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嵌入式开发:DSP声音采集系统硬件设计

2013-12-04 10:10
小伊琳
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  1 引言

  声音信号无处不在,同时也包含着大量的信息。在日常的生产生活中,我们分析声音信号,便可以简化过程,得到我们想要的结果。随着 DSP芯片的性价比不断攀升,使 DSP得以从军用领域拓展到民用领域,由于 TI公司 DSP5000系列强大的音频压缩能力,语音应用得到了较大的发展。因此,基于 DSP的声音采集系统的设计与开发具有重要的现实意义。

  2 系统总体介绍

  该系统主要应用于工业生产中,通过采集的声音信号与数据库中的数据相比较,来检测生产设备的运行状态等。本系统主要分为以下几个部分:电平转换电路、 AD转换电路、静态存储与动态存储、USB接口以及 JTAG部分。

  该系统通过采集声音信号来检测器械的裂纹、密合度等。将 DSP高速处理数字信号的能力与 USB高速传输数据的能力结合起来,使其服务于工业生产,是该系统的主要设计目的。系统选用了 TI公司的 TMS320VC5402作为该块 PCB的 CPU,并将 Philips公司的 PDIUSBD12作为接口芯片,使用 USB1.1协议进行 DSP与电脑的通信。 2硬件设计思想人类可以听到的声音信号是范围在 20-20kHz的模拟信号,所以首先需要传感器接收该声音信号,接着需要进行转换,使声音信号由模拟信号变为数字信号。之后通过分析噪声产生的原因和规律,利用被测信号的特点和相干性,检测被覆盖的声音信号。在检测方法上有频域信号的相干检测、时域信号的积累平均、离散信号的计数技术、并行检测等方法。

  由于 5402片内的 ROM和 DRAM资源有限,所以该系统需要外部存储设备,本设计选择一片 SRAM作为静态存储器,一片 FLASH作为动态存储设备。5402的 CPU电压为 3.3伏,外设电压为 1.8伏,所以该系统还需要一个供电的电源模块,可以将一般的输入电压 5伏转化为 3.3与 1.8伏的电压为 DSP供电,该 5V电压还可为除 DSP以外的其他设备供电。

  DSP与计算机的通信,通常采用 USB、RS232、PCI或 ISA卡等方式。RS232的主要缺点是:速度慢,不支持热插拔; PCI与 ISA卡的主要缺点是:受计算机卡槽数量、地址等资源的限制,可扩展性差。而利用 USB通讯的主要优点,便是传输速度快,支持热插拔,占用资源少,可扩展性强。该设计利用 USB接口芯片直接与 DSP相连,通过 DSP的程序实现 USB的协议,最大的优点就是可以保障数据交换的速度。综上,在本系统中,几个基本环节就是:电平转换电路:将 5V电源转换为 3.3V与 1.8V,分别为 DSP芯片的片上外设以及 CPU供电; AD信号转换电路:将传感器接收到的模拟信号转换为数字信号,供 DSP进行处理;信号的存储电路:储存 DSP处理的信号;信号传输电路:将经过处理的信号上传至电脑;仿真电路:用于测试 DSP芯片。整体架构如图 1所示。

嵌入式开发:DSP声音采集系统硬件设计

  3模块介绍

  3.1 DSP

  1、 DSP技术简介

  数字信号处理器,简称 DSP,是专业进行信号处理的芯片,目前在通信、自控领域具有广泛的应用。在信息资源大大丰富的今天,数字化程度已经越来越高。而 DSP作为这一技术的重要组成部分,对我们的生活已经产生了越来越深刻的影响。自从 1978年 AMI公司发布了“单处理设备”开始,从基于 Harvard结构但使用不同数据与程序总线的第一代通用DSP,到进行了改进的第二代增强型通用DSP,再到包含了 GPP结构的第三代DSP,今天的DSP的发展趋势已经趋向于混合结构,DSP产品与计算机之间的差别已经越来越模糊。在数字化时代背景下,DSP已成为各种电子产品等领域的基础器件,而其在电机控制、声音识别与图像识别领域中的应用则是更为广泛。

  2、声音采集系统中采用的 DSP

 

  本系统中 DSP采用的是 TI公司的 TMS320VC5402(以下简称 5402),其操作速率达 100 MIPS,由于其具有改进的哈佛结构,所以它可以在一个指令周期内完成 32x32bit的乘法,亦可以迅速完成数学运算最常用的乘加运算。它有 4条地址总线、3条 16位数据存储器总线和 1条程序存储器总线, 40位算术逻辑单元 (AIU),一个 17×17乘法器和一个 40位专用加法器。8个辅助寄存器及一个软件栈,允许使用最先进的定点 DSP的 C语言编译器,内置可编程等待状态发生器、锁相环(PLL)时钟产生器、两个多通道缓冲串行口、一个 8位并行与外部处理器通信的 HPI口、2个 16位定时器以及 6通道 DMA控制器,特别适合电池供电设备.

  3.2电平转换电路

  电平转换电路,顾名思义,就是将电源供电的电压转换为适合芯片工作的电压。由于 5402的核电压与片上外设电压不同,而且整个电路需要的电压并不能由电源直接提供,所以电平转换电路可以说是整个电路工作的动力,为各个元器件提供适合其工作的条件。

  在该电路中,电源芯片使用的是 TI公司的 TPS767D301(以下简称 D301)。D301是一款可以使不同电压分别输出的芯片,可输出 3.3V和介于 1.5-5.5V之间的某一调整后的电压。因为 5402的外设电压是 3.3V,核电压为 1.8V,所以在此设计中,将该芯片的输出设定为

  3.3V和 1.8V,与 5402匹配。连接图如图 2所示。

嵌入式开发:DSP声音采集系统硬件设计

(点击可查看大图)

  在 1OUT的输出部分 Vo=Vref×(1+R1/R2),在 D301中,Vredf=1.1834V,所以 Vo=1.1834V×(1+15.8/30.1)=1.8V。

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