基于DSP芯片的音頻信號的分析器的設(shè)計

1、洛 陽 理 工 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 題目： 基于DSP的音頻信號處理姓 名 ： 馬新峰 系 （部）： 電氣工程與自動化 專 業(yè) ： 應(yīng)用電子技術(shù)指導(dǎo)教師 ： 趙小明年 月 日摘要DSP 技術(shù)在音頻處理領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。目前，在很多語音處理系統(tǒng)中都用到了語音分析模塊，采集現(xiàn)場的聲音并進行頻譜分析。語音處理系統(tǒng)的實時性、功耗、體積、以及對語音信號的保真度都是很影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。因此，音頻信號的分析器的設(shè)計是非常必要的。本設(shè)計采用的高速TMS320C5416DSP芯片，最高頻率能達到160MIPS，能夠很好的解決系統(tǒng)的實時性；采用的數(shù)字編解碼芯片TLV320AIC23(以下簡稱A

2、IC23)具有1632位采樣精度，采樣頻率范圍從8kHz96kHz。因此，該音頻編解碼芯片與TMS320C5416DSP的結(jié)合是可移動數(shù)字音頻錄放系統(tǒng)、現(xiàn)場語音分析系統(tǒng)的理想解決方案。本文首先介紹了基于TMS320C5416DSP芯片的語音分析系統(tǒng)的工作原理，給出了整體設(shè)計方案和工作框圖，然后給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案； 接著介紹了基于TMS320C5416DSP芯片的語音錄放系統(tǒng)的軟件設(shè)計。在整個設(shè)計過程中，我們采用了TLV320AIC23DSP芯片為核心音頻錄放接口器件，結(jié)合TMS320C5416DSP芯片，語音數(shù)據(jù)存儲FLASH存儲器等進行了硬件設(shè)計。軟件部分則采用模塊化的設(shè)計方法，用C語

3、言來實現(xiàn)。 該語音錄放器的設(shè)計能夠完成語音采集，存儲，濾波，頻譜分析，基本實現(xiàn)了語音分析功能。 關(guān)鍵詞：TMS320C5416，TLV320AIC23，DSP，語音分析THE DESIGN OF SPEECH ANALYSOR BASED ON TMS320C5416 DSP CHIPABSTRACTThe use of DSP technology in the field of audio processing is increasingly wider. At present, many speech processing systems are used in speech-analy

4、sis module, acquisition scene speech and stored for speech-process. Speech-processing System with real-time, power consumption, size, and the speech signal fidelity is a key factor which is affecting system performance. Therefore, speech recording and playing design is very necessary.The design of h

5、igh-speed chip used TMS320C5416 DSP, the maximum frequency can reach 160 MIPS , which is a good solution to the real-time system; the figures used in the codec chip TLV320AIC23 (hereinafter referred AIC23) is 16 32 Sampling precision, sampling frequencys range from 8kHz96kHz. Therefore, The Audio De

6、coder Chip and the combination TMS320C5416 DSP Mobile Digital Speech-analysis System Speech Acquisition scene, is the ideal solution.This paper firstly introduces the Speech-analysis of principle based on TMS320C5416 DSP chip, given the overall design of the plan and diagram, and then gives the syst

7、em hardware design program; Secondly Speech-analysis System software design based on TMS320C5416 DSP chip . Throughout the design process, we used TLV320AIC23 DSP core chips for audio-recording device interface, TMS320C5416 DSP combination of chips, Speech Data Storage Flash memory, and so on the ha

8、rdware design. Software is a modular design method, the C language to achieve. The speech recording of the design is to complete speech acquisition, storage, filtering, spectrum-analysis. The basic realization of the Speech-analysis functionKEY WORDS：TMS320C5416，TLV320AIC23，DSP，Speech-analysis目錄前言.1

9、 第1章 語音分析的技術(shù)方案及硬件電路設(shè)計.2 器的性能指標(biāo)和硬件方案 .2 語音分析器的性能指標(biāo).2 硬件設(shè)計方案.3系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計.4 TMS320C5416DSP數(shù)字信號處理接口電路模塊.5 TLV320AIC23語音采集、回放接口電路模塊.9 存儲接口電路模塊 .12 音頻接口電路模塊 .13 電源接口電路模塊.15 第2章 語音分析器的應(yīng)用軟件設(shè)計.17 2.1 語音分析器應(yīng)用軟件系統(tǒng)的設(shè)計方案.17 2.2 主程序模塊.17 2.3 語音分析模塊的程序設(shè)計.20 MCBSP的初始化.20 2.3.2 AIC23 的初始化 .22結(jié)論 .27參考文獻 .27 致謝 .31附錄 3

10、3前言DSP處理速度快，功耗低，性能好，基于TMS320C5416DSP芯片的語音存儲容量大，具有很好的通信音質(zhì)等特點，因此被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域中。 本設(shè)計實現(xiàn)的語音分析系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：1音頻數(shù)據(jù)占用資源少2音質(zhì)通信級3開發(fā)難度低4語音芯片與DSP接口電路簡單5體積小在論文完成過程中，我首先在圖書館查閱相關(guān)書籍研究如何進行基于TMS320C5416DSP芯片的語音錄放器的方案設(shè)計，然后對系統(tǒng)內(nèi)部所需要的各個模塊進行設(shè)計并對芯片做了詳細研究；其次參閱相關(guān)資料在計算機和實驗板上進行應(yīng)用軟件的設(shè)計、編程與調(diào)試，然后在老師指導(dǎo)下進行硬件與軟件的聯(lián)合調(diào)試；最后自己對畢業(yè)設(shè)計資料進行整理，總結(jié)，完成畢業(yè)

