基于tms320c5416_dsp芯片的音频信号的分析器的设计

基于TMS320C5416DSP芯片的音频信号的分析器的设计摘要DSP技术在音频处理领域的应用越来越广。目前，在很多语音处理系统中都用到了语音分析模块，采集现场的声音并进行频谱分析。语音处理系统的实时性、功耗、体积、以及对语音信号的保真度都是很影响系统性能的关键因素。因此，音频信号的分析器的设计是非常必要的。本设计采用的高速TMS320C5416DSP芯片，最高频率能达到160MIPS，能够很好的解决系统的实时性；采用的数字编解码芯片TLV320AIC23以下简称AIC23具有1632位采样精度，采样频率范围从8KHZ96KHZ。因此，该音频编解码芯片与TMS320C5416DSP的结合是可移动数字音频录放系统、现场语音分析系统的理想解决方案。本文首先介绍了基于TMS320C5416DSP芯片的语音分析系统的工作原理，给出了整体设计方案和工作框图，然后给出了系统的硬件设计方案；接着介绍了基于TMS320C5416DSP芯片的语音录放系统的软件设计。在整个设计过程中，我们采用了TLV320AIC23DSP芯片为核心音频录放接口器件，结合TMS320C5416DSP芯片，语音数据存储FLASH存储器等进行了硬件设计。软件部分则采用模块化的设计方法，用C语言来实现。该语音录放器的设计能够完成语音采集，存储，滤波，频谱分析，基本实现了语音分析功能。关键词TMS320C5416，TLV320AIC23，DSP，语音分析THEDESIGNOFSPEECHANALYSORBASEDONTMS320C5416DSPCHIPABSTRACTTHEUSEOFDSPTECHNOLOGYINTHEFIELDOFAUDIOPROCESSINGISINCREASINGLYWIDERATPRESENT,MANYSPEECHPROCESSINGSYSTEMSAREUSEDINSPEECHANALYSISMODULE,ACQUISITIONSCENESPEECHANDSTOREDFORSPEECHPROCESSSPEECHPROCESSINGSYSTEMWITHREALTIME,POWERCONSUMPTION,SIZE,ANDTHESPEECHSIGNALFIDELITYISAKEYFACTORWHICHISAFFECTINGSYSTEMPERFORMANCETHEREFORE,SPEECHRECORDINGANDPLAYINGDESIGNISVERYNECESSARYTHEDESIGNOFHIGHSPEEDCHIPUSEDTMS320C5416DSP,THEMAXIMUMFREQUENCYCANREACH160MIPS,WHICHISAGOODSOLUTIONTOTHEREALTIMESYSTEMTHEFIGURESUSEDINTHECODECCHIPTLV320AIC23HEREINAFTERREFERREDAIC23IS1632SAMPLINGPRECISION,SAMPLINGFREQUENCYSRANGEFROM8KHZ96KHZTHEREFORE,THEAUDIODECODERCHIPANDTHECOMBINATIONTMS320C5416DSPMOBILEDIGITALSPEECHANALYSISSYSTEMSPEECHACQUISITIONSCENE,ISTHEIDEALSOLUTIONTHISPAPERFIRSTLYINTRODUCESTHESPEECHANALYSISOFPRINCIPLEBASEDONTMS320C5416DSPCHIP,GIVENTHEOVERALLDESIGNOFTHEPLANANDDIAGRAM,ANDTHENGIVESTHESYSTEMHARDWAREDESIGNPROGRAMSECONDLYSPEECHANALYSISSYSTEMSOFTWAREDESIGNBASEDONTMS320C5416DSPCHIPTHROUGHOUTTHEDESIGNPROCESS,WEUSEDTLV320AIC23DSPCORECHIPSFORAUDIORECORDINGDEVICEINTERFACE,TMS320C5416DSPCOMBINATIONOFCHIPS,SPEECHDATASTORAGEFLASHMEMORY,ANDSOONTHEHARDWAREDESIGNSOFTWAREISAMODULARDESIGNMETHOD,THECLANGUAGETOACHIEVETHESPEECHRECORDINGOFTHEDESIGNISTOCOMPLETESPEECHACQUISITION,STORAGE,FILTERING,SPECTRUMANALYSISTHEBASICREALIZATIONOFTHESPEECHANALYSISFUNCTIONKEYWORDSTMS320C5416，TLV320AIC23，DSP，SPEECHANALYSIS目录前言1第1章语音分析的技术方案及硬件电路设计211语音分析器的性能指标和硬件方案2111语音分析器的性能指标2112硬件设计方案312语音分析系统的硬件电路设计4121TMS320C5416DSP数字信号处理接口电路模块5122TLV320AIC23语音采集、回放接口电路模块9123语音数据存储接口电路模块12124音频接口电路模块13125电源接口电路模块15第2章语音分析器的应用软件设计1721语音分析器应用软件系统的设计方案1722主程序模块1723语音分析模块的程序设计20231MCBSP的初始化20232AIC23的初始化22结论27参考文献27致谢31附录33前言DSP处理速度快，功耗低，性能好，基于TMS320C5416DSP芯片的语音存储容量大，具有很好的通信音质等特点，因此被广泛应用于很多领域中。