基于DSP的音频信号采集系统设计.doc

基于DSP的音频信号采集系统设计辽宁省葫芦岛市辽宁工程技术大学电子与信息工程学院摘要：本设计是一个基于TMS320VC5402的音频信号采集系统。介绍了该系统的总体实现方案和硬件设计，利用TMS320VC5402芯片来实现音频信号的采集和输出。本系统主要分为以下几个部分：电平转换电路、 AD转换电路、静态存储与动态存储、USB接口以及 JTAG部分。最后通过对DSP系统进行仿真调式，证明所设计的基于DSP的硬件系统是一个很好的音频信号采集系统。关键词：DSP TMS320VC5402 音频信号 采集与处理The design of audio signal acquisition system based on DSPLiaoning province Huludao city Liaoning Technical University School of electronic and Information EngineeringAbstract: The design is audio signal acquisition system based on a TMS320VC5402. Introduced the implementation and hardware design of the overall system, using a TMS320VC5402 chip for the realization of audio signal acquisition and outputThis system is mainly divided into the following sections: the level converting circuit, the AD conversion circuit , the static storage and dynamic storage, USB interface and the JTAG portion.By the end of the DSP system simulation mode, proved that the design based on DSP hardware system is a very good audio signal acquisition system.Keywords: DSP TMS320VC5402 audio signal acquisition and processing近年来，随着DSP技术的普及和低价格、高性能DSP芯片的出现，DSP已越来越多地被广大的工程师所接受，并越来越广泛地被应用于各个领域，例如：语音处理、图像处理、模式识别及工业控制等，并且已日益显示出其巨大的优越性。DSP是利用专门或通用的数字信号处理芯片，以数字计算的方法对信号进行处理，具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小及可靠性高等优点，满足了对信号快速、精确、实时处理及控制的要求。确定硬件实现方案该系统主要应用于工业生产中，通过采集的声音信号与数据库中的数据相比较，来检测生产设备的运行状态等。考虑到系统性能指标、成本、算法需求等多方面因素后，确定了最优的硬件实现方案，系统框图如图1所示。该系统主要分为以下几个部分：电平转换电路、 AD转换电路、静态存储与动态存储、USB接口以及 JTAG部分。系统通过采集声音信号来检测器械的裂纹、密合度等。将 DSP高速处理数字信号的能力与 USB高速传输数据的能力结合起来，使其服务于工业生产，是该系统的主要设计目的。硬件设计思想人类可以听到的声音信号是范围在20-20kHz的模拟信号，所以首先需要传感器接收该声音信号，接着需要进行转换，使声音信号由模拟信号变为数字信号。之后通过分析噪声产生的原因和规律，利用被测信号的特点和相干性，检测被覆盖的声音信号。在检测方法上有频域信号的相干检测、时域信号的积累平均、离散信号的计数技术、并行检测等方法。图1 硬件系统框图Figure 1 block diagram of hardware system 器件的选择一、 DSP芯片的选择本系统中 DSP采用的是 TI公司的 TMS320VC5402（以下简称 5402），其操作速率达 100 MIPS，由于其具有改进的哈佛结构，所以它可以在一个指令周期内完成 32x32bit的乘法，亦可以迅速完成数学运算最常用的乘加运算。它有 4条地址总线、3条 16位数据存储器总线和 1条程序存储器总线， 40位算术逻辑单元 (AIU)，一个 1717乘法器和一个 40位专用加法器。8个辅助寄存器及一个软件栈，允许使用最先进的定点 DSP的 C语言编译器，内置可编程等待状态发生器、锁相环(PLL)时钟产生器、两个多通道缓冲串行口、一个 8位并行与外部处理器通信的 HPI口、2个 16位定时器以及 6通道 DMA控制器，特别适合电池供电设备二、 ADC的选择本设计中选用的 AD转换芯片是 TI公司的TLC320AD50C。该芯片的采样采用技术，即将一个抽样滤波器放置于 ADC后，将一个差值滤波器放置在 DAC前。这种结构的最大特点就是使系统可同时进行接收、发送任务。 TLC320AD50C可实现高采样率（最高可达 22.5kb/s）的 AD/DA转换，该功能由 2个 16位的同步串行转换通道实现，可直接和 DSP连接进行通信。