11、設(shè)計論文。在整個設(shè)計過程中，本文首先介紹了基于TMS320C5416DSP芯片的語音錄放系統(tǒng)的工作原理，給出了整體設(shè)計方案和工作框圖，然后給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案；在硬件設(shè)計中，我們采用了TLV320AIC23DSP芯片為核心音頻錄放接口器件，結(jié)合TMS320C5416DSP芯片，語音數(shù)據(jù)存儲FLASH存儲器等基本完成了語音錄放器硬件的設(shè)計過程；最后介紹了基于TMS320C5416DSP芯片的語音錄放系統(tǒng)的軟件設(shè)計，軟件部分主要是在CCS環(huán)境下用C語言編程實現(xiàn)。將外部輸入的模擬語音信號，經(jīng)由高保真語音芯片AIC23進行采樣后保存在外擴存儲器存儲空間中，然后這些存儲的數(shù)字語音信號經(jīng)過DSP帶緩沖

12、串口MCBSP 2 讀入DSP，經(jīng)過FIR數(shù)字低通濾波器濾除語音信號中高頻部分及其它噪聲，最后對這些語音信號的FFT變換。該語音分析器的設(shè)計能夠完成語音采集，播放，存儲，頻譜分析，基本實現(xiàn)了語音分析功能。隨著技術(shù)的進步，TMS320C5416DSP與TLV320AIC23的結(jié)合的語音編碼方案將會有更好的應(yīng)用前景。第1章 語音分析器的技術(shù)方案及硬件電路設(shè)計在當(dāng)今的數(shù)字化時代背景下，DSP已成為通信、計算機、消費類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件，是集成電路中發(fā)展最快的電子產(chǎn)品，并成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素。DSP芯片已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于當(dāng)今技術(shù)革命的各個領(lǐng)域，而且DSP技術(shù)也正以極快的速度被應(yīng)用在通信

13、、電子系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)等許多領(lǐng)域中。 基于TMS320C5416DSP芯片的語音分析器的設(shè)計系統(tǒng)的主要功能對語音信號進行采樣濾波后FFT變換，然后觀察其頻譜分布。通過該分析器可觀察到語音信號頻譜特征的觀察，從而為語音的編解碼，壓縮，解壓縮，語音編碼，語音識別語音合成，語音增強等實時語音處理方法的實現(xiàn)及參數(shù)的選取提供依據(jù)。本系統(tǒng)是一個數(shù)字信號處理系統(tǒng)，是電子技術(shù)、信號處理技術(shù)與計算技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，也是一個軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)。器的性能指標(biāo)和硬件方案 語音分析器的主要性能本設(shè)計實現(xiàn)的語音錄放器具有如下主要性能：1由于語音信號的頻率范圍為300Hz-3400Hz（人說話聲音）或20Hz-20kHz（

14、音樂，占音頻信號全頻率），根據(jù)采樣定理，為保證信息不失真，確定系統(tǒng)的采樣頻率為8KHz或96kHz;2結(jié)合系統(tǒng)采用的TMS320C5416芯片處理速度以及信號采樣頻率的要求，采用TLV320AIC23DSP芯片作為系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換芯片;3根據(jù)上述技術(shù)指標(biāo)確定TMS320C5416系統(tǒng)的外圍接口方式。本設(shè)計實現(xiàn)的語音分析系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：1音頻數(shù)據(jù)占用資源少2音質(zhì)通信級高3開發(fā)難度低4語音芯片與DSP 接口電路簡單5體積小 硬件設(shè)計方案DSP 技術(shù)在音頻處理領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。目前，在很多語音處理系統(tǒng)中都用到了語音分析模塊，采集現(xiàn)場的聲音并存儲起來對語音信號的頻譜特征進行觀察，為確定最佳的語音壓

15、縮的方法和參數(shù)的選擇提供依據(jù)。語音處理系統(tǒng)的實時性、功耗、體積、以及對語音信號的保真度都是很影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。本系統(tǒng)用DSP芯片TMS320C5416與音頻編解碼芯片TLV320AIC23 實現(xiàn)硬件接口和軟件設(shè)計, 并在此硬件基礎(chǔ)上實現(xiàn)語音信號的采集、播放、存儲、回放。本系統(tǒng)包括音頻采集、DSP對語音信號的處理、Flash存儲三部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示: 圖1-1 總體設(shè)計圖TMS320C5416作為主芯片實現(xiàn)語音信號采集、存儲和各模塊之間的通信等控制，其主要功能有：上電自舉，將采集壓縮后的音頻信號存儲在Flash中。AIC23的語音信號輸入可以是麥克輸入也可以是線路輸入，這可以通過

16、配置寄存器選擇。當(dāng)能過麥克輸入人的說話聲時，綜合人聲的頻率、數(shù)據(jù)量大小的要求，采樣頻率不需要太高，設(shè)定為8KHz比較合適。實驗證明，在這個采樣頻率下能清晰地采集、回放人的說話聲，并且具有較好的保真度。當(dāng)輸入為音樂或歌曲的線路輸入時，為了保證音質(zhì)不失真，采樣頻率可以設(shè)定為96KHz。在總體設(shè)計圖中，AIC23是一種高性能的立體聲音頻Codec芯片作為從設(shè)備，主要完成輸入語音信號的A/D轉(zhuǎn)換，語音采樣編解碼及濾波處理，該芯片構(gòu)成簡單，功能強大；TMS320C5416DSP芯片有三個MCBSP(多通道緩沖串口) ，MCBSP0和MCBSP1可完成對AIC23的控制，MCBSP0為語音數(shù)據(jù)接口，完成語

