基于dsp的语音采集系统硬件设计

基于dsp的语音采集系统硬件设计内容摘要：

.................. 30 ........................................................................................................ 32 按键设计 ....................................................................................................... 32 采集回放设计 ................................................................................................ 34 显示应用设计 ................................................................................................ 35 .................................................................................................... 35 第六章 语音采集系统的应用测试 ................................................................................. 37 .................................................................................................................. 37 .................................................................................................................. 38 结束语 ................................................................................................................................. 39 致谢 ..................................................................................................................................... 40 参考文献 ............................................................................................................................. 41 附录 ..................................................................................................................................... 42 1 硬件原理图 .................................................................................................................. 42 2 硬件布线图 .................................................................................................................. 47 3 主程序清单 .................................................................................................................. 49 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 1 页 第一章 绪论 选题的目的与意义 目前，由于具有运算速度快、片上资源丰富和能够实现复杂的线性和非线性算法等特性， DSP 已成为通信、 雷达、声纳 和消费电子产品等领域的基础器件，其中在 图像、 语音信号处理技术方面显得尤为突出。 但是语音处理算法实现的前提是语音信号的录入和存储。 本课题就是完成语音数据的采集、存储和回放。 其控制核心采用 TI 的 TMS320VC5416数据采集使用 具有智能化的语音数据采集芯片TLC320AD50C。 通过本课题，能够掌握 DSP 系统的硬件及 软件 设计 的基本方法，为今后从事 DSP 方面产品开发打下坚实的基础。 表 DSP 与普通 MCU 的 设计及 应用前景对比 本课题 的发展趋势 数字信号处理器是 20 世纪 60 年代前后发展起来的，并广泛 应用于许多新兴领域的新型学科，进入 70 年代以来，随着电子计算机，大规模集成电路（ LSI）和超大规模集成电路（ VLSI）以及处理器技术的迅速发展，数字信号处理无论在理论还是在工程应用中，都是目前发展最快的学科之一，并且日趋完善和成熟。 语音信号处理一直是数字信号处理的一个方向，广泛使用在通信，安防等各类工程应用中。 在电子通信中，带宽很窄，因此只能将语音信号进行数字化处理后，才能进入信道进行通信；另外每个人都有独特的声音指纹（声纹），通过数字信号处理后提取出声音的特征，可广泛应用于安全防护，用户甄别等产品中。 现在 国内外都在努力开发语音处理系统，其某些研究已经成功应用于实际生活。 DSP 芯片走过了近 30 年的发展历程。 1978 年 AMI 公司发布了 S2811，是世界上的第一款单片 DSP 芯片，接下来 1979 年美国 Intel 公司发布了 2820 芯片。 在这之后，美国和日本的许多厂商都相继投入了 DSP 芯片的研制和开发工作。 1982 年后， 普通 MCU DSP54X 软件设计 8 位 /16 位 设计， 应用多为简单控制，软件结构简单基本无算法要求 16 位 /32 位 设计， 应用多为高速算法处理 ，软件结构复杂稳定性要求高，有深入学习的必要 硬件 设计 硬件接口少 ，可扩展应用能力较弱， 外围电路结构基本固定 ， 无太大的研究价值 硬件接口全，兼容性 和 可扩展性 强，高速应用时外围电路设计有一定的研究价值 硬件 结构 单一 有专用算法硬件结构 工作频率 10M~20M 100M~500M 指令支持 简单语言汇编指令 DSP 专用指令集及精简指令集 应用前景 低成本，低要求产品 （应用面窄） 高速，高精度，专业级产品 （应用面宽） 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 2 页 作为后起之秀的美国德州仪器公司（ TI）推出了 TMS320 系列的 DSP 芯片中的第一代产品 TMS320第二代产品 TMS320C25/C26/C2第三代 TMS320C30/C31/C3第四代 TMS320C30/C31/C3第五代 TMS320C5x/C54x。 