本设计实现的语音分析系统具有如下优点1音频数据占用资源少2音质通信级3开发难度低4语音芯片与DSP接口电路简单5体积小在论文完成过程中，我首先在图书馆查阅相关书籍研究如何进行基于TMS320C5416DSP芯片的语音录放器的方案设计，然后对系统内部所需要的各个模块进行设计并对芯片做了详细研究；其次参阅相关资料在计算机和实验板上进行应用软件的设计、编程与调试，然后在老师指导下进行硬件与软件的联合调试；最后自己对毕业设计资料进行整理，总结，完成毕业设计论文。在整个设计过程中，本文首先介绍了基于TMS320C5416DSP芯片的语音录放系统的工作原理，给出了整体设计方案和工作框图，然后给出了系统的硬件设计方案；在硬件设计中，我们采用了TLV320AIC23DSP芯片为核心音频录放接口器件，结合TMS320C5416DSP芯片，语音数据存储FLASH存储器等基本完成了语音录放器硬件的设计过程；最后介绍了基于TMS320C5416DSP芯片的语音录放系统的软件设计，软件部分主要是在CCS环境下用C语言编程实现。将外部输入的模拟语音信号，经由高保真语音芯片AIC23进行采样后保存在外扩存储器存储空间中，然后这些存储的数字语音信号经过DSP带缓冲串口MCBSP2读入DSP，经过FIR数字低通滤波器滤除语音信号中高频部分及其它噪声，最后对这些语音信号的FFT变换。该语音分析器的设计能够完成语音采集，播放，存储，频谱分析，基本实现了语音分析功能。随着技术的进步，TMS320C5416DSP与TLV320AIC23的结合的语音编码方案将会有更好的应用前景。第1章语音分析器的技术方案及硬件电路设计在当今的数字化时代背景下，DSP已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，是集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素。DSP芯片已经被广泛地应用于当今技术革命的各个领域，而且DSP技术也正以极快的速度被应用在通信、电子系统、信号处理系统等许多领域中。基于TMS320C5416DSP芯片的语音分析器的设计系统的主要功能对语音信号进行采样滤波后FFT变换，然后观察其频谱分布。通过该分析器可观察到语音信号频谱特征的观察，从而为语音的编解码，压缩，解压缩，语音编码，语音识别语音合成，语音增强等实时语音处理方法的实现及参数的选取提供依据。本系统是一个数字信号处理系统，是电子技术、信号处理技术与计算技术相结合的产物，也是一个软硬件结合的系统。11语音分析器的性能指标和硬件方案111语音分析器的主要性能本设计实现的语音录放器具有如下主要性能1由于语音信号的频率范围为300HZ3400HZ（人说话声音）或20HZ20KHZ（音乐，占音频信号全频率），根据采样定理，为保证信息不失真，确定系统的采样频率为8KHZ或96KHZ2结合系统采用的TMS320C5416芯片处理速度以及信号采样频率的要求，采用TLV320AIC23DSP芯片作为系统的A/D转换芯片3根据上述技术指标确定TMS320C5416系统的外围接口方式。本设计实现的语音分析系统具有如下优点1音频数据占用资源少2音质通信级高3开发难度低4语音芯片与DSP接口电路简单5体积小112硬件设计方案DSP技术在音频处理领域的应用越来越广。目前，在很多语音处理系统中都用到了语音分析模块，采集现场的声音并存储起来对语音信号的频谱特征进行观察，为确定最佳的语音压缩的方法和参数的选择提供依据。语音处理系统的实时性、功耗、体积、以及对语音信号的保真度都是很影响系统性能的关键因素。本系统用DSP芯片TMS320C5416与音频编解码芯片TLV320AIC23实现硬件接口和软件设计,并在此硬件基础上实现语音信号的采集、播放、存储、回放。本系统包括音频采集、DSP对语音信号的处理、FLASH存储三部分。系统结构如图11所示TLV320AIC23TMS320C5416DSPFLASH存储MCBSP数据接口控制接口MCBSP1线路输入麦克输入图11总体设计图TMS320C5416作为主芯片实现语音信号采集、存储和各模块之间的通信等控制，其主要功能有上电自举，将采集压缩后的音频信号存储在FLASH中。AIC23的语音信号输入可以是麦克输入也可以是线路输入，这可以通过配置寄存器选择。当能过麦克输入人的说话声时，综合人声的频率、数据量大小的要求，采样频率不需要太高，设定为8KHZ比较合适。实验证明，在这个采样频率下能清晰地采集、回放人的说话声，并且具有较好的保真度。当输入为音乐或歌曲的线路输入时，为了保证音质不失真，采样频率可以设定为96KHZ。