（信号与信息处理专业论文）基于tms320vc5510的自动声反馈抑制器.pdf

摘要 摘要 声反馈，是扩声系统中的一种常见现象。由声反馈引起的啸叫限制了系统扩声 增益的提高，使声音产生失真，严重时甚至使系统无法正常工作。传统的声反馈 抑制方法，包括改善房间声学环境、在系统中串联均衡器或移频器等。但这些方 法操作不便，对音质损伤大，而且传声增益提高甚微。 近2 0 年来，随着数字信号处理技术的迅速发展，出现了新一代的自动声反馈 抑制器。自动声反馈抑制器克服了传统方法的缺点，具有操作简单、声音失真小、 传声增益提高大等优点。但是，目前市面上的自动声反馈抑制产品，大多是国外 品牌，价格不菲。因此，如果研制出具有自主知识产权的自动声反馈抑制器，将 具有强大的市场竞争力。 基于上述应用背景，我们提出了一种d s p 自动声反馈抑制方案。本方案具有 如下技术特点： 第一，采用c h i r p z 变换( c z t ) 算法与f f t 算法相结合对声反馈进行检测， 并利用声反馈信号建立前期的时频特征，设立判定条件。该算法能够自动、迅速 和准确地检测并定位声反馈。 第二，使用由1 2 个i i r 窄带陷波器构成的滤波器组对声反馈进行抑制。其中， 9 个静态陷波器用来抑制声环境中的固有声反馈，3 个动态陷波器用来抑制扩声系 统使用过程中可能出现的声反馈。所有的陷波器均根据检测出的声反馈频率实时 生成。该算法能够有效地抑制声反馈，而对音质的损伤相当小。 本文第二章介绍声反馈信号的特征并提出系统的性能指标。第三章介绍系统的 硬件平台。第四章介绍算法和软件实现。第五章介绍实测结果。 关键词：声反馈，c h i r p z 变换，i i r 陷波器，t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 a b s t r a c t a c o u s t i cf e e d b a c ki sac o n l i m o np h e n o m e n o ni n p u b l i ca d d r e s s i n gs y s t e m s h o w l m g ，w h i c hr e s u l t sf r o mt h ef e e d b a c k ，r e s t r a i n st h eg a i ni n c r e a s i n ga n do b s c u r e s c l a r i t y w h e nf e e d b a c kg o e ss e r i o u s ，t h ep u b l i ca d d r e s s i n gs y s t e m se v e nc a n n o tw o r k t r a d i t i o n a lf e e d b a c ke x t e r m i n a t i n gm e a n si n c l u d ei m p r o v i n gr o o m s a c o u s t i cp r o p e r t y ， c a s c a d i n ge q u a l i z e r s o r f r e q u e n c y s h i f l e r s i nt h es o u n d a m p l i f y i n gl i n k ，e t c n e v e r t h e l e s s ，t h e s em e a n sa r ei n c o n v e n i e n tt oo p e r a t ea n dc a u s eu n n e c e s s a r yd e c r e a s e o fg n na n ds o u n df i d e l i t y f o r t u n a t e l y , g r e a td e v e l o p m e n t si nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c b m o l o g yo v e rt h el a s t d e c a d e sp r o v i d ea d v a n c e ds o l u t i o n s ：a u t o m a t i cf e e d b a c ks u p p r e s s i o ni to v e r c o m e s s h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lm e a r l s ，d o e sl i t t l eh a r mt od e s i r e ds o u n d s ，i m p r m 7 e st h eg a i n p r o m i n e n t l ya n di s e a s i e rt ob e o p e r a t e d h o w e v e r ，m o s to fa u t o m a t i cf e e d b a c k s u p p r e s s o r si nd o m e s t i cm a r k