基于DSP的语音采集系统硬件设计.docx

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基于DSP的语音采集系统硬件设计

西安文理学院机械电子工程系

本科毕业设计（论文）

题目基于DSP的语音采集系统硬件设计

专业班级

学号

学生姓名

指导教师

设计所在单位机械电子工程系

西安文理学院本科毕业设计（论文）任务书

题目

基于DSP的语音采集系统硬件设计

学生姓名

学号

专业班级

指导教师

职称

教研室

毕业设计（论文）任务与要求

设计一个由DSP控制的语音录放系统，要求设计硬件电路，由DSP芯片实现语音信号的采集，存储和回放功能。

其中DSP芯片采用美国TI公司生产的TMS320VC5416-160型号，语音采集芯片为具有智能化的TLC320AD50C。

本课题的任务与要求如下：

1．通过查阅相关资料，掌握DSP软硬件设计原理和设计方法。

2.掌握对TLC320AD50C的编程方法；掌握Protel进行电路设计的基本方法。

3.使用集成开发环境CCS编写程序，通过仿真调试器将程序下载至DSP存储芯片中并进行在线仿真调试。

4.利用软硬件资源完成系统的整体调试。

5.按照《西安文理学院本科毕业论文（设计）工作规定》撰写论文。

毕业设计（论文）工作进程

起止时间

工作内容

2010-3-1～2010-3-19

2010-3-20～2010-5-3

2010-5-4～2010-5-26

2010-5-27～2010-6-7

2010-6-8～2010-6-10

利用学校图书馆电子阅览室和图书，查阅有关运用DSP设计的相关知识，收集资料，填写开题报告。

根据设计方案，购买元器件并设计电路，检查错误并进行实验。

根据相关资料和设计程序，完成全部论文内容，并写好任务书。

指导老师审核。

论文答辩。

开始日期2010-3-1完成日期2010-6-10

教研室主任（签字）系主任（签字）

西安文理学院本科毕业设计（论文）开题报告

题目

学生姓名

学号

专业名称

指导教师

开题时间

班级

一、选题目的和意义：

目前，由于具有运算速度快、片上资源丰富和能够实现复杂的线性和非线性算法等特性，DSP已成为通信、雷达、声纳和消费电子产品等领域的基础器件，其中在图像、语音信号处理技术方面显得尤为突出。

但是语音处理算法实现的前提是语音信号的录入和存储。

本课题就是完成语音数据的采集、存储和回放。

其控制核心采用TI的TMS320VC5416-160。

技术指标：

采样率2Khz-22.5Khz，录音时间约7s，工作频率为10Mhz-160Mhz，供电电压9V,系统功耗为40mA-100mA。

数据采集使用具有智能化的语音数据采集芯片TLC320AD50C。

通过本课题，能够掌握DSP硬件设计的基本方法，为今后从事DSP方面产品开发打下坚实的基础。

二、本课题在国内外的研究状况及发展趋势：

数字信号处理器是20世纪60年代前后发展起来的，并广泛应用于许多新兴领域的新型学科，进入70年代以来，随着电子计算机，大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）以及处理器技术的迅速发展，数字信号处理无论在理论还是在工程应用中，都是目前发展最快的学科之一，并且日趋完善和成熟。

语音信号处理一直是数字信号处理的一个方向，广泛使用在通信，安防等各类工程应用中。

在电子通信中，带宽很窄，因此只能将语音信号进行数字化处理后，才能进入信道进行通信；另外每个人都有独特的声音指纹（声纹），通过数字信号处理后提取出声音的特征，可广泛应用于安全防护，用户甄别等产品中。

现在国内外都在努力开发语音处理系统，其某些研究已经成功应用于实际生活。

三、主要研究内容：

本课题需要重点研究的是DSP芯片的工作原理，程序算法的设计，以及外围电路的时序搭配。

程序是系统的灵魂，通过程序算法的编写和调试，完成各个不同的功能；最终实现从话筒采集语音信号，存储并回放，完成整个系统的设计。

在研究该课题之前要通过阅读相关DSP设计和程序算法的书籍，对DSP的工作原理有一个深刻的认识，对DSP的结构要深入到内部的每一个寄存器，以备后期程序编写时能够合理调用寄存器。

