【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(shè)計(jì)（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(shè)計(jì)（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(jiǎn)介 ..........................................................................17 167。 DSP 程序設(shè)計(jì) ............................................................................31 167。 集成開發(fā)環(huán)境 CCS...................................................................36 167。 我們能夠聽見的音頻信號(hào)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(hào)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(cè)量范圍是從直流到幾十 MHz。該音頻信號(hào)分析儀的工作過程為：對(duì)音頻信號(hào)限幅放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、快速傅里葉變換 (FFT，時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換 )、特征值提?。粡牡揭纛l信號(hào)的幅度譜，進(jìn)而得到音頻信號(hào)的功率譜。 音頻分析是以數(shù)字音頻信號(hào)為分析對(duì)象 ,以數(shù)字信號(hào)處理為分析手段 ,提取信號(hào)在時(shí)域、頻域內(nèi)的一系列特性的過程 ,在頻域圖中信號(hào)的某些特性變得很明顯。 本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)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(shí)現(xiàn)，其原理框圖如圖 13： 處理器 數(shù)字存儲(chǔ) 顯示器 實(shí)時(shí) 采 樣A/D 轉(zhuǎn) 換 Ui 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(hào)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(hào)混頻，變頻后信號(hào)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(hào)幅度，根據(jù)當(dāng)前頻率和提取到的幅度值，即可以繪制當(dāng)前信號(hào)頻譜圖。 在這里有兩種方法； 分段 FFT： 這種方法將輸入信號(hào)分段，逐段 進(jìn)行 FFT 的處理，這樣分段取樣降低了對(duì) ADC 和 FFT 硬件的速度要求，又可以在相對(duì)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(dāng)前 ,數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)芯片以其強(qiáng)大的運(yùn)算能力在通信、電子、圖像處理等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 運(yùn)算部分的運(yùn)行效率決定了系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)分析的速度和精度 。 為防止混疊失真和噪聲干擾，信號(hào)在采樣前需進(jìn)行信號(hào)的放大濾波，對(duì)信號(hào) 進(jìn)行調(diào)理后，經(jīng)過采樣和量化，得到時(shí)間和幅度上均為離散的數(shù)字音頻信號(hào)。 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(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)處理器的馮比較、選擇和存儲(chǔ)單元 (CSSU)用于Viterbi 運(yùn)算器的加 /比較選擇 。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 速度 ： 在 供電 ( 核心電壓 )下單周期定點(diǎn)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(jià)格等特點(diǎn)。 電路設(shè)計(jì) 時(shí)應(yīng)注意的問題 在設(shè)計(jì)中需要注意的有以下三個(gè)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(gè)可編程的采樣和幀同步時(shí)鐘產(chǎn)生器 ,所以串口接收、發(fā)送時(shí)鐘和幀同步等信號(hào)既可由內(nèi)部產(chǎn)生 ,也可以由外部輸入。每當(dāng)串口接收到一個(gè)字 (新接收的數(shù)據(jù)復(fù)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(shí) ,都會(huì)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(biāo)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(shè)定第一個(gè)幀同步之后的幀同步是否被忽略 。它有兩個(gè)串行口，在本設(shè)計(jì)中我 們只用其中一個(gè)，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(shí)進(jìn)行處理的，一部分信號(hào)正在 ADC 中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而另一部分信號(hào)則在DSP 處理器中同時(shí)進(jìn)行算法處理，即整個(gè)系統(tǒng)是以流水線的方式進(jìn)行工作。 解決主機(jī)與目標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換是一個(gè)非常復(fù)雜的問題。比如 ,TMS320C5x 器件能夠分配全局?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)存空間 ,并通過 BR(Bus Request)和 hcs 控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)與該內(nèi)存的通信。 167。 VC5402 HPI 口是一個(gè)增強(qiáng)的 8 位主機(jī)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(shí)現(xiàn)與主機(jī)之間的通信。數(shù)據(jù)寄存器 HPLD，只能被主機(jī)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(duì)用戶而言 ,該過程是透明的。 