 1 k h z 的正弦信号经过采样后，在数据区观察波形，基本不失真。在m c b s p 与a d s o c 的接 口中，将前者配置为从工作方式，而将后者配置为主工作方式，并由它提供共同的时钟源 和同步信号源，使得二者工作同步。a d 5 0 c 的采样频率由控制寄存器4 设置，当内部p l l 使能时：f s = m c l k ( 1 2 8 x n ) ，移位时钟s c l k 由采样频率导出，它等于采样频率的2 5 6 倍。m c b s p 与d s p 通过中断的方式进行联络，m e b s p 发送x i n t 或r i n t 中断信号，d s p 响 应中断，并跳转到相应的服务程序，进行数据的接收或发送。 2 软件实现 软件编程的主程序包括系统初始化，同时为了实现d s p 与串行a d d a 转换器之间的 正确通信，首先要正确初始化d s p 的串行口，然后通过d s p 串行口向a d d a 控制寄存器写 初始化控制字完成t l c 3 2 0 a d 5 0 c 各参数设置，设置中断等，子程序主要是中断服务子程 序，接收m c b s p 的数据。程序流程如图3 - 1 。部分初始化源代码如下： m c b s p 串行口初始化： s t m # s r g r l1 s u b a d d r ，s p s a l s t m # 0 0 0 0 1 1 ，s p s d l s t m # s r g r 2 1 s u b a d d r ，s p s a i s t m # 0 0 0 0 h ，s p s d l s t m # s p c r l l s u b a d d r ，s p s a l：复位串行端口 ， s t m # 0 2 4 0 h ，s p s d l ；，r r s t = 0 ；控制寄存器1 配置 s t m # s p c r 2 1 一s u b a d d r ，s p s a l s t m # 0 0 2 0 1 1 ，s p s d i ，x r s t = 0：控制寄存器2 配置 s t m # r c r l1 - s u b a d d r ，s p s a i：接收控制寄存器1 子地址 s t m # 0 0 4 0 h ，s p s d l：接收帧长度为1 6 位 s t m # r c r 2 1 s u b a d d r ，s p s a i：接收控制寄存器2 子地址 s t m # 0 0 4 0 h ，s p s d i ；接收帧长度为1 6 位 1 7 s t m 带x c r il - s u b a d d r ；发送控制寄存器1 子地址 s t m # 0 0 4 0 1 2 ，s p s d l ：发送帧长度为1 6 位 s t m # x c r 2 l s u b a d d r ：发送控制寄存器2 子地址 s t m # 0 0 4 0 h 。s p s d i ：发送帧长度为1 6 位 1 1 c 3 2 0 a d 5 0 c 初始化： ，s p s a l ，s p s a l s t m 托0 n t r a i r e c e i 。a r 3 洲饿、c a i - w o i m ，a r 5 l d 加，d p l d # 1 5 ，a s s b xd i t m s t m 椒b x 小盯l ，涨 ；打开k - b r i n t l 和k - b x i n t i 中断 s t m # l k b x i n t l ) ，i f r ：清除标志 r s b x 孙玎m ；i n t m ；0 ，打开所有中断 r p t # 5 1 2 n o p a dd a ：u d a r 5 ，b m v d d a r 5 + ，a r 3 + ：发送数据 n o p n o p s t l m b 。d x r i l l e l ：等待串口中断 n o p s u b 群l ，a b c a d _ d a ，a n e q n o p n o p i 开始 i lf i + d s