e ta r ei m p o r t e df r o mo v e r s e aa n de x p e n s i v e w em u s t d e v e l o pa u t o m a t i cf e e d b a c ks u p p r e s s o rw i t ho w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yt op o s s e s s e n o r m o u sc o m p e t i t i v es t r e n g t ho fm a r k e t i n g t h i sp a p e rp r o p o s e sad e s i g no fa u t o m a t i cf e e d b a c ks u p p r e s s o rb a s e do nd s p ： f i r s t l y , c o m b i n i n gf f ta l g o r i t h mw i t hc h i r p - zt r a n s f o r mt od e t e c tf e e d b a c k r a p i d l ya n ds e tu pt h ej u d g i n gc o n d i t i o n sb a s e do nt h ef e e d b a c kc h a r a c t e r i s t i c st ol o c a t e f e e d b a c ka c c u r a t e l y s e c o n d l y , a d o p t i n gaf i l t e rb a n kc o m p o s e do f1 2i i rn a r r o w - b a n dn o t c hf i l t e r st o e l i m i n a t ef e e d b a c k9f i x e df i l t e r sa r eu s e df o rf e e d b a c k sw h i c ha r ei n h e r e n ti nr o o m a n d3d y n a m i cf i l t e r sa r eu s e df o rn e wf e e d b a c k sw h e na 1 1a v a i l a b l ef i l t e r sa r ei nu s e a l lf i l t e r sa r eg e n e r a t e db yar e a l t i m ed e s i g na l g o r i t h mb a s e do nd e t e c t e df e e d b a c k f r e q u e n c i e st op r o v i d eb e t t e rs o u n dq u a l i t y c h a p t e r2i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ff e e d b a c ka n dd e s i g nt a r g e t s c h a p t e r3 g i v e s t h e s y s t e m h a r d w a r e a r c h i t e c t u r e c h a p t e r 4d i s c u s s e s a l g o r i t h m s a n d i m p l e m e n t a t i o n s c h a p t e r5i st h et e s tr e s u l t s k e y w o r d s ：a c o u s t i cf e e d b a c k ，c h i r p zt r a n s f o r m ，i i rn o t c hf i l t e r ，t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：诤弓月f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：多们畔 第一章日l 言 1 1 声反馈现象概述 第一章引言 多媒体教学、大型会议、综艺晚会，不同的通信环境中需要配备不同的扩声系 统。通常从以下三个方面来判断一套扩声系统的质量好坏：第一，音量是否足够 大；第二，音质是否足够好；第三，声音中是否没有干扰【lj 。然而，声反馈现象对 于以上三个问题，都会带来否定的答案。声反馈的出现大大限制了系统音量的增 大，达不到扩音的效果。声反馈的产生会直接导致声音出现失真。由声反馈引起 的啸叫，不但损伤人耳，也使讲话、表演无法顺畅进行严重时还可能会烧毁系 统中的放大器或扬声器中的高音单元。另外，在一些要求特别高的场合，如重要 的会议或重大的演出活动，则根本不允许啸叫出现。综上所述，如何有效地抑制 声反馈，避免啸叫的出现，是扩声系统中的一个重要课题。 声反馈现象的产生原理并不复杂。麦克风将扬声器输出的信号反复采集，形成 一个如图1 1 所示的正反馈环路。