第11章 简易音频播放与处理系统的硬件设计实例(C55x DSP).ppt

1、第11章 简易音频播放与处理系统的硬件设计实例,11.1 系统硬件结构概述 11.2 TMS320VC5501与C8051F340的连接及通信协议11.3 音频编解码器TLV320AIC32,11.1.1 系统硬件结构概述该系统的硬件结构可分为以下部分：(1) TI公司的TMS320VC5501 16位定点数字信号处理器(DSP)，最高处理速度为300 MIPS(在CPU主频为300 MHz情况下)，芯片采用LQFP-176封装。,11.1 系统硬件结构概述,(2) Silicon Laboratories C8051F340高性能增强型MCS-51系列单片机，与TMS320VC5501通过8

2、 bit HPI(Host Port Interface)接口连接，作为DSP的主机(Host)，芯片采用TQFP-48封装。(3) 点阵液晶显示模块(Dot-Matrix LCD Module)，其内部控制芯片为韩国Samsung公司S6B1713，屏幕分辨率为12864，由C8051F340单片机控制，通过16针插座与单片机连接，传输方式为8位并行(8-bit Paralleled)。,(4) 模拟键盘，作为输入设备，其内部由电阻串并联网络构成，通过C8051F340的集成A/D转换器进行电平采样及按键识别，用以完成对图形界面的操作，因此它与主机的连接只有2根线。(5) SD/MMC卡座，

3、可插入SD/MMC卡，作为该系统的海量存储载体，通过SPI四线接口与C8051F340单片机连接。(6) USB 2.0接口，与PC机连接，可供上传下载文件到SD/MMC卡。,(7) RS-232接口，与PC机通过超级终端通信，可供在线调试单片机系统的程序。(8) Hynix(韩国现代公司)HY57V281620同步动态随机存储器(SDRAM)，与DSP的 16-bit EMIF接口连接，作为DSP的外部扩展存储器，其容量为128 Mbit (16 Mbytes)。(9) TLV320AIC32可编程低功耗立体声音频编/解码器(CODEC，Coder&Decoder)，可提供16/20/24/

4、32 bit A/D D/A采样精度，采样频率范围为896 kHz，通过McBSP及I2C接口与DSP连接。,该系统的硬件结构框图如图11-1所示，系统的固件可分两部分，即单片机固件和DSP固件。,图11-1 系统硬件结构框图,1. 单片机固件单片机固件的开发环境为KEIL Vision2，用C语言编写。该固件基于KEIL提供的RTX-51 Tiny实时操作系统(Real-time Operating System，RTOS)，以及Silicon Laboratories提供的USB海量存储设备参考设计(USB Mass Storage Device Reference Design，USB-

5、MSD-RD AN282)。该固件要完成的主要任务有：(1) 控制LCD显示。提供图形界面支持，如文字、窗口、滚动菜单的显示等。,(2) 监视识别模拟键盘的输入。由A/D采样值判断是哪个键按下，以执行相应的操作(滚动菜单、选择菜单和退出等)。(3) 驱动SD/MMC存储卡的存取操作，并在SD/MMC上提供FAT文件系统支持。(4) 驱动RS-232程序调试接口。通过该接口向PC输出显示系统状态，支持简单的命令行操作。(5) 作为DSP的主机，该固件还要负责复位DSP和启动DSP，通过HPI向DSP的引导区写入程序代码，启动后还要给DSP提供音频数据及一些简单的命令。,2. DSP固件DSP固件

6、的开发环境为CCS v3.1，固件基于TI公司提供的DSP/BIOS实时操作系统及芯片支持库CSL(Chip Support Library)。该固件要完成的主要任务有：(1) 与TLV320AIC32通信来实现音频的采样与播放。其连接通过两个总线来完成，即I2C作为控制总线，McBSP作为数据总线。,(2) 接收来自MCU的音频数据及指令，实现音频文件的播放。(3) 向MCU反馈信息。如程序运行状态，以及要在LCD上显示的数据等(例如想要在LCD上以图形方式显示的FFT结果)。(4) 控制SDRAM时序。其实这主要是由EMIF硬件来完成的，但是软件需要对EMIF进行初始化工作，设定SDRAM

