【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 .................. 30 ........................................................................................................ 32 按鍵設(shè)計(jì) ....................................................................................................... 32 采集回放設(shè)計(jì) ................................................................................................ 34 顯示應(yīng)用設(shè)計(jì) ................................................................................................ 35 .................................................................................................... 35 第六章 語(yǔ)音采集系統(tǒng)的應(yīng)用測(cè)試 ................................................................................. 37 .................................................................................................................. 37 .................................................................................................................. 38 結(jié)束語(yǔ) ................................................................................................................................. 39 致謝 ..................................................................................................................................... 40 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 41 附錄 ..................................................................................................................................... 42 1 硬件原理圖 .................................................................................................................. 42 2 硬件布線圖 .................................................................................................................. 47 3 主程序清單 .................................................................................................................. 49 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁(yè) 第一章 緒論 選題的目的與意義 目前，由于具有運(yùn)算速度快、片上資源豐富和能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的線性和非線性算法等特性， DSP 已成為通信、 雷達(dá)、聲納 和消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件，其中在 圖像、 語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)方面顯得尤為突出 。 但是語(yǔ)音處理算法實(shí)現(xiàn)的前提是語(yǔ)音信號(hào)的錄入和存儲(chǔ)。本課題就是完成語(yǔ)音數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和回放。其控制核心采用 TI 的 TMS320VC5416數(shù)據(jù)采集使用 具有智能化的語(yǔ)音數(shù)據(jù)采集芯片TLC320AD50C。通過(guò)本課題，能夠掌握 DSP 系統(tǒng)的硬件及 軟件 設(shè)計(jì) 的基本方法，為今后從事 DSP 方面產(chǎn)品開(kāi)發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 表 DSP 與普通 MCU 的 設(shè)計(jì)及 應(yīng)用前景對(duì)比 本課題 的發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)字信號(hào)處理器是 20 世紀(jì) 60 年代前后發(fā)展起來(lái)的，并廣泛 應(yīng)用于許多新興領(lǐng)域的新型學(xué)科，進(jìn)入 70 年代以來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)，大規(guī)模集成電路（ LSI）和超大規(guī)模集成電路（ VLSI）以及處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理無(wú)論在理論還是在工程應(yīng)用中，都是目前發(fā)展最快的學(xué)科之一，并且日趨完善和成熟。語(yǔ)音信號(hào)處理一直是數(shù)字信號(hào)處理的一個(gè)方向，廣泛使用在通信，安防等各類(lèi)工程應(yīng)用中。