当信号被不断放大，某些谐振频率上的信号超过 一定的增益上限，啸叫就产生了副【3 j o 图1 1 声反馈原理图 电子科技大学硕士学位论文 以下是三个产生声反馈的因素：第一，扬声器和麦克风处于同一声场，扬声器 输出的信号能通过空间声场被麦克风再次采集，即产生正反馈；第二，系统有较 大的传声增益；第三，系统的频谱特性不平坦，一些频率极易产生共振，这可能 是由于房间的声学设计不合理造成的，也可能是由麦克风、扬声器或功放等的频 谱特性所引起。 1 2 声反馈抑制的方法和现状 声反馈由于某些声音频率上的正反馈引起，如果打破正反馈环路，破坏其自激 振荡的条件，就可以消除声反馈。 由产生声反馈的第一个因素可知，将扬声器和麦克风置于不同的声场，隔断正 反馈环路，可以从根本上杜绝声反馈现象。但是，绝大多数扩声系统不允许这样 做。因此，只能在布置和使用扩声系统时注意，不将麦克风过于靠近扬声器，以 尽量减小反馈强度，避免啸叫出现。 其次，将整个系统的扩声增益控制在较小的范围内，可以在一定程度上避免或 消除声反馈。许多扩音系统，往往由于为了避免出现啸叫而被迫限制音量，使实 际能够达到的功率远远低于设备的额定功率。但是，使用扩声系统的根本目的正 是希望获得尽可能大的传声增益。因此，以降低系统扩声增益为代价来消除声反 馈现象显然不是上策。 可见，我们只能通过消除或降低系统传递函数中的峰值来抑制声反馈。声场的 传递函数与房间的形状和大小、房间的装饰材料、麦克风和扬声器的摆放位置等 因素有关。我们可以通过科学的建筑声学设计，合理的布置扬声器和麦克风的位 置等措施，来避免声反馈的产生。但是，合理的建筑声学设计必须在建筑物设计 时就要考虑。麦克风、扬声器和功放等设备的频谱特性也在设备出厂时就确定了， 不能由使用者来调节。麦克风和扬声器的合理摆放虽然可以在一定程度上抑制声 反馈，不过这种方法只能被动地抑制声反馈，对于传声增益的提高几乎无能为力。 均衡器和移频器可以用来抑制声反馈，但前者需要专业的音响师操作，而且其滤 波器带宽太宽，对音质的损伤很大；后者虽然操作相对简单，但其对音质的损伤 更大，不适用于对音质要求较高的场所，而且，它对扩声增益的提高微乎其微。 随着数字信号处理技术和微电子技术的飞速发展，自动声反馈抑制器出现了。 它采用数字音频技术，自动检测声反馈频点，并设置相应的窄带陷波器来将其抑 第一章引言 制。其优点是操作方便，频率定位精度高，陷波器带宽窄，可以在抑制声反馈的 同时尽可能的保证音质，非常适合于指标要求高的场所。 市场上已经有几种自动声反馈抑制器，多是国外厂家的产品，如美国s a b i n e 公司的f b x 系列、德国b e h r i n g e r 公司的d s p l l 2 4 p 、日本s o n y 公司的 s r b f r 3 0 0 。最近，国内的迪声公司也开发出一款同类产品d s p 3 1 2 4 ，其性能指 标与b e h r i n g e r 公司的d s p l l 2 4 p 相近，从而使声反馈抑制器的价格大幅下降。 可见国内厂商对国外大厂已经构成了很大的竞争压力，同时也说明，开发该项目 具有很强的时效性。 1 3 论文的研究内容和安排 本项目的目的是研制一台适用于语音环境和低端乐音环境的自动声反馈抑制 器样机。为此，参考s a b i n e 公司的自动声反馈抑制器f b x 1 0 2 0 的主要性能指标， 以此进行方案论证和算法分析。到目前为止，已经完成了全部算法的m a t l a b 仿 真，并在s p e c m m a d i n t n ( s d ) 公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 d s k 板上完成了算法的初 步实现和手工优化，得到了大量的测试结果。新的以德州仪器( t i ) 公司的定点 d s p t m s 3 2 0 v c 5 5 l o 为核心的专用硬件平台已经开始设计。 本人在该项目中的主要工作是算法分析和仿真、d s p 软件实现和优化，以及硬 件平台的调试和驱动程序的编写。 本文的主要内容安排如下： 第一章介绍声反馈现象的产生原理和抑制方法，以及本人的工作和论文的总体 安排； 第二章介绍本系统的工作原理； 第三章介绍本系统的硬件平台； 第四章介绍本系统的关键算法及d s p 软件实现； 第五章介绍测试结果，总结工作中的经验和教训，并提出了进一步改进系统性 能的恩路。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 声反馈原理 第二章自动声反馈抑制器原理 2 1 1 声反馈信号的产生 声反馈现象是扩声系统在具有较高的传声增益时，由扬声器输出的信号被麦克 风再次采集，由此形成一个正反馈环路，信号被反复放大后在某些频率发生白激 振荡，并产生刺耳的啸叫【1 j 【2 j 3 1 。 啸叫的音量可能在极短的时间内迅速增大，其音调则随着房间的大小和形状以 及扬声器与麦克风的位置而变化，声场中的人或物体的移动也可能引起啸叫音调 的改变。严重的啸叫可以淹没正常的声音信号，影响系统工作，甚至会损坏扬声 器或其它设备。当然，其对人耳的损害更不可忽视。 2 1 2 声反馈信号的特征 要迅速而准确的对声反馈进行抑制，必须首先提取声反馈的特征。