7、的时序参数，比如CAS to RAS latency等。(5) 对音频数据按照一定的算法进行处理(如FIR和FFT等)。,同时，为了提高开发效率，还使用了TI公司专门为TLV320AIC32设计的一个开发工具AIC32 Configuration Tool，基于JAVA语言，该工具提供了TLV320AIC32的所有内部寄存器的图形化设置，从而大大简化了程序的开发。,11.1.2 SD/MMC存储卡SD/MMC卡是专门为满足消费类电子产品的数据存储需求而产生的，近年来得到众多厂商与消费者的广泛支持。它具有高容量、高速度、体积小巧、价格低和数据安全性高等诸多优点，是便携式数字产品的理想数据载体，特

8、别适合用于存放大容量音频/视频数据。由于SD卡与MMC卡在一般应用场合下都是兼容的(下文将阐述一些特例)，因此为简明起见，以下称SD/MMC卡为SD卡。除非特殊说明，SD卡的特性同样适用于MMC卡。,1. SD卡系统特性整体来说，通常SD卡具有以下特性：(1) 最大支持1 GB容量(本系统目前不支持更高容量的SD卡)；(2) 兼容SD卡协议；(3) 支持SPI接口传输模式；(4) 电源电压范围为2.73.6 V；,(5) SPI时钟频率范围为025 MHz；(6) 具有写保护开关(仅通过机械开关支持，系统必须根据开关的位置来决定是否对其进行写保护)；(7) 卡状态检测(插入/拔除，仅通过机械开

9、关支持)；(8) 最多可重写约10 000次。,2. SD卡物理特性SD卡的物理特性主要包括：(1) 重量小于2.0 g；(2) 长度：32 mm 0.1 mm；(3) 宽度：24 mm 0.1 mm；(4) 厚度：2.1 mm 0.15 mm。,3. SD卡总线拓扑结构SD卡有两种总线模式，即为SD模式和SPI模式，本系统采用SPI模式。在SPI模式下，SD卡的SPI接口与市场上的大多数主机(单片机)的SPI接口兼容，其中包括以下四根线：,(1) CS：主机到卡线选信号(Host to card Chip Select signal)。(2) CLK：主机到卡时钟信号(Host to car

10、d Clock signal)。(3) DataIn：主机到卡数据信号(Host to card Data signal)。(4) DataOut：卡到主机数据信号(Card to host Data signal)。,可见，在SPI模式下数据是串行传输的，而且是全双工的(收/发线独立)。而在SD模式下，则有4根数据线(DAT0.3)构成4 bit并行接口，收/发线复用。这种传输模式理论上可以达到4倍于SPI模式的传输率(12 MB/s)，但是它违背了“串行化”的大方向，是一种颇有争议的接口，更由于MMC卡不支持SD模式，因此这种模式如今已很少有人使用，本书将不再叙述。,4. SPI模式下的S

11、D卡引脚定义SD卡上共有9个引脚，这与MMC卡的引脚(7个)有所不同，但是在SPI模式下，SD卡比MMC卡多的两个引脚(Pin-8, Pin-9)是保留的，没有定义。因此SD卡与MMC卡只有在SPI模式下才互相兼容，这也是为什么大多数SD卡读卡器(或其他设备)都选用SPI模式而不用SD模式的原因。SPI模式下的SD卡引脚定义如表11-1所示。,表11-1 SPI模式下的SD卡引脚定义,5. SD卡座SD卡座就是用于承载SD卡的一个插座，需要将它焊到电路板上。由于各个厂家生产的卡座都不完全一样，在制作PCB时需要将所有的卡座引脚按实际尺寸准确地画出来，从而生成PCB引脚图(Footprint)。

12、还要说明的是，SD卡座除了引出SD卡上的9个引脚之外，还有一个写保护开关脚(写保护关闭时接地，否则悬空)和一个卡检测脚(卡插入时接地，否则悬空)，这些脚可以接到单片机的输入PORT上，并接上拉电阻，程序在对卡进行操作前需要检测这些管脚上的逻辑值。其余4个脚是固定脚(其实严格来说只有3个，有一个是插拔动作检测脚，但是一般情况不用)。,11.1.3 S6B1713点阵LCD显示器本设计使用大连天马公司的液晶模块，内部编号是TM90AQ，用到的控制芯片是韩国三星S6B1713(以下称本液晶模块为S6B1713)。S6B1713液晶模块与C8051F340单片机通过16针双排插座连接，其引脚功能定义如