17、音數(shù)據(jù)的交換數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，MCBSP1為數(shù)據(jù)控制接口，主要對AIC23寫控制字；語音數(shù)據(jù)存儲模塊選用Flash存儲器，它是一種可在線進行電擦寫可快速訪問，掉電后信息不會丟失的非易失性存儲器，具有可靠性穩(wěn)定性，低成本低功耗，高密度大容量可達幾個GB，抗震性，尺寸小重量輕等多種先進特性，燒錄技術(shù)以Flash閃存為載體進行讀取和存儲。該系統(tǒng)的工作原理是：語音信號通過話筒從線路或麥克輸入口輸入音頻信號送到AIC23中，AIC23控制芯片內(nèi)寄存器，使輸入的音頻信號進行A/D轉(zhuǎn)換，一方面將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字語音信號送到TMS320C5416DSP的Flash存儲器暫存起來，每收夠一幀就調(diào)用語音壓縮程序進行編

18、碼，編碼后得到的數(shù)據(jù)被TMS320C5416DSP送到Flash存儲器存儲起來；另一方面調(diào)用語音濾波和FFT變換程序?qū)φZ音數(shù)字信號進行分析。放音時，先從Flash存儲器中讀出壓縮數(shù)據(jù)送到DSP中，TMS320C5416DSP調(diào)用解壓縮程序還原出語音信號，還原后的語音信號通過耳機發(fā)送出來。1.2 語音分析系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計本設(shè)計采用的高速TMS320C5416DSP芯片（該芯片的用途和優(yōu)點及結(jié)構(gòu)功能在后面的器件選擇中有詳細闡述），最高頻率能達到160MIPS，能夠很好的解決系統(tǒng)的實時性；采用的數(shù)字編解碼芯片TLV320AIC23(該芯片的用途和優(yōu)點及結(jié)構(gòu)功能也在后面的器件選擇中有詳細闡述，以下簡

19、稱AIC23)具有1632位采樣精度。因此，該音頻編解碼芯片與TMS320C5416DSP的結(jié)合是可移動數(shù)字音頻錄放系統(tǒng)、現(xiàn)場語音采集系統(tǒng)的理想解決方案。語音分析器的具體實現(xiàn)原理圖見附錄。TMS320C5416有3個MCBSP (多通道緩沖串口)?？梢苑奖愕乩闷渲?個MCBSP完成對AIC23的控制和通信。AIC23芯片是一個可編程芯片,內(nèi)部有11個16位寄存器,控制接口具有SPI和I2C工作方式,這兩種工作方式由MODE引腳(MODE為串行接口輸入模式選擇引腳)來選擇,即:MODE=0為I2C模式;MODE=1為SPI模式。AIC23有獨立的控制接口和數(shù)據(jù)接口，控制口用于接收控制器的命令字

20、，數(shù)據(jù)接口與DSP完成語音數(shù)據(jù)的交換。AIC23的工作時鐘由外接的一個11.2896M的晶振提供。DSP的工作時鐘是由12M外部晶振提供。本系統(tǒng)用到了利用C5416DSP的MCBSP0和MCBSP1，分別與AIC23 的控制和數(shù)據(jù)接口相連。C5416DSP與AIC23的接口電路如圖1-2所示。 圖1-2 TMS320C5416DSP與TLV320AIC23的接口電路框圖 TMS320C5416DSP數(shù)字信號處理接口電路模塊系統(tǒng)采用的主芯片是TI 公司的一款16位定點DSP：TMS320C5416(以下簡稱C5416)，主要是考慮到C5416片內(nèi)具有128K*16位的內(nèi)部RAM，這對提高系統(tǒng)總體

21、性能和集成度有很大的幫助。另外C5416還具有3個MCBSP多通道緩沖串口，該串口與SPI器件兼容，提供多達128個發(fā)送和接收通道。與其他C54xDSP芯片一樣C5416具有功耗低、運算速率高、性價比高的優(yōu)點。另外C5416具有如下特點：當(dāng)核電壓為1.6伏特時的工作頻率可達到160MIPS；能訪問64K數(shù)據(jù)存儲空間、64K I/O空間、以及192K程序存儲空間。TMS320C5416作為主芯片實現(xiàn)語音信號采集、存儲和各模塊之間的通信等控制，其主要功能有：上電自舉，讀取鍵盤值并初始化音頻編碼芯片和液晶屏，控制AIC23并通過液晶屏顯示AIC23 的工作狀態(tài)，將采集壓縮后的音頻信號存儲在Flash

22、 中。TMS320C5416通過以下引腳與TLV320AIC23連接。BCLKX0/BCLKX1:緩沖串口0和1的發(fā)送時鐘,用于對來自緩沖串行口發(fā)送移位 寄存器和傳送至數(shù)據(jù)發(fā)送引腳的數(shù)據(jù)進行定時；BDX0/BDX1:緩沖串行口數(shù)據(jù)發(fā)送端,來自緩沖串行口發(fā)送移位寄存器中的數(shù)據(jù)經(jīng)該引腳串行發(fā)送；BFSX0/BFSX1:用于發(fā)送輸出的幀同步脈沖；BDR0: 緩沖串行口數(shù)據(jù)接收端；BFSR0: 用于接收輸入的幀同步脈沖；X2/CLKIN:由晶振接到內(nèi)部振蕩器的輸入引腳。TMS320C5416與FLASH存儲器連接時，DSP采集到的32位語音數(shù)據(jù)通過外部數(shù)據(jù)總線的低8位分4次，從左聲道的高8位到右聲道的

