【正文】 圖 音頻輸出接口設(shè)計 另外 DSP 外圍擴(kuò)展接口的定義請參見附錄。在設(shè)計中可以考慮采用 的有源晶振作為 MCLK 時鐘的輸入，為保證震蕩源不易受干擾，在晶振 Vcc 引腳接電源時串 一個電感磁珠，并且在振蕩信號輸出引腳串接一個 ohm 的電阻，這樣可消除自激振蕩。另外還需要設(shè)計電路為 TLC2272提供 電源。 顯示模塊 MAX7219 是串 行驅(qū)動 8 位共陰數(shù)碼管芯片，本設(shè)計采用 McBsp0 串行口與該芯片連接， McBsp0 數(shù)據(jù)發(fā)送端接 DIN， FS 發(fā)送端接片選信號， CLK 為時鐘信號，串口工作在 SPI 模式。在 DSP 時鐘信號設(shè)計時選用 20M 無源時鐘晶體震蕩器，由內(nèi)部振蕩電路配合產(chǎn)生時鐘信號，由程序控制 PLL 倍頻實現(xiàn)不同頻率工作， 5416 可達(dá) 160MHz。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁 圖 TMS320VC5416 自舉加載方式的選擇過程 在設(shè)計上選擇通用的外擴(kuò) FLASH 的方法進(jìn)行程序的存放， AM29LV800B 為 8M FLASH， 在結(jié)構(gòu)上該 FLASH 為地址總線與數(shù)據(jù)總線是分開的，所以我們可以斷定為該程序加載的方式為圖中的 Parallel boot 方式即并行口自舉加載。 VC54x 的存儲空間可以分為 3 個可單獨選擇的空間：程序、數(shù)據(jù)、 I/O 空間。 圖 78M05 設(shè)計參考 圖 本設(shè)計中 的 78M05 模塊電路 78M05 在使用時首先需要注意入口濾波電容和出口電容的選擇，必須要求入口電容大于出口電容，且不能高出太多，否則可能會出現(xiàn)電源輸出不穩(wěn)定， 輸出 電壓值偏差較大等現(xiàn)象 。 它的操作很簡單， MCU 只需通過 模擬 SPI三線 接口就可以將相關(guān)的指令寫入 MAX7219 的內(nèi)部指令和數(shù)據(jù)寄存器 ，同時它還允許用戶 選擇多種譯碼方式和譯碼位。 功率放大 :LM386 功率放大采用美國國家半導(dǎo)體的 LM386， LM386 為音頻功率放大器，具有靜態(tài)低、工作電壓范圍寬、增益可調(diào)和失真度低等優(yōu)點。 在軟件上 7 種有效靈活的尋址方式，僅為 10ns 的指令執(zhí)行周期。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 (1) 電源 模塊 ： 由于 TMS320VC5416160 DSP 的內(nèi)核工作電壓需要 ， I/O 供電電壓為 ，外圍器件電壓 大部分 是 CMOS 電平， MAX7219 顯示模塊為 TTL 電平供電，所以需要提供 5V、 、 三種電平同時供電。片內(nèi)外設(shè)與專用硬件電路包括片內(nèi)各種類型的同步串口、主機(jī)接口、定時器、時鐘發(fā)生器、鎖相環(huán)及各種控制電路。 TMS320VC5416 中的另一個特殊指令是 LTD，它在一個指令周期內(nèi)完成 LT、 DMOV 和 APAC 三條指令。在 TMS320VC5416 芯片中，由于具有專用的硬件乘法器，乘法可在一個指令周期內(nèi)完成。在每個指令周期內(nèi)，三個不同的指令處于激活狀態(tài)，每個指令處于不同的階段。為了進(jìn)一步提高運(yùn)行速度 和靈活性， TMS320VC5416芯片在基本哈佛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，一是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術(shù)運(yùn)算指令直接使用，增強(qiáng)了芯片的靈活性；二是指令存儲在高速緩沖器（ Cache）中，當(dāng)執(zhí)行此指令時，不需要再從存儲器中讀取指令，節(jié)約了一個指令周期的時間。