（信号与信息处理专业论文）基于c6727的高品质音频处理系统的硬件研发.pdf

摘要 近些年来，随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始渴望享受高品质和 高保真的音响效果，因此高品质音频处理系统逐渐走进了人们的生活。论文工作 设计了以d s p 为核心的高品质音频处理系统。 论文讨论了研究高品质音频处理系统的意义及“高品质”的评判标准，给出 了系统的整体设计方案，详细地介绍了系统的硬件结构设计。系统的硬件结构分 为5 个主要功能模块，即音频处理模块、音频采集模块、音频输出模块、存储模 块和通信模块。音频处理模块的核心是t i 公司的数字信号处理器t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 ， 它也是整个系统的核心，可实现对音频数据的高速、实时地运算处理；音频采集 模块的主要部分是音频加转换器，而音频输出模块的主要部分是音频d a 转 换器，它们分别采用t i 公司的a d c 芯片p c m 4 2 0 4 和d a c 芯片p c m 4 1 0 4 ，这 两款芯片有着较高的采样率和较多的量化阶数；存储模块用于存储大量的运算数 据；通信模块用来实现系统与其它设备之间的数据传输。 论文工作在深入地研究数字信号处理器t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 、音频a d c 芯片 p c m 4 2 0 4 、音频d a c 芯片p c m 4 1 0 4 等技术资料的基础上，进行了高品质音频 系统的硬件结构设计：然后根据所设计的电路原理图，完成了系统p c b 的设计 和硬件电路的安装制作；最后进行了系统各功能模块的调试并分别给出了各模块 的调试流程框图。 调试结果表明，系统设计合理，实现了系统预期的功能，达到了设计的各项 技术指标。 关键词：数字信号处理器高品质音频处理系统t m s 3 2 0 c 6 7 2 7p c m 4 2 0 4 p c m 4 1 0 4 a bs t r a c t a st h eq u a l i t yo fp e o p l e sl i f ew a si i n p r o v e di nr e c e my e a r s ，m o r ea i l di n o r e p e o p l es t a r t e dt oe 巧o yt l ev o i c eo fh 蟾hp e r f 0 咖a n c e h i 曲p e r f o 加a n c ea u d i o p r o c e s s i n gs y s t e mh a sc o m ei n t op e o p l e sd a i l yl i f e t h i sp a p e rr e s e a r c h e si nh o w t o d e v e l o pa1 1 i g hp e o 衄a n c ea u d i op r o c e s s i n gs y s t e m f i r s t l y ，m ep a p e rs i m p l yi n 讶o d u c e st h em e a n m go fm ed e v e l o p m e mo ft h ek 曲 p e r f o m a n c ea u d i op r o c e s s i l l gs y s t e ma n dt h es t a n d a r do ft h ed i s t i l l g u i s h i n go f i t t h e l l ，t h ep a p e rh l t i o d u c e st h ew h o l es y s t e md e s i g n l a s t l y ，t h ep a p e ri i 】廿o d u c e st h e d e s i g no fs o m em a i l lf h n c t i o nm o d u l eo f t h es y s t e mi nd e t a i l t h es y s t e mi sm a d eu po ff i v em a i l l 如n c t i o nm o d u l e ：a u d i op r o c e s s i n gm o d u l e ， a u d i os a m p l i n gm o d u l e ，a u d i oo u _ t p u tn l o d u l e ，m e n l o r ym o d u l ea n dc o l l l i l l u l l i c a t i n g m o ( 1 u l e t h ec o r eo ft h ea u d i op r o c e s s i l 玛m o d u l ei sm ed s pt m s 3 2 0 c 6 7 2 7 ， p r 0 v i d e db yt i ，w h i c hi sa l s ot h ec o r eo f t h ew h o l es y s t 锄雅d c a i lp r o c e s st h ea u d i o d a t ai i lah i 曲s p e e da