在总体设计图中，AIC23是一种高性能的立体声音频CODEC芯片作为从设备，主要完成输入语音信号的A/D转换，语音采样编解码及滤波处理，该芯片构成简单，功能强大；TMS320C5416DSP芯片有三个MCBSP多通道缓冲串口，MCBSP0和MCBSP1可完成对AIC23的控制，MCBSP0为语音数据接口，完成语音数据的交换数据发送与接收，MCBSP1为数据控制接口，主要对AIC23写控制字；语音数据存储模块选用FLASH存储器，它是一种可在线进行电擦写可快速访问，掉电后信息不会丢失的非易失性存储器，具有可靠性稳定性，低成本低功耗，高密度大容量可达几个GB，抗震性，尺寸小重量轻等多种先进特性，烧录技术以FLASH闪存为载体进行读取和存储。该系统的工作原理是语音信号通过话筒从线路或麦克输入口输入音频信号送到AIC23中，AIC23控制芯片内寄存器，使输入的音频信号进行A/D转换，一方面将转换得到的数字语音信号送到TMS320C5416DSP的FLASH存储器暂存起来，每收够一帧就调用语音压缩程序进行编码，编码后得到的数据被TMS320C5416DSP送到FLASH存储器存储起来；另一方面调用语音滤波和FFT变换程序对语音数字信号进行分析。放音时，先从FLASH存储器中读出压缩数据送到DSP中，TMS320C5416DSP调用解压缩程序还原出语音信号，还原后的语音信号通过耳机发送出来。12语音分析系统的硬件电路设计本设计采用的高速TMS320C5416DSP芯片（该芯片的用途和优点及结构功能在后面的器件选择中有详细阐述），最高频率能达到160MIPS，能够很好的解决系统的实时性；采用的数字编解码芯片TLV320AIC23该芯片的用途和优点及结构功能也在后面的器件选择中有详细阐述，以下简称AIC23具有1632位采样精度。因此，该音频编解码芯片与TMS320C5416DSP的结合是可移动数字音频录放系统、现场语音采集系统的理想解决方案。语音分析器的具体实现原理图见附录。TMS320C5416有3个MCBSP多通道缓冲串口。可以方便地利用其中2个MCBSP完成对AIC23的控制和通信。AIC23芯片是一个可编程芯片,内部有11个16位寄存器,控制接口具有SPI和I2C工作方式,这两种工作方式由MODE引脚MODE为串行接口输入模式选择引脚来选择,即MODE0为I2C模式MODE1为SPI模式。AIC23有独立的控制接口和数据接口，控制口用于接收控制器的命令字，数据接口与DSP完成语音数据的交换。AIC23的工作时钟由外接的一个112896M的晶振提供。DSP的工作时钟是由12M外部晶振提供。本系统用到了利用C5416DSP的MCBSP0和MCBSP1，分别与AIC23的控制和数据接口相连。C5416DSP与AIC23的接口电路如图12所示。TMS320C5416DSPBCLKX0BDX0BFSX0BCLKX1BDR0BFSR0BDX1BFSX1TLV320AIC23BCLKDINLRCINDOUTLRCOUTSCLK/CSXTI/MCLK耳机输出线路输入麦克输入图12TMS320C5416DSP与TLV320AIC23的接口电路框图121TMS320C5416DSP数字信号处理接口电路模块系统采用的主芯片是TI公司的一款16位定点DSPTMS320C5416以下简称C5416，主要是考虑到C5416片内具有128K16位的内部RAM，这对提高系统总体性能和集成度有很大的帮助。另外C5416还具有3个MCBSP多通道缓冲串口，该串口与SPI器件兼容，提供多达128个发送和接收通道。与其他C54XDSP芯片一样C5416具有功耗低、运算速率高、性价比高的优点。另外C5416具有如下特点当核电压为16伏特时的工作频率可达到160MIPS；能访问64K数据存储空间、64KI/O空间、以及192K程序存储空间。TMS320C5416作为主芯片实现语音信号采集、存储和各模块之间的通信等控制，其主要功能有上电自举，读取键盘值并初始化音频编码芯片和液晶屏，控制AIC23并通过液晶屏显示AIC23的工作状态，将采集压缩后的音频信号存储在FLASH中。TMS320C5416通过以下引脚与TLV320AIC23连接。BCLKX0/BCLKX1缓冲串口0和1的发送时钟,用于对来自缓冲串行口发送移位寄存器和传送至数据发送引脚的数据进行定时；BDX0/BDX1缓冲串行口数据发送端,来自缓冲串行口发送移位寄存器中的数据经该引脚串行发送；BFSX0/BFSX1用于发送输出的帧同步脉冲；BDR0缓冲串行口数据接收端；BFSR0用于接收输入的帧同步脉冲；X2/CLKIN由晶振接到内部振荡器的输入引脚。TMS320C5416与FLASH存储器连接时，DSP采集到的32位语音数据通过外部数据总线的低8位分4次，从左声道的高8位到右声道的低8位依次写入FLASH。DSP提供工作时钟由外接的一个晶振提供，DSP的工作时钟是5倍频后的时钟56488M。TMS320C5416主电路模块电路如图13所示。