【正文】 。 圖 顯示存儲器與像素對應(yīng)關(guān)系 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 第 5 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)第 3 章的介紹，本系統(tǒng)可分為 3 大模塊：信號預(yù)處理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤及顯示模塊。通 過紅、綠、藍(lán)的混合，總共可以得到 256 種顏色。也就是紅色占高三位，綠色占中間三位，藍(lán)色為低 2 位。行坐標(biāo)（ Y）取值范圍是 0233。 的引腳見下表。 的顯示存儲器同液晶屏 幕上的像素點(diǎn)一一對應(yīng)，用戶可以把這個存儲器理解為 “顯示映像 ”存儲器。 工作原理 該顯示器接口采用并行總線方式（數(shù)據(jù)總線 D[7： 0]、地址總線 A[1： 0]、片選/CS、讀 /RD、寫 /WR），可以很方便地連接到單片機(jī)或微處理器的總線上，用戶可以象使用普通存儲器一樣使用它?？梢灾苯优c MCS5 MCS9 MC6 ARM 以及 DSP 相連。 圖 芯片管腳圖 （ 1 號腳）：模擬信號輸入端，輸入電壓范圍為 AGND1（ 2 號腳）：模擬地 REF（ 3 號腳）：參考輸入 /輸出腳，通常接 鉭電容至地 CAP（ 4 號腳）：參考電容引腳，接 鉭電容至地 AGND2（ 5 號腳）：模擬地 D15D8（ 613 號腳）：輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的一個字節(jié)，當(dāng) BYTE=0，輸出結(jié)果的高字節(jié)，當(dāng) BYTE=1，輸出結(jié)果的低字節(jié) DGND（ 14 號腳）：數(shù)字地 D7D0（ 1522 號腳）：輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的一個字節(jié)，當(dāng) BYTE=1，輸出結(jié)果的高字節(jié)，南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 當(dāng) BYTE=0，輸出結(jié)果的低字節(jié) BYTE（ 23 號腳）：輸入，用于選擇 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的高字節(jié)或低字節(jié) （ 24 號腳）：輸入，當(dāng) 腳為低， 腳為高時， 腳上的脈沖下降沿啟動一次新的 A/D 轉(zhuǎn)換 （ 25 號腳）：輸入，當(dāng) 腳為低時， 腳上的下降沿將啟動一次 A/D 轉(zhuǎn)換，當(dāng) 腳為高時， 腳的下降沿使三態(tài)門打開，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果 （ 26 號腳）：輸出，其指示一次 A/D 轉(zhuǎn)換是否在進(jìn)行之中，當(dāng)轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行時， 為低，否則為高 。 (5)單 +5V 電源供電 ,可方便地用于單片機(jī)、微機(jī)系統(tǒng) ,而不需另加電源。 (4)提供177。 (3)轉(zhuǎn)換結(jié)果全 16 位并行輸出 ,具有三態(tài)緩沖功能 ,與 16 位數(shù)據(jù)總線接口方便。美國 ADI 公司出品的 16 位 A/D 芯片 ADS7805 可適用于這樣的應(yīng)用場合 ,它具有如下突出特點(diǎn)： (1)自帶采樣 /保持器 ,方便對交流信號的采樣。 16位 A/D 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用得最多的是串行輸出 A/D 轉(zhuǎn)換器 ,但串 行輸出 A/D 轉(zhuǎn)換器與并行總線接口麻煩 ,讀數(shù)慢 ,在一些對采樣頻率要求很高的場合不適用。 ADS7805 芯片 隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及 ,A/D 轉(zhuǎn)換成為微機(jī)控制中一個不可缺少的重要環(huán)節(jié)。 禁止外設(shè)獨(dú)立時鐘。 硬件支持適時仿真功能。 高達(dá) 56 個可配置通用目的 I/O 引腳 。 