13、表11-2所示。,表11-2 S6B1713液晶模块引脚功能定义,单片机与LCD的连接如图11-2所示，连接方式如下：,图11-2 单片机与LCD的连接,(1) DB0.7 与单片机的P2口连接，用于单片机和LCD之间并行数据的双向传送。(2) RES与单片机P3.3口连接，用于复位LCD，上电时必须由单片机给出10 ms低电平复位信号。(3) CS与单片机的P3.0口连接，用于片选LCD。(4) A0与单片机的P3.2口连接，用于区分控制寄存器(其值为0)与地址寄存器(其值为1)。(5) RD与单片机的P3.1口连接，用于从LCD读出数据(低电平有效)。(6) WR与单片机的P1.7口连接，

14、用于向LCD写入数据(低电平有效)。,S6B1713用总线保持器(Bus Holder)和内部数据总线(Internal Data Bus)来进行数据传输，其读/写时序如图11-3所示。,图11-3 S6B1713数据传输读/写时序,11.1.4 用户图形界面的实现目前，嵌入式系统中大多数的用户图形化界面(GUI)都是在操作系统的支持下，调用系统的各种API函数实现的。这些操作系统为实现GUI提供了大量的库函数，也为编程人员提供了界面设计的良好平台。本系统的LCD图形界面全部在KEIL环境下用C语言编写，按程序层次从低向高排列，可划分为LCD时序驱动层、图形支持层、字体支持层、用户图形界面层和

15、简易文件浏览器。,1. LCD时序驱动层(LCD Driving Layer)单片机对LCD的操作是通过一些特定的时序来完成的，每一个对LCD的指令或数据都需要通过这种特定的时序来完成，如换行、清屏、写数据等，然而这些时序对于每个不同型号的LCD来说都是不一样的。为了使程序具有很强的适应性和兼容性，我们需要对硬件的一些细节进行隔离，使下一层不必了解对LCD硬件操作的细节，只要访问驱动程序就行了。本层主要负责操作LCD接口时序，如写一个字节、读取状态等，以及对LCD内部寄存器进行设置。,2. 图形支持层(Graphic Support Layer)本层为图形显示层提供一个显示缓存(Display

16、 Buffer)，由于S6B1713横向分为8页，每页8行，共64行，纵向分为128列，因此整个屏幕的像素数为128*64，这也就需要8*128字节来存放整个屏幕的显示数据。在C程序里声明一个长度为8*128=1024字符的二维数组，并定期(约50 ms)将显示缓存内的全部显示数据写入到LCD的DDRAM内，完成显示刷新。因此本层对硬件操作进行了隔离，使下一层不必了解对LCD硬件操作的细节。,利用上一层(LCD时序驱动层)，本层为下一层(高层)提供了一个128*64点的绘图平面坐标系，从而高层程序可以间接地使LCD屏幕上的每一点亮(写1)或灭(写0)，这样一来，任何对LCD的操作将都可以转化为

17、对坐标系中像素(点)的操作(坐标的原点在屏幕的左上角)。除此之外，此层还提供了一些画线、画方等操作，这里不再一一介绍。,3. 字体支持层(Font Support Layer)利用图形支持层，字体支持层可以在LCD的任何位置显示出5种不同大小的字体，其中还含有变宽字体。在坐标系上，点(x,y)为左上角，以字体sysfont8显示字符c, 着色为color，返回宽度。,4. 用户图形界面层(GUI Layer)利用图形支持层和字体支持层，用户图形界面层为用户提供了一个简单的图形界面，如显示一个对话框(Dialog box)、弹出窗口(Pop-up Message)、滚动菜单(Scroll Men

18、u)等。,5. 简易文件浏览器(Simple File Explorer)简易文件浏览器建立在所有层之上，并且用到了USB-MSD-RD API函数，本应用层对文件系统进行分级显示，用于启动文件浏览器。用户可通过键盘在图形界面中选择文件，文件被选定后这个函数将返回被选定文件的指针。,11.2.1 TMS320C5501的主要特点及内部结构,11.2 TMS320VC5501与C8051F340的 连接及通信协议,1. TMS320C5501的主要特点C5501是为实现高性能、低功耗而专门设计的定点DSP芯片，是一种特殊结构的微处理器，为了快速地实现数字信号处理运算，它采用了流水线指令执行结构和