同时必须能够熟练操作TI的DSP开发环境CCS，及Protel的使用方法，在电路设计中要加入仿真接口的设计。

在设计过程中，分模块进行程序的编写并调试，待所有的模块都调试完成后，将程序汇总，烧写到存储器中，完成整体功能的运行。

本课题的研究结果与实际应用基本一致，对于后期的语音算法研究与实验起了基础性的作用。

指导教师意见及建议：

目前，数字信号处理器（DSP）以其独体的结构和快速实现各种数字信号处理算法的突出优点，发展十分迅速，并在通信、雷达、声纳、语音合成和识别、图像处理、影视、高速控制、仪器仪表、医疗设备、家用电器等众多领域获得了广泛的应用。

因而，掌握DSP的软硬件开发方法是电子信息工程专业学生应具备的素质之一。

通过本课题，学生能够较好地掌握DSP芯片的软硬件开发方法，为今后从事DSP开发方面的工作打下坚实的基础。

同意开题。

签字：

年月日

教研室审核意见：

签字：

年月日

注：

此表前三项由学生填写后，交指导教师签署意见，经教研室审批后，才能开题。

西安文理学院本科毕业设计（论文）中期检查表

题目

学生姓名

学号

专业名称

指导教师

检查时间

班级

毕业设计（论文）进展情况

本人在开题后及查找相关书籍进行学习，3月初基本有了整体的设计思路，再经过了2个星期左右的准备，于3月中旬开始着手芯片选型及原理的设计，参考SZDSP试验平台很快确定了初期方案，于3月下旬开始正式购买各种元件，然后开始绘制电路板走线图，使用的是PROTELDXP电路设计软件。

再次期间本人有很多问题都是与指导老师和同组的李超同学商讨并参考各种资料才得以解决的。

目前工作基本上都是顺利按原计划完成，为了很好的完成本次设计，本人又重新学习了PROTEL及CCS工具的使用方法，但任务安排时间全在计划之内，4月初基本完成电路板的布线，目前正在进一步的检查漏洞，争取制板一次成功，预计4月中旬可以出图制作，4月下旬即可着手调试。