23、低8位依次寫入Flash。DSP提供工作時鐘由外接的一個晶振提供，DSP的工作時鐘是5倍頻后的時鐘：。TMS320C5416主電路模塊電路如圖1-3所示。1C5416DSP芯片的總線結(jié)構(gòu)DSP芯片的基本特點是采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，C5416DSP芯片的結(jié)構(gòu)是以8組16位總線為核心，形成了支持高速指令執(zhí)行的硬件基礎(chǔ)。8組總線分為1組程序總線，3組數(shù)據(jù)總線和4組地址總線。2C5416DSP芯片的中央處理器中央處理器CPU是DSP器件的核心部件，它的性能直接關(guān)系到DSP器件的性能。為了滿足處理速度的要求，TMS320C5416DSP芯片的CPU采用了流水線指令執(zhí)行結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的并行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其能在一個

24、指令周期內(nèi)，高速地完成多項算術(shù)運算。CPU的基本組成如下：40位算術(shù)邏輯運算單元（ALU）；2個40位累加器（ACCA，ACCB）；1個支持1630位移位的桶形移位寄存器；乘法器加法器單元（MAC）；比較選擇和存儲單元（CSSU）；指數(shù)編碼器；CPU狀態(tài)和控制寄存器。3C5416DSP芯片的存儲空間結(jié)構(gòu)TMS320C5416DSP芯片共有192千字的可尋址存儲空間。這192千字的存儲空間分為3個獨立的可選擇空間，分別為：64千字的程序存儲空間；64千字的數(shù)據(jù)存儲空間；64千字的I/O空間。所有的TMS320C5416DSP芯片都包括內(nèi)部隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。內(nèi)部隨機存儲器

25、RAM又分為單尋址RAM（SARAM）和雙尋址RAM(DARAM)兩種類型。通常，SARAM和DARAM被映射到數(shù)據(jù)存儲空間用來存儲數(shù)據(jù)，也可以映射到程序空間用來存儲程序代碼。TMS320C5416DSP芯片的并行結(jié)構(gòu)和內(nèi)部隨機存儲器RAM的雙尋址能力，可使CPU在任何一個給定的機器周期內(nèi)同時執(zhí)行4次存儲器操作，包括1次取指，2次讀操作數(shù)和1次寫操作數(shù)。4C5416DSP芯片的片內(nèi)外設(shè)電路為了滿足數(shù)據(jù)處理的需要，TMS320C5416DSP芯片提供了必要的片內(nèi)外部設(shè)備。這些外部設(shè)備主要包括：通用I/O引腳；定時器；時鐘發(fā)生器；主機接口HPI；串行通信接口；軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器；可編程分區(qū)轉(zhuǎn)

26、換邏輯。5C5416DSP芯片的系統(tǒng)控制TMS320C5416DSP芯片的系統(tǒng)控制是由程序計數(shù)器（PC），硬件堆棧，PC相關(guān)的硬件，外部復(fù)位信號，中斷，狀態(tài)寄存器和循環(huán)計數(shù)器（RC）等組成的。6TMS320C5416DSP芯片的外部總線TMS320C5416DSP芯片的外部總線具有很強的系統(tǒng)接口能力，可與外部存儲器以及I/O設(shè)備相連，能對64K字的數(shù)據(jù)存儲空間，64K字的程序存儲空間，以及64K字的I/O空間進行尋址。獨立的空間選擇信號DS，PS和IS允許進行物理上分開的空間選擇。接口的外部數(shù)據(jù)準備輸入信號（READY）與片內(nèi)軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器一道，可以使處理器與各種不同速度的存儲器和I

27、/O設(shè)備連接。接口的保護方式能使外設(shè)對TMS320C5416DSP芯片的外部總線進行控制，使外部設(shè)備可以訪問程序，數(shù)據(jù)和I/O空間的資源。C5416DSP芯片是一種特殊結(jié)構(gòu)的微處理器,為了快速實現(xiàn)數(shù)字信號處理運算,采用了流水線指令結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的并行處理結(jié)構(gòu),可在一個周期內(nèi)對數(shù)據(jù)進行高速的算術(shù)運算和邏輯運算。C5416采用先進的哈佛結(jié)構(gòu)，具有片內(nèi)存儲器、中斷、串口、并口等豐富的資源，加上高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)，使C5416具有很高的性價比，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、語音處理、圖像處理、儀器儀表等無線電通信系統(tǒng)中。 TLV320AIC23語音采集及回放接口電路模塊從適應(yīng)語音信號頻率、滿足實時性、降低成本、簡

28、化設(shè)計的要求出發(fā)，本系統(tǒng)選擇TLV320AIC23。AIC23是一種高性能的立體聲音頻Codec芯片作為從設(shè)備，主要完成輸入語音信號的A/D轉(zhuǎn)換，語音采樣編解碼及濾波處理，該芯片構(gòu)成簡單，功能強大。AIC23工作電壓3.3 伏特，能在數(shù)字和模擬電壓下工作，與TMS320C5416 的I/O 電壓相兼容，其控制接口和數(shù)字接口與DSP 的MCBSP 端口能夠無縫連接。AIC23的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADCs）和數(shù)模轉(zhuǎn)換（DACs）部件高度集成在芯片內(nèi)部，采用了先進的Sigma- delta 過采樣技術(shù)（Sigma- delta一般用于ADC中，是高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的特點是將絕大多數(shù)的噪聲從動態(tài)轉(zhuǎn)