在最初的工 作中，我们在一间8 r e ( l ) x5 m ( w ) x3 ，5 m ( h ) 的小型教室设计了一个如图2 - 1 所示的 实验系统。 图2 - 1 产生声反馈信号的实验系统图 第二章自动声反馈抑制器原理 改变麦克风或扬声器的位置，可以获得不同音调的声反馈信号。图2 2 为一次 实验中，利用数字示波器截获的典型声反馈信号的时域波形和对应的频谱图。 ( a ) ( c )( d ) 图2 2 数字不波器截获的典型声反馈信号波形 从大量的实验观察中我们发现，首先，声反馈信号是逐渐建立起来的，在建立 过程中，其幅度从d , n 大单一增加。这是由于在声反馈自激振荡建立期间，其信 号幅度通过正反馈通路被不断放大。当其幅度增大到一定程度以后，其它的声音 信号可能被掩盖。其次，声反馈信号是一个单一频率的正弦波，在建立过程中频 率不变，从图2 - 2 ( a ) 和( b ) 中可以看到，除去直流分量、工频干扰等毛刺，声反馈信 号的频谱图上就只有一个单频正弦信号。最后，当声反馈信号建立了一定的时间 以后，其幅度将不再继续增长，时域波形可能出现明显的限幅，如图2 - 2 ( c ) 所示。 与此对应，在图2 2 ( d ) 所示的频谱图上则可以看到相当丰富的谐波分量。这是因为， 当信号被不断放大，超出了功放的线形放大区，进入饱和区和截止区以后，就会 产生削波，从而导致谐波分量的出现。 实验表明，声反馈信号从建立初期到最后出现削波现象，平均大约需要3 秒钟。 如果待到声反馈信号的幅度已经很大，甚至已经出现削波现象才对其进行抑制的 话，就失去了抑制的根本意义。也就是说，其建立前期的特征，才是最重要的特 电子科技大学硕士学位论文 征。园此，可以将通常的声反馈信号，看作是一个单频的、幅度随建立时间单一 增大的正弦信号。 22 自动声反馈抑制器简介 传统的扩声系统中，常在功放前级联一个均衡器，以此来补偿扬声器和声场的 缺陷，修饰各种声源，同时，也利用均衡器来抑制声反馈。但是，这个方法具有 明显的缺点：第一，需人工干预，且反应时间缓慢，专业音响师需听到啸叫以后 手动调节均衡器；第二，无法精确定位声反馈频点，实际操作中完全依靠音响师 的经验来判断声反馈信号大概所处的频段；第三，音质损伤极其严重，以高端扩 声系统中使用的3 1 段图示均衡器( g r a p h i c e q u a l i z e r ) 为例，其滤波器带宽也仅为 1 3 倍频程。使用这种带宽较宽的滤波器来抑制声反馈，将使有用声音信号的能量 损失很大一部分。 随着数字信号处理技术和微电子技术的飞速发展，出现了一种新的声反馈抑制 技术自动声反馈抑制技术。图2 3 是带有自动声反馈抑制器的扩声系统框图。 其工作原理大致如下：首先对输入音频信号进行检测和判定，如果没有声反馈， 音频信号就直接通过；如果发现了声反馈，就设置窄带陷波器来将其抑制。它具 有操作简单、定位准确、抑制迅速、保真度高等优点。不过，由于其技术相对复 杂，自动声反馈抑制器市场基本上都被国外厂家，如美国的s a b i n e 、德国的 b e h r i n g e r 、日本的s o n y 等公司垄断，价格居高不下。 图2 - 3 带声反馈抑制器的扩声系统图 6 第二章自动声反馈抑制器原理 2 3 本系统的基本性能指标 自动声反馈抑制器必须具备以下功能： 自动检测与判定声反馈； 反应时间短，能迅速抑制啸叫； 信号保真度高； 尽可能多的提高系统扩声增益。 通过2 1 2 小节所总结的声反馈信号的特征，并结合频谱分析算法，我们建立 了一套声反馈检测及判定算法，以此来自动检测并准确定位声反馈频点；同时， 实时设计窄带陷波器来抑制该频点的声反馈信号。第四章将对这些关键算法作详 细描述。 本系统的性能指标如下： 处理字长：1 6 一b i t 单通道，1 2 个数字陷波器 陷波滤波器频率范围：1 0 0 h z 1 5 k h z 陷波滤波器带宽：1 1 0 倍频程 频率定位精度：1 h z 响应时间：1 s 电子科技大学硕士学位论文 3 1 系统硬件概述 3 1 1 硬件平台 第三章系统硬件 通用数字音频信号处理平台，使用麦克风采集模拟音频信号，经过a d c 转换 成数字音频信号，输入到数字信号处理器中进行处理。处理后的数字音频信号， 再经过d a c 转换成模拟音频信号，输出到功放或者扬声器，如图3 1 所示f 4 【5 1 。 弋= 曰鸯圈- = ：巨至 爹 图3 - 1 通用数字音频信号处理平台 从第二章的系统功能描述和性能指标可以看出，该系统需要使用较复杂的数字 信号分析和处理算法，系统运算量较大。为了满足实时性的要求，应当选择运算 能力较强的d s p 。另外，为了使产品具有较强的市场竞争力，系统成本应严格控 制。再者，系统硬件资源应留有一定的余量，以便功能的升级和扩充。基于上述 三点考虑，我们选择了t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 这款高性能、低功耗的定点d s p 作为硬件平台的核心。为了对算法效率和资源使用情况有一个准确的评估，在对 系统硬件平台进行设计之前，我们使用s d 公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0d s k 板对算法 进行调试和优化。 