1234ABCD4321DCBACVSS1A222CVSS3DVDD4A105HD76A117A128A139A1410A1511CVDD12HAS13DVSS14CVSS15CVDD16HCS17HR/W18READY19PS20DS21IS22R/W23MSTRB24IOSTRB25MSC26XF27HOLDA28IAQ29HOLD30BIO31MP/MC32DVDD33CVSS34BDR135BFSR136CVSS37BCLKR138HCNTL039DVSS40BCLKR041BCLKR242BFSR043BFSR244BDR045HCNTL146BDR247BCLKX048BCLKX249CVSS50HINT51CVDD52BFSX053BFSX254HRDY55DVDD56DVSS57HD058BDX059BDX260IACK61HBIL62NM163INT064INT165INT266INT367CVDD68HD169CVSS70BCLKX171DVSS72BFSX173BDX174DVDD75DVSS76CLKMD177CLKMD278CLKMD379HPI1680HD281TOUT82EMU083EMU184TD085TD186TRST87TCK88TMS89CVSS90CVDD91HPIENA92DVSS93CLKOUT94HD395X196X2/CLKIN97RS98D099D1100D2101D3102D4103D5104A16105DVSS106A17107A18108A19109A20110CVSS111DVDD112D6113D7114D8115D9116D10117D11118D12119HD4120D13121D14122D15123HD5124CVDD125CVSS126HDS1127DVSS128HDS2129DVDD130A0131A1132A2133A3134HD6135A4136A5137A6138A7139A8140A9141CVDD142A21143DVSS144U1TWS320VC5416GNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGND33V33V33V33V33V33V16V16V16V16V16V16VA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17A18D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15A19A20INT0INT1INT2INT3HD0HD1HD2HD3HD4HD5HD6A21A22HASHCSHRWREADY/PS/DS/ISRW/MSTRB/IOSTRB/MSCXFHOLDBI0MP/MCDOUTBDR1LRCOUTBFSR1BFSR2BCLKXR0BCLKXR1HCNTL0BLCKXR2HCNTL1BDR2BCLKXR1BCLKX2/HINTBFSX2HRDYDINBDX2HBILNM1CLKMD1CLKMD2CLKMD3HPI16TOUTEMU0EMU1TD0TD1/TRSTTCKTMS16VHPIENACLKOUT/RESETX1X2/HDS1/HDS2R133R233R333Y116C112PC212PX1X2BCLKLRCINSCLKSACSSX21C5416DSP芯片的总线结构DSP芯片的基本特点是采用了哈佛总线结构，C5416DSP芯片的结构是以8组16位总线为核心，形成了支持高速指令执行的硬件基础。8组总线分为1组程序总线，3组数据总线和4组地址总线。2C5416DSP芯片的中央处理器中央处理器CPU是DSP器件的核心部件，它的性能直接关系到DSP器件的性能。为了满足处理速度的要求，TMS320C5416DSP芯片的CPU采用了流水线指令执行结构和相应的并行结构设计，使其能在一个指令周期内，高速地完成多项算术运算。CPU的基本组成如下40位算术逻辑运算单元（ALU）；2个40位累加器（ACCA，ACCB）；1个支持1630位移位的桶形移位寄存器；乘法器加法器单元（MAC）；比较选择和存储单元（CSSU）；指数编码器；CPU状态和控制寄存器。3C5416DSP芯片的存储空间结构TMS320C5416DSP芯片共有192千字的可寻址存储空间。这192千字的存储空间分为3个独立的可选择空间，分别为64千字的程序存储空间；64千字的数据存储空间；64千字的I/O空间。所有的TMS320C5416DSP芯片都包括内部随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。内部随机存储器RAM又分为单寻址RAM（SARAM）和双寻址RAMDARAM两种类型。通常，SARAM和DARAM被映射到数据存储空间用来存储数据，也可以映射到程序空间用来存储程序代码。TMS320C5416DSP芯片的并行结构和内部随机存储器RAM的双寻址能力，可使CPU在任何一个给定的机器周期内同时执行4次存储器操作，包括1次取指，2次读操作数和1次写操作数。4C5416DSP芯片的片内外设电路为了满足数据处理的需要，TMS320C5416DSP芯片提供了必要的片内外部设备。这些外部设备主要包括通用I/O引脚；定时器；时钟发生器；主机接口HPI；串行通信接口；软件可编程等待状态发生器；可编程分区转换逻辑。5C5416DSP芯片的系统控制TMS320C5416DSP芯片的系统控制是由程序计数器（PC），硬件堆栈，PC相关的硬件，外部复位信号，中断，状态寄存器和循环计数器（RC）等组成的。6TMS320C5416DSP芯片的外部总线TMS320C5416DSP芯片的外部总线具有很强的系统接口能力，可与外部存储器以及I/O设备相连，能对64K字的数据存储空间，64K字的程序存储空间，以及64K字的I/O空间进行寻址。独立的空间选择信号DS，PS和IS允许进行物理上分开的空间选择。