19、相应的并行处理结构，可在一个周期内对数据进行高速算术运算和逻辑运算，其具有以下特点：,(1) 16 K*16 bit (32 KB)片内RAM，由4块4 K*16 bit双访RAM(DARAM)组成。(2) 16 K*16 bit (32 KB)片内单等待周期只读存储器(ROM)。(3) 最大8 M*16 bit(16 MB)可寻址内存空间。(4) 采用1.26 V核心电源，3.3 V I/O电源。,2. TMS320C5501的CPU主要结构TMS320C5501的CPU主要包括以下结构：(1) 优化的CPU结构。内部有4个40位的基本逻辑单元(A单元、D单元、P单元和I单元)，4个40位的

20、累加器，2个1717的乘法器。(2) 有6条内部总线。1条程序总线，3条内部数据/操作数读总线，2条内部数据/操作数写总线。,(3) 3.33 ns指令周期，工作于300 MHz主频。(4) 16 KB指令缓存(I-Cache)。(5) 每条指令有执行单/双周期指令。(6) 双乘法器，最多每秒钟可以执行600 M条乘累加(MMAC)。(7) 两个算术逻辑单元(ALU)。(8) 内部集成了维特比加速器，用于提高维特比编译码的速度。,3. TMS320C5501的片上外设TMS320C5501的片上外设介绍如下：(1) 6通道直接内存访问(DMA)控制器。(2) 2个多通道缓存串口(McBSP)。

21、(3) 可编程模拟锁相环(APLL)。(4) 通用I/O(GPIO)引脚和一个专用输出引脚(XF)。,(5) 8 bit主机接口(HPI)。(6) 4个定时器，包括2个64位通用定时器。(7) 64位可编程看门狗。(8) 64位DSP/BIOS计数器。4. TMS320C5501的芯片封装TMS320C5501芯片采用LQFP(Low-profile Quad FlatPack)封装，有176个引脚，脚间距为0.5 mm，封装俯视图如图11-4所示。,图11-4 TMS320VC5501的芯片封装,11.2.2 TMS320C5501的主机接口(HPI)1. TMS320C5501主机接口HP

22、I组成DSP芯片中的HPI(主机接口)是为了满足DSP与其他微处理器接口而专门设计的。它分为HPI-8和HPI-16，分别针对具有8位和16位数据线的单片机。每一种又分为标准型和增强型，两者的区别在于标准型只可以访问固定的地址空间，而增强型可以访问整个DSP的片内存储器。HPI主机由以下几个部分组成：,(1) HPI存储器(DARAM)。HPI RAM主要用于DSP与主机之间传送数据，也可以用作通用的双寻址数据RAM或程序RAM。 (2) HPI地址寄存器(HPIA)。它只能由主机对其直接访问，该寄存器中存放着当前寻址的HPI存储单元的地址。 (3) HPI数据锁存器(HPID)。它也只能由主

23、机对其直接访问，如果当前进行读操作，则HPID中存放的是要从HPI存储器中读出的数据；如果当前进行写操作，则HPID中存放的是将要写到HPI存储器的数据。,(4) HPI控制寄存器(HPIC)。DSP和主机都能对它直接访问。(5) HPI控制逻辑。用于处理HPI与主机之间的接口信号。HPI有以下两种工作方式： (1) 共用寻址方式(SAM)。这是常用的操作方式，在SAM方式下，主机和DSP都能寻址HPI寄存器，异步工作主机的寻址可以在HPI内部得到同步。如果DSP与主机的周期发生冲突，主机有优先权。,(2) 仅主机寻址方式(HOM)。在HOM方式下，只能让主机寻址HPI存储器，DSP则处于复位

24、状态或所有内部和外部时钟都停止的IDLE2空转状态(最小功耗状态)。标准HPI口是一个8位并行接口，可以用来实现和主设备或者处理器接口。双方通过共享TMS320VC5501的片上处理器完成通信。单片机为主控部分，采用端口方式直接访问HPI口。HPI口主要由地址寄存器(HPIA)、控制寄存器(HPIC)、数据寄存器(HPID)、HPI存储器和HPI控制逻辑组成。,对单片机进行读和写需要三个步骤：设置控制寄存器、写地址寄存器和读/写数据寄存器。在寄存器读/写过程中，单片机通过端口发送控制信号，检测状态信号，完成对HPI口访问的时序模拟。TMS320VC5501的HPI接口内部逻辑电路如图11-5所

