【正文】 ital Signal Processors）得到了長(zhǎng)足的發(fā) 展，同時(shí)也使數(shù)字信號(hào)處理理論得以實(shí)現(xiàn)。與采樣系統(tǒng)不同，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅僅包括信號(hào)的取樣而且還包括信號(hào)的傳輸和處理過程，而采樣系統(tǒng)僅僅指信號(hào)的獲取。在一些要求信號(hào)處理的數(shù)學(xué)運(yùn)算比較復(fù)雜的領(lǐng)域，如視頻、語音通信或是復(fù)雜控制領(lǐng)域，單片機(jī)往往力不從心，這需要更高級(jí)的 CPU來支持。從那時(shí)開始直至 20 世紀(jì) 70年代中期，除 PCM（ 脈沖編碼調(diào)制 ） 和 ADPCM（ 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制 ） 已取得較大進(jìn)展之外，中低比特率語音編碼一直沒有實(shí)質(zhì)性的突破。根據(jù)語音識(shí)別性能及算法的不同，語音級(jí)別專用芯片大致有以下幾種類型 ： IC。本設(shè)計(jì)即是采用 TI 公司的 TMS320C6713 芯片作為編解碼處理器。這些理論包括 ： （ A/D 技術(shù)、抽樣定理、量化噪聲分析等 ） ； （ 時(shí)域及頻域分析、各種變換技術(shù)、信號(hào)特征的描述等 ） ； （ 系統(tǒng)的描述、系統(tǒng)的單位抽樣響應(yīng)、轉(zhuǎn)移函數(shù)及頻率特性等 ） ； 的快速算法 （ 快速傅立葉變換、快速卷積與相關(guān)等 ） ； （ 各種估值理論、相關(guān)函數(shù)與功率譜估計(jì) ） ； （ 各種數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ） ； ； （ 如抽取 、反卷積、信號(hào)重建等 ） ； （ 軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn) ） 與應(yīng)用 ； 數(shù)字信號(hào)處理器是在模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)以后進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專用處理器，其處理速度比最快的 CPU 還快 10~50 倍。 USB 的發(fā)展?fàn)顩r USB 是一個(gè)新接口，新接口并不會(huì)常常出現(xiàn)，因?yàn)槿藗円呀?jīng)習(xí)慣于舊有的接口，對(duì)于新接口往往不會(huì)立即全盤接受。在 1999年 2月 23日的英特爾開發(fā)者論壇大會(huì)上，介紹了 規(guī)范。 主要研究?jī)?nèi)容 與國(guó)內(nèi)外相關(guān)課題的研究現(xiàn)狀相比，本課題研究有以下幾點(diǎn)特色和創(chuàng)新 ： （ 線性預(yù)測(cè)編碼 LPC） ，減少高采樣率下采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量。重點(diǎn)介紹本文中 語音采集 處理所應(yīng)用的硬件平臺(tái) DSP及 TMS320C6713 處理器以及 ICETEK6713A評(píng)估板功能， 軟件開發(fā)環(huán)境 CCS 和系統(tǒng)仿真及 USB 芯片 選擇 。還有一些輔助工具程序，如文件格式轉(zhuǎn)換程序、庫生成和文檔管理程序 等；代碼調(diào)試工具的作用是對(duì) DSP程序及系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，使之能達(dá)到設(shè)計(jì)的目的， TMS320 系列 DSP芯片的系統(tǒng)集成和調(diào)試工具有： C/匯編語言原碼調(diào)試器、初學(xué)者工具 DSK、軟件模擬器、評(píng)價(jià)模塊 EVM軟件開發(fā)系統(tǒng) SWDS 和仿真器等。 基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 8 圖 3 CCS 工作界面 CCS 有兩種工作模式，即軟件仿真器模式 和硬件在線編程模式。 基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 9 ? 程序跟蹤：顯示寫入目標(biāo)日志的事件，并在程序執(zhí)行過程中反映動(dòng)態(tài)控制流程； ? 性能監(jiān)測(cè)：跟蹤統(tǒng)計(jì)目標(biāo)板資源的使用情況，如處理器負(fù)載和 線程時(shí)序等； ? 文件流：將目標(biāo)板上的 I/O對(duì)象與主機(jī)上的文件聯(lián)系在一起。 ? 各種計(jì)算功能，包括精確到指令周期的剖析 （ Profile） 功能。 