接口的外部数据准备输入信号（READY）与片内软件可编程等待状态发生器一道，可以使处理器与各种不同速度的存储器和I/O设备连接。接口的保护方式能使外设对TMS320C5416DSP芯片的外部总线进行控制，使外部设备可以访问程序，数据和I/O空间的资源。C5416DSP芯片是一种特殊结构的微处理器,为了快速实现数字信号处理运算,采用了流水线指令结构和相应的并行处理结构,可在一个周期内对数据进行高速的算术运算和逻辑运算。C5416采用先进的哈佛结构，具有片内存储器、中断、串口、并口等丰富的资源，加上高度专业化的指令系统，使C5416具有很高的性价比，已经广泛应用于通信、语音处理、图像处理、仪器仪表等无线电通信系统中。122TLV320AIC23语音采集及回放接口电路模块从适应语音信号频率、满足实时性、降低成本、简化设计的要求出发，本系统选择TLV320AIC23。AIC23是一种高性能的立体声音频CODEC芯片作为从设备，主要完成输入语音信号的A/D转换，语音采样编解码及滤波处理，该芯片构成简单，功能强大。AIC23工作电压33伏特，能在数字和模拟电压下工作，与TMS320C5416的I/O电压相兼容，其控制接口和数字接口与DSP的MCBSP端口能够无缝连接。AIC23的模数转换（ADCS）和数模转换（DACS）部件高度集成在芯片内部，采用了先进的SIGMADELTA过采样技术（SIGMADELTA一般用于ADC中，是高精度的A/D转换器，该转换器的特点是将绝大多数的噪声从动态转移到阻态），可以在8K到96K的频率范围内提供16BIT、20BIT、24BIT和32BIT的采样，ADC和DAC的输出信噪比分别可以达到90DB和100DB。TLV320AIC23通过以下引脚与TMS320C5416连接。BCLKI2S一种AIC23的数字音频接口支持的通用的音频格式串行数据传输时钟,当AIC23为主模式时BCLK由AIC23产生并提供给DSP,频率为主时钟的1/4,当从模式时由DSP产生；DINI2S格式串行数据输入端,送入立体声DAC；DOUTI2S格式串行数据输出端,由立体声ADC产生；LRCIN/LRCOUTI2S格式数据输入/出帧同步信号；SCLK控制端口移位时钟；SDIN控制端口串行数据输入,用来传输配置AIC23内部寄存器数据；/CS控制端口输入和地址锁存选择端,在SPI控制模式下,作为数据锁存控制端,在I2C模式下,定义外设的7位地址；XTI/MCLK晶体或外部时钟输入端,AIC23内部时钟由它产生。AIC23的工作时钟由外接的一个112896M的晶振提供，TLV320AIC23从电路模块电路如图14所示。1234ABCD4321DCBAY312MC2320PC2420PC2110UBVDD1CLKOUT2BCLK3DIN4LRCN5DOUT6LRCOUT7HPVDD8LHPOUT9RHPOUT10HPGND11LOUT12ROUT13AVDD14AGND15VMID16MICBIAS17MICIN18RLINEIN19LLINEIN20/CS21MODE22SDIN23SCLK24XTI/MCLK25XT026DVDD27DGND28U22TLV320AIC2333VBCLKDINDOUTLRCOUT33VALHPOUTRHPOUTSAGNDLOUTROUT33VASAGNDMICBIASMICINRLNEINLLINEINSACSSDINSCLKSX1SX233VGNDR10310KSX1SX2LRCIN图14TLV320AIC23从电路模块电路1AIC23的管脚及外围接口1数字音频接口主要管脚为BCLK数字音频接口时钟信号（BIT时钟），当AIC23为从模式时（通常情况），该时钟由DSP产生；AIC23为主模式时，该时钟由AIC23产生；LRCIN数字音频接口DAC方向的帧信号（I2S模式下WORD时钟）LRCOUT数字音频接口ADC方向的帧信号DIN数字音频接口DAC方向的数据输入DOUT数字音频接口ADC方向的数据输出这部分可以和DSP的MCBSP（MULTICHANNELBUFFEREDSERIALPORT，多通道缓存串口）无缝连接，唯一要注意的地方是MCBSP的接收时钟和AIC23的BCLK都由MCBSP的发送时钟提供。2麦克风输入接口主要管脚为MICBIAS提供麦克风偏压，通常是3/4AVDDMICIN麦克风输入3LINEIN输入接口主要管脚为LLINEIN左声道LINEIN输入RLINEIN右声道LINEIN输入4耳机输出接口主要管脚为LHPOUT左声道耳机放大输出RHPOUT右声道耳机放大输出LOUT左声道输出ROUT右声道输出5配置接口主要管脚为SDIN配置数据输入SCLK配置时钟DSP通过该部分配置AIC23的内部寄存器，每个WORD的前7BIT为寄存器地址，后9BIT为寄存器内容。6其他主要管脚为MCLK芯片时钟输入12288M、112896M、18432M、169344MVMID半压输入，通常由一个10U和一个01U电容并联接地MODE芯片工作模式选择，MASTER或者SLAVECS片选信号（配置时有效）CLKOUT时钟输出，可以为MCLK或者MCLK/22AIC23的控制接口AIC23有两个数字接口，其一是由CS控制信号、SDIN信号数据输入、SCLK信号时钟和MODE模式构成的数字控制接口，通过它将芯片的控制字写入AIC23，从而控制AIC23功能；另一组是由LRCIN左右声控制输入、DIN数据输入、LROUT左右声输出、DOUT数据输出和BLCK时钟组成的数字音频接口，AIC23的数字音频信号从这个接口接收或发出。