【正文】 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)，不需要再從存儲(chǔ)器中讀取指令，節(jié)約了一個(gè)指令周期的時(shí)間。 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。圖 所示為一個(gè)三級(jí)流水線操作的例子。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。一般來說，流水線對(duì)用戶是透明的。對(duì)每個(gè)濾波器抽頭，必須做一次乘法和一次加法。在通用的微處理器中，乘法指令是由一系列加法來實(shí)現(xiàn)的，故需許多個(gè)指令周期來完成。在 TMS320VC5416 芯片中，由于具有專用的硬件乘法器，乘法可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。因此，若采用 256 抽頭的 FIR 濾波器，這四條指令必須重復(fù)執(zhí)行 256 次，且 256 次乘法必須在一個(gè)抽樣間隔內(nèi)完成。如果采用特殊的 DSP 指令 或采用 TMS320VC5416等新一代的 DSP 芯片，可進(jìn)一步降低 FIR 抽頭的計(jì)算時(shí)間。 節(jié)中介紹的 DMOV 就是一個(gè)特殊的 DSP 指令，它完成數(shù)據(jù)移位功能。 TMS320VC5416 中的另一個(gè)特殊指令是 LTD，它在一個(gè)指令周期內(nèi)完成 LT、 DMOV 和 APAC 三條指令。在第二代處理器 中，如TMS320C25，增加了 2 條更特殊的指令，即 RPT 和 MACD 指令，采用這 2 條特殊指令，可以進(jìn)一步將每個(gè)抽頭的運(yùn)算指令數(shù)從 2 條降為 1 條： RPTK 255 ；重復(fù)執(zhí)行下條指令 256 次 MACD ； LT, DMOV, MPY 及 APAC 快速的指令周期 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 芯片的指令周期在 200ns 以下?？?速的指令周期使得 DSP 芯片能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)許多 DSP 應(yīng)用。 CPU包括算術(shù)邏輯單元 (ALU)、累加器 (ACC)、乘累加單元 (MAC)、移位寄存器和尋址單元等。片內(nèi)外設(shè)與專用硬件電路包括片內(nèi)各種類型的同步串口、主機(jī)接口、定時(shí)器、時(shí)鐘發(fā)生器、鎖相環(huán)及各種控制電路。針對(duì)各種不同要求的語音信號(hào)設(shè)計(jì)出了本系統(tǒng)，本系統(tǒng)可根據(jù)用戶需要實(shí)現(xiàn)語音信采樣，并可以根據(jù)要求的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)長度及方式進(jìn)行存放供后續(xù)處理使用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案從硬 件到軟件全部應(yīng)用于實(shí)際使用中，經(jīng)試驗(yàn)已達(dá)到預(yù)期效果。 (5) 系統(tǒng)功耗：由系統(tǒng)工作頻率以及放音設(shè)備的不同，系統(tǒng)功耗 于 40mA100mA不等，默認(rèn)工作頻率 100Mhz 使用耳機(jī)作為放音設(shè)備時(shí)功耗小于 60mA。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 (1) 電源 模塊 ： 由于 TMS320VC5416160 DSP 的內(nèi)核工作電壓需要 ， I/O 供電電壓為 ，外圍器件電壓 大部分 是 CMOS 電平， MAX7219 顯示模塊為 TTL 電平供電，所以需要提供 5V、 、 三種電平同時(shí)供電。 (3) 按鍵模塊 ： 提供 4 個(gè)中斷方式的按鍵可供用戶使用。 (5) 顯示模塊： 為了方便與用戶互交，添加了 8 個(gè) 8 端數(shù)碼管顯示功能，設(shè)計(jì)中采用 McBSP0 多緩沖串口 將串行數(shù)據(jù) 發(fā)送 給 MAX7219 芯片，由該顯示芯片進(jìn)行掃描方式顯示，該模塊的軟件設(shè)計(jì)上采用 C 語言進(jìn)行編寫，方便用戶二次開發(fā)時(shí)進(jìn)行函數(shù)封裝形式調(diào)用。 