25、示。,图11-5 HPI接口内部逻辑电路,2. HPI接口硬件连接方式HPI设计一般采用共用寻址方式(SAM)。在SAM方式下主机和DSP都能访问HPI存储器，整个通信过程以各部分状态的变化来推进。DSP和单片机通过向对方发送中断，通知对方数据已经准备好，再通过检测对方设置的状态，判断对方是否准备好接收数据。单片机和TMS320VC5501 DSP的HPI接口硬件连接电路原理图参见附录B-2。,3. HPI时序图图11-6所示是HPI逻辑时序图。根据该逻辑时序图可以对DSP进行编程，完成其与主机的通信，工程包含的信息也将被载入。有关HPI接口的详细介绍可参阅参考文献22。,图11-6 HPI时

26、序图,TLV320AIC32是该音频系统的子系统，本系统之所以要选用TLV320AIC32芯片，简单来说，其原因是TI公司的新产品可以获得大量的技术支持及软件支持；与TMS320C55x系列DSP兼容性好，兼容McBSP接口，它们是都是TI公司的产品；有完整的C程序库函数和驱动程序可供调用以及一个基于JAVA图形界面的配置工具AIC3X Configuration Tool(详细内容请参考TI内部参考资料，其编号为SBAA148)，但是选用该芯片的最困难之处就是它的QFN封装是无引脚封装，且非常小，不容易焊接。,11.3 音频编解码器TLV320AIC32,11.3.1 TLV320AIC32

27、纵览TLV320AIC32是一个带立体声耳机放大器的低功耗立体声音频转换器，它有多个输入和输出，可以用程序设置为单边或差分模式。该转换器具备大量的电源管理控制寄存器，在3.3 V模拟电源电压下，它可以仅仅用14 mW的功耗提供48 kHz采样率的数/模回放(Playback)，这使得它特别适用于电池供电的便携音频和电话应用。,TLV320AIC32的录音通路(Record path)包括了集成麦克风偏置输出、数字控制的立体声麦克风前置放大器(Pre-amp)和自动增益控制器(AGC)，它们都具有混音/多路选通(MUX)功能，可以在多个输入端口之间切换和混音。它的回放通路(Playback pa

28、th)也具有混音/多路选通(MUX)功能，可以在DAC输出和被选择的多个输入端口之间切换和混音，这些信号经过可编程音量控制器，最后被输出到多种输出端口。,TLV320AIC32还包括了4个功率输出驱动器(High-power output driver)和2个全差分线性输出。功率输出驱动器可以驱动若干种不同形式的负载，这包括4个声道的16 单边交流耦合的耳机或16 无电容(Capless)耳机输出模式。除此之外，一对功率驱动器可以用来驱动推挽(BTL)模式的8 扬声器，在此配置下可以达到每声道500 mW的输出功率。,立体声音频DAC支持从8 kHz到96 kHz的采样频率，并且在DAC的通路

29、上提供了可编程数字滤波器，可以用来在32 kHz、44.1 kHz和48 kHz的采样频率下提供3D、低音(Bass)、高音(Treble)、中音(Midrage)、均衡器(Equalization)和去加重(De-emphasis)等数字特效。立体声音频ADC同样也支持从8 kHz到96 kHz的采样频率。为了调节录音音量，在ADC之前的通路上设有可编程增益放大器(PGA)，能提供最大+59.5 dB的模拟增益，可用于放大麦克风的低电平输入信号。,串行控制总线支持I2C协议，串行音频数据总线则可以采用I2S、左/右对齐、DSP(McBSP)和TDM模式。为了得到准确的时钟，此芯片还集成了一个可高度编程的锁相环(PLL)，可以从各式各样的MCLK主时钟输入，生成适合采样频率的时钟。MCLK的输入频率范围可以低至512 kHz，高至50 MHz，尤其重视常用的系统时钟频率，如12 MHz、13 MHz、16 MHz、19.2 MHz和19.68 MHz。,TLV320AIC32的模拟电源电压范围是2.73.6 V，数字核心电源电压的范围是1.525 1.95 V，数字I/O电源电压的范围是1.13.6 V。该芯片的内部结构简图如图11-7所示。内部结构及其设置可参阅参考文献28。,图11-7 TLV320AIC32内部结构简图,11.3.2 TLV320AIC