AIC23内部还包含两个A/D、D/A变换器，其字长可以是16、20、24、32，同时AIC23内部的时钟可以通过XTI晶振时钟输入、XTO时钟输出和外接晶振构成时钟，也可以由外部直接输入时钟信号。AIC23内部还包含有MIC偏置电路，使用外接MIC无需外置偏置电路。123语音数据存储接口电路模块考虑到存储器芯片的容量、系统供电、以及对语音信号的读取速率，本系统采用了具有32M8位存储空间的FLASH。录音系统和放音系统的语音数据均存储在FLASH存储器上。FLASH存储器是一种可在线进行电擦写可快速访问，掉电后信息不会丢失的非易失性存储器，具有可靠性稳定性，低成本低功耗，高密度大容量可达几个GB，抗震性，尺寸小重量轻等多种先进特性，烧录技术以FLASH闪存为载体进行读取和存储。本次设计的FLASH存储模块电路如图15所示1234ABCD4321DCBAA025A124A223A322A421A520A619A718A88A97A106A115A124A133A142A151A1648A1717A1816DQ029DQ131DQ233DQ335DQ438DQ540DQ642DQ744DQ830DQ932DQ1034DQ1136DQ1239DQ1341DQ1443DQ15/A145NC9NC10NC13NC14RY/BY15VCC37VSS46VSS27RST12WE11CE26OE28BYTE47U5AM29LV800R3010KA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13FA14FA15FA16FA17FA18FLASHWEFLASHCEFLASHOEGND33V33VD0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15图15FLASH存储模块电路FLASH以容量大价格低的优势被广泛应用在便携式设备中，同时FLASH存储器在写入时需要复杂的操作命令，这样确保了数据写入的正确性。FLASH有8位I/O端口，地址、命令字以及数据复用这8位I/O端口。它采用复杂的操作顺序来区分地址、命令、数据信息。DSP采集到的32位语音数据通过外部数据总线的低8位分4次，从左声道的高8位到右声道的低8位依次写入FLASH。124音频接口电路模块AIC23有独立的控制接口和数据接口，控制口用于接收控制器的命令字，数据接口与DSP完成语音数据的交换。语音信号通过话筒从麦克或线路输入口输入音频信号送到AIC23中,其中麦克输入电路和线路输入模块电路分别如图16，17所示。1234ABCD4321DCBAJ5MICINL5L6R8622KR87NCR8822KR8947KC2747PC28105C19104C810UGNDSAGND33VA33VMICBIASMICINSAGNDSAGND1234ABCD4321DCBAJ6LINEINL5L6R9047KR9147KR9247KR9347KR940C29470UFC31470NFC19104C810UGNDSAGND33VA33VBLINEINLLINEINSAGNDSAGND图17线路输入模块电路MCBSP1接AIC23的控制接口，AIC23提供SPI和I2C两种控制接口方式，该器件的模式终端状态MODE决定了控制接口的形式。本设计将MODE引脚接高选择SPI方式，SPI模式的特点是只在片选信号有效时锁存进数据，由于也是同步串口，所以通过配置MCBSP为CLOCKSTOPMODE（时钟在帧信号有效时产生，其他时间没有时钟信号）可以无缝与AIC23连接。这时，MCBSP的帧信号连接SPI的CS信号，时钟和数据信号与SPI一一对应。这种连接只需MCBSP设置的寄存器，使用比较简单可靠。DSP与AIC23的数据交换是通过串口0实现的，其中MCBSP多通道缓冲串口数据的接收是通过三级缓冲完成的，即引脚DR上的数据先到达移位寄存器RSR，当收到一个满字之后数据被装载到数据接收寄存器RBR中，最后数据才被拷贝到接收数据寄存器DRR中。DSP通过串口0接收AIC23采集的语音数字信号，并且在回放模式下，通过串口将语音信号传送给AIC23。这时音频芯片为主器件，给DSP提供帧同步和时钟信号。语音信号经还原后由耳机输出或线路输出，其中耳机输出模块电路和线路输出模块电路分别如图18，19所示。1234ABCD4321DCBAJ7HEADPHONEL5L6R95NCR9647KR9747KC19104C810UC41220UC45220UGNDSAGND33VA33VSAGNDSAGNDLHPOUTRHPOUT图18耳机输出模块电路1234ABCD4321DCBAJ8LEINOUTL5L6R98100R99100R10047KR10147KR102RCC46470NFC63470NFC19104C810UGNDSAGND33VA33VSAGNDSAGNDLOUTROUT图19线路输出模块电路DSP模式下的数据传输时序如图110所示图110DSP模式下的数据传输时序由DSP模式下的数据传输时序图可看出，在帧同步信号LRCIN/LRCOUT作用下，串行口先传送左声道数据再传送右声道数据，C5416的MCBSP口每接收一个字，内部会自动产生一个中断信号通知DSP保存数据，为下一步数据处理做好准备，同时DSP通过MCBSP口向AIC23发送数据，经过D/A转换就可以回放语音信号。