29、移到阻態(tài)），可以在8K到96K的頻率范圍內(nèi)提供16bit、20bit、24bit和32bit的采樣，ADC和DAC的輸出信噪比分別可以達到90dB和100dB。TLV320AIC23通過以下引腳與TMS320C5416連接。BCLK:I2S(一種AIC23的數(shù)字音頻接口支持的通用的音頻格式)串行數(shù)據(jù)傳輸時鐘,當(dāng)AIC23為主模式時BCLK由AIC23產(chǎn)生并提供給DSP,頻率為主時鐘的1/4,當(dāng)從模式時由DSP產(chǎn)生；DIN: I2S格式串行數(shù)據(jù)輸入端,送入立體聲DAC；DOUT: I2S格式串行數(shù)據(jù)輸出端,由立體聲ADC產(chǎn)生；LRCIN/LRCOUT: I2S格式數(shù)據(jù)輸入/出幀同步信號；SCLK

30、:控制端口移位時鐘；SDIN:控制端口串行數(shù)據(jù)輸入,用來傳輸配置AIC23內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)；/CS:控制端口輸入和地址鎖存選擇端,在SPI控制模式下,作為數(shù)據(jù)鎖存控制端,在I2C模式下,定義外設(shè)的7位地址；XTI/MCLK:晶體或外部時鐘輸入端,AIC23內(nèi)部時鐘由它產(chǎn)生。AIC23的工作時鐘由外接的一個11.2896M的晶振提供，TLV320AIC23從電路模塊電路如圖1-4所示。 圖1-4 TLV320AIC23從電路模塊電路1AIC23的管腳及外圍接口(1) 數(shù)字音頻接口：主要管腳為 BCLK數(shù)字音頻接口時鐘信號（bit時鐘），當(dāng)AIC23為從模式時（通常情況），該時鐘由DSP產(chǎn)生；AIC

31、23為主模式時，該時鐘由AIC23產(chǎn)生； LRCIN數(shù)字音頻接口DAC方向的幀信號（I2S模式下word時鐘） LRCOUT數(shù)字音頻接口ADC方向的幀信號 DIN數(shù)字音頻接口DAC方向的數(shù)據(jù)輸入 DOUT數(shù)字音頻接口ADC方向的數(shù)據(jù)輸出 這部分可以和DSP的McBSP（Multi-channel buffered serial port，多通道緩存串口）無縫連接，唯一要注意的地方是McBSP的接收時鐘和AIC23的BCLK都由McBSP的發(fā)送時鐘提供。(2) 麥克風(fēng)輸入接口：主要管腳為 MICBIAS提供麥克風(fēng)偏壓，通常是3/4 AVDD MICIN麥克風(fēng)輸入(3)LINE IN輸入接口：主要

32、管腳為 LLINEIN左聲道LINE IN輸入 RLINEIN右聲道LINE IN輸入 (4) 耳機輸出接口：主要管腳為 LHPOUT左聲道耳機放大輸出 RHPOUT右聲道耳機放大輸出 LOUT左聲道輸出 ROUT右聲道輸出 (5) 配置接口：主要管腳為 SDIN配置數(shù)據(jù)輸入 SCLK配置時鐘 DSP通過該部分配置AIC23的內(nèi)部寄存器，每個word的前7bit為寄存器地址，后9bit為寄存器內(nèi)容。(6) 其他：主要管腳為 MCLK芯片時鐘輸入(、11.2896M、16.9344M) VMID半壓輸入，通常由一個10U和一個0.1U電容并聯(lián)接地 MODE芯片工作模式選擇，Master或者Sla

33、ve CS片選信號（配置時有效） CLKOUT時鐘輸出，可以為MCLK或者MCLK/22AIC23的控制接口AIC23有兩個數(shù)字接口，其一是由CS(控制信號)、SDIN(信號數(shù)據(jù)輸入)、SCLK(信號時鐘)和MODE(模式)構(gòu)成的數(shù)字控制接口，通過它將芯片的控制字寫入AIC23，從而控制AIC23功能；另一組是由LRCIN(左右聲控制輸入)、DIN(數(shù)據(jù)輸入)、LROUT(左右聲輸出)、DOUT(數(shù)據(jù)輸出)和BLCK(時鐘)組成的數(shù)字音頻接口，AIC23的數(shù)字音頻信號從這個接口接收或發(fā)出。AIC23內(nèi)部還包含兩個A/D、D/A 變換器，其字長可以是16、20、24、32，同時AIC23內(nèi)部的時

34、鐘可以通過XTI(晶振時鐘輸入)、XTO(時鐘輸出)和外接晶振構(gòu)成時鐘，也可以由外部直接輸入時鐘信號。AIC23內(nèi)部還包含有MIC偏置電路，使用外接MIC無需外置偏置電路。存儲接口電路模塊 考慮到存儲器芯片的容量、系統(tǒng)供電、以及對語音信號的讀取速率，本系統(tǒng)采用了具有32M*8位存儲空間的Flash。錄音系統(tǒng)和放音系統(tǒng)的語音數(shù)據(jù)均存儲在Flash存儲器上。Flash存儲器是一種可在線進行電擦寫可快速訪問，掉電后信息不會丟失的非易失性存儲器，具有可靠性穩(wěn)定性，低成本低功耗，高密度大容量可達幾個Gb，抗震性，尺寸小重量輕等多種先進特性，燒錄技術(shù)以Flash閃存為載體進行讀取和存儲。本次設(shè)計的Flas