图3 - 2t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0d s k 扳的功能框图 第三章系统硬件 t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0d s k 板的系统的硬件框架如图3 2 所示，板上带有相当丰富 的资源以及各种扩展接口。本系统仅使用音频编解码( c o d e c ) 模块、d s p 模块、 j t a g 调试模块和电源模块等，如图3 3 所示。音频c o d e c 模块完成d s p 处理前 后的a d 和d a 转换，采用t i 公司的音频编解码芯片t l v 3 2 0 a i c 2 3 。d s p 模块 负责声反馈信号的检测、判定和抑制等处理。j t a g 模块用于系统的在线仿真和测 试。电源模块向系统各个模块提供直流电源。系统采用+ 5 v 的直流供电，并通过 两个三端稳压器变换成+ 1 6 v 和+ 3 3 v ，+ 1 6 v 给d s p 核供电，+ 3 3 v 给d s p 外设 以及其他数字逻辑电路供电【6 j 。下面主要介绍音频c o d e c 模块和d s p 模块。 图3 3 本系统所使用的硬件模块框图 3 1 2d s p 模块简介”1 t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 是一款1 6 - b i t 定点数字信号处理器，具有较高的操作灵活性和 运行速度。它具有以下主要特点： 指令周期时间5 n s ，时钟频率2 0 0 m h z ，每周期执行l 或2 条指令； 双乘法器结构支持最高每秒4 0 0 兆次乘加运算( 4 0 0m m a c s ) ； 2 个算术逻辑单元( a l u ：4 0 - b i t 与1 6 _ b i t 各一个) ，4 个4 0 - b i t 累加器； l 条内部程序总线，3 条内部数据操作数读总线和2 条内部数据操作数写 总线； 可变长度指令集( v a r i a b l e l e n g t hi n s t r u c t i o ns e t ) ，具有指令集规定的并行 指令和用户自定义的并行指令； 1 6 0 k 1 6 - b i t 片内r a m ： 8 块4 k 1 6 - b i t ( 6 4 k 字节) d a t u m ； 3 2 块4 k 1 6 b i t ( 2 5 6 k 字节) s a r a m ； 1 6 k 1 6 一b i t ( 3 2 k 字节) 零等待片内r o m ； 8 m 1 6 _ b i t 最大可寻址扩展存储器空间； 电子科技大学硕士学位论文 3 2 一b i t 外部存储器接口( e m i f ：e x t e r n a lm e m o wi n t e r f a c e ) 与下列存储器 无缝接口： 异步s r a m ； 异步e p r o m ； 一同步d r a m ； 同步突发s r a m ； 丰富的片上外设包括： 6 通道d m a ( d i r e c t m e m o r y a c c e s s ) 控制器： 一3 个多通道缓冲串口( m c b s p ：m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t ) ； - 1 6 b i t 并行增强主机接口( e h p i ：e n h a n c e dh o s tp o r ti n t e r f a c e ) ： u s b 全速( 1 2 m b p s ) 从端口； 可编程数字锁相环( d p l l ) 时钟发生器。 d s p 模块的硬件接口如图3 - 4 所示。系统采用频率为1 2 m h z 的晶振为d s p 提 供时钟。d s p 内部工作时钟采用p l l 方式设置为1 6 倍频，使系统主时钟达到1 2 m h z 】6 = 】9 2 m h z 。 d1 2 m h z 晶振 t m $ 3 2 0 v c 5 51o 辱二圳j t a g 仿真接口 3 1 3t l v 3 2 0 a l c 2 3 简介8 图3 4 d s p 模块框图 t l v 3 2 0 a i c 2 3 是t i 公司的一款高性能的、集成有模拟功能的双通道音频 c o d e c 。内部的a d 和d a 转换器采用了集成有过采样数字内插滤波器的多位 一技术，采样数据字长支持1 6 、2 0 、2 4 和3 2 _ b i t ，采样率在8 9 6 k h z 间可选。 t l v 3 2 0 a i c 2 3 可以工作在u s b 模式或者普通模式，可以作为主设备或者从设备。 本系统中，使用系统提供的1 2 m h z 时钟，将其配置成u s b 模式和主设备状态， 并设置采样数据字长为1 6 b i t ，采样率为3 2 k h z 。 t l v 3 2 0 a i c 2 3 的模拟通路上，集成有多个可调增益放大器、线路静音控制器 以及旁路控制器等。