125电源接口电路模块TMS320C5416DSP芯片采用低电压设计，并且采用双电源供电，即内核电源CVDD和I/O电源DVDD。I/O电源采用33V电源供电，而内核电源采用16V供电，降低内核电源的目的是为了降低功耗。由于TMS320C5416DSP芯片采用双电源供电，使用时需要考虑它们的加电次序。在理想情况下，DSP芯片上的两个电源应该同时加电，但在有些场合很难做到。若不能做到同时加电，应先对DVDD加电，然后再对CVDD加电，同时要求DVDD电压不超过CVDD电压2V。这个加电次序主要依赖于芯片内部静电保护电路，内部保护电路如图111所示。DVDDCVDD图111内部静电保护电路从图中可以看出，DVDD电压不超过CVDD电压2V，即用4个二极管降压，而CVDD电压不超过DVDD电压05V，即一个二极管降压，否则有可能损坏芯片。产生33V和16V电压的电路分别如图112，113所示。1234ABCD4321DCBAC10104C26104123J1CON3VIN1GND2VOUT3U6111733GNDHPI16HIHPI16VCC33V图112产生33V电源电路图113产生16V的电源电路1234ABCD4321DCBAR49200KR5056KC9104C11104123J1CON3VIN1GND2VOUT3U9111733GNDHPI16HIHPI16C310UC510UVCC16VGND1234ABCD4321DCBAR49200KR5056KC9104C11104123J1CON3VIN1GND2VOUT3U9111733GNDHPI16HIHPI16C310UC510UVCC16VGND第2章语音录放器的应用软件设计21语音录放器应用软件系统的设计方案本语音录放系统的软件开发环境是TI公司的DSP集成开发环境CCS20。CCS提供了软件开发、程序调试和系统仿真环境。CCS不但能支持汇编语言，而且还支持C/C语言进行软件开发，因此本语音录放系统的软件采用C语言混合编写,主程序和子程序用C语言编写。这样，既容易进行调试,又可以提高软件的执行效率,可达到充分利用DSP芯片的软硬件资源。本系统主要是将现场采集到的语音，即系统采集现场的线路输入信号或麦克语音信号，并存储在FLASH中，FLASH中的语音信号经由滤波后的语音信号被播放出来同时进行FFT快速离散傅立叶变换。22主程序模块语音信号通过话筒从线路或麦克输入口输入音频信号送AIC23中，AIC23控制芯片内寄存器，使输入的音频信号进行AD转换，将AD转换得到的数字语音信号经由数字低通滤波器滤波后送到TMS320C5416DSP的FLASH存储器暂存起来，放音时，先从FLASH存储器中读出数据通过耳机发送出来。主程序模块语音处理工作过程是首先对系统进行初始化，主要包括CPU的时钟频率初始化、AIC23的初始化、MCBSP的初始化、语音缓冲区和工作变量的初始。主程序模块如图21所示开始初始化CPU频率AIC23初始化语音缓冲区初始化工作变量循环等待主程序模块语音分析子程序处理过程是首先初始化TLV320AIC23为语音采集状态，然后读取语音录音数据放入数据缓冲区，调用FIR程序对采样数据进行滤波，接着将数字语音数据存入FLASH存储器，储存后的数据通过耳机发送出来，另一方面进行FFT变换。该子程序模块流程如下开始读取语音数据数据满吗存入FLASH存储器FIR滤波FFT变换保存于缓冲区语音数据输出到MCBSP0中断结束滤波器子程序的实现分为以下两个过程1滤波器系数的设计使用设计标准频率响应的基于窗函数的FIR滤波器，可以实现加窗线性相位FIR数字滤波器设计。语法BFIR1N,WN,FTYPEBFIR1N,WN,FTYPE,WINDOW其中，N为滤波器的阶数，WN为滤波器的截止频率，FTYPE参数用来决定滤波器的类型，当期为HIGH时，可设计高通滤波器，STOP时可以设计带阻滤波器。WINDOW用来指定滤波器采用窗函数类型，其默认值为汉明窗（本程序中使用的是汉明窗）。利用MATLAB得到系数放在数组FHN中存放。2循环缓冲区法实现滤波对于N级FIR滤波器，在数据存储器中开辟一个N单元的缓冲区，用来存放最新的N个输入样本。从最新的样本开始取数，读完最后一个样本后，输入最新样本来代替最老样本，而其它数据位置不变，具体是通过子程序INITFORFIR（）来实现。用滤波器系数乘以保存的N1个输入值和当前输入值并求和，这一过程是通过子程序函数FIR（）实现的。FIR滤波子程序模块流程如下FIR滤波用滤波器系数乘以保存的N1个输入值和当前输入值并求和返回计算结果FFT算法的实现主要分为三个步骤1实现输入数据的比特反转，输入数据的比特翻转实际上就是将输入数据进行位码倒置，以便在整个运算后的输出序列是一个自然序列。2实现N点复数FFT,这一过程的实现分为三个功能块，即第一级蝶形运算、第二级蝶形运算、第三级蝶形运算乃至LOG2N级蝶形运算。对于任何一个2的整数幂N2M，总可以通过M次分解到2点的DFT计算。