芯片選型方案 主芯片 TMS320VC5416 TMS320VC5416 是 TI 公司生產(chǎn)的一種性能價(jià)格比較高的 16 位定點(diǎn) DSP，它具西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 有運(yùn)算速度快、通用性能、接口連接方便特點(diǎn)，尤其適合在語音和通信中應(yīng)用。 在軟件上 7 種有效靈活的尋址方式，僅為 10ns 的指令執(zhí)行周期。 語音 處理 芯片 TLC320AD50C TLC320AD50C 是 TI 公司生產(chǎn)的一種 16 位、音頻范圍 (采樣頻率為 2～) 、內(nèi)含抗混疊濾波器和重構(gòu)濾波器的 模擬接口電路 ,它有能與許多 DSP 相連的同步串行通信接口。 TLC320AD50C 將 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換功能集成在一起 ,采用Σ Δ技術(shù)在低系統(tǒng)成本下實(shí)現(xiàn)了高精度的 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換 ,所以成為以 TMS320C5416 為 CPU 的 DSP 開發(fā)系統(tǒng)的理想配置。 AD50 的工作溫度范圍是 0～ 70℃，單一 5V電源供電或 5V和 聯(lián)合供電，工作時(shí)的最大功耗為 120 mW。 功率放大 :LM386 功率放大采用美國國家半導(dǎo)體的 LM386， LM386 為音頻功率放大器，具有靜態(tài)低、工作電壓范圍寬、增益可調(diào)和失真度低等優(yōu)點(diǎn)。 SRAM: IS61LV25616AL ISSI 的 IS61LV25616AL 是一個(gè) 256K*16 位字長的高速率靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。非常適合 DSP 程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)使用，甚至不用加入等待周期 。 一片 MAX7219 可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) 7段（包括小數(shù)點(diǎn)共 8 段）數(shù)字 LED、 LED 條線圖形顯示器 、 或 64 個(gè)分立的 LED 發(fā)光二級(jí)管 。 它的操作很簡(jiǎn)單， MCU 只需通過 模擬 SPI三線 接口就可以將相關(guān)的指令寫入 MAX7219 的內(nèi)部指令和數(shù)據(jù)寄存器 ，同時(shí)它還允許用戶 選擇多種譯碼方式和譯碼位。 與 DSP 連接僅需 1 個(gè)串口即可驅(qū)動(dòng) 8 聯(lián)數(shù)碼管。 amp。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁 第 四 章 語音采集系統(tǒng) 的 硬件設(shè)計(jì) 電源設(shè)計(jì) 電源電路中采用 7805 實(shí)現(xiàn) 5V輸出穩(wěn)壓，為 5V器件提供 TTL 電平，并且為后繼 TPS73HD301 的轉(zhuǎn)換提供輸入。 圖 78M05 設(shè)計(jì)參考 圖 本設(shè)計(jì)中 的 78M05 模塊電路 78M05 在使用時(shí)首先需要注意入口濾波電容和出口電容的選擇，必須要求入口電容大于出口電容，且不能高出太多，否則可能會(huì)出現(xiàn)電源輸出不穩(wěn)定， 輸出 電壓值偏差較大等現(xiàn)象 。最后 在 LAYOUT 時(shí)必須設(shè)置大面積地來保證散熱完全， 并且要求濾波電容靠近 7805 的兩邊引腳，大濾波電容必須靠近總電源入口，這樣才能保證將電源干擾降到最小。而 TPS73HD301 內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，將 DC 直流電源在內(nèi)部變換為交流電的形式，通過外部所接電阻的不同， 將不同的交流累積電平輸出，在通過電容濾波實(shí)現(xiàn)DC 輸出 達(dá)到 電平轉(zhuǎn)換的目的，所以該芯片可以在內(nèi)部將 5V DC 輸入電源變換為兩路 不同電平的 DC 輸出。 圖 本設(shè)計(jì)中 的 TPS73HD301 模塊電路 在 LAYOUT 時(shí) 同 樣 要注意元件擺放 和散熱問題，需要注意的是 TPS73HD301 芯片背面為金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，布線時(shí)需要在背面打通孔時(shí)需要注意覆阻焊層。 