i l di nr e a lt i i i l e t h ei m p o n a i l tp a no ft h ea u d i os a m p l i n g l o d u l e i st h e dc o n v e no ft h ea u d i os i 弘a 1 ，a n dt l l a to ft h ea u d i os 锄p l i n gm o d u l ei st h e d ac o n v e no ft h ea u d i os i g l l a l t h ep c m 4 2 0 4a n dp c m 410 4p r o v i d e db yt ia r e u s e d ，a i l dm e yh a v el l i 曲s a r n p l i i 玛r a t ea i l dm o r eb i t so fe n c o d i n g ，w 1 1 i c hc a nr e d u c e d i s t o r t i o no fa u d i os i g l l a l t h em e m o 巧i su s e df o rs a v i n gd a t a t h ec o 衄m i l l i c a t i n g m o d u l ei su s e df o rc o m m u n i c a t j n gw i t ho t l l e rd e v i c e s i nt h ep a p e rid e s i g n e dt h eh a r d w a r es t m c t u r eo ft h es y s t e ma r e rl u c u b r a t i i l gt h e c l l i p ss u c ha sd s pt m s 3 2 0 c 6 7 2 7 ，a d cp c m 4 2 0 4 锄dd a cp c m 4 10 4e t c ；t h e l l a c c o r d i n gt ot 1 1 es c ho ft 1 1 es y s t e m ，ic o l p l e t e dt h ep c bl a y o u t ；a tt h ee 1 1 d ，i f i n i s h e dt h ed e b u g g i n go fe a c hf h c t i o nm o d u l eo ft 1 1 es y s t e ma ：n ds h o w e dt h en o w c h a i to ft h ed e b u g g i n g t l l er e s u l to ft h ed e b u g g i n gi 1 1 d i c a t e s 也a tt 量l ed e s i 弘i sr i 曲t ，a n dt h es y s t e m w o r k sw e l la sw eh o p e 1 ( e yw o i m s ： d 滔t a ls i g n a lp r o c e s s o r h i 曲p e 怕肌a n c eo fa u d i o p r o c e s s i n gs y s t e 驰t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 ，p c m 4 2 0 4 ， p c m 4 1 0 4 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘茔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了谢意。 学位论文作者签名： 多j 琵 签字日期：铂修年f 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 参6 勰 导师签名： 移圾生 签字日期：d o 护年6 月r 日 签字日期：乃影年台月厂日 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 近些年来，随着计算机和多媒体技术的飞速发展，新型电子类设备层出不穷， 如m p 3 播放器、p s p 、多媒体手机、家庭影院等等。这诸多大大小小的设备都与 声音一音频有着密切的关系，一个设备音频系统的处理能力的强弱和音频播放效 果的好坏都在很大程度上决定着这些设备总体性能。而如今，随着人们生活水平 的提高，越来越多的人开始渴望享受高品质和高保真的音响效果，因此拥有一套 高品质音频处理系统的设备备受人们的青睐。 起初，高品质音频处理系统造价昂贵，应用领域也相对较少，主要用于电台、 录音棚、高级音乐厅等场所，面向的对象也主要是录音师和调音师等专业人员。 但随着音频处理类芯片造价不断降低，高品质音频系统的价格也随之大幅度下 降。这使得越来越多的音频设备开始逐渐采纳并使用高品质的音频处理系统。目 前高品质音频处理系统已广泛应用于专业音响、汽车音响、环绕立体声编解码设 备、数字音效处理等领域。由此可见，做好高品质音频处理系统的开发对多媒体 技术的发展和提高人们的精神生活质量有着重要的意义。 1 2 影响高品质音频处理系统性能的几个重要因素 一个音频处理系统到底是不是高品质音频处理系统，这并没有一个确定的判 定标准，不同的人对此有不同的评判标准。