通过这样的M次分解，可构成M（LOG2N）级迭代计算，每级由N/2个蝶形运算组成。3功率普计算，即计算XKXNWNNK，X（K）一般是由实部和虚部组成。因此计算功率普时，只需将FFT变换好的数据，按照实部和虚部求它们的平方和即可。FFT子程序流程图如下按照编码逆序排列输入序列用蝶形算法计算计算功率谱返回计算结果FFT23语音录放模块程序设计231MCBSP的配置TMS320C5416提供的MCBSP口是一种高速、双向、多通道带缓冲的串行接口。它可以与其他C54XDSP器件、编码器或其他串行接口器件通信。MCBSP的硬件部分是基于标准串行接口的。AIC23的控制口主要是为了接收DSP的控制字，因此这里DSPMCBSP1作为主器件。AIC23有许多可编程特性，其内部有11个9位可编程控制寄存器，DSP通MCBSP1来访问这些控制寄存器。SDIN为串行数据输入端，它接收DSP串行数据，数据字长16位，其中高7位为地址信息，低9位为AIC23的命令字。SCLK为控制端口串行数据时钟输入，DSP串口的采样率发生器对CPU时钟分频后得到串口的发送时钟BCLKX1225952KHZ，产生的时钟通过SCLK引脚驱动AIC23。AIC23芯片与数字系统的接口有右判断模式、左判断模式、I2S模式和DSP模式四种数据格式。数字音频接口由时钟信号BCLK、数据信号DIN和DOUT、同步信号LRCIN和LRCOUT组成。由于DSP的MCBSP接口与该芯片的DSP模式相兼容，因此该音频模块采用了DSP模式。现对DSP模式进行说明。该音频处理模块采用的是DSP作为从设备，AIC23为主设备。DSP模式下的数据格式为发送、接收帧长度为2个字，每个字长16位。帧同步信号有效后跟着是两个数据字。AIC23作为数据接口的主器件，为DSP提供发送接收时钟，以及帧同步信号，在帧同步信号的下降沿开始传送数据，左通道数据组成了首先传送的数据字，紧接着传送右通道的数据。传送字长32位，其中左通道数据16位，右通道数据16位。BCLK在主动方式下是输出，而在从动方式下是输入。在LRCIN或LRCOUT的下降沿开始数据传输。DSP为了接收正确的语音数据，应该将串口的数据格式配置为与AIC23相同。帧同步脉冲高电平有效。接收、发送时钟CLKR、帧同步信号由外部时钟驱动。其中帧同步信号宽度是1个BCLK时钟宽度。帧周期为32个BCLK时钟。在CLKR的上升沿，发送或采样接收数据。MCBSP的控制模块包括帧同步信号发生器、内部时钟发生器、以及它们的控制电路和多通道选择。与MCBSP有关的控制寄存器是通过子地址寻址来访问的，它有28个子寄存器只占用一个DSP内存地址。MCBSP的子地址寄存器SPSA用来指向这些使用同一个内存地址的寄存器中的某一个。MCBSP子数据寄存器SPSDX用来访问选中的寄存器。由于我们利用DSP的MCBSP口来控制AIC23芯片,而且2个MCBSP口设置成不同的工作方式,所以必须把MCBSP初始化为符合AIC23芯片的控制命令时序和要求的工作模式。由于配置每个寄存器的代码段相同，首先指定子地址寄存器地址，接着给数据。232AIC23的初始化AIC23具有8个可编程的内部寄存器，通过软件编程能随时控制AIC23的采样频率，高、低通滤波器的截止频率，模拟输入及输出的增益。1AIC23的控制寄存器控制寄存器的地址在表11种已详细说明，下面说明各部分意义1左声道线路输入控制寄存器LRS左/右声道线路输入增益控制调节，0同步调节禁止，1同步使能LIM左声道线路输入静音控制，0正常，1静音LIV40左声道音量控制，1111112DB，00000345DB，步距15DB/LSBX保留2右声道线路输入控制寄存器3左声道耳机音量控制寄存器LSR左/右声道音量控制同步调节，0同步调节不使能，1同步调节使能LZC左通道过零侦测（防止干扰进入耳机放大器），0关，1开LHV（60）耳机音量控制，11111116DB，011000073DB4右声道耳机音量控制寄存器5滤波器控制寄存器DACMD/A变换电路软件静音控制，0不静音，1软件静音DEEMP去加重控制选择，00关，0132KHZ，1044KHZ，1148KHZADCHPA/D高通滤波器，0关闭，1开6休眠控制器OFF芯片休眠控制，0芯片通电，1芯片休眠CLK时钟控制，0时钟开启，1时钟关闭OSC振荡器控制，0振荡器开启，1振荡器关闭OUT输出控制，0输出开启，1输出关闭DACD/A变换控制，0D/A变换开启，1D/A变换关闭ADCA/D变换控制，0A/D变换开启，1A/D变换关闭MIC话筒电路控制，0开启，1关闭LINE线路输入控制，0开，1关7数字音频接口格式控制寄存器MS主/从模式控制位，0从模式，1主模式LRSWAPD/A左右通道交换控制位，0不交换，1交换LRPD/A左右数字声道帧相位IWL数字音频字长FOR数字音频接口格式选择8取样率控制寄存器CLKOUT输出时钟分频控制，0不分频，1二分频CLKIN输入时钟分频控制，0不分频，1二分频SR采样率控制位，见下表BOSR超采样率控制USB/NORMAL时钟模式，0普通模式，1USB模式9数字接口激活寄存器ACT激活接口，0不激活，1激活在程序中若改变其它寄存器位，要激活一次接口，否则接口不工作。10复位寄存器RES复位控制，只要向寄存器写一个数，芯片内寄存器复位，恢复默认值。2控制寄