本设计选用的就是TMS320C54x 系列的 DSP 芯片。 本课题主要 研究内容 本课题需要重点研究的是 DSP 芯片的工作原理，程序算法的设计，以及外围电路的时序搭配。 程序是系统的灵魂，通过程序算法的编写和调试，完成各个不同的功能；最终实现从话筒采集语音信号，存储并回放，完成整个系统的设计。 在研究该课题之前要通过阅读相关 DSP 设计和程序算法的书籍，对 DSP 的工作原理有一个深刻的认识，对 DSP 的结构要深入到内部的每一个寄存器，以备后期程序编 写时能够合理调用寄存器。 同时必须能够熟练操作 TI 的 DSP 开发环境 CCS，及 Protel 的使用方法，在电路设计中要加入仿真接口的设计。 在设计过程中，分模块进行程序的编写并调试，待所有的模块都调试完成后，将程序汇总，烧写到存储器中，完成整体功能的运行。 本课题的研究结果与实际应用基本一致，对于后期的语音算法研究与实验起了基础性的作用。 论文的结构说明 本论文分为 六 个部分 : 第一章：绪论 简述 本课题的研究内容 和课题的研究必要性以及本课题的今后发展状况。 第二章： TMS320VC5416 结构及原理 介绍了本设 计中采用的 TMS320VC5416 DSP 处理器的原理及结构。 第 三 章： 语音采集系统的整体方案 主要说明本课题设计的基础理论知识，介绍了 各个芯片的选型方案 ，还介绍了本系统的 技术指标及和 整体设计流程。 第四 章： 语音采集 系统 的硬件设计 详细说明了硬件选型 方案 ，各模块的电路原理 及设计思路，还介绍了高速电路中布线的方法及设计时所需要考虑到的问题，及一些硬件调试方法。 第五 章： 语音采集系统的软件设计 详细介绍了各个模块的软件驱动设计方案及解决方法，给出了应用层软件设计的整体流程框图 ，还介绍了设计中所用到的软件工具及调 试方法。 第六 章： 语音采集系统的应用展示 说明了该做品的 具体应 用方法， 并 将 最终的设计 成品 在 实际 使 用 中 的效果做以展示 ，给出测评和结论。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 3 页 第 二 章 TMS320VC5416 结构及 原理 DSP 芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字信号处理的目的， DSP 芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。 为了快速地实现数字信号处理运算， DSP 芯片一般都采用特殊的软硬件结构。 下面以 本设计中采用的 TMS320VC5416为例介绍 DSP 芯片的基本结构。 TMS320VC5416芯片的基本结构包括：哈佛结构 、 流水线操作 、 专用的硬件乘法器 、 特殊的 DSP 指令 、 快速的指令周期。 这些特点使得 TMS320VC5416芯片可以实现快速的 DSP 运算，并使大部分运算（例如乘法）能够在一个指令周期内完成。 由于 TMS320VC5416芯片是软件可编程器件，因此具有通用微处理器具有的方便灵活的特点。 下面分别介绍这些特点是如何在 TMS320VC5416芯片中应用并使得芯片的功能得到加强的。 哈佛结构 哈佛结构是不同于传统的冯•诺曼（ Von Neuman）结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。 与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。 而冯•诺曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址。 取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。 在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠运行。 为了进一步提高运行速度 和灵活性， TMS320VC5416芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器（ Cache）中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。 如 TMS320VC5416 具有 64 个字的 Cache。 流水线结构 与哈佛结构相关， DSP 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。 TMS320VC5416 处理器的流水线深度从 2~6 级不等。 TMS320VC5416 处 理器采用二级流水线，第二代采用三级流水线，而第三代则采用四级流水线。 也就是说，处理器可以并行处理 2~6 条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。 图 所示为一个三级流水线操作的例子。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 4 页 图 三级流水线操作 在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行能完全重叠。 在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态，每个指令处于不同的阶段。 例如，在第 N 个指令取指时，前一个指令即第 N1 个指令正在译码，而第 N2 个指令则正在执行。 一般来说，流水线对用户是透明的。 专 用硬件乘法器 在一般形式的 FIR 滤波器中，乘法是 DSP 的重要组成部分。 对每个滤波器抽头，必须做一次乘法和一次加法。 乘法速度越快， DSP 处理器的性能就越高。 在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成。 相比而言， DSP 芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。 在 TMS320VC5416 芯片中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。 从最早的TMS320VC5416 实现 FIR 的每个抽头算法可以看出，滤波器每个抽头需要一条乘法指令 MPY： LT ；装乘数 到 T 寄存器 DMOV ；在存储器中移动数据以实现延迟 MPY ；相乘 APAC ；将乘法结果加到 ACC 中 其他三条指令用来将乘数装入到乘法器电路（ LT），移动数据（ D。