但有几个重要的因素影响着一个音频 处理系统的性能的高低，也可以这样说这几个因素决定着声音的品质。 1 核心处理器数字信号处理器( d s p ) 的性能 一个音频处理系统的核心处理器一般都是一片数字信号处理器( d s p ) ，它的 运算速率和精度是影响系统的性能的重要参数。较快的运算速率使音频处理系统 较高的实时性，较高的运算精度会减少运算时造成的误差。一款高主频的浮点型 d s p 是高品质音频处理系统较好的选择。 2 音频a d c 和d a c 的性能 模拟音频信号输入系统后首先要经过音频模数转换起( a d c ) ，将模拟信号转 换为数字信号，然后才能交给d s p 进行运算和处理。音频a d c 将完成音频信号 第一章绪论 的采样、量化、编码，这个过程不可避免的存在着音频信号的失真。用较高的采 样率来采样以及用较多的阶数进行量化会大大降低这种失真。同样，处理后的数 字信号要经过要经过音频数模转换器( d a c ) ，将数字信号转换为模拟信号才能用 于播放。能够处理高采样率和多b i t 位码流的d a c 能够更好的恢复模拟信号。 因此，音频a d c 和d a c 的性能也是影响高品质音频处理系统的重要因素。 3 音频放大器的性能 模拟信号在进入音频a d c 前要先经过音频放大器，同样音频d a c 输出的 模拟信号也要经过音频放大器后才能用于连接音响设备。音频放大器的目的是在 产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想如 实、有效且失真低。音频范围为约2 0 h z 2 0 k h z ，因此放大器在此范围内必须 有良好的频率响应，这样才能使音频信号失真尽可能降低。 1 3 数字音频信号 数字音频信号区别于传统意义上的模拟音频信号，指的是一个用来表示声音 强弱的数据序列，它是由模拟声音经抽样( 即每隔一个时间间隔在模拟声音波形 上取一个幅度值) 量化和编码( 即把声音数据写成计算机的数据格式) 后得到的。 计算机数字c d 、数字磁带( d a t ) 中存储的都是数字声音。 现在我们用的最多的音频名词之一m i d i ( m u s i c a l i n s t 九】m e n td 垮t a l i m e m c e ) 是作为“乐器数字接口”的缩写出现的，并用它来泛指数字音乐的国际标准。可以 说它是一种特殊的数字音频信号。由于它定义了计算机音乐程序、合成器及其他 电子设备交换信息和电子信号的方式，所以可以解决不同电子乐器之间不兼容的 问题。另外，标准的多媒体p c 平台能够通过内部合成器或连接到计算机m i d i 端口的外部合成器播放m i d i 文件，利用m i d i 文件演奏音乐，所需的存储量最 少。 至于m i d i 文件，是指存放m i d i 信息的标准文件格式。m i d i 文件中包含音 符、定时和多达1 6 个通道的演奏定义。文件包括每个通道的演奏音符信息：键通 道号、音长、音量和力度( 击键时，键达到最低位置的速度) 。由于m d d i 文件 是一系列指令，而不是波形，它需要的磁盘空间非常少；并且现装载m i d i 文件 比波形文件容易的多。这样，在设计多媒体节目时，我们可以指定什么时候播放 音乐，将有很大的灵活性。在以下几种情况下，使用m i d i 文件比使用波形音频 更合适：需要播放长时间高质量音乐，如想在硬盘上存储的音乐大于4 分钟，而 硬盘又没有足够的存储容量；需要以音乐作背景音响效果，同时从c d i 的m 中 2 第一章绪论 装载其它数据，如图像、文字的显示；需要以音乐作背景音响效果，同时播放波 形音频或实现文一语转换，以实现音乐和语音的同时输出。 一个高品质音频处理系统不仅能够高质量的处理模拟音频信号，同时它也一 定要能够高质量的处理数字音频信号，并且能够联合处理两种音频信号。 1 4 本论文的主要任务 课题的主要目的是进行基于t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 的高品质音频处理系统的硬件设 计与实现的研究，论文主要做了以下的工作： ( 1 ) 研究了影响高品质音频系统性能的几个重要因素和音频信号种类。 ( 2 ) 设计了系统的整体实现方案。 ( 3 ) 进行了系统各部分功能模块相关芯片的选型，并详细研究了系统用到的各芯 片的资料。 ( 4 ) 给出了高品质音频系统的硬件结构的设计及周边电路的设计。 ( 5 ) 完成了系统p c b 布板。 ( 6 ) 对整个系统各部分功能模块进行了调试，调试结果说明了系统设计的正确 性。 1 5 论文的组织结构 论文的组织结构如下： 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 简要地介绍了课题的背景和意义，阐述了影响高品质音频处理系统 能的几个重要因素和音频信号的种类。 给出了系统的整体的设计方案，简要地介绍了数字信号处理器 t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 及其外设接口在系统中的具体应用。 阐述了系统的音频采集模块的设计。 对应音频采集模块，研究了的音频输出模块的设计与实现。 进行了系统的存储模块和通信模块的设计以及系统其他外围电路 的设计。 完成了系统的p c b 板的设计和系统的调试，并给出了调试的结果。 