這些特點使得 TMS320VC5416芯片可以實現(xiàn)快速的 DSP 運(yùn)算，并使大部分運(yùn)算（例如乘法）能夠在一個指令周期內(nèi)完成。 第 三 章： 語音采集系統(tǒng)的整體方案 主要說明本課題設(shè)計的基礎(chǔ)理論知識，介紹了 各個芯片的選型方案 ，還介紹了本系統(tǒng)的 技術(shù)指標(biāo)及和 整體設(shè)計流程。 本課題主要 研究內(nèi)容 本課題需要重點研究的是 DSP 芯片的工作原理，程序算法的設(shè)計，以及外圍電路的時序搭配。語音信號處理一直是數(shù)字信號處理的一個方向，廣泛使用在通信，安防等各類工程應(yīng)用中。 Audio collection。TLC320AD50C 作為語音信號 AD/DA 轉(zhuǎn)換 芯片 ， 采用 DSP 的多緩沖串口通道進(jìn)行 接收 中斷方式讀取數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)分頁存放在外擴(kuò)的 SRAM中，可通過 JATG口讀取采集的數(shù)據(jù) 。 若按照目前的進(jìn)度進(jìn)行，基本可在 5 月下旬作品審核前完成 ,并留有充足時間進(jìn)行論文書寫及答辯的準(zhǔn)備 。 指導(dǎo)教師意見及建議： 目前，數(shù)字信號處理器（ DSP）以其獨體的結(jié)構(gòu)和快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法的突出優(yōu)點，發(fā)展十分迅速，并在通信、雷達(dá)、聲納、語音合成和識別、圖像處理、影視、高速控制、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、家用電器等眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。在電子通信中，帶寬很窄，因此只能將語音信號進(jìn)行數(shù)字化處理后，才能進(jìn)入信道進(jìn)行通信；另外每個人都有獨特的聲音指紋（聲紋），通過數(shù)字信號處理后提取出聲音的特征，可廣泛應(yīng)用于安全防護(hù)，用戶甄別等產(chǎn)品中。 但是 語音處理 算法實現(xiàn)的前提是語音信號的錄入 和存儲。 4. 利用軟硬件資源完成系統(tǒng)的整體調(diào)試。 本課題的任務(wù)與要求如下： 1．通過查閱相關(guān)資料，掌握 DSP軟 硬 件設(shè)計原理和設(shè)計方法。 指導(dǎo)老師審核。 通過本課題，能夠掌握 DSP硬件設(shè)計的基本方法，為今后從事 DSP方面產(chǎn)品開發(fā)打下堅實的基礎(chǔ)。同時必須能夠熟練操作 TI的 DSP開發(fā)環(huán)境 CCS， 及 Protel的使用方法，在電路設(shè)計中要 加入仿真接口的設(shè)計。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表 題 目 學(xué)生姓名 學(xué) 號 專業(yè)名稱 指導(dǎo)教師 檢查時間 班 級 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 進(jìn) 展 情 況 本人在開題后及查找相關(guān)書籍進(jìn)行學(xué)習(xí)， 3 月初基本有了整體的設(shè)計思路，再經(jīng)過了 2 個星期左右的準(zhǔn)備，于 3 月中旬開始著手芯片選型及原理的設(shè)計，參考 SZDSP 試驗平臺很快確定了初期方案，于 3 月下旬開始正式購買各種元件，然后開始繪制電路板走線圖，使用的是 PROTEL DXP 電路設(shè)計軟件。 系統(tǒng)可實現(xiàn)對語音信號的無失真采樣，滿足后續(xù)的語音信號處理的要求，并可實現(xiàn)對語音信號錄音回放或者經(jīng) DSP 實時處理放音等功能。 語音采集 。數(shù)據(jù)采集使用 具有智能化的語音數(shù)據(jù)采集芯片TLC320AD50C。