軟件仿真就是靠主機(jī)上的軟件模擬器 （ Simulator） 完成程序的執(zhí)行，無需目標(biāo)板（ DSP 處理平臺(tái) ） 就可以開始軟件編程，但仿真速度慢，且無法仿真某些外設(shè) 的功能。 數(shù)據(jù)采集 A/D轉(zhuǎn)換器 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換 （ Analog to Digit） 的一般轉(zhuǎn)換過程為 ： 采樣、保持、量化和編碼 采樣要遵循采樣定理 ： fs≥ fmax。當(dāng)面對(duì)數(shù)據(jù)密集型算法時(shí)，會(huì)造成傳輸通道上的瓶頸現(xiàn)象。在通用微處理器內(nèi)通過微程序?qū)崿F(xiàn)的乘法操作需要 100 多個(gè)時(shí)鐘周期，非常費(fèi)時(shí)，因此在 DSP 處理器內(nèi)專門設(shè)置了硬件乘法器來完成乘法操作，以提高乘法速度，這也是 DSP區(qū)別于通用微處理器的一個(gè)重要標(biāo)志。 5．片內(nèi)存儲(chǔ)器 當(dāng)面向數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用時(shí)，存儲(chǔ)器訪問速度對(duì)處理器的性能影響很大。 USB 芯片介紹 主流芯片的分類 現(xiàn)在的 USB 生產(chǎn)廠商很多，幾乎所有的硬件廠商都有 USB 的產(chǎn)品。 PD1USBD12芯片功能 PDIUSBD12 是物美價(jià)廉而且性能較優(yōu)的 USB 設(shè)備。 該模塊的功能包括 ： 同步模式的識(shí)別、并行 /串行轉(zhuǎn)換、位填充 /解除填充、 CRC 校驗(yàn) /產(chǎn)生、 PID 校驗(yàn) /產(chǎn)生、地址識(shí)別和握手評(píng)估 /產(chǎn)生。 基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 16 話 筒A / D編 程M c B S PD S PU S B計(jì) 算 機(jī)聲 卡D / A揚(yáng) 聲 器E M I FS D R A M 圖 9 系統(tǒng)的基本原理圖 該系統(tǒng)由輸入信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊和 USB 模塊組成。 EMIF 與 SDRAM 的接口電路框圖如圖所示 5） 采集完成，經(jīng)判斷數(shù)據(jù)完整后， DSP 將外擴(kuò) RAM 中采集數(shù)據(jù)通過 USB 芯片傳到上位機(jī)中 ； 若數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤，則不發(fā)送。寫入 DXR 的數(shù)據(jù)經(jīng)發(fā)送移位寄存器（ XSR）移位輸出至 DX 引腳，同樣，從 DR引腳上接收到的數(shù)據(jù)先移位進(jìn)入接收轉(zhuǎn)移寄存器（ RSR）中，然后復(fù)制到接收緩沖寄存器（ RBR）中，再?gòu)?fù)制到DRR中，最后被 CPU 或 DMA 控制器讀走。TMS320C6713 與 MT48LC4M16A2 的接口電路原理圖如 圖 12 所示。 圖 13 TMS320C6713 DSP電源電路 復(fù)位電路 的分析 TMS320C6713 DSP 的復(fù)位信號(hào)由外部 RESET 管腳引入 DSP。 圖 14 所示是由 MAX706T 組成的復(fù)位電路，該電路既可以通過按鍵 SW對(duì)芯片進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，也通過 MAX706T 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位。 這里，先簡(jiǎn)單介紹一下線性預(yù)測(cè)法的原理，再舉例說明如何在 DSP 上運(yùn)用語音線性編碼 LPC 實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的壓縮。 改進(jìn)的△ M 編碼數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式如 圖 15所示 ： 編 碼標(biāo) 志 位采 樣點(diǎn) 數(shù)編 碼 量 占 二進(jìn) 制 位 數(shù)差 值 占 二 進(jìn)制 位 數(shù)基 值 1 偏 移 量 基 值 n 偏 移 量… 差 值 1 差 值 n…數(shù) 據(jù) 塊 頭基 值 序 列差 值 序 列圖 15 改進(jìn)的△ M編碼數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式 改進(jìn)的△ M 編碼是利用各采樣點(diǎn)之間的相關(guān)性編碼一定長(zhǎng)度采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而起到壓縮數(shù)據(jù)作用。把采樣點(diǎn)數(shù)、 偏移量占二進(jìn)制位數(shù)、差值占二進(jìn)制位數(shù)寫入數(shù)據(jù)塊頭以便解碼時(shí)候用。