若按照目前的进度进行，基本可在5月下旬作品审核前完成,并留有充足时间进行论文书写及答辩的准备。

指导教师意见

王家华同学对毕业论文题目的要求理解到位，明白完成该题目所需掌握的相关知识和技术。

该同学动手能力较强，学习积极主动，设计进度较快，目前已完成大部分任务。

签字：

年月日

教研室意见

签字：

年月日

西安文理学院本科毕业设计（论文）指导教师评分表

学生姓名

王家华

学号

021********

专业

电子信息工程

班级

06级2班

毕业设计（论文）题目

基于DSP的语音采集系统硬件设计

设计（论文）起止时间

2010年3月1日至2010年5月28日

指导教师评语：

建议成绩：

指导教师签名：

年月日

西安文理学院本科毕业设计（论文）评阅教师评分表

学生姓名

王家华

学号

021********

专业

电子信息工程

班级

06级2班

毕业设计（论文）题目

基于DSP的语音采集系统硬件设计

设计（论文）起止时间

2010年3月1日至2010年5月25日

评阅教师评语：

建议成绩：

评阅教师签名：

年月日

西安文理学院本科毕业设计（论文）答辩记录

学生姓名

王家华

学号

021********

专业名称

电子信息工程

答辩时间

2010年5月28

答辩地点

指导教师

刘渭清

题目

基于DSP的语音采集系统硬件设计

答辩小组

成员

姓名

职称

姓名

职称

提问及回答情况记录：

记录人签字：

年月日

答辩成绩：

答辩小组组长签名：

年月日

毕业论文成绩

答辩委员会

认定成绩

毕业论文等级

系（院）答辩委员会意见：

负责人签名：

年月日

注：

1、毕业论文成绩=指导教师成绩×40%＋评阅教师成绩×20%＋答辩成绩×40%；

2、论文等级分优秀（≥90分）、良好（80~89分）、中等（70~79分）、及格（60~69分）、

不及格（<60分）。

基于TMS320VC5416的语音采集系统

摘要：

设计采用TMS320VC5416DSP芯片及TLC320AD50C语音芯片，制作了一个高精度语音采集回放系统。

系统可实现对语音信号的无失真采样，满足后续的语音信号处理的要求，并可实现对语音信号录音回放或者经DSP实时处理放音等功能。

本设计从硬件到软件提供了一套完整的解决方案。

对于系统硬件部分，采用TMS320VC5416-160作为采集回放控制及算法处理器。

TLC320AD50C作为语音信号AD/DA转换芯片，采用DSP的多缓冲串口通道进行接收中断方式读取数据，读取的数据分页存放在外扩的SRAM中，可通过JATG口读取采集的数据。

系统配有AM29LV800BFLASH存储芯片用来存放程序、数据，掉电不丢失。

系统软件部分采用CCS2.0集成环境及SZ-DSPF仿真平台进行设计及仿真,软件设计语言采用汇编及C语言进行编写，并给出了各个模块的驱动程序及详细软件实现方案。

关键词：

TMS320VC5416;TLC320AD50C;语音采集;录音回放

AudiocollectionsystembasedonTMS320VC5416

Abstract：

ThedesignusesaTMS320VC5416DSPchipandTLC320AD50Caudiochip,theproductionofahigh-precisionaudiocaptureplaybacksystem.Systemcanrealizethelosslessaudiosignalsampling,follow-upofthevoicesignalprocessingtomeettherequirements,andcanrealizethespeechsignalrecordingorplaybackofreal-timeprocessingbytheDSPplaybackfunctions.Thisdesignfromhardwaretosoftwaretoprovideacompletesolution.Thehardwarepart,bycollectingTMS320VC5416-160astheplaybackcontrolandalgorithmprocessor.TLC320AD50CasavoicesignalAD/DAconverterchips,usingDSPmulti-channelbufferedserialportreceiverinterruptreaddata,readoutthedatapagestoredintheexpansionoftheSRAMcanbereadbyJATGpopulationdatacollected.SystemwithAM29LV800BFLASHmemorychipsusedtostoreprograms,data,powerdownisnotlost.SoftwarepartisCCS2.0integratedsimulationenvironmentandtheSZ-DSPFDesignandsimulationplatform,softwarelanguageusingClanguagecompilationandpreparation,andgivesthedriverofeachmodule,anddetailsofsoftwareimplementation.

Keywords：

TMS320VC5416;TLC320AD50C;Audiocollection;Recordingplayback

第一章绪论

1.1选题的目的与意义

目前，由于具有运算速度快、片上资源丰富和能够实现复杂的线性和非线性算法等特性，DSP已成为通信、雷达、声纳和消费电子产品等领域的基础器件，其中在图像、语音信号处理技术方面显得尤为突出。

但是语音处理算法实现的前提是语音信号的录入和存储。

本课题就是完成语音数据的采集、存储和回放。

其控制核心采用TI的TMS320VC5416-160。

数据采集使用具有智能化的语音数据采集芯片TLC320AD50C。

通过本课题，能够掌握DSP系统的硬件及软件设计的基本方法，为今后从事DSP方面产品开发打下坚实的基础。

表1.1DSP与普通MCU的设计及应用前景对比

普通MCU

DSP54X

软件设计

8位/16位设计，应用多为简单控制，软件结构简单基本无算法要求

16位/32位设计，应用多为高速算法处理，软件结构复杂稳定性要求高，有深入学习的必要

硬件设计

硬件接口少，可扩展应用能力较弱，外围电路结构基本固定，无太大的研究价值

硬件接口全，兼容性和可扩展性强，高速应用时外围电路设计有一定的研究价值

硬件结构

单一

有专用算法硬件结构

工作频率

10M~20M

100M~500M

指令支持

简单语言汇编指令

DSP专用指令集及精简指令集

应用前景

低成本，低要求产品（应用面窄）

高速，高精度，专业级产品（应用面宽）

1.2本课题的发展趋势

数字信号处理器是20世纪60年代前后发展起来的，并广泛应用于许多新兴领域的新型学科，进入70年代以来，随着电子计算机，大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）以及处理器技术的迅速发展，数字信号处理无论在理论还是在工程应用中，都是目前发展最快的学科之一，并且日趋完善和成熟。