35、h存儲模塊電路如圖1-5所示：圖1-5 Flash存儲模塊電路Flash 以容量大價格低的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用在便攜式設(shè)備中，同時Flash存儲器在寫入時需要復(fù)雜的操作命令，這樣確保了數(shù)據(jù)寫入的正確性。Flash有8位I/O 端口，地址、命令字以及數(shù)據(jù)復(fù)用這8位I/O 端口。它采用復(fù)雜的操作順序來區(qū)分地址、命令、數(shù)據(jù)信息。DSP采集到的32位語音數(shù)據(jù)通過外部數(shù)據(jù)總線的低8位分4次，從左聲道的高8位到右聲道的低8位依次寫入Flash。 音頻接口電路模塊AIC23有獨立的控制接口和數(shù)據(jù)接口，控制口用于接收控制器的命令字，數(shù)據(jù)接口與DSP完成語音數(shù)據(jù)的交換。語音信號通過話筒從麥克或線路輸入口輸入音頻信號送

36、到AIC23中,其中麥克輸入電路和線路輸入模塊電路分別如圖1-6，1-7所示。 圖1-7線路輸入模塊電路 MCBSP1接AIC23 的控制接口，AIC23提供SPI和I2C兩種控制接口方式，該器件的模式終端狀態(tài)(MODE)決定了控制接口的形式。本設(shè)計將MODE引腳接高選擇SPI方式，SPI模式的特點是只在片選信號有效時鎖存進數(shù)據(jù)，由于也是同步串口，所以通過配置MCBSP為Clock Stop Mode（時鐘在幀信號有效時產(chǎn)生，其他時間沒有時鐘信號）可以無縫與AIC23連接。這時，MCBSP的幀信號連接SPI的CS信號，時鐘和數(shù)據(jù)信號與SPI一一對應(yīng)。這種連接只需MCBSP設(shè)置的寄存器，使用比較

37、簡單可靠。 DSP與AIC23的數(shù)據(jù)交換是通過串口0實現(xiàn)的，其中MCBSP多通道緩沖串口數(shù)據(jù)的接收是通過三級緩沖完成的，即引腳DR上的數(shù)據(jù)先到達移位寄存器RSR，當(dāng)收到一個滿字之后數(shù)據(jù)被裝載到數(shù)據(jù)接收寄存器RBR中，最后數(shù)據(jù)才被拷貝到接收數(shù)據(jù)寄存器DRR中。DSP通過串口0 接收AIC23采集的語音數(shù)字信號，并且在回放模式下，通過串口將語音信號傳送給AIC23。這時音頻芯片為主器件，給DSP提供幀同步和時鐘信號。語音信號經(jīng)還原后由耳機輸出或線路輸出，其中耳機輸出模塊電路和線路輸出模塊電路分別如圖1-8，1-9所示。圖1-8耳機輸出模塊電路 圖1-9線路輸出模塊電路 DSP模式下的數(shù)據(jù)傳輸時序如

38、圖1-10所示： 圖1-10 DSP模式下的數(shù)據(jù)傳輸時序由DSP模式下的數(shù)據(jù)傳輸時序圖可看出，在幀同步信號(LRCIN/LRCOUT)作用下，串行口先傳送左聲道數(shù)據(jù)再傳送右聲道數(shù)據(jù)，C5416的MCBSP口每接收一個字，內(nèi)部會自動產(chǎn)生一個中斷信號通知DSP保存數(shù)據(jù)，為下一步數(shù)據(jù)處理做好準備，同時DSP通過MCBSP口向AIC23發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換就可以回放語音信號。 電源接口電路模塊TMS320C5416DSP芯片采用低電壓設(shè)計，并且采用雙電源供電，即內(nèi)核電源CVDD和I/O電源DVDD。I/O電源采用3.3V電源供電，而內(nèi)核電源采用1.6V供電，降低內(nèi)核電源的目的是為了降低功耗。由于T

39、MS320C5416DSP芯片采用雙電源供電，使用時需要考慮它們的加電次序。在理想情況下，DSP芯片上的兩個電源應(yīng)該同時加電，但在有些場合很難做到。若不能做到同時加電，應(yīng)先對DVDD加電，然后再對CVDD加電，同時要求DVDD電壓不超過CVDD電壓2V。這個加電次序主要依賴于芯片內(nèi)部靜電保護電路，內(nèi)部保護電路如圖1-11所示。 圖1-11 內(nèi)部靜電保護電路和1.6V電壓的電路分別如圖1-12，1-13所示。 圖1-12產(chǎn)生3.3V電源電路電路第2章 語音錄放器的應(yīng)用軟件設(shè)計2.1 語音錄放器應(yīng)用軟件系統(tǒng)的設(shè)計方案本語音錄放系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境是TI 公司的DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS2.0。CCS提

40、供了軟件開發(fā)、程序調(diào)試和系統(tǒng)仿真環(huán)境。CCS不但能支持匯編語言，而且還支持C/C+語言進行軟件開發(fā)，因此本語音錄放系統(tǒng)的軟件采用C語言混合編寫,主程序和子程序用C語言編寫。這樣，既容易進行調(diào)試,又可以提高軟件的執(zhí)行效率,可達到充分利用DSP芯片的軟硬件資源。 本系統(tǒng)主要是將現(xiàn)場采集到的語音，即系統(tǒng)采集現(xiàn)場的線路輸入信號或麥克語音信號，并存儲在Flash中，F(xiàn)lash中的語音信號經(jīng)由濾波后的語音信號被播放出來同時進行FFT快速離散傅立葉變換。2.2 主程序模塊語音信號通過話筒從線路或麥克輸入口輸入音頻信號送AIC23中，AIC23控制芯片內(nèi)寄存器，使輸入的音頻信號進行AD轉(zhuǎn)換，將AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)