流水線最快轉(zhuǎn)換周期為 60ns，單通道最快轉(zhuǎn)換周期為 200ns。 兩個采樣保持電路 。 多通道緩沖串口 (MeBSp)。 兩個 UART 接口模塊 (SCI)。 正交脈沖編碼電路 。 三個完全比較單元 。 死區(qū)產(chǎn)生和配置單元 。 8 通道 16 位的 PWM。 看門狗定時模塊； 三個外部中斷； 外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊 (PIE)支持 45 個外設(shè)中斷； 三個 32 位 CPU 定時器； 128 位保護(hù)密碼 : 保護(hù) Flash/OTP/ROM 和 L0/LISARAM 中的代碼 。 時鐘和系統(tǒng)控制 : 支持動態(tài)改變鎖相環(huán)的倍頻系數(shù) 。 可編程讀 /寫選擇時序 。 數(shù)學(xué)運(yùn)算表； 外部存儲器擴(kuò)展接口 (F2812): 最多 IMB 的尋址空間 。 M0 和 M:兩塊 lx16 位的單周期訪問 RAM(SARAM)。 L0 和 L1:兩塊 4Kx16 位的單周期訪問 RAM(SARAM)。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 最多達(dá) 128Kx16 位的 ROM。 與 TMS320F24x/F240x 系列數(shù)字信號處理器代碼兼容。 4MB 的程序 /數(shù)據(jù)尋址空間 。 快速中斷響應(yīng)和處理能力 。 16xl6 位的雙乘法累加器 。 支持 JTAG 邊界掃描接口。 低功耗設(shè)計(jì) 。TMS320F2812 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。兩個事件管理模塊為電機(jī)及功率變換控制提供了良好的控制功能。該系列數(shù)字信號處理器還集成了 128KB 的 Flash 存儲器， 4KB 的引導(dǎo) ROM，數(shù)學(xué)運(yùn)算表以及 ZKB 的 OTPROM，從而大大改善了應(yīng)用的靈活性。同時代碼和指令與 F24x 系列數(shù) 字信號處理器完全兼容，從而保證了項(xiàng)目或產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可延續(xù)性。 TMS320F2812 TMS320F281x 處理器 TMS320F281x 系列 DSP(數(shù)字信號處理器 )是 TI 公司最新推出的數(shù)字信號處理器，該系列處理器是基于 TMS320CZxx 內(nèi)核的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 （ 6）集成方便。 （ 5）可重復(fù)性好。 （ 4）精度高。 （ 3）穩(wěn)定性好。 （ 2）編程方便。最后，經(jīng)過處理后的數(shù)字樣值再經(jīng) D/A 變換轉(zhuǎn)換為模擬樣值，之后再進(jìn)行內(nèi)插和平滑濾波就可得到連續(xù)的模擬波形 DSP 系統(tǒng)的特點(diǎn) 及設(shè)計(jì)過程 數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)，因此具有數(shù)字處理的全部特點(diǎn)： （ 1）接口方便。 DSP 芯片的輸入是 A/D 變換后得到的以抽樣形式表示的數(shù)字信號， DSP 芯片對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行某種形式的處理，如進(jìn)行一系列的乘累加操作 (MAC)。 圖 典型的 DSP 系統(tǒng) 一般輸 入信號首先進(jìn)行帶限濾波和抽樣，然后進(jìn)行模 /數(shù) (A/D)變換，將信號變換成數(shù)字比特流。這使得 DsP 芯片能夠?qū)崿F(xiàn)許多 DSP應(yīng)用。哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的 DSP指令，再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使 DSP 的指令周期在 100ns 以下。例如 C54XDSP的 FIRS 指令，專用于 FIR 濾波運(yùn)算。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 (3)特殊的 DSP 指令。乘法速度越快， DSP 的性能越高。