VC54x 的存儲(chǔ)空間可以分為 3 個(gè)可單獨(dú)選擇的空間：程序、數(shù)據(jù)、 I/O 空間。程序存儲(chǔ)器空間存放要執(zhí)行的指令和執(zhí)行中所用的系數(shù)表。 I/O 存儲(chǔ)器空間可與存儲(chǔ)器映像外圍設(shè)備接口，也可以作為附加的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間使用。 在硬件復(fù)位器件，如果 VC54X 的 MP/MC 引腳為高電平，表示 DSP 設(shè)置為微處理器工作方式，則從外部程序存儲(chǔ)器 0FF80h 起執(zhí)行用戶程序；若 MP/MC為低電平，表示 DSP設(shè)置為微型計(jì)算機(jī)工作方式，則從片內(nèi) ROM的 0FF80h起執(zhí)行選擇自舉方式的程序 。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁 圖 TMS320VC5416 自舉加載方式的選擇過程 在設(shè)計(jì)上選擇通用的外擴(kuò) FLASH 的方法進(jìn)行程序的存放， AM29LV800B 為 8M FLASH， 在結(jié)構(gòu)上該 FLASH 為地址總線與數(shù)據(jù)總線是分開的，所以我們可以斷定為該程序加載的方式為圖中的 Parallel boot 方式即并行口自舉加載。 圖 FLASH 模塊電路設(shè)計(jì) 圖 SRAM 模塊電路設(shè)計(jì) IS61LV25616 為 256 16 SRAM，用作擴(kuò)展 DSP 程序空間或數(shù)據(jù)空間。在讀寫信號(hào)的處理上使用了 CD4069 反向芯片，使讀寫信號(hào)相分離可直接接入存儲(chǔ)芯片，這樣的設(shè)計(jì)省去了 CPLD/FPGA芯片。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁 圖 存儲(chǔ)方式配置 圖 讀寫信號(hào)控制 在存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)中布線時(shí)首要考慮的問題就是高速電路中控制信號(hào)等長線的問題，舉例來說若果讀寫控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)長度相差太多，等讀寫信號(hào)到達(dá) 存儲(chǔ)器端 后 一段時(shí)間后 ，數(shù)據(jù)信號(hào)還沒有到， 在此等待期間如果第二個(gè)讀寫信號(hào)出現(xiàn)，但數(shù)據(jù)信號(hào)并沒有跟上，則會(huì)在硬件上出現(xiàn)時(shí)序錯(cuò)誤，這樣的問題如果不注意，是非常難處理的， 在 設(shè)計(jì)中我們可以考慮走蛇形線等方式來解決此問題 ，這需要根據(jù)布線工具來選擇方法，在本設(shè)計(jì)中使用的 是 Protel DXP 進(jìn)行繪圖，需要自行根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)長度 。在 DSP 時(shí)鐘信號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)選用 20M 無源時(shí)鐘晶體震蕩器，由內(nèi)部振蕩電路配合產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，由程序控制 PLL 倍頻實(shí)現(xiàn)不同頻率工作， 5416 可達(dá) 160MHz。工作方式和 PLL 倍頻方式可由硬件預(yù)置。 同樣需要注意的是 DSP 濾波電容需要緊貼各個(gè)電源入口引腳，如圖 。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁 圖 PLL 倍頻模式選擇 如圖 所示，本設(shè)計(jì)中采用用戶選擇方式來設(shè)置啟動(dòng)方式，用戶可根據(jù)圖 來選擇的 PLL 倍頻模式，實(shí)現(xiàn) 10Mhz160Mhz 的頻率選擇 。 顯示模塊 MAX7219 是串 行驅(qū)動(dòng) 8 位共陰數(shù)碼管芯片，本設(shè)計(jì)采用 McBsp0 串行口與該芯片連接， McBsp0 數(shù)據(jù)發(fā)送端接 DIN， FS 發(fā)送端接片選信號(hào)， CLK 為時(shí)鐘信號(hào)，串口工作在 SPI 模式。 