41、字語音信號經(jīng)由數(shù)字低通濾波器濾波后送到TMS320C5416DSP的Flash存儲器暫存起來，放音時，先從Flash存儲器中讀出數(shù)據(jù)通過耳機發(fā)送出來。主程序模塊語音處理工作過程是：首先對系統(tǒng)進行初始化，主要包括CPU的時鐘頻率初始化、AIC23的初始化、MCBSP的初始化、語音緩沖區(qū)和工作變量的初始。主程序模塊如圖2-1所示開始初始化CPU頻率AIC23 初始化語音緩沖區(qū)初始化工作變量循環(huán)等待 主程序模塊 語音分析子程序處理過程是：首先初始化TLV320AIC23為語音采集狀態(tài)，然后讀取語音錄音數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，調(diào)用FIR程序?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進行濾波，接著將數(shù)字語音數(shù)據(jù)存入FLASH存儲器，儲存后

42、的數(shù)據(jù)通過耳機發(fā)送出來，另一方面進行FFT變換。該子程序模塊流程如下：開始讀取語音數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)滿嗎？存入FLASH存儲器 FIR濾波 FFT變換 保存于緩沖區(qū)語音數(shù)據(jù)輸出到MCBSP0中斷結(jié)束濾波器子程序的實現(xiàn)分為以下兩個過程： 1. 濾波器系數(shù)的設(shè)計 使用設(shè)計標(biāo)準頻率響應(yīng)的基于窗函數(shù)的FIR濾波器，可以實現(xiàn)加窗線性相位FIR數(shù)字濾波器設(shè)計。 語法： b=fir1 (n , Wn , ftype); b=fir1 (n , Wn , ftype , window); 其中，n為濾波器的階數(shù)，Wn為濾波器的截止頻率，ftype參數(shù)用來決定濾波器的類型，當(dāng)期為high時，可設(shè)計高通濾波器，stop時可

43、以設(shè)計帶阻濾波器。Window用來指定濾波器采用窗函數(shù)類型，其默認值為漢明窗（本程序中使用的是漢明窗）。利用matlab得到系數(shù)放在數(shù)組FHn中存放。2. 循環(huán)緩沖區(qū)法實現(xiàn)濾波 對于N級FIR濾波器，在數(shù)據(jù)存儲器中開辟一個N單元的緩沖區(qū)，用來存放最新的N個輸入樣本。從最新的樣本開始取數(shù)，讀完最后一個樣本后，輸入最新樣本來代替最老樣本，而其它數(shù)據(jù)位置不變，具體是通過子程序init for fir（）來實現(xiàn)。用濾波器系數(shù)乘以保存的N-1個輸入值和當(dāng)前輸入值并求和，這一過程是通過子程序函數(shù)fir（）實現(xiàn)的。 FIR濾波子程序模塊流程如下：FIR濾波用濾波器系數(shù)乘以保存的N-1個輸入值和當(dāng)前輸入值并求

44、和返回計算結(jié)果 FFT 算法的實現(xiàn)主要分為三個步驟：1. 實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn)，輸入數(shù)據(jù)的比特翻轉(zhuǎn)實際上就是將輸入數(shù)據(jù)進行位碼倒置，以便在整個運算后的輸出序列是一個自然序列。2. 實現(xiàn)N點復(fù)數(shù)FFT,這一過程的實現(xiàn)分為三個功能塊，即第一級蝶形運算、第二級蝶形運算、第三級蝶形運算乃至log2N級蝶形運算。對于任何一個2的整數(shù)冪N=2m，總可以通過M次分解到2點的DFT計算。通過這樣的M次分解，可構(gòu)成M（log2N）級迭代計算，每級由N/2個蝶形運算組成。3. 功率普計算，即計算X(k)=X(n) WNnk ，X（k）一般是由實部和虛部組成。因此計算功率普時，只需將FFT變換好的數(shù)據(jù)，按照實部和

45、虛部求它們的平方和即可。 FFT子程序流程圖如下：按照編碼逆序排列輸入序列用蝶形算法計算計算功率譜返回計算結(jié)果FFT2.3 語音錄放模塊程序設(shè)計 MCBSP的配置TMS320C5416提供的MCBSP口是一種高速、雙向、多通道帶緩沖的串行接口。它可以與其他C54xDSP器件、編碼器或其他串行接口器件通信。MCBSP的硬件部分是基于標(biāo)準串行接口的。AIC23的控制口主要是為了接收DSP的控制字，因此這里DSP MCBSP1作為主器件。AIC23有許多可編程特性，其內(nèi)部有11個9位可編程控制寄存器，DSP通MCBSP1來訪問這些控制寄存器。SDIN為串行數(shù)據(jù)輸入端，它接收DSP串行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)字長1

46、6位，其中高7位為地址信息，低9位為AIC23的命令字。SCLK為控制端口串行數(shù)據(jù)時鐘輸入，DSP串口的采樣率發(fā)生器對CPU時鐘分頻后得到串口的發(fā)送時鐘BCLKX1=225.952KHz，產(chǎn)生的時鐘通過SCLK引腳驅(qū)動AIC23。AIC23芯片與數(shù)字系統(tǒng)的接口有右判斷模式、左判斷模式、I2S模式和DSP模式四種數(shù)據(jù)格式。數(shù)字音頻接口由時鐘信號BCLK、數(shù)據(jù)信號DIN和DOUT、同步信號LRCIN和LRCOUT組成。由于DSP的MCBSP接口與該芯片的DSP模式相兼容，因此該音頻模塊采用了DSP模式?，F(xiàn)對DSP模式進行說明。該音頻處理模塊采用的是DSP作為從設(shè)備，AIC23 為主設(shè)備。DSP模式