模拟输入可以选择双通道线路输入或者麦克风输入，输出则 可以通过耳机输出，直接连接到头戴式耳机或者通过线路输出至功放。该芯片有 第三章系统硬件 一个控制接口和一个数字音频信号接口，都采用串行方式，可以方便地和d s p 无 缝连接。图3 5 是t l v 3 2 0 a i c 2 3 的接口示意图。 等d r 嚣2 。礴m c b s p 2 r 。d 。o u u t 。 慧f s r 2 。墨麟m 二i ； 图3 - 5t l v 3 2 0 a i c 2 3 接口示意图 t l v 3 2 0 a i c 2 3 的功能框图如图3 - 6 所示。 主t生! 皇 ! m l c b i a s商匪! ： 卜 l l i ne l n 二i 增益可调= | 静音控制b 一1l r l l n e i n ”u “爿竺! 净 数 m 1 c l n - i 增益可调卜一静音控制l 字 l ，j1 ，_ l 潍 l h p o u t ，f 1 ：广而习： 波 增茄可调 b uu 器 e o u t f + h p v d d h p g n d 7 l o u t 厂： 。 + 时钟管理 数字音频接口l 一r o u t i 1 了 图3 - 6t l v 3 2 0 a i c 2 3 的功能框图 3 2 音频信号的采集和传输”。9 3 本系统采用t l v 3 2 0 a i c 2 3 完成信号的a d 和d a 转换，并利用d s p 中的多 通道缓冲串口m c b s p 与d m a 通道配合工作，以完成数据的传输。本节介绍 t l v 3 2 0 a i c 2 3 与d s p 的接口，以及t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 中的m c b s p 和d m a 控制器。 电子科技大学硕士学位论文 3 21 t l v 3 2 0 a i c 2 3 的控制接口 t l v 3 2 0 a i c 2 3 的控制接口有两种工作方式，一种是3 线方式，又称s p i 模式： 另一种是2 线方式。这两种方式的选择由芯片上的m o d e 引脚上的电压决定。 m o d e 引脚电压为低时使用2 线方式，为高时则用s p i 模式。本系统采用s p i 模 式，其接口时序如图3 7 所示。 露 蕊蕊圆厂 s c w 几n 一几n 几n 几nnn 几nnn 几n 几 s d i n 巫巫五田受巫圈匝亚王圈匝 m s 8 l s b 图3 7t l v 3 2 0 a i c 2 3 控制接口s p i 模式时序圈 s p i 模式使用s d i n 引脚作为串行数据线，s c l k 引脚作为串行时钟线，并使 用c s 引脚将1 6 b “的控制字锁存进t l v 3 2 0 a i c 2 3 。控制字分为两个部分，高7 - b i t b 1 5 ：9 1 是控制地址位，低9 b i tn 8 ：0 1 是控制数据位。 t l v 3 2 0 a i c 2 3 共有1 1 个内部控制寄存器。每个寄存器对应一个7 - b i t 的内部地 址，各寄存器对应的内部地址如表3 1 所示。 表3 - 1t l v 3 2 0 a i c 2 3 的控制寄存器列表 内部地址寄存器 0 0 0 0 0 0 0 左声道线路输入音量控制寄存器 0 0 0 0 0 0 1 右声道线路输入音量控制寄存器 0 0 0 0 0 1 0 左通道耳机音量控制寄存器 0 0 0 0 0 1 1 右通道耳机音量控制寄存器 0 0 0 0 1 0 0 模拟音频通路控制寄存器 0 0 0 0 1 0 1数字音频通路控制寄存器 0 0 0 0 1 1 0 省电控制寄存器 0 0 0 0 1 1 1 数字音频接口格式寄存器 0 0 0 1 0 0 0 采样率控制寄存器 0 0 0 1 0 0 1 数字接口激活寄存器 0 0 0 1 1 】1 复位寄存器 本系统中将d s p 的m e b s p l 作为单向的控制通道，向t l v 3 2 0 a i c 2 3 发送1 6 b i t 第三章系统硬件 的控制字，以完成c o d e c 的初始化。需要说明的是，m c b s p l 需配置为c l o c k s t o p 模式，以支持s p i 模式。另外，m c b s p l 仅在初始化c o d e c 时被占用，一 旦初始化完成，就处于空闲状态。 3 2 2 t l v 3 2 0 a 1 0 2 3 的数字音频接口 t l v 3 2 0 a i c 2 3 的数字音频接口，包含位时钟b c l k 、数据信号d i n d o u t 、 帧同步信号l r c i n l r c o u t 。该接口支持四种接口方式：右调整模式、左调整模 式、1 2 s 模式和d s p 模式。本系统采用d s p 模式，将t l v 3 2 0 a i c 2 3 配置为主设备， 与d s p 的m c b s p 2 无缝连接，将其作为双向的数据收发通道。音频数据字长3 2 _ b i t i 先传送左声道数据，再传送右声道数据。l r c i n 或l r c o u t 的下降沿启动数据传 送。由于本系统是单声道处理，因此实际上左右两个声道的数据是相同的。