在這之后，美國和日本的許多廠商都相繼投入了 DSP 芯片的研制和開發(fā)工作。本課題的研究結(jié)果與實際應(yīng)用基本一致，對于后期的語音算法研究與實驗起了基礎(chǔ)性的作用。為了快速地實現(xiàn)數(shù)字信號處理運(yùn)算， DSP 芯片一般都采用特殊的軟硬件結(jié)構(gòu)。而馮?諾曼結(jié)構(gòu)則是將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲在同一存儲器中，統(tǒng)一編址，依靠指令計數(shù)器提供的地址來區(qū)分是指令、數(shù)據(jù)還是地址。也就是說，處理器可以并行處理 2~6 條指令，每條指令處于流水線上的不同階段。乘法速度越快， DSP 處理器的性能就越高。 特殊的 DSP指令 DSP 芯片的另一個特征是采用特殊的指令。 硬件組成框圖 TMS320VC5416 DSP的基本結(jié)構(gòu)圍繞 8條總線 (4條程序 /數(shù)據(jù)總線和 4條地址總線 )，有中央處理器 (CPU)、存儲器及片內(nèi)外設(shè)與專用硬件電路三類。 為了實現(xiàn)高精度的語音信號的采集與回放，整個系統(tǒng)的指標(biāo)必須達(dá)到以下要求，特別是語音信號 AD/DA 轉(zhuǎn)換時的保真問題，以及進(jìn)行算法驗證時語音信號的高速處理，系統(tǒng)指標(biāo)如下 ： (1) 采樣率： 采樣率可設(shè)置在 2Khz— 范圍， 此采樣率基本涵蓋標(biāo)準(zhǔn)語音信號的大部分范圍，從而保證了無失真采樣，默認(rèn) 采樣 率 為 8Khz； (2) 工作頻率： 為 滿足 后續(xù) 高速 算法 應(yīng)用 時的 需求 ，系統(tǒng)特采用 PLL 鎖相環(huán)倍頻方式使 工作頻率可設(shè)置在 10Mhz— 160Mhz 之間， 倍頻模式 設(shè)計成了 可由用戶跳線 的開關(guān) 方式 ， 從而方便 用戶手動設(shè)置，無需從程序入手，是考慮功耗及穩(wěn)定性還是要求速度由用戶自行決定 ； (3) 輸入電壓：為滿足 各 種不同的輸入電壓，使用 LM7805 作為輸入 轉(zhuǎn)換，輸入電壓 可在 DC 6V— 20V 之間，標(biāo)準(zhǔn)為 DC 9V 電源，可使用 9V 電池 ； (4) 錄音時間：為了演示方便，系統(tǒng)默認(rèn) 提供 54K 字存儲空間，采樣率為 8Khz時錄音時間約 7S，錄音結(jié)束后 自動回放 ，另外系統(tǒng)配有外擴(kuò) SRAM 及 FLASH，可使用分頁 存放 方式以及塊操作方式 實現(xiàn)大量 音頻 數(shù)據(jù)的存放功能。 (6) 語音采集回放模塊： 該模塊采用 McBSP1 多緩沖串口進(jìn)行通訊，與 AD50 通訊時工作在 SPI 模式下， AD50 另一端連接硬件放大電路和功率放大電路，從而實現(xiàn)與外圍設(shè)備的無縫鏈接。 TLC320AD50C 有28 腳的塑料 SOP 封裝（帶 DW 后綴）和 48 腳的塑料扁平封裝（帶 PT 后綴），體積較小，適應(yīng)于便攜設(shè)備。 顯示芯片 MAX7219 MAX7219 是美信公司生產(chǎn)的一種高度集成的串行輸入 /輸出共陰極驅(qū)動器，它具有集成度高，性能強(qiáng)，不閃爍，電路連接簡單等優(yōu)點。: TPS73HD301 TPS73HD301 為 TI 公司生產(chǎn)的雙通道 LDO 線性穩(wěn)壓器，具有輸出電壓可調(diào)節(jié) 的最大優(yōu)點，本設(shè)計中用此芯片提供 及 DSP 核心電壓。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 圖 TPS73HD301 設(shè)計參考 可以看到該芯片 的輸出電平是由電阻 R1 控制 1 路電壓，電阻 R2 控制 2 路電壓，該電阻的選擇遵循以下公式： 式 R R2 與輸出電壓的關(guān)系 通過計算可得 R1 選擇 56K 電阻 R2 選擇 169K 電阻可以得到 1 路 2 路 輸出，同時值得注意的是 R1 與 R2 電阻需要選擇精度為 1%的電阻，否則可能會出現(xiàn)輸出電壓偏差。 