第一章绪论 1 6 本章小结 本章简要首先介绍了高品质音频处理系统的应用意义以及影响高品质音频 处理系统的几个重要因素，然后给出了音频信号的分类，最后说明了论文的主要 工作和论文的组织结构。 4 第二章高品质音频处理系统的设计方案 第二章高品质音频处理系统的设计方案 2 1 系统的整体设计方案 系统主要用来完成对多种音频信号进行采集、对不同种类或多通道的音频信 号进行处理、对多种格式音频文件进行播放等功能，对音频信号的采集、处理与 播放满足高品质音频处理系统的要求，并且能够与p c 机及其他便携式音频设备 方便地进行数据传输。根据上诉要求，系统主要由以下五个功能模块组成，如图 2 1 所示： ( 1 ) 音频信号处理模块。该模块主要完成对采集进来的音频信号进行高速实时处 理的功能，它也是整个系统的核心，主要由一片高性能的d s p ( 数字信号处 理器) 构成。 ( 2 ) 音频信号采集模块。该模块主要完成对音频信号的采集功能，该采集模块又 分为三个部分：八通道模拟音频信号采集、单通道数字音频信号采集、单通 道m i d i 音乐信号采集。这三个部分用来采集不同类型的音频信号，并且三 个部分可以同时工作，从而满足了多种音频信号同步或异步采集的需要。 ( 3 ) 音频信号输出模块。该模块主要完成对音频信号的输出和回放功能( 主要是 对采集进来的信号经过系统处理后的回放) 。与采集模块相对应，输出模块 也分为三个部分：八通道模拟音频信号输出、单通道数字音频信号输出、单 通道m i d i 音乐信号输出。这三个部分对外输出不同类型的音频信号，配合 外接不同的音响播放设备可完成多样式音乐的播放。 ( 4 ) 数据存储模块。由于d s p 的片上存储空间较小，而待处理的数据量又相对 较大，只靠d s p 片上的存储空间不能满足如此大量的存储要求，因此系统 需要外部存储模块的支持。该模块主要完成对采集进来的将要处理数据以及 处理过程中的中间数据和处理后的结果数据进行存储的功能。 ( 5 ) 数据通信模块。该模块主要完成系统与其他设备( 如p c 机、便携式音频设备) 之间进行数据传输的功能。模块主要包括以下几种通信接口：r s 2 3 2 串行口、 u s b 2 o 接口、1 0 m l o o m 自适应以太网接口和h p i 接口。 第二章高品质音频处理系统的设计方案 图2 1 系统功能框图 2 2 系统核心处理器t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 数字信号处理器( d s p ) 是系统的核心。由于高品质音频处理系统要求音频信 号输入与输出都要有较高的采样率，并且在数据精度上有较高的要求，因此作为 系统核心的d s p 一定要有较快的运算速度和较强的浮点运算能力。又由于系统 音频输入输出接口较多，因此要求d s p 一定要有足够数量的音频接口供使用。 t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 这款d s p 恰好能够满足上诉要求，因此本系统采用它 作为核心d s p 。 2 2 1t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 简介 t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 【l 】是t i 公司开发的一款专门应用于高品质音频系统的浮点 d s p ，它主要有如下特性： d s p 主频可高达3 0 0 瑚z ，具有较快的运算处理速率。 d s p 内部寄存器数量增加到6 4 个，以便增强寄存器限定内核的性能并使编 译器优化简便易行。 增加了并行浮点“加指令”数量，数量增至4 个，这使f f t 处理性能提高2 0 。 将指令高速缓存的容量提高至3 2 k ，从而降低了指令高速缓存的缺失损失。 实施d m a xd m a 引擎，降低了处理器在效果处理期间的负载以专注执行片 外存储器存取。 提供新的混合精度指令，包括结果为6 4 位的3 2 3 2 位乘法指令及结果为 6 4 位的3 2 6 4 位乘法，以便提高在高采样率、低频音频应用中高品质f i r 6 第二章高品质音频处理系统的设计方案 与i i r 滤波器的性能效率。 提供三组m c a s p 接口用于扩展音频设备，其中m c a s p o 包括共1 6 个音频数 据接口，可用于实现多通道的音频采集和播放，m c a s p 2 集成d i t ，大大方 便了数字音频信号的传送，并且节省了系统体积开销。 t m s 3 2 0 c 6 7 1 7 的这些特性综合在一起可将众多现实世界中的音频应用性能 提高2 0 以上。 2 2 2t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 的硬件体系结构 d s p 的硬件体系结构直接影响处理器的能力，直接关系到系统方案的设计与 优化策略。t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 由c p u 、片内存储器和片内外设组成。图2 2 为c 6 7 2 7 的结构框图。 