選擇最佳的差值位數(shù)的方法是 ： 1~11 位差值編碼都試一遍，選出壓縮率最高的差值位數(shù)。即由 1()()011 1 1()0 0 1= 2 [ ( ) ( ) ] ( )2 ( ) ( ) 2 ( ) ( )0NMMlMnlkN N NMln n lE x n a x n l x n kax n x n k a x n k x n l???? ? ?? ? ?? ? ? ??? ? ? ? ????? ? ? 其中 K=1,2… M。當(dāng) LAP 技 術(shù)應(yīng)用于語音編碼時(shí)，利用模型參數(shù)可有效地降低編碼比特率，提高識(shí)別率和減少計(jì)算時(shí)間。并且復(fù)位是優(yōu)先級(jí)別最高的中斷，一般是在加電后芯片處于未知狀態(tài)時(shí)對(duì)其復(fù)位。 圖 13 所示是一個(gè)電源電路，輸入電源電壓為 DC 5V，使用 AS2850 和 TPS75818 電源模塊來產(chǎn)生 （ DVDD）和 （ CVDD）。 C L K O U T 1C L K O U T 2E D [ 3 1 : 0 ]E A [ 2 1 : 2 }C E [ 3 : 0 ]B E [ 3 : 0 ]A R D YA O EA W EA R ES S A D SS S O ES S W ES S C L KS D R A SS D C A SS D W ES D A 1 0S D C L KH O L DH O L D AS h a r e d b y a l l E x t e r n a l I n t e r f a c e sA s y n c h r o n o u s I n t e r f a c eS B S R A M I n t e r f a c eS D R A M I n t e r f a c eB u s H o l d I n t e r f a c eE x t e r n a l M e m o r y I n t e r f a c e( E M I F )C o n t r o l R e g i s t e r sI n t e r n a l P e r i p h e r a l B u sD M A C o n t r o l l e rD a t a M e m o r y C o n t r o l l e rP r o g r a m M e m o r y C o n t r o l l e r 圖 11 TMS320C6713 EMIF 詳細(xì)的接口信號(hào)分布 基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 19 EMIF 與 SDRAM 的接口邏輯 以 TMS320C6713 與 MT48LC4M16A2 的硬件接口，介紹如何進(jìn)行 EMIF 寄存器的配置，MT48LC4M16A2 是 Micron 公司的 512K*bit*4bank SDRAM。其中， McBSP 與片外 通信器件進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信由數(shù)據(jù)發(fā)送引腳（ DX）發(fā)送，并由數(shù)據(jù)接收引腳（ DR）接收，控制信號(hào)通信通過 CLKX、 CLKR、 FSX 和 FSR 4 個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)。 EMIF 為外接 SDRAM 和 FLASHROM 器件提供了獨(dú)立的時(shí)鐘（ SDRAM 使用SDCLK）與控制信號(hào)。系統(tǒng)接收指令后，使用 TMS320C6713 芯片內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 （ ADC） 進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及 A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)到片外的 RAM 中，再經(jīng) DSP 進(jìn)行完整性檢測(cè)后，通過 USB總線傳給上位機(jī)，并在上位機(jī)上進(jìn)行處理和分析。 使用 4X過采樣規(guī)則，從進(jìn)入的 USB 數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時(shí)鐘，能跟蹤 USB 規(guī)定范圍內(nèi)的抖動(dòng)和頻漂。 PDIUSBD12 需要外接微控制器 （ MCU） 來進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換，它對(duì) MCU沒有特殊要求，而且接口方便靈活，因此可以選用自己熟悉的 MCU 對(duì)芯片進(jìn)行控制，也可以利用 PHILIPS公司的固件 （ firmware） 結(jié)構(gòu)來縮短開發(fā)時(shí)間、降低風(fēng)險(xiǎn)、減小投資。