如附錄 2 中所示 ， 本設(shè)計(jì)選取 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機(jī)作為主機(jī)，并以 I/O 接口方式連接 DSP 和 AT89C51，設(shè)計(jì)時(shí)使用了 AT89C51 的兩個(gè)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(shè)置為輸出以控制 HPI 口的操作。當(dāng) AT89C51 查詢到 INT0 為低時(shí)，系統(tǒng)將調(diào)用接收數(shù)據(jù)子程序來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。當(dāng)采用外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)， X2 接振蕩信號(hào)， X1 接地。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 P0口： I/O 雙向口。 AT89C51 單片機(jī)的 P 口特點(diǎn)： P0 口：是一個(gè) 8 位漏極開路輸出型雙向 I/O 端口。并因此作為輸入時(shí)， 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(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)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(hào)后，聲卡開始向單片機(jī)發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，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(shè)計(jì)（論文） 21 機(jī)接收到信號(hào)后向 DSP 發(fā)出信號(hào)，查詢 DSP 是否處于空閑狀態(tài)，若 DSP 空閑則向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，單片機(jī)再向聲卡發(fā)出信號(hào)允許聲卡向 DSP 傳送聲音信號(hào)。同時(shí)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(duì)于許多工程測(cè)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)來說都是足夠高的 , 其價(jià)格卻比普通數(shù)據(jù)采集卡便宜得多。 在本設(shè)計(jì)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(jī) P3 口的 ， ， 。串口傳 送 數(shù) 據(jù) 時(shí)低位優(yōu)先，由開始位表示數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)信號(hào)速度可達(dá) 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(biāo)準(zhǔn)連接器中的 20 根信號(hào)線，其中 2條地線、 4 條數(shù)據(jù)線、 11 條控制線、 3 條定時(shí)信號(hào)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行 通信接口 的有關(guān)問題，如信號(hào)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(jí)，利用雙電荷泵在 至 電源電壓下可實(shí)現(xiàn)真正的 RS232 性能。 DSP5402 和 PC 機(jī)的 UART 實(shí)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(hào)與計(jì)算機(jī)的通用接口 , 其主要功能就是將所獲取的模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) , 經(jīng)過音效芯片的處理 , 將該數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。整個(gè)過程單片機(jī)通過接收信息、進(jìn)行中斷處理、發(fā)送信息來控制信號(hào)的傳送。 當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。此時(shí)， 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(shí)現(xiàn)掉電保護(hù) RAM 信息不丟失。當(dāng) P2 口用于外部程序存儲(chǔ)器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。 在訪問外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它是時(shí)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(jī)中斷信號(hào) HINT 相連。 HPI 作用 通過對(duì) HPI 的了解，我們知道在本設(shè)計(jì)中信號(hào)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(jī)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(shí) ,需要發(fā)送兩個(gè)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(jī)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。控制寄存器 HPIC 既可以被主機(jī)直接訪問，又可以被 DSP 片上 CPU 訪問。主機(jī)是HPI 口的主控者， HPI 口作為一個(gè)外設(shè)與主機(jī)連接，使主機(jī)的訪問操作很方便。于是外部邏輯進(jìn)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(hào)通知某個(gè) TMS320C5x,從而使該本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 DSP 現(xiàn)在就擁有對(duì)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(chǔ)器的方式往往不為人 所用。從而保證了 DSP 對(duì)信號(hào)分析的精確度。 TMS320VC5402 以其低成本、低功耗、資源多的特 點(diǎn)在通信、控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。設(shè)定數(shù)據(jù)的符號(hào)擴(kuò)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(duì)數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行訪問?？瑟?dú)立編程的發(fā)送和接收幀同步 。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)現(xiàn)低功耗，實(shí)時(shí)處理而專門設(shè)計(jì)的 16 位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，是