语音信号处理一直是数字信号处理的一个方向，广泛使用在通信，安防等各类工程应用中。

在电子通信中，带宽很窄，因此只能将语音信号进行数字化处理后，才能进入信道进行通信；另外每个人都有独特的声音指纹（声纹），通过数字信号处理后提取出声音的特征，可广泛应用于安全防护，用户甄别等产品中。

现在国内外都在努力开发语音处理系统，其某些研究已经成功应用于实际生活。

DSP芯片走过了近30年的发展历程。

1978年AMI公司发布了S2811，是世界上的第一款单片DSP芯片，接下来1979年美国Intel公司发布了2820芯片。

在这之后，美国和日本的许多厂商都相继投入了DSP芯片的研制和开发工作。

1982年后，作为后起之秀的美国德州仪器公司（TI）推出了TMS320系列的DSP芯片中的第一代产品TMS32011、第二代产品TMS320C25/C26/C28、第三代TMS320C30/C31/C32、第四代TMS320C30/C31/C32、第五代TMS320C5x/C54x。

本设计选用的就是TMS320C54x系列的DSP芯片。

1.3本课题主要研究内容

本课题需要重点研究的是DSP芯片的工作原理，程序算法的设计，以及外围电路的时序搭配。

程序是系统的灵魂，通过程序算法的编写和调试，完成各个不同的功能；最终实现从话筒采集语音信号，存储并回放，完成整个系统的设计。

在研究该课题之前要通过阅读相关DSP设计和程序算法的书籍，对DSP的工作原理有一个深刻的认识，对DSP的结构要深入到内部的每一个寄存器，以备后期程序编写时能够合理调用寄存器。

同时必须能够熟练操作TI的DSP开发环境CCS，及Protel的使用方法，在电路设计中要加入仿真接口的设计。

在设计过程中，分模块进行程序的编写并调试，待所有的模块都调试完成后，将程序汇总，烧写到存储器中，完成整体功能的运行。

本课题的研究结果与实际应用基本一致，对于后期的语音算法研究与实验起了基础性的作用。

1.4论文的结构说明

本论文分为六个部分:

第一章：

绪论

简述本课题的研究内容和课题的研究必要性以及本课题的今后发展状况。

第二章：

TMS320VC5416结构及原理

介绍了本设计中采用的TMS320VC5416DSP处理器的原理及结构。

第三章：

语音采集系统的整体方案

主要说明本课题设计的基础理论知识，介绍了各个芯片的选型方案，还介绍了本系统的技术指标及和整体设计流程。

第四章：

语音采集系统的硬件设计

详细说明了硬件选型方案，各模块的电路原理及设计思路，还介绍了高速电路中布线的方法及设计时所需要考虑到的问题，及一些硬件调试方法。

第五章：

语音采集系统的软件设计

详细介绍了各个模块的软件驱动设计方案及解决方法，给出了应用层软件设计的整体流程框图，还介绍了设计中所用到的软件工具及调试方法。

第六章：

语音采集系统的应用展示

说明了该做品的具体应用方法，并将最终的设计成品在实际使用中的效果做以展示，给出测评和结论。

第二章TMS320VC5416结构及原理

DSP芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字信号处理的目的，DSP芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。