在電子通信中，帶寬很窄，因此只能將語(yǔ)音信號(hào)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(gè)人都有獨(dú)特的聲音指紋（聲紋），通過(guò)數(shù)字信號(hào)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(hù)甄別等產(chǎn)品中。現(xiàn)在 國(guó)內(nèi)外都在努力開(kāi)發(fā)語(yǔ)音處理系統(tǒng)，其某些研究已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際生活。 DSP 芯片走過(guò)了近 30 年的發(fā)展歷程。 1978 年 AMI 公司發(fā)布了 S2811，是世界上的第一款單片 DSP 芯片，接下來(lái) 1979 年美國(guó) Intel 公司發(fā)布了 2820 芯片。在這之后，美國(guó)和日本的許多廠商都相繼投入了 DSP 芯片的研制和開(kāi)發(fā)工作。 1982 年后， 普通 MCU DSP54X 軟件設(shè)計(jì) 8 位 /16 位 設(shè)計(jì)， 應(yīng)用多為簡(jiǎn)單控制，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單基本無(wú)算法要求 16 位 /32 位 設(shè)計(jì)， 應(yīng)用多為高速算法處理 ，軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜穩(wěn)定性要求高，有深入學(xué)習(xí)的必要 硬件 設(shè)計(jì) 硬件接口少 ，可擴(kuò)展應(yīng)用能力較弱， 外圍電路結(jié)構(gòu)基本固定 ， 無(wú)太大的研究?jī)r(jià)值 硬件接口全，兼容性 和 可擴(kuò)展性 強(qiáng)，高速應(yīng)用時(shí)外圍電路設(shè)計(jì)有一定的研究?jī)r(jià)值 硬件 結(jié)構(gòu) 單一 有專(zhuān)用算法硬件結(jié)構(gòu) 工作頻率 10M~20M 100M~500M 指令支持 簡(jiǎn)單語(yǔ)言匯編指令 DSP 專(zhuān)用指令集及精簡(jiǎn)指令集 應(yīng)用前景 低成本，低要求產(chǎn)品 （應(yīng)用面窄） 高速，高精度，專(zhuān)業(yè)級(jí)產(chǎn)品 （應(yīng)用面寬） 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè) 作為后起之秀的美國(guó)德州儀器公司（ TI）推出了 TMS320 系列的 DSP 芯片中的第一代產(chǎn)品 TMS320第二代產(chǎn)品 TMS320C25/C26/C2第三代 TMS320C30/C31/C3第四代 TMS320C30/C31/C3第五代 TMS320C5x/C54x。本設(shè)計(jì)選用的就是TMS320C54x 系列的 DSP 芯片。 本課題主要 研究?jī)?nèi)容 本課題需要重點(diǎn)研究的是 DSP 芯片的工作原理，程序算法的設(shè)計(jì)，以及外圍電路的時(shí)序搭配。程序是系統(tǒng)的靈魂，通過(guò)程序算法的編寫(xiě)和調(diào)試，完成各個(gè)不同的功能；最終實(shí)現(xiàn)從話筒采集語(yǔ)音信號(hào)，存儲(chǔ)并回放，完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 在研究該課題之前要通過(guò)閱讀相關(guān) DSP 設(shè)計(jì)和程序算法的書(shū)籍，對(duì) DSP 的工作原理有一個(gè)深刻的認(rèn)識(shí)，對(duì) DSP 的結(jié)構(gòu)要深入到內(nèi)部的每一個(gè)寄存器，以備后期程序編 寫(xiě)時(shí)能夠合理調(diào)用寄存器。同時(shí)必須能夠熟練操作 TI 的 DSP 開(kāi)發(fā)環(huán)境 CCS，及 Protel 的使用方法，在電路設(shè)計(jì)中要加入仿真接口的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，分模塊進(jìn)行程序的編寫(xiě)并調(diào)試，待所有的模塊都調(diào)試完成后，將程序匯總，燒寫(xiě)到存儲(chǔ)器中，完成整體功能的運(yùn)行。本課題的研究結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用基本一致，對(duì)于后期的語(yǔ)音算法研究與實(shí)驗(yàn)起了基礎(chǔ)性的作用。 論文的結(jié)構(gòu)說(shuō)明 本論文分為 六 個(gè)部分 : 第一章：緒論 簡(jiǎn)述 本課題的研究?jī)?nèi)容 和課題的研究必要性以及本課題的今后發(fā)展?fàn)顩r。 第二章： TMS320VC5416 結(jié)構(gòu)及原理 介紹了本設(shè) 計(jì)中采用的 TMS320VC5416 DSP 處理器的原理及結(jié)構(gòu)。 第 三 章： 語(yǔ)音采集系統(tǒng)的整體方案 主要說(shuō)明本課題設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，介紹了 各個(gè)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(jì)流程。 第四 章： 語(yǔ)音采集 系統(tǒng) 的硬件設(shè)計(jì) 詳細(xì)說(shuō)明了硬件選型 方案 ，各模塊的電路原理 及設(shè)計(jì)思路，還介紹了高速電路中布線的方法及設(shè)計(jì)時(shí)所需要考慮到的問(wèn)題，及一些硬件調(diào)試方法。 第五 章： 語(yǔ)音采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 詳細(xì)介紹了各個(gè)模塊的軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案及解決方法，給出了應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)的整體流程框圖 ，還介紹了設(shè)計(jì)中所用到的軟件工具及調(diào) 試方法 。 