47、下的數(shù)據(jù)格式為：發(fā)送、接收幀長度為2個字，每個字長16位。幀同步信號有效后跟著是兩個數(shù)據(jù)字。AIC23作為數(shù)據(jù)接口的主器件，為DSP提供發(fā)送接收時鐘，以及幀同步信號，在幀同步信號的下降沿開始傳送數(shù)據(jù)，左通道數(shù)據(jù)組成了首先傳送的數(shù)據(jù)字，緊接著傳送右通道的數(shù)據(jù)。傳送字長32位，其中左通道數(shù)據(jù)16位，右通道數(shù)據(jù)16位。BCLK在主動方式下是輸出，而在從動方式下是輸入。在LRCIN或LRCOUT的下降沿開始數(shù)據(jù)傳輸。DSP為了接收正確的語音數(shù)據(jù)，應(yīng)該將串口的數(shù)據(jù)格式配置為與AIC23相同。幀同步脈沖高電平有效。接收、發(fā)送時鐘CLKR、幀同步信號由外部時鐘驅(qū)動。其中幀同步信號寬度是1個BCLK時鐘寬度。

48、幀周期為32個BCLK時鐘。在CLKR的上升沿，發(fā)送或采樣接收數(shù)據(jù)。MCBSP的控制模塊包括幀同步信號發(fā)生器、內(nèi)部時鐘發(fā)生器、以及它們的控制電路和多通道選擇。與MCBSP有關(guān)的控制寄存器是通過子地址尋址來訪問的，它有28個子寄存器只占用一個DSP內(nèi)存地址。MCBSP 的子地址寄存器(SPSA)用來指向這些使用同一個內(nèi)存地址的寄存器中的某一個。MCBSP子數(shù)據(jù)寄存器(SPSDx) 用來訪問選中的寄存器。由于我們利用DSP的MCBSP口來控制AIC23芯片,而且2個MCBSP口設(shè)置成不同的工作方式,所以必須把MCBSP初始化為符合AIC23芯片的控制命令時序和要求的工作模式。由于配置每個寄存器的代

49、碼段相同，首先指定子地址寄存器地址，接著給數(shù)據(jù)。2.3.2 AIC23的初始化AIC23具有8個可編程的內(nèi)部寄存器，通過軟件編程能隨時控制AIC23 的采樣頻率，高、低通濾波器的截止頻率，模擬輸入及輸出的增益。1AIC23的控制寄存器控制寄存器的地址在表1-1種已詳細說明，下面說明各部分意義：(1)左聲道線路輸入控制寄存器LRS：左/右聲道線路輸入增益控制調(diào)節(jié)，0同步調(diào)節(jié)禁止，1同步使能LIM：左聲道線路輸入靜音控制，0正常，1靜音LIV40：左聲道音量控制，1111112dB，0000034.5dB，步距1.5dB/LSBX：保留 (2)右聲道線路輸入控制寄存器(3)左聲道耳機音量控制寄存器

50、LSR：左/右聲道音量控制同步調(diào)節(jié)，0同步調(diào)節(jié)不使能，1同步調(diào)節(jié)使能LZC：左通道過零偵測（防止干擾進入耳機放大器），0關(guān)，1開LHV（60）：耳機音量控制，1111111+6dB，0110000=-73dB(4)右聲道耳機音量控制寄存器(5)濾波器控制寄存器DACM：D/A 變換電路軟件靜音控制，0不靜音，1軟件靜音DEEMP：去加重控制選擇，00關(guān)，0132kHz，1044kHz，11=48kHzADCHP：A/D 高通濾波器，0關(guān)閉，1開(6)休眠控制器OFF：芯片休眠控制，0芯片通電，1芯片休眠CLK：時鐘控制，0時鐘開啟，1時鐘關(guān)閉OSC：振蕩器控制，0振蕩器開啟，1振蕩器關(guān)閉OUT

51、：輸出控制，0輸出開啟，1輸出關(guān)閉DAC：D/A 變換控制，0D/A 變換開啟，1D/A 變換關(guān)閉ADC：A/D 變換控制，0A/D 變換開啟，1A/D 變換關(guān)閉MIC：話筒電路控制，0開啟，1關(guān)閉LINE：線路輸入控制，0開，1關(guān)(7)數(shù)字音頻接口格式控制寄存器MS：主/從模式控制位，0從模式，1主模式LRSWAP：D/A 左右通道交換控制位，0不交換，1交換LRP：D/A 左右數(shù)字聲道幀相位IWL：數(shù)字音頻字長FOR：數(shù)字音頻接口格式選擇(8)取樣率控制寄存器CLKOUT：輸出時鐘分頻控制，0不分頻，1二分頻CLKIN：輸入時鐘分頻控制，0不分頻，1二分頻SR：采樣率控制位，見下表BOSR

52、：超采樣率控制USB/Normal：時鐘模式，0普通模式，1USB 模式(9)數(shù)字接口激活寄存器ACT：激活接口，0不激活，1激活在程序中若改變其它寄存器位，要激活一次接口，否則接口不工作。(10)復(fù)位寄存器RES：復(fù)位控制，只要向寄存器寫一個數(shù)，芯片內(nèi)寄存器復(fù)位，恢復(fù)默認值。2控制寄存器的使用設(shè)計時, 可以通過數(shù)據(jù)的串行傳輸來控制TLV320AIC23。這串?dāng)?shù)據(jù)的前半部分用于控制寄存器的地址, 接下來的部分對應(yīng)于該寄存器所要寫入的值。對于這種串行傳輸?shù)目刂茢?shù)據(jù), 可以分為兩個8Bit進行處理。考慮到實際情況,使用匯編語言既直觀又方便, 因此, 對于I2C寫入模塊, 可使用匯編語言。下面是以DSP TMS320VC5416芯片為例列出的通過匯編語言