为了快速地实现数字信号处理运算，DSP芯片一般都采用特殊的软硬件结构。

下面以本设计中采用的TMS320VC5416为例介绍DSP芯片的基本结构。

TMS320VC5416芯片的基本结构包括：

哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、快速的指令周期。

这些特点使得TMS320VC5416芯片可以实现快速的DSP运算，并使大部分运算（例如乘法）能够在一个指令周期内完成。

由于TMS320VC5416芯片是软件可编程器件，因此具有通用微处理器具有的方便灵活的特点。

下面分别介绍这些特点是如何在TMS320VC5416芯片中应用并使得芯片的功能得到加强的。

2.1哈佛结构

哈佛结构是不同于传统的冯•诺曼（VonNeuman）结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。

与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。

而冯•诺曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址。

取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。

在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠运行。

为了进一步提高运行速度和灵活性，TMS320VC5416芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器（Cache）中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。

如TMS320VC5416具有64个字的Cache。

2.2流水线结构

与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。

TMS320VC5416处理器的流水线深度从2~6级不等。

TMS320VC5416处理器采用二级流水线，第二代采用三级流水线，而第三代则采用四级流水线。

也就是说，处理器可以并行处理2~6条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。

图2.1所示为一个三级流水线操作的例子。

图2.1三级流水线操作

在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行能完全重叠。

在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态，每个指令处于不同的阶段。

例如，在第N个指令取指时，前一个指令即第N-1个指令正在译码，而第N-2个指令则正在执行。

一般来说，流水线对用户是透明的。

2.3专用硬件乘法器

在一般形式的FIR滤波器中，乘法是DSP的重要组成部分。

对每个滤波器抽头，必须做一次乘法和一次加法。

乘法速度越快，DSP处理器的性能就越高。

在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成。

相比而言，DSP芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。

在TMS320VC5416芯片中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。

从最早的TMS320VC5416实现FIR的每个抽头算法可以看出，滤波器每个抽头需要一条乘法指令MPY：

LT；装乘数到T寄存器

DMOV；在存储器中移动数据以实现延迟

MPY；相乘

APAC；将乘法结果加到ACC中

其他三条指令用来将乘数装入到乘法器电路（LT），移动数据（DMOV）以及将乘法结果（存在乘积寄存器P中）加到ACC中（APAC）。

因此，若采用256抽头的FIR滤波器，这四条指令必须重复执行256次，且256次乘法必须在一个抽样间隔内完成。

在典型的通用微处理器中，每个抽头需要30~40个指令周期，而TMS320VC5416只需4条指令。

如果采用特殊的DSP指令或采用TMS320VC5416等新一代的DSP芯片，可进一步降低FIR抽头的计算时间。

2.4特殊的DSP指令

DSP芯片的另一个特征是采用特殊的指令。

2.2.3节中介绍的DMOV就是一个特殊的DSP指令，它完成数据移位功能。

在数字信号处理中，延迟操作非常重要，这个延迟就是由DMOV来实现的。

TMS320VC5416中的另一个特殊指令是LTD，它在一个指令周期内完成LT、DMOV和APAC三条指令。

LTD和MPY指令可以将FIR滤波器抽头计算从4条指令降为2条指令。

在第二代处理器中，如TMS320C25，增加了2条更特殊的指令，即RPT和MACD指令，采用这2条特殊指令，可以进一步将每个抽头的运算指令数从2条降为1条：

RPTK255；重复执行下条指令256次

MACD；LT,DMOV,MPY及APAC

2.5快速的指令周期

哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计，可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。

TMS320系列处理器的指令周期已经从第一代的200ns降低至现在的20ns以下。

快速的指令周期使得DSP芯片能够实时实现许多DSP应用。

2.6硬件组成框图

TMS320VC5416DSP的基本结构围绕8条总线（4条程序/数据总线和4条地址总线），有中央处理器（CPU）、存储器及片内外设与专用硬件电路三类。

CPU包括算术逻辑单元（ALU）、累加器（ACC）、乘累加单元（MAC）、移位寄存器和寻址单元等。

存储器包括片内ROM、单访问RAM（SARAM）和双访问RAM（DARAM）。

片内外设与专用硬件电路包括片内各种类型的同步串口、主