三、 存储器的选择由于 5402片内的 ROM和 DRAM资源有限，所以该系统需要外部存储设备，本设计选择一片 SRAM作为静态存储器，一片 FLASH作为动态存储设备。其中SRAM使用的是GS1117：64K16的 1MB异步静态随机存储器。 GS71116是一个由高速的互补性金属氧化物半导体晶体管（CMOS）组成的静态随机存储器，不需要外部时钟或时间频闪观测器。 3.3V的操作电压，所有的输入输出均兼容晶体管逻辑电路（TTL）。它的快速通道时间小于 15ns，操作电流小于 100mA。四、 通信器件的选择该设计利用 USB接口芯片直接与 DSP相连，通过 DSP的程序实现 USB的协议，最大的优点就是可以保障数据交换的速度。利用 USB通讯的主要优点，便是传输速度快，支持热插拔，占用资源少，可扩展性强。五、 电源5402的 CPU电压为 3.3伏，外设电压为 1.8伏，所以该系统还需要一个供电的电源模块，可以将一般的输入电压 5伏转化为 3.3与 1.8伏的电压为 DSP供电，该 5V电压还可为除 DSP以外的其他设备供电。原理图设计在本系统中，几个基本环节就是：电平转换电路：将 5V电源转换为 3.3V与 1.8V，分别为 DSP芯片的片上外设以及 CPU供电； AD信号转换电路：将传感器接收到的模拟信号转换为数字信号，供 DSP进行处理；信号的存储电路：储存 DSP处理的信号；信号传输电路：将经过处理的信号上传至电脑；仿真电路：用于测试 DSP芯片。一、 电平转换电路设计电平转换电路，顾名思义，就是将电源供电的电压转换为适合芯片工作的电压。由于 5402的核电压与片上外设电压不同，而且整个电路需要的电压并不能由电源直接提供，所以电平转换电路可以说是整个电路工作的动力，为各个元器件提供适合其工作的条件。在该电路中，电源芯片使用的是 TI公司的 TPS767D301(以下简称 D301)。D301是一款可以使不同电压分别输出的芯片，可输出 3.3V和介于 1.5-5.5V之间的某一调整后的电压。因为 5402的外设电压是 3.3V，核电压为 1.8V，所以在此设计中，将该芯片的输出设定为3.3V和 1.8V，与 5402匹配。连接图如图 2所示。图2 电平转换电路Figure 2 the level converting circuit在 1OUT的输出部分 Vo=Vref（1+R1/R2），在 D301中，Vredf=1.1834V，所以 Vo=1.1834V（1+15.8/30.1）=1.8V。二、AD转换电路设计本设计中选用的 AD转换芯片是 TI公司的TLC320AD50C。TLC320AD50C中的可选项和电路配置可以通过串行口进行编程，该芯片对掉电、复位、信号采样率、串行时钟率、增益控制、通信协议、测试模式等可通过串行口进行编程和电路配置。具体连接如图3：图3 AD转换电路Figure 3 the AD conversion circuit片外复位电路提供上电复位，晶振电路可提供 10MHz的主时钟频率，数据采样频率和其他时钟信号均由此频率分配。5402与 AD50C之间的通信格式为主串行通信格式：接收和发送转换信号。三、USB接口设计PDIUSBD12是一款带并行总线的 USB 接口器件，它符合通用串行总线 USB 1.1 版规范，集成了 SIE、FIFO、存储器收发器以及电压调整器等，可与任何外部微控制器或微处理器实现高速并行接口 2M字节/秒，且在批量模式和同步模式下均可实现 1M字节/秒的数据传输速率，可通过软件控制与 USB 的连接，采用 GoodLink技术的连接指示器 ,在通讯时使 LED 闪烁，具有可编程的时钟频率输出，内部上电复位和低电压复位电路，为双电源操作，在 3.30.3V或扩展的 5V电源下均可使用，可实现多中断模式的批量和同步传输。连接图如图 4：图4 USB接口Figure 4 USB interface四、DSP设计（一）复位电路采用MAX706R芯片组成的自动复位电路，既能实现上电复位，又能检测系统运行。电路如下图：图5 自动复位电路Figure 5 Automatic reset circuit（二）时钟电路采用外部时钟源，设置CLKMD1=1，CLKMD2=0，CLKMD3=1。芯片上电后，使CLKMD寄存器的复位值为F000H，DSP芯片的时钟为外部晶振频率的1/4。（三）串行接口TMS320VC5402提供了2个高速、双向、多通道带缓冲功能的串行口McBSP。本系统采用标准串行口方式。（四）外部存储器DSP主要通过外部存储器接口 (EMIF)访问片外存储器。它不仅具有很强的接口能力(可以和各种存储器直接接口)，而且具有很高的数据吞吐能力。 5402与 SST39VF400的接口电路设计如图 1所示。该电路主要通过 DSP的相关输出管脚来控制 FLASH的擦除和读写。其中，A0A19为地址线，DQ0DQ15为数据线，OE和 WE分别为输出使能和写使能， CE1为片使能。结论在信息资源大大丰富的今天，数字化程度已经越来越高。而 DSP作为这一技术的重要组成部分，对我们的生活已经产生了越来越深刻的影响。在数字化时代背景下，DSP已成为各种电子产品等领域的基础器件，而其在电机控制、声音识别与图像识别领域中的应用则是更为广泛。通过这个声音采集系统，我们可以把无形的声音信号转化为图形进行处理，可以观察它的波形特点进行研究、工业生产等等。而在设计其他的 DSP应用系统接口电路时，要根据具体情况综合考虑性能指标、器件选取、外围电路设计等方面，仔细选取器件，精心合理布局，才能达到理想的设计效果。参考文献