d s p 模式的时序如图3 - 8 所示。注意，m c b s p 2 的设置一定要与t l 3 2 0 a i c 2 3 的数字 音频接口设置相匹配。 l r a 附 il l r c o u t j 1 一 b c l k d i n i d o u t m s bl s bm s bl s b 图3 - 8t l v 3 2 0 a i c 2 3 数字音频接口的d s p 模式时序图 3 2 3m c b s p 介绍 t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 片内带有3 个m c b s p ，具有以下功能： 全双工同步和异步通信： 双缓冲发送和三缓冲接收，实现数据流的连续发送和接收； 可向c p u 发送中断和向d m a 控制器发送d m a 事件； 与工业标准编解码器、模拟接口芯片( a i c s ) 以及其他串行a d 和d a 器件 直接接口； 外部时钟输入或内部可编程时钟两种时钟控制方式； 接收和发送使用独立的帧信号和时钟信号，且极性可编程： 字宽可选：8 、1 2 、1 6 、2 0 、2 4 、3 2 一b i t 。 电子科技大学硕士学位论文 m c b s p 与外部设备的连接概念框图如图3 - 9 所示，其外部引脚包括数据发送 d x 、数据接收d r 、发送时钟c l k x 、接收时钟c l k r 、发送帧同步f s x 和接收 帧同步f s r 。m e b s p 内部由数据收发通路，数据、时钟与帧同步控制，多通道控 制和c p u 中断及d m a 同步事件控制器构成。 m e b s p 的数据接收通路包含3 组缓冲寄存器：接收移位寄存器r s r 1 ，2 、接 收缓冲寄存器r b r 1 ，2 1 , 1 数据接收寄存器d r r 1 ，2 】。到达d r 引脚的数据移存到 p s e 1 ，2 1 ，接收到一个完整的字( 可以是8 、1 2 、1 6 、2 0 、2 4 或3 2 位) 后，检查 p m r 1 ，2 是否为空，若为空则将r s r 1 ，2 中的数据复制到r b r 1 ，2 ，在c p u 或 d m a 控制器没有对d r r 1 ，2 进行操作时，可以将a b e 1 ，2 】中的数据复制到 d r r 1 ，2 】，c p u 或者d m a 控制器通过读取d r r 1 ，2 】中的数据来接收串口数据。 m c b s p 的数据发送通路只有2 组缓冲寄存器：数据发送寄存器d x r 【1 ，2 】和发 送转移寄存器x s r 1 ，2 1 。m c b s p 发送数据时，c p u 或d m a 控制器将数据写入 d x r i ，2 1 。若x s r 1 ，2 1 中没有数据，则d x r 1 ，2 1 a 0 的值移入x s r 1 ，2 1 ，再由x s r 1 ，2 将数据移到d x 上发送；若x s r 1 ，2 1 不为空，则等待x s r 1 ，2 】中的数据全部移到 d x 脚发送之后，刁将d x r 1 ，2 中的值复制到x s r 1 ，2 】，然后移出到d x 。 引脚 图3 - 9m c b s p 和外部设备连接图 第三章系统硬件 m c b s p 通过系列存储器映射控制寄存器进行配置和操作。表3 2 是m c b s p 的配置寄存器列表。 表3 - 2m c b s p 配置寄存器列表 寄存器名寄存器描述 s p c r 1 ，2 】 串口控制寄存器1 ，2 r c r 1 ，2 】 接收控制寄存器1 , 2 x c r 1 ，2 发送控制寄存器1 ，2 s r g r 1 ，2 】 采样率发生器寄存器1 , 2 m c r 1 ，2 多通道控制寄存器1 ，2 p c r 引脚控制寄存器 r c e r 【a ：h 接收通道使能寄存器a h x c e r a ：h 】 发送通道使能寄存器a - h 在本系统中，使用m c b s p l 对c o d e c 进行配置，使用m c b s p 2 与c o d e c 的 数字音频接口无缝连接，完成音频数据的接收和发送。配置m c b s p l 和m c b s p 2 的汇编代码如下【1 0 1 1 1 】 1 2 1 ( 具体的寄存器映射地址略) ： # 0 x 1 0 0 0 ，p o r t ( # s p c r l1 ) # 0 x 0 1 0 0 ，p o r t ( # s p c r 2 1 ) # 0 x l a o a ，p o r t ( # p c r l ) # 0 x 0 0 6 3 ，p o r t ( # s r g r l1 ) # 0 x 2 0 1 3 ，p o r t ( # s r g r 2 1 ) # o x 0 0 0 0 ，p o r t ( # r c r l1 ) # 0 x 0 0 0 0 ，p o r t ( # r c r 2 1 ) # 0 x 0 0 4 0 ，p o r t ( # x c r l1 ) # 0 x 0 0 0 0 ，p o r t ( # x c r 2 1 ) # o x 0 0 0 0 ，p o r t ( # m c r