图2 - 21 m s 3 2 0 c 6 7 2 7 结构框图 1 t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 的内核 t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 的c p u 是增强型c 6 7 x + c p u ，它与c 6 7 x c p u 的指令集是兼 容的，而相比c 6 7 x c p u 还有许多功能方面的增强，它主要有以下几个特点： 第二章高品质音频处理系统的设计方案 每个时钟周期可从程序存储器性功能单元传递l 条到8 条3 2 b i t s 的指令。 两个数据通道，每个数据通道上有四个功能单元( l 、s 、m 、d ) 。 两个寄存器组，每个寄存器组包含3 2 个3 2 b i t s 通用寄存器。 两个新增的寄存器专门用于与d m a x 进行通信。 2 t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 的片内存储器及存储空间的映射 t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 片内共有2 5 6 k b 的凡气m 和3 8 4 k b 的r o m 可用于数据或程 序的存储，另外还有大容量的c a c h e ( 3 2 k b ) 。 c 6 7 2 7 的地址总线宽度为3 2 位，其中从o x 0 0 0 0o o o o 到o x 0 0 0 5f f f f 的 3 8 4 k b 映射为片内r o m ，从0 ) 【1 0 0 00 0 0 0 到o x1 0 0 3 f f f f 的2 5 6 k b 映射为片内 r a l 、压。o x 8 0 0 00 0 0 0 地址以前的空间为d s p 内部存储器映射空间，从o ) 【8 0 0 0o o o o 到o ) 【9 f f ff f f f 的地址空间映射为外部存储器空间。外部存储器空间又划分为 两个部分，按地址从低到高的顺序分别为外部s d r a m 、外部异步存储器。o ) 【f 0 0 0 0 0 0 0 以后的地址空间映射为e m i f 控制寄存器。 3 t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 的片内外设 t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 的片内外设包括外部存储器接口( e m i f ) 、三组多通道音频串 行口( m c a s p o 、m c a s p l 和m c a s p 2 ) 、通用主机接口( 切1 p i ) 、两组串行外设接 口( s p i ) 、两个i i c 接口、两个实时中断计数器( r t ic o u n t e r ) 、锁相环( p l l ) 、双向 数据传输加速器( d m a x ) 、复用的g p i o 。 ( 1 ) 外部存储器接口( e m i f ) t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 的外部存储器接口( e m i f ) 用于扩展片外存储器空间，有1 3 位地址总线和3 2 位数据总线，它支持如下几种存储器件 2 ： ( 1 )同步动态洲( s d 洲) ，d s p 可为其提供1 0 0 m h z 时钟。 ( 2 )异步存储器，包括异步s r a m 、异步n o rf l a s h 。 ( 3 ) n a n df l a s h ( 8 b i t 或16 b i t ) ( 2 ) 多通道音频串行口( m c a s p ) t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 有三组多通道音频串行口，m c a s p o 、m c a s p l 和m c a s p 2 ， 用于扩展音频外设。其中m c a s p o 共有1 6 个串行数据接口a x r 0 0 】- a x r 0 1 5 】， m c a s p l 共有6 个串行数据接口a x r l 【0 卜_ a x r l 5 】( 与a x r 0 【1 3 】- a x r o 8 复 用) ，m c a s p 2 共有2 个串行数据接口 a x r 2 0 卜- a x r 2 1 】( 与 a x r o 1 5 】一a x r 0 【1 4 复用】) 。另外m c a s p 2 内部集成数字音频接口发送器( d i t ) ， 可直接发送s p d i f 、i e c 6 0 9 5 8 1 、a e s 3 等格式的数字音频信号。三组m c a s p 的串行数据接口都可以发送或接收1 2 s 格式的码流( 最高有效位在前或最低有效 位在前) 或与其相似的码流，且发送和接收都可支持高达1 9 2 k h z 采样率的立体 第二章高品质音频处理系统的设计方案 声声道【3 】。 ( 3 ) 通用主机接口( u h p i ) t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 的通用主机接口( u h p i ) 共有3 2 位数据总线和1 6 位地址总线， 另外还有三种不同的工作模式，不同的工作模式所使用到的数据和地址总线的数 量是不同的。混合全字模式用到3 2 位数据总线，而1 6 位地址总线与3 2 位数据 总线的高1 6 位复用；混合半字模式用3 2 位数据总线的低1 6 位作为地址总线和 数据总线混合使用；而非混合全字模式用到全部的数据和地址总线，即3 2 位数 据总线和1 6 位地址总线，且不复用。