圖 顯示電路設(shè)計(jì) 圖 四聯(lián)數(shù)碼管電路設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)中需要注意的 是 MAX7219 為動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管方式，這樣功耗可以降到最低，并且數(shù)碼管內(nèi)部擁有亮度調(diào)節(jié)寄存器可以將亮度調(diào)節(jié)在 16 個(gè)不同的等級(jí)，但是盡管如此在最低亮度狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng) 8 個(gè)數(shù)碼管時(shí)的功耗也略顯 大 ，并且亮度較 高，在不要求很高的亮度時(shí)我們可以考慮加入限流電阻來解決此問題，連接方法就是在每個(gè)單獨(dú)的數(shù)碼管的段選入口處串聯(lián)一個(gè)電阻，電阻大小可以為 100ohm~1kohm 不等，可以按實(shí)際需求選擇，這里推薦 470ohm 為最佳 。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁 圖 四聯(lián)數(shù)碼管封裝設(shè)計(jì) 四聯(lián)數(shù)碼管 在 LAYOUT 時(shí)最需要注意的是四聯(lián)數(shù)碼管的封裝引腳與 MAX7219顯示芯片引腳相連接的問題，需要考慮到共陰極方式各引腳的定義，還有顯示方向顯示順序問題，這里十分容易出錯(cuò)需要多考慮一下，萬 一出現(xiàn)順序錯(cuò)誤，顯示方向混亂等問題，可以考慮在驅(qū)動(dòng)程序上稍加改變 來解決問題， 省去了硬件改動(dòng)的麻煩。另外 MAX7219 的電源入口濾波電容同樣需要靠近電源引腳。另外還需要設(shè)計(jì)電路為 TLC2272提供 電源。 圖 LM386 功率放大 在 供電電路設(shè)計(jì)中采用了最簡(jiǎn)單的電阻分壓方式設(shè)計(jì)，由于本設(shè)計(jì)中的 電源僅作為放大器的參考電平使用，所以設(shè)計(jì)中沒必要增加復(fù)雜的電壓轉(zhuǎn)換器件，但是為了獲得精準(zhǔn)的 電平，分壓電阻的選擇必須合適，經(jīng)計(jì)算選擇 1%的電阻為最佳，并在實(shí)際使用中電阻 R4 R44 必須經(jīng)過測(cè)量，選擇阻值最為接近的一組進(jìn)行焊裝。 在設(shè)計(jì)中我們采用數(shù)字地 與模擬地分離的方法，將數(shù)字地與模擬地進(jìn)行一點(diǎn)連接處理，采用電感磁珠或者 0ohm電阻進(jìn)行連接均可。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁 圖 模擬地?cái)?shù)字地分離設(shè)計(jì) 語音轉(zhuǎn)換模塊 本設(shè)計(jì)采用 TLC320AD50C 芯片 進(jìn)行 語音信號(hào)的 AD/DA 轉(zhuǎn)換，與 DSP 端通信采用 McBsp1 多緩沖通道 串口 進(jìn)行 數(shù)據(jù) 的收發(fā)， AD50 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 。在設(shè)計(jì)中可以考慮采用 的有源晶振作為 MCLK 時(shí)鐘的輸入，為保證震蕩源不易受干擾，在晶振 Vcc 引腳接電源時(shí)串 一個(gè)電感磁珠，并且在振蕩信號(hào)輸出引腳串接一個(gè) ohm 的電阻，這樣可消除自激振蕩。 圖 晶振 在引腳連接時(shí)需注意，為保證復(fù)位可靠， AD50 的 RESET 引腳接入 DSP 的 XF引腳，復(fù)位信號(hào)需要由軟件控制 ,設(shè)計(jì)中采用軟件 2 次通訊方式傳輸數(shù)據(jù)，所以 FC引腳需接地 ,工作在主芯片模式所以 M/S 應(yīng)接高電平，輸入輸出信號(hào)全為差分方式，輸出直接接單向即可。 外圍接口 外圍接口包含 JTAG 接口，語音輸入輸出接口，以及 DSP 擴(kuò)展接口。語音輸入信號(hào)采用紅色插口，輸出信號(hào)采用青色插口方便識(shí)別。 圖 音頻輸出接口設(shè)計(jì) 另外 DSP 外圍擴(kuò)展接口的定義請(qǐng)參見附錄。 在設(shè)計(jì)中考慮到按鍵抖動(dòng)的問題，特設(shè)計(jì)為硬件防抖 ，通過在按鍵端加入電容，對(duì)抖動(dòng)波紋進(jìn)行積分緩沖處理來實(shí)現(xiàn)硬件防抖，這里電容容值的大小與系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)鐘頻率有關(guān)，可以通過計(jì)算得知電容選擇在 103~104 為最佳