其次 TMS320C6713 芯片是 TMS320C6000 系列的首款采用表面貼裝的芯片，封裝的修改，將大幅度降低生產(chǎn)、維護(hù)和開發(fā)中的難度，加快產(chǎn)品的市場(chǎng)化速度。在通用 CPU 中，數(shù)據(jù)地址的產(chǎn)生和數(shù)據(jù)的處理都有 ALU 來完成。 3．算術(shù)單元 硬件乘法器 在數(shù)字信號(hào)處理的算法中，乘法和累加是基本的大 量的運(yùn)算。這一性能決定了 DSP 的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在較復(fù)雜的算法處理 中， DSP 處理器的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是： 1．哈佛結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的微處理器通常采用馮諾曼總線結(jié)構(gòu)：統(tǒng)一的程序和數(shù)據(jù)空間，共享的程序和數(shù)據(jù)總線。其中尤以 TI 公司生產(chǎn)的系列 DSP 芯片應(yīng)用最為廣泛。 DSP 程序編寫完成好，需要對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和仿真。 ? 將代碼和數(shù)據(jù)加載到 DSP 芯片中?？梢杂盟鼇韺?shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)視一個(gè) DSP應(yīng)用程序，同時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)性能的影響達(dá)到最小。而且， CCS 能自動(dòng)查找工程所需要的頭文件，并將它加入工程中。本文是在 ICETEK6713A評(píng)估板和 CCS 的軟件仿真環(huán)境下所進(jìn)行的設(shè)計(jì)。各章節(jié)的安排如下 ： 第一 部分 重點(diǎn)介紹 論文的選題背景 、 目的和 意義、 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)，以及本文的主要研究?jī)?nèi)容等。 CCS 集成開發(fā)環(huán)境 。 1997年開始有真正符合 USB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)出現(xiàn)。這兩種芯片內(nèi)部都沒有現(xiàn)代 DSP 芯片所必須基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 5 有的單周期乘法器。世界上第一片單片 DSP芯片是 1978 年 AMI 公司宣布的 S2811。最常用的 DSP 芯片有 TI公司的 TMS320C6713 系列， AD 公司的 ADSP218X 系列以及 DSPG 公司開發(fā)的 OAK 系列。語音編碼產(chǎn)品化的過程比語音識(shí)別來的容易，因此其研究成果能很快轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用，對(duì)通信領(lǐng)域的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。 由上可知，由于一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在以上諸多問題，因此采用 DSP作為控制器，而采用 USB 和上位機(jī)相連接將是以后數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的發(fā)展方向。控制器一般采用單片機(jī)，單片機(jī)的字長(zhǎng)也由 4位、8位、 16 位向著 32 位發(fā)展，對(duì)于大多數(shù)的場(chǎng)合來說己 經(jīng)能夠滿足要求了，同樣，單片機(jī)也有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接口擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。用USB作通信總線，其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)熱插拔、擴(kuò)展方便，特別適合便攜式計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)既滿足實(shí)時(shí)性，又滿足易擴(kuò)展性，有一定的實(shí)用價(jià)值。利用 USB 可以實(shí)現(xiàn)較傳統(tǒng)方式更有效、更經(jīng)濟(jì)、更多擴(kuò)展的 PC 外設(shè)與 PC 相連。 DSP。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以通過 A/D 轉(zhuǎn)換把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)、處理及再現(xiàn)，