【正文】 ng to obtain the spectrograph directly ,which design and realize the signal analysis instrument of the audio frequency. After enlarged and samplied by AIC23B ,front signal uses DSP chip TMS320VC5402 as data processing core and STC89C51 as the controller to lead and controls DSP chip .Gathering the signal of the audio frequency (20Hz~20KHz)is realtime to make FFT transformation for 1024 points .DSP analyzes the main frequency position of the signal in realtime,and gives analysis result to onechip puter STC89C51 to deal through the HPI bus, and puter demonstrates the data by data line. 本科畢業(yè)設計（論文） III KEY WORDS： DSP, The signal analysis instrument of audio frequency, AD samples, FFT, Onechip puter STC89C51 本科畢業(yè)設計（論文） IV 目 錄 前 言 ......................................................................................................... 1 第一章 系統(tǒng)描述 .................................................................................... 3 167。 串行口 McBSP .......................................................................... 11 167。 89c51 簡介 ..........................................................................17 167。 DSP 程序設計 ............................................................................31 167。 集成開發(fā)環(huán)境 CCS...................................................................36 167。 我們能夠聽見的音頻信號的頻率范圍大約是 20Hz2OkHz， 其中語音大約分布在 300Hz～ 4kHz 之內(nèi) ， 而音樂和其他自然聲響是全范圍分布的 。通常所用的最基本的儀器是示波器，觀察信號的波形、頻率、幅度等。目前來說，最高的分析頻率只是在 10MHz 或是幾十 MHz，也就是說其測量范圍是從直流到幾十 MHz。該音頻信號分析儀的工作過程為：對音頻信號限幅放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、快速傅里葉變換 (FFT，時域到頻域的轉(zhuǎn)換 )、特征值提?。粡牡揭纛l信號的幅度譜，進而得到音頻信號的功率譜。 音頻分析是以數(shù)字音頻信號為分析對象 ,以數(shù)字信號處理為分析手段 ,提取信號在時域、頻域內(nèi)的一系列特性的過程 ,在頻域圖中信號的某些特性變得很明顯。 本次設計的系統(tǒng)的主要任務是對輸入的音頻信號進行測量和分解 。 數(shù)字式外差原理是把模擬外差式頻譜分析儀中的各模塊利用數(shù)字可編程器件實現(xiàn)，其原理框圖如圖 13： 處理器 數(shù)字存儲 顯示器 實時 采 樣A/D 轉(zhuǎn) 換 Ui 本科畢業(yè)設計（論文） 5 圖 13 基于外差原理的數(shù)字式頻譜儀原理框圖 信號經(jīng)高速 A/D 采集送入處理器，通過硬件乘法器與本地由 DDS 產(chǎn)生的本振掃頻信號混頻，變頻后信號不斷移入低通數(shù)字濾波器，然后提取通過低通濾波器的信號幅度，根據(jù)當前頻率和提取到的幅度值，即可以繪制當前信號頻譜圖。 在這里有兩種方法； 分段 FFT： 這種方法將輸入信號分段，逐段 進行 FFT 的處理，這樣分段取樣降低了對 ADC 和 FFT 硬件的速度要求，又可以在相對窄的頻段內(nèi)得到更高的頻譜分辨率。 各模塊的方案選擇 當前 ,數(shù)字信號處理器 (DSP)芯片以其強大的運算能力在通信、電子、圖像處理等各個領域得到了廣泛的應用。 運算部分的運行效率決定了系統(tǒng)進行信號分析的速度和精度 。 為防止混疊失真和噪聲干擾，信號在采樣前需進行信號的放大濾波，對信號 進行調(diào)理后，經(jīng)過采樣和量化，得到時間和幅度上均為離散的數(shù)字音頻信號。 