可以通过配置u h p i 寄存器来设置其工作 模式【4 j 。 u h p i 主要用来实现主机( 如p c 机) 和d s p 之间的控制和通信功能，包括访 问d s p 的存储空间、d s p 与主机之间的相互中断以及主机对d s p 的控制等。 ( 4 ) 串行外设接口( s p i ) t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 共有两组s p i ，s p l 0 与s p l l 。两组s p i 都支持主模式和从模 式，且都支持三线、四线和五线模式【5 j 。 s p i 可实现d s p 与其他外设之间的通信以及数据传输，另外在c 6 7 2 7 上通 过s p i 与串行f l a s h 相连接可实现d s p 的启动或复位时的自举( b o o t ) 。 ( 5 ) i i c 接口 t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 有两组i i c 接口。i i c 接口共有两根线：数据线( s d a ) 和时钟 线( s c l ) 。d s p 通过着两根线可以方便的与多个外围芯片进行通信及相互控制。 ( 6 ) 实时中断系统( r t i ) t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 有两组i 盯i 。每组r t i 都有计数器支持，通过设置计数器可 实现对d s p 的实时中断功能。 ( 7 ) 锁相环( p l l ) t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 的p l l 用来产生d s p 高频率的内部时钟以及各外设接口时 钟，p l l 中包括分频器和倍频器以及一些控制信号，控制信号可在相应的寄存其 中进行配置。 ( 8 ) 双向数据传输加速器( d m a x ) 双向数据传输加速器( d 心) 是一种加强型的d m a 引擎，它与d m a 的功 能相同，主要用来实现内存和外设间的数据搬移。d 支持任何可寻址的存储 单元之间的数据搬移，包括内部存储器、外设及外部存储器。d 心够通过执行 先进的1 d 、2 d 与3 d 存储器传输工作，从而使d s p 得以专注于信号处理任务， 显著提高系统性能。 9 第二章高品质音频处理系统的设计方案 ( 9 ) 通用i o ( g p l o ) t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 的g p i o 是与其他外设接口复用的，复用的外设有u h p i 与 m c a s p 。可通过设置相应的寄存器来配置u h p i 和m c a s p 的各引脚是否作为 g p i o 来使用。 ( 1 0 ) b o o t 模式 t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 只支持一种硬件b o o t 模式：从片内r o m0 x 0 0 0 00 0 0 0 地址 b o o t 。c 6 7 2 7 还支持四种软件b o o t 模式，分别是：并行f l a s h 、s p l 0 或1 2 c 1 主模式串行e e p r o m 、s p i o 或1 2 c 1 从模式外部m c u 、u h p i 外部m c u 。系统 通过在复位或启动时检测相关引脚的状态来决定具体的b 0 0 t 模式。表2 1 清晰 地说明了四个引脚的状态和b o o t 模式的对应关系。 表2 11 m s 3 2 0 c 6 7 2 7b o o t 模式 b o o tm o d eu h p lh l ss p 幻s o m is p 坶s 戳o s p 船c l k u h p l0 b y t e a d ：t f u l l 1 ， n m u x 5 p a m i 瞻f 泌b1o10 s p f 0m a s 乇e r1o o ， s p l 0s a v e1o， i 1 2 c m a s e 11e 1 【2 e 1 舶v et11 2 3 系统中d s p 各外设的详细设计 系统采用主频为3 0 0 m h z 的t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 作为核心芯片，d s p 各外设接口 的详细分配和设计方法如图2 3 所示： l o 第二章高品质音频处理系统的设计方案 光纤 同轴电缆 光纤 同轴电缆 i 。，。：。l 1 i 。1 l - 串行f l a s h m c a s p 2 s p i i 光信号接收器 s d r a m i ，u l qj u d i rm c a s p l 1 j f l a s h 音频 i a d c ： c p 。 