第六 章： 語(yǔ)音采集系統(tǒng)的應(yīng)用展示 說(shuō)明了該做品的 具體應(yīng) 用方法， 并 將 最終的設(shè)計(jì) 成品 在 實(shí)際 使 用 中 的效果做以展示 ，給出測(cè)評(píng)和結(jié)論 。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 第 二 章 TMS320VC5416 結(jié)構(gòu)及 原理 DSP 芯片是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，為了達(dá)到快速進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的目的， DSP 芯片一般都具有程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的總線結(jié)構(gòu)、流水線操作功能、單周期完成乘法的硬件乘法器以及一套適合數(shù)字信號(hào)處理的指令集。為了快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算， DSP 芯片一般都采用特殊的軟硬件結(jié)構(gòu)。下面以 本設(shè)計(jì)中采用的 TMS320VC5416為例介紹 DSP 芯片的基本結(jié)構(gòu)。 TMS320VC5416芯片的基本結(jié)構(gòu)包括：哈佛結(jié)構(gòu) 、 流水線操作 、 專(zhuān)用的硬件乘法器 、 特殊的 DSP 指令 、 快速的指令周期。這些特點(diǎn)使得 TMS320VC5416芯片可以實(shí)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(gè)指令周期內(nèi)完成。由于 TMS320VC5416芯片是軟件可編程器件，因此具有通用微處理器具有的方便靈活的特點(diǎn)。下面分別介紹這些特點(diǎn)是如何在 TMS320VC5416芯片中應(yīng)用并使得芯片的功能得到加強(qiáng)的。 哈佛結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮?諾曼（ Von Neuman）結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問(wèn)。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。而馮?諾曼結(jié)構(gòu)則是將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中，統(tǒng)一編址，依靠指令計(jì)數(shù)器提供的地址來(lái)區(qū)分是指令、數(shù)據(jù)還是地址。取指令和取數(shù)據(jù)都訪問(wèn)同一存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)吞吐率低。在哈佛結(jié)構(gòu)中，由于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在兩個(gè)分開(kāi)的空間中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行。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(chǔ)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(chǔ)在高速緩沖器（ Cache）中，當(dāng)執(zhí)行此指令時(shí)，不需要再?gòu)拇鎯?chǔ)器中讀取指令，節(jié)約了一個(gè)指令周期的時(shí)間。如 TMS320VC5416 具有 64 個(gè)字的 Cache。 流水線結(jié)構(gòu) 與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)， DSP 芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行時(shí)間，從而增強(qiáng)了處理器的處理能力。 TMS320VC5416 處理器的流水線深度從 2~6 級(jí)不等。TMS320VC5416 處 理器采用二級(jí)流水線，第二代采用三級(jí)流水線，而第三代則采用四級(jí)流水線。也就是說(shuō)，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。圖 所示為一個(gè)三級(jí)流水線操作的例子。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) 圖 三級(jí)流水線操作 在三級(jí)流水線操作中，取指、譯碼和執(zhí)行操作可以獨(dú)立地處理，這可使指令執(zhí)行能完全重疊。在每個(gè)指令周期內(nèi)，三個(gè)不同的指令處于激活狀態(tài)，每個(gè)指令處于不同的階段。例如，在第 N 個(gè)指令取指時(shí)，前一個(gè)指令即第 N1 個(gè)指令正在譯碼，而第 N2 個(gè)指令則正在執(zhí)行。一般來(lái)說(shuō)，流水線對(duì)用戶(hù)是透明的。 專(zhuān) 用硬件乘法器 在一般形式的 FIR 濾波器中，乘法是 DSP 的重要組成部分。對(duì)每個(gè)濾波器抽頭，必須做一次乘法和一次加法。乘法速度越快， DSP 處理器的性能就越高。在通用的微處理器中，乘法指令是由一系列加法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，故需許多個(gè)指令周期來(lái)完成。相比而言， DSP 芯片的特征就是有一個(gè)專(zhuān)用的硬件乘法器。在 TMS320VC5416 芯片中，由于具有專(zhuān)用的硬件乘法器，乘法可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。從最早的TMS320VC5416 實(shí)現(xiàn) FIR 的每個(gè)抽頭算法可以看出，濾波器每個(gè)抽頭需要一條乘法指令 MPY： LT ；裝乘數(shù) 到 T 寄存器 DMOV ；在存儲(chǔ)器中移動(dòng)數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)延遲 MPY ；相乘 APAC ；將乘法結(jié)果加到 ACC 中 其他三條指令用來(lái)將乘數(shù)裝入到乘法器電路（ LT），移動(dòng)數(shù)據(jù)（ D