DSP 芯片普遍采用數(shù)據(jù)總線與程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)或改進的哈佛結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)處理器的馮比較、選擇和存儲單元 (CSSU)用于Viterbi 運算器的加 /比較選擇 。 本科畢業(yè)設計（論文） 9 速度 ： 在 供電 ( 核心電壓 )下單周期定點指令的執(zhí)行周期為10ns(100MIPS)。 與 C54X 系列的其它芯片相比， 5402 具有高性能、低功耗和低價格等特點。 電路設計 時應注意的問題 在設計中需要注意的有以下三個方面 [4]： 一 、 VC5402 電源采用 3． 3V 和 1． 8V 電源供電。連續(xù)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流功能 。由于 McBSP 內(nèi)帶有一個可編程的采樣和幀同步時鐘產(chǎn)生器 ,所以串口接收、發(fā)送時鐘和幀同步等信號既可由內(nèi)部產(chǎn)生 ,也可以由外部輸入。每當串口接收到一個字 (新接收的數(shù)據(jù)復制到 DRR[1,2]寄存器中 )或發(fā)送的字從 DXR 寄存器拷貝到 XSR 寄存器中時 ,都會改變串口控制寄存器 1(SPCR1)中的 RDDY 和串口控制寄存器 2(SPCR2)中的 XRDY 標志位 ,所以 CPU 可以通過不斷查詢的方法知道數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢以及是否接收到新的數(shù)據(jù) ,從而決定下一步操作。設定第一個幀同步之后的幀同步是否被忽略 。它有兩個串行口，在本設計中我 們只用其中一個，我們用并行帶緩沖器多通道同步串行口作為從聲卡到 DSP 芯片的數(shù)據(jù)傳輸通道。系統(tǒng)中各模塊是同時進行處理的，一部分信號正在 ADC 中進行轉(zhuǎn)換，而另一部分信號則在DSP 處理器中同時進行算法處理，即整個系統(tǒng)是以流水線的方式進行工作。 解決主機與目標系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換是一個非常復雜的問題。比如 ,TMS320C5x 器件能夠分配全局數(shù)據(jù)內(nèi)存空間 ,并通過 BR(Bus Request)和 hcs 控制信號實現(xiàn)與該內(nèi)存的通信。 167。 VC5402 HPI 口是一個增強的 8 位主機接口，它通過 HPI 控制寄存器 HPIC、地址寄存器 HPIA 和數(shù)據(jù)鎖 存器 HPID來實現(xiàn)與主機之間的通信。數(shù)據(jù)寄存器 HPLD，只能被主機訪問。 HPIA是地址寄存器 ,HPIC 是控制寄存器 ,而 HPID 是數(shù)據(jù)寄存器。不過對用戶而言 ,該過程是透明的。 如附錄 2 中所示 ， 本設計選取 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機作為主機，并以 I/O 接口方式連接 DSP 和 AT89C51，設計時使用了 AT89C51 的兩個通用I/O 端口 P0 和 P2， 將 AT89C51 的端口 P0 和 HPI 的 8 位數(shù)據(jù)線 HD0～ HD8 相連作為數(shù)據(jù)傳輸通道， ～ 設置為輸出以控制 HPI 口的操作。當 AT89C51 查詢到 INT0 為低時，系統(tǒng)將調(diào)用接收數(shù)據(jù)子程序來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。當采用外部時鐘信號時， X2 接振蕩信號， X1 接地。 本科畢業(yè)設計（論文） 19 P0口： I/O 雙向口。 AT89C51 單片機的 P 口特點： P0 口：是一個 8 位漏極開路輸出型雙向 I/O 端口。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 RST/Vpd、 ALE/PROG、 PSEN、 EA/Vpp 組成了 MSC51 的控制總線。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。其控制原理如圖 32 所示 ： 圖 32 89c51 控制原理圖 MIC 口向聲卡發(fā)出聲音信號后，聲卡開始向單片機發(fā)出請求信號，單片89c51 Vc5402 聲卡 PC 串口 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 控制 控制 控制 本科畢業(yè)設計（論文） 21 機接收到信號后向 DSP 發(fā)出信號，查詢 DSP 是否處于空閑狀態(tài)，若 DSP 空閑則向單片機發(fā)出信號，單片機再向聲卡發(fā)出信號允許聲卡向 DSP 傳送聲音信號。同時一般聲卡 16 位的 A/D 轉(zhuǎn)換精度 , 比通常 12 位 A/D 卡的精度高 , 對于許多工程測量和科學實驗來說都是足夠高的 , 其價格卻比普通數(shù)據(jù)采集卡便宜得多。 