脚i f 音频 j以太网 a d c m c a s p o u s b 2 0 音频 r s 2 3 2 n a c u r t m i d i 音频 u h p i n a c 唧i 扩展 总线 图2 3 系统设计框图 d s p 的e m i f 接口具体配置如下：用e mc s o ( 0 x 8 0 0 00 0 0 0 o x 8 f f ff f f f ) 空间扩展5 1 2 m b i t 的s d r 剑m ，而e mc s 2 ( 0 x 9 0 0 00 0 0 0 0 x 9 f f ff f f f ) 空间扩 展6 4 【b i t 的n o rf l a s h 、以太网接口、u s b 2 0 接口、r s 2 3 2 串口和d i 接 口，由于e m i f 的地址总线宽度不够，因此需要用c p l d 对f l a s h 的高位地址 线进行扩展。又由于e mc s 2 空间只有一个使能信号e mc s 2 ，因此要通过 c p l d 来进行使能信号的扩展，这样在同一时刻上诉几种e mc s 2 空间的扩展 存储器和接口只能有一个在工作，即几种接口不能同时工作。以太网、u s b 2 o 、 r s 2 3 2 串口和m i d i 接口都需要用相关的芯片来完成数据和电平保准的转换，具 体实现方法将在后续章节中介绍。 m c a s p 的具体配置如下：m c a s p 0 接口用于连接音频a d c 和d a c 。其中 第二章高品质音频处理系统的设计方案 a x r 0 0 一a x r 0 【3 】连接音频a d c ，用以实现8 通道模拟音频信号的采集。 a x r o 【4 】- a x r 0 【7 】连接音频d a c ，用以实现8 通道模拟音频信号的输出。 m c a s p l 与d i r ( 数字音频接口接收器) 芯片相连接用以实现数字音频信号的输 入。m c a s p 2 接口直接扩展为d i t ( 数字音频接口发送器) 用以实现数字音频信号 的输出。数字音频输入输出设计为光发送接收与同轴电缆发送接收可选择。 u h p i 设置为混合半字模式，即1 6 位数据线和地址线复用，这样高1 6 位数 据线配置为g p i o 使用来实现一些控制功能，原u h p i 接口的1 6 位地址线不使 用( 原1 6 位地址线是与e m i f 的高1 6 位数据线复用的，将u h p i 配置为混合半字 模式可以使这1 6 位只作为e m i f 高1 6 位数据线使用，节省复用电路以减少系统 设计的复杂性) 。 d s p 的s p i 接口配置如下：s p l 0 用与连接串行f l a s h 用以实现s p i 主模式 串行b o o t 。s p l l 连接音频d a c 芯片，完成对音频d a c 芯片工作模式等相关 的设置。 此外，系统还增加了u h p i 与m c a s p 的扩展总线，方便与其它系统相连接。 2 4 本章小结 本章介绍了基于t m s 3 2 0 c 6 7 2 7 的高品质音品处理系统的设计方案，分析了 核心d s p 结构和各外设特点，并对系统设计中各外设的使用配置作出了说明。 第三章音频信号采集模块 第三章音频信号采集模块 3 1 音频信号采集模块的三个组成部分 系统在设计音频信号采集模块时将其分成三个部分：模拟音频信号采集部 分、数字音频信号采集部分和m i d l 信号采集部分。 3 2 八通道模拟音频信号的采集 模拟音频信号的来源多种多样，而一个音频处理系统往往需要同时对多个模 拟音频信号进行采集处理，因此本系统设计为八个通道模拟音频信号的采集，即 可以同时对八种不同来源的模拟音频信号进行采集。 模拟音频信号的采集功能主要是由音频a d c 来实现的，音频a d c 所作的 主要工作是对模拟音频信号进行采样、量化和编码，将模拟信号转换为d s p 能 够处理的数字码流。本系统音频a d c 选用的芯片是t i 公司的p c m 4 2 0 4 。 3 2 1 高性能音频a d c 芯片p c m 4 2 0 4 p c m 4 2 0 4 【6 j 是一款高性能应用于专业音频和广播音频的四路模数转换器 ( a d c ) 。每路采用l 比特d e l 协s i g m a 调制器，输出为2 4 b i t 线性p c m 码或1 b i t d s d 数据流。p c m 输出的动态范围为1 1 8 d b ，d s d 输出的动态范围为1 1 5 d b ，t h d + n 为1 0 3 d b ，总的谐波失真为1 0 5 d b 。 p c m 4 2 0 4 取样速率可高达2 1 6 k h z ，能配置成6 4 或1 2 8 过取样。器件的 模拟工作电压为+ 5 v ，数字工作电压3 3 v ，数字i o 和3 3 v 逻辑系列兼容，取 样1 9 2 k h z 时的功耗为6 1 5 m w ，有降功耗模式。 p c m 4 2 0 4 从功能结构上可分：模拟输入，数字滤波器、音频串行接口、d s d 数据接口、控制与状态、系统时钟等几个部分，如图3 1 所示。 第三章音频信号采集模块 l ili | _ ；一 j 黼卜- f 嘴r - i枷。l o id 瞳嘲a h 髀糕l 湖l h 嘲 l i ： 1 i 一；一 r 神既豫 慧h 慧 l 一： 魄 i 牛 j l 琢g 妒钢f 潍 4 _ _ p 。一 酾0 咖珏自口r 一i 。- - r 。一 - - - l 1 b f ，2 ”f - 泐蹦 一 l a r 圮- - 。一 a f 既口编t - 一 3 缸瞻 _ j 一 蝴l 嬲l - - _ - 。