處理器可以并行處理 24 條指令，每條指令處于流水線的不同階段。流水線與哈佛結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于程序和數(shù)據(jù)存儲在兩個分開的空間愛女中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊。哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨(dú)立的存儲 器，每個存儲器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問。 TMS320 系列處理器是軟件可編程器件，所以具有通用微處理器的方便靈活的特點(diǎn)。(5)快速的指令周期。(3)專用的乘法器 。例如 TMS32O 系列 DSP 處理器的基本結(jié)構(gòu)包括 :(1)哈佛結(jié)構(gòu) 。近年來，由于半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等方面的改進(jìn)， DSP 芯片的功能越來越強(qiáng)大，這使得信號處理研究的重點(diǎn)很大程度上可以放在軟件算法上，而不用像過去那樣需要過多的考慮硬件實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展， DSP 器件在高速度、可編程、小型化、低功耗等方面都有了長足的發(fā)展。在幾十年的時間里， DSP 芯片已經(jīng)在信號處理，通信，雷達(dá)，視音頻等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本章將對這些元器件進(jìn)行詳細(xì)的介紹。具體設(shè)計(jì)框圖如圖 。 ? 顯示模塊主要是對分析結(jié)果顯示，起到一個人機(jī) 對話 的作用。 ? 數(shù)據(jù)采樣在 A/D 轉(zhuǎn)換模塊中實(shí)現(xiàn)，這里用到的是 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使得所測量的數(shù)值更精確。 ? 音頻信號的預(yù)處理模塊主要負(fù)責(zé)對信號的平滑整形，這里包括阻抗變換，共模 抑制，濾波 等。根據(jù)課題要求，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖 。這里信號頻譜功率的計(jì)算用 FFT 算法對系統(tǒng)的運(yùn)算速度要求是比較高的。能夠測量輸入信號的總功率和各頻率分量的頻率和，測量周期和失真度，輸入信號電壓范圍 (峰峰值 )為0~5V,可測頻率成分范圍 200Hz~10kHz,頻率分辨率達(dá)到 20Hz。但鑒于運(yùn)算速度及精度要求， DFT 不及 FFT 運(yùn)算快 ,不能很好的達(dá)到課題的要求。 方案 1：以單片機(jī) +FPGA 為核心實(shí)現(xiàn)。 C. 完成鍵盤和點(diǎn)陣 LCD 顯示接口電路設(shè)計(jì)。 A. 完成 DSP 芯片 TMS320F2812 的外圍電路設(shè)計(jì)。 分析時間： 5 秒。 輸入阻抗為 50Ω ；輸入信號電壓范圍（峰 峰值）為 100mV～ 5V；輸入信號包含的頻率成分范圍： 200Hz～ 10kHz；頻率分辨力至少要達(dá)到 100Hz。可見對語音信號進(jìn)行必要的頻域分析對了解語音信號 是很有幫助的。 圖 從帶通濾波作用理解短時傅立葉變換 傅立葉變換在語音信號分析中得到了應(yīng)用，首先是利用傅立葉頻譜，檢測 出其峰值并做共振的估算，這種方法稱作峰值檢測法。這是因?yàn)槭剑?25）中的窗序列 )(n? 通常具有帶通濾波器響應(yīng)，而kjnenx ?)( 的傅里葉變換為 )( )( kjeX ??? ，這里的指數(shù) kjne? 對 )(nx 有 調(diào)節(jié)作用，是使其頻譜產(chǎn)生移位，即將 )(nx 頻譜中對應(yīng)于頻率 k? 的分量平移到零頻。這個是由式 (25)從頻率軸方向來解釋的。則 )( tjn eX ? 是將窗函數(shù)的中心移至 n。顯然 )( tjn eX ? 是一個二維函數(shù)，也稱為時頻函數(shù)。若有語音的時間信號 x(t)，用短區(qū)間而求得的頻譜，稱作短時間頻譜，其定義如下： dtethtxx tj?? ??? ???? ?? )()(),( （ 24） （ 24）式中引入了時間參數(shù) ? ，這是窗函數(shù)分割語音信號 )(tx 的終止時刻。