i1 ) # 0 x 0 0 0 0 ，p o r t ( # m c r 2 1 ) # 0 x 0 0 c 0 ，p o r t ( # s p c r 2 1 ) # 0 x 0 0 0 1 ，p o r t ( # s p c r 2 1 ) 接收器复位，配置为支持s p i 模式 发送器复位 引脚配置 配置采样率发生器 接收器无须使用 发送器配置 无须使用多通道 使能f r s t 和g r s t 使能发送器 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 甜 叫 电子科技大学硕士学位论文 # 0 x 0 0 0 0 ，p o r t ( # s p c r l 2 ) # o x 0 0 0 0 ，p o r t ( # s p c r 2 2 ) # 0 x 0 0 0 3 ，p o a ( # p c r 2 ) # 0 x 0 0 0 0 ，p o r t ( # s r g r l 2 ) # 0 x 0 0 0 0 ，p o r t ( # s r g r 2 2 ) # 0 x 0 0 4 0 ，p o r t ( # r c r l 2 ) # 0 x 0 0 0 0 ，p o r t ( # r c r 2 2 ) # 0 x 0 0 a 0 ，p o r t ( # x c r l 2 ) # 0 x 0 0 0 0 ，p o r t ( # x c r 2 2 ) # 0 x 0 0 0 0 ，p o r t ( # m c r l 2 ) # 0 x 0 0 0 0 ，p o r t ( # m c r 2 2 ) # 0 x 0 0 0 1 ，p o r t ( # s p c r l 2 ) # 0 x 0 0 0 1 ，p o r t ( # s p c r 2 2 1 3 24d m a 介绍 接收器复位，配置为常规模式 发送器复位 引脚配置 采样率发生器无须配置 接收器配置 发送器配置 无须使用多通道 使能接收器 使能发送器 t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 片内带有6 通道的d m a 控制器，可以无需c p u 干预的在片 内存储器、片外存储器和片上外设之间，以及存储器和e h p i 之间传送数据，如图 3 1 0 所示。t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 的d m a 控制器具有如下特点： 操作独立于c p u ： 六个独立通道，每个通道的优先级可编程； 所有通道都可以向c p u 发送中断请求； 4 个标准端口分别用于内部d a r a m 、s a r a m 、片外存储器以及外设； 1 个专用端口支持e h p i 和存储器之间的数据传输； 支持多帧传输模式和自动缓冲( a b u ) 模式； d m a 事件同步，每个d m a 通道的传送都可由特定的事件触发。 第三章系统硬件 圈3 - 1 0t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 的d m a 控制器概念框图 t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 的d m a 控制器拥有3 个全局的寄存器：d m a 全局控制寄存 器d m a g c r 、d m a 软件兼容寄存器d m a g s c r 和d m a 超时控制寄存器 d m a g t c r 。每个d m a 通道又对应1 6 个寄存器，如表3 3 所示。本系统使用d m a 通道0 作为音频数据的接收通道，它的同步事件对应m c b s p 2 的接收数据就绪信 号r r d y 。当m c b s p 每收到个3 2 _ b j t 的双字( 左右两个通道各一个字) ，就通 知d m a 通道0 读取。d m a 通道1 是音频数据的发送通道，它的同步事件对应 m c b s p l 的发送器就绪信号x r d y 。当m c b s p 发送器空闲时就通知d m a 通道1 发送数据。 表3 - 3t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 的d m a 通道控制寄存器列表 寄存器名寄存器说明 d m a c s d p 源目的参数寄存器 d m a c c r 通道控制寄存器 d m a c i c r中断控制寄存器 d m a c s r 通道状态寄存器 d m a c s s a l 源起始地址寄存器( 低) d m a c s s a u 源起始地址寄存器 高) 电子科技大学硕士学位论文 d v i a c d s a l 目的起始地址寄存器( 低) d m a c d s a u 目的起始地址寄存器( 高) d m a c e n 元素数量寄存器 d m a c f n帧数量寄存器 d m a c s f i 源帧索引寄存器 d m a c s e i 源元素索引寄存器 d m a c s a c 源地址计数寄存器 d m a c d a c目的地址计数寄存器 d i v i a