一 1 r 爿鲁毫e l 1 b 0 孵 s 管翻e mo o 跪 a r 绍 8 杷蝴 n 锄目 晰啪 协绷u l 麓常 p 翻- 封霸d 舀瞄t 嘏蛭 l 篓i l i 耋l 耋| 耋扩囊毳螽螽扩扩扩耄 图3 1p c m 4 2 0 4 结构框图 1 模拟输入 p c m 4 2 0 4 的模拟输入为4 通道模拟音频信号输入，每一通道模拟输入都为 一对差分信号输入( 如n 1 通道输入由v m 1 + 和n 1 一一对差分信号输入组成) ， 每一通道可接收接近6 0 v p p 的差分信号。由于整个系统的模拟音频输入并不是 差分信号，因此音频信号进入系统后需要经过一个滤波转换电路，把信号转换为 差分信号才能输入p c m 4 2 0 4 ，该滤波电路同时也完成对模拟音频输入信号的滤 波功能。滤波电路如图3 2 所示。 该图为p c m 4 2 0 4 四路差分输入其中一路的前端滤波电路，其余三路电路和 此路完全相同。图中模拟音频信号输入接插件为r c a 莲花座，输出端n + 和 n 一接p c m 4 2 0 4 差分输入端，v c o m l 2 接p c m 4 2 0 4 的对应同名引脚。o p a l 6 3 2 为该电路的核心集成运放芯片，它和其余电阻电容完成对输入的模拟音频信号的 滤波功能。p c m 4 2 0 4 的v c o m 对外输入一个中间电压2 5 v ，这个输出参考电压 通过一个集成运放o p a 2 1 3 4 接到o p a l 6 3 2 的参考电压端，这样使得模拟音频信 1 4 ”驴 一一一 峪铲 蚺铲 一一一一 蚺驴 第三章音频信号采集模块 号经过o p a l6 3 2 后中间电压达到2 5 v 。经过该电路后模拟音频信号电压浮动范 围落在0 5 v 之间，恰好为p c m 4 2 0 4 的模拟电压范围。 图3 2 音频输入滤波电路 2 高通数字滤波器 p c m 4 2 0 4 内部集成一个高通数字滤波器，该滤波器主要完成对p c m 输出码 流的滤波功能。 3 输入时钟 p c m 4 2 0 4 需要一个系统时钟，这个系统时钟是从s c 这个引脚输入的。 系统时钟的频率取决于p c m 输出的采样率和d s d 数据流的速率。它们的对应关 系如表3 1 所示。 表中f s 为采样率，而采样共分为三种模式，单倍速率采样、双倍速率采样 和四倍速率采样模式。其中单倍速率采样模式对应的采样率为o 到5 4 l ( h z ， d e l t a - s i g m a 调制器对模拟输入进行1 2 8 倍的过采样；双倍速率采样模式对应的 采样率为5 4 k h z 到1 0 8 k h z ，d e l t a s i g m a 调制器对模拟输入进行6 4 倍的过采样； 四倍速率采样模式对应的采样率为1 0 8 k h z 到2 1 6 k h z ，d e l t a s i g m a 调制器对模 拟输入进行3 2 倍的过采样。 第三章音频信号采集模块 表3 1p c m 4 2 0 4 的系统时钟输入 3 a m p u n gf r e q u e k c y f s s y s t e mc l o c kf r e o u n c yf m h z s a m p l i n g 豫o d e k h z j1 2 8 f s9 2 f s2 5 6 f s3 8 4 f s 5 1 2 f s7 铝f s l j 删0f t a k3 ： na n j 8 r1 9 2 1 22 8 8 1 c3 躺2 js 7 s l n a em e4 4 ；艮a彤a 1 12 8 9 5 1 59 3 4 42 21 7 旮2 3 3e 6 8 8 j i n o l e r a 拇 4 8n ，am a1 22 8 8 84 3 22 45 7 e3 08 6 4 d u a r a 睁 8 82n ，8e2 25 7 0 38 e r pn ，a珊a d 摘i r 冉 e9 en an ，日2 45 7 63 68 6 4n am a 0 u a dr a t e1 7 6 42 25 7 9 23 38 鹋88a似aa 锄a d h a f e9 22 45 7 63 g8 a附an a m 8 0 s 0l f 姐咀c j u t 0 小 1 2 8 砖f ) 8 t a s l n 蛋卑r 啪呓a n 蝎l2 8 9 g1 69 铂42 2 ：7 9 73 3 8 6 8 8 d s dh i d u ，u u t o u f 翻s a l df 【j ua | r a 艳j m am 0t 12 b 9 c1 69 3 4 4n an y a 4 控制与状态部分 控制与状态部分主要包括对芯片主从模式、采样模式、输出数据格式的设置 以及一些状态位的输出。 芯片的主从模式是由s m 的引脚状态决定的，高电平为从模式，低电平为 主模式，本系统中设置为主工作模式。 采样模式通过f s 0 、f s l 、f s 2 三个引脚的状态决定的，它们与采样模式的 对应关系如表3 2 所示。 表3 2 主模式采样率的设置 s a m p l i n g 赫0 d ew 汀h f s 2f s f s os y s t e mc l o c kr 矗t e 0 0 e s p g i er a t e ，i f s c k i = 7 6 8 f s 001 s n 雪l er 越ew 终l s c k i = 1 2 f s 0e s i n g l 鲁r a t eq 计步f s c ( 1