由此引出了語音信號的短時分析。傅立葉頻譜分析的基礎(chǔ)是傅立葉函數(shù)變換，利用傅立葉變換及其逆變換可以求得傅立葉譜、功率譜等多種頻譜分析方法。因此，對語音信號進(jìn)行頻譜分析，是認(rèn)識語音信號和處理語音信號的重要方法。由于短時能量函數(shù)是信號的平方和，因此它對高電平信號是很敏感的。一般在 510kHZ 的采樣頻率下， N 可選為 100200。如果窗選得很長，他就相當(dāng)于一個很窄的低通濾波器，此時 nE 隨著時間有急劇變化，不能得到平滑的能量函數(shù)。（ 21）式給出了在采樣點(diǎn) n 處的短時能量，在窗函數(shù) )(nh 的處理下，它相當(dāng)于從 nN+1 到 n 的 N 個采樣 )(mx 的平方和?？梢酝ㄟ^短時能量函數(shù)和平均幅度函數(shù)的定義來解釋。因此，語音信號的幅度分析也可用于估計(jì)語音信號的特征。 語音信號的幅度分析是基于語音信號幅度隨時間有一定的變化。 ? 語音信號的時域分析 語音信號本身就是一種時域信號，對它利用其原樣的時域波形，做最基本參數(shù)的分析和用作語音的分割、預(yù)處理及大分 類等。最常用的檢測分析方法有正弦信號檢測、脈沖信號檢測、最大長度序列信號檢測等。 通常在對某音頻測量分析時，將某種己知信號 或未 知信號 輸入該系統(tǒng)，然后從輸出端獲取輸出信號進(jìn)行分析，從而了解該 信號 的一些特性，這就是音頻分析的一般方法。由模擬信號變成數(shù)字信號后，其傅立葉變換也變成離散傅立葉變換，涉及到采樣定理、頻率混疊、截?cái)嗪托孤?、加窗與窗函數(shù)等一系列問題。然后再經(jīng)幅值量化變?yōu)槟喜娇沾髮W(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 離散的數(shù)字信號。所以，非 周期信號的頻譜是連續(xù)的。傅立葉變換是進(jìn)行頻譜分析的基礎(chǔ)，信號的頻譜分析是指按信號的頻率結(jié)構(gòu)，求取其分量的幅值、相位等按頻率分布規(guī)律，建立以頻率為橫軸的各種 “譜 ”，如幅度譜、相位譜。 音頻信號分析的基本原理 音頻分析的原理主要涉及數(shù)字信號處理的基本理論、音頻 分析的基本方法以及音頻參數(shù)測量和分析內(nèi)容，其中數(shù)字信號處理是音頻分析的理論基礎(chǔ)。② 音樂聲 :是由各種樂器產(chǎn)生的，聲頻范圍都可以存在，本身可供欣賞，也可作為烘托氣氛，視音頻信息重要組成部分之一 。 音頻信號的特點(diǎn) 聲音按其頻率可分為 3 種，次聲 (頻率低于 20Hz)、超聲 (頻率大于 20kHz)，這兩類聲音是人耳聽不到的，人耳可以聽到的聲音是頻率在 20Hz 一 20kHz 之間的聲波，稱 其為可聽聲。聲音的三個要素是 音調(diào) 、 音強(qiáng) 和 音色 。其中規(guī)則音頻又可以分為語音、音樂和音效。 具體內(nèi)容包括： ? 通過理論分析，確定系統(tǒng)總體方案 ? 對所用到的主要元器件進(jìn)行介紹 ? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ? 功能 調(diào)試 ? 調(diào)試結(jié)果分析 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 第 2 章 音頻信號的綜合概述 音頻信號 音頻 信號（ Audio）是帶有語音、音樂和音效的有規(guī)律的聲波的頻率、幅度變化信息載體。通過運(yùn)用FFT快速傅里葉算法對音頻信號的基波頻率和各諧波頻率進(jìn)行分 析并對各頻率點(diǎn)的南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 幅度進(jìn)行計(jì)算，這樣的音頻處理器不僅完成了其基本功能，而且也為今后的應(yīng)用搭建好了一個音頻信號處理平臺。智能儀器分析功能由軟件設(shè)定，可以不斷的升級換代，用戶也能自行修改，同時還能與人工智能技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)能計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合，使用起來非常方便。在這個基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了一批高速專用數(shù)字信號處理芯片（ DSP），如 TM320C30 每秒可完成 3300 萬次浮點(diǎn)運(yùn)算。