在本設計中，我們從圖 33 可以看出聲音從 MIC 口傳人 AIC23B， 引腳21,23， 24 分別接在單片機 P3 口的 ， ， 。串口傳 送 數(shù) 據(jù) 時低位優(yōu)先，由開始位表示數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)信號速度可達 120kbps。 它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在 0～20200b/s 范圍內(nèi)的通信 [9]。 RS232C 的功能特性定義了 25 芯標準連接器中的 20 根信號線，其中 2條地線、 4 條數(shù)據(jù)線、 11 條控制線、 3 條定時信號線，剩下的 5 根線作備用或未定義 。 接收數(shù)據(jù) (Received dataRxD)—— 通過 RxD線終端接收從 MODEM發(fā)來的串行數(shù)據(jù)， (DCE→DTE) 。 這個標準對串行 通信接口 的有關問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規(guī)定。 MAX3232 收發(fā)器具有專有的低壓差發(fā)送器輸出級，利用雙電荷泵在 至 電源電壓下可實現(xiàn)真正的 RS232 性能。 DSP5402 和 PC 機的 UART 實現(xiàn)主要有二種硬件方法和二種軟件模擬方法。 167。 聲卡作為語音信號與計算機的通用接口 , 其主要功能就是將所獲取的模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 , 經(jīng)過音效芯片的處理 , 將該數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。整個過程單片機通過接收信息、進行中斷處理、發(fā)送信息來控制信號的傳送。 當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC指令是 ALE 才起作用。 第二功能：加 +5V 備用電源，可以實現(xiàn)掉電保護 RAM 信息不丟失。當 P2 口用于外部程序存儲器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。 在訪問外部程序或數(shù)據(jù)存儲器時，它是時分多路轉(zhuǎn)換的地址（低 8位） /數(shù)據(jù)總線，在訪問期間將激活內(nèi)部的上拉電阻。 P1口： I/O 雙向口。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 89c51 芯片 167。 INT0 作為輸入與 HPI 口的主機中斷信號 HINT 相連。 HPI 作用 通過對 HPI 的了解，我們知道在本設計中信號經(jīng) DSP 處理后的數(shù)據(jù)信息不能夠直接送到 PC 串口， 因此， DSP 處理器和單片機處理器之間的數(shù)據(jù)通信是必不可少的 。在使用上 ,由于 HPIC 是 16 位寄存器 ,而 HPI8 是 8 位的數(shù)據(jù)寬度 ,所以在 HOST 向 HPIC 寫數(shù)據(jù)時 ,需要發(fā)送兩個一樣的 8 位數(shù)據(jù)。 TMS320C54x系列 DSP芯片中的 HPI,能夠順序傳送或隨機傳送數(shù)據(jù) ,產(chǎn)生HOST 中斷和 C54x 中斷 ,接口靈活 ,并可通過 DMA 總線訪問片內(nèi) RAM?？刂萍拇嫫?HPIC 既可以被主機直接訪問，又可以被 DSP 片上 CPU 訪問。主機是HPI 口的主控者， HPI 口作為一個外設與主機連接，使主機的訪問操作很方便。于是外部邏輯進行全局內(nèi)存控制權(quán)的裁決 ,裁決的結(jié)果將通過選通信號通知某個 TMS320C5x,從而使該本科畢業(yè)設計（論文） 14 DSP 現(xiàn)在就擁有對全局內(nèi)存的控制權(quán)。在 DMA 方式下 ,讀寫共享內(nèi)存必須要求其它處理器處于停止工作的狀態(tài) ,所以 DMA 共享存儲器的方式往往不為人 所用。從而保證了 DSP 對信號分析的精確度。 TMS320VC5402 以其低成本、低功耗、資源多的特 點在通信、控制領域得到了廣泛的應用。設定數(shù)據(jù)的符號擴展方式 。第三種傳 輸 方式就是通過芯片的 DMA 與串口相連 ,由串口同步事件觸發(fā) DMA 完成數(shù)據(jù)的傳送。要訪問 McBSP 的這些寄存器 ,首先要把所要訪問的寄存器的子地址寫到子地址寄存器 SPSA 中 ,然后 才能對數(shù)據(jù)寄存器進行訪問?？瑟毩⒕幊痰陌l(fā)送和接收幀同步 。 本科畢業(yè)設計（論文） 11 二 、 VC5402 的有些引腳必須接 4． 7kΩ 的上拉電阻，沒有用到的中斷引腳也要接相同的上拉電阻。這些都有利于算法的優(yōu)化。 TM320C54x 是 TI 公司為實現(xiàn)低功耗，實時處理而專門設計的 16 位定點數(shù)字信號處理器，是