圖 TMS320VC5416 存儲器 空間分配圖 在設(shè)計中我們首先需要考慮的問題是外部程序存放到何處才能實現(xiàn)掉電不丟失 ， 并且 能實現(xiàn)上電自舉加載且自動運(yùn)行， 如圖 我們可以看到， TMS320VC5416自舉加載的選擇過程 。 如果為了更加簡化設(shè)計可以直接使用晶體管工作在開關(guān)方式來實現(xiàn)反向信號。 圖 復(fù)位電路設(shè)計 圖 時鐘 頻率 及 工作 方式 選擇設(shè)計 在復(fù)位電路設(shè)計中，采用大電容充放電延時的原理實現(xiàn)上電復(fù)位和手動按鍵復(fù)位，如果想提高電路穩(wěn)定性，設(shè)計中可以直接使用 MAX811 等復(fù)位芯片，可節(jié)約一些布線面積。 MAX7219 芯片在 LAYOUT 時 DIN， FS， CLK 引腳的走線方式需要多加注意，由于是串口方式通信速率可能不會太高，可以不用嚴(yán)格按照等長走線這樣的要求來布線，但是 CLK 引腳要求比較嚴(yán)格，在設(shè)計時最好不要走線過長，不要與其他以易產(chǎn)生干擾的器件靠近，這樣可以保證時鐘信號穩(wěn)定。模擬信號語音放大部分元件布局一定要緊湊，遠(yuǎn)離易產(chǎn)生干擾的原件，使用大面積模擬地進(jìn)行保護(hù)處理如圖 。其中需要指出的是， JTAG 仿真口在設(shè)計時必須要在 EMU0 及 EMU1 引腳加入 10K 上拉電阻，西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 22 頁 否則可能會出現(xiàn)計算機(jī)不識別等現(xiàn)象。另外如果用戶為節(jié)省器件或者簡化設(shè)計，可以不裝 這樣的電容，在軟件設(shè)計時采用軟件防抖的方法，具體思路是，檢測按鍵后延時在做檢。 圖 AD50 模塊設(shè) 計 由于 AD50 內(nèi)部處理是模擬信號和數(shù)字信號并存的，所以 在 LAYOUT 設(shè)計時需要注意模擬信號與數(shù)字信號分離的問題， 細(xì)節(jié)請參考前文。 圖 2. 5V 電源設(shè)計 語音信號處理電路在 LAYOUT 時需要注意多點問題，在 DSP 語音處理設(shè)計中首要考慮到的問題就 是數(shù)字信號和模擬信號分離的問題，因為在數(shù)字信號傳輸時頻率較高，并且為非連續(xù)信號，非常容易對模擬信號產(chǎn)生干擾，如果將數(shù) 字音頻信號與模擬音頻信號不做分離處理則會出現(xiàn)語音失真的現(xiàn)象。關(guān)于 MAX7219 各個寄存器操作以及時序配置請參考第 五 章軟件部分。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 16 頁 圖 時鐘信號 設(shè)計 圖 時鐘及濾波電容走線設(shè)計 在時鐘電路設(shè)計時需要注意到得是 ， 無 源 晶體振蕩的引腳必須經(jīng)過 10~30pF 的高頻濾波電容然后接地，而且電容需要緊靠晶體振蕩器， 振蕩器引腳需要緊靠 DSP器件振蕩信號輸入引腳，值得注意的是如果使用的是有源晶體振蕩器，則只需接X2/CLKIN 引腳即可。在硬件電路上可由用戶手動配置存儲器工作方式。數(shù)據(jù)存儲器空間存放執(zhí)行指令所要用的數(shù)據(jù)。 圖 78M05 布線設(shè)計 圖 總電源入口設(shè)計 TPS73HD301 電源轉(zhuǎn)換原理與 LM7805 不同， LM7805 內(nèi)部將欲輸出電壓與實際輸出電壓使用穩(wěn)壓管進(jìn)行差值比較，進(jìn)行門開關(guān)輸出控制，從而達(dá)到平衡輸出的效果。 電源芯片 5V: 78M05 本設(shè)計中選用的 78M05 為江蘇長江公司生產(chǎn)的 3 端 5V 穩(wěn)壓電源，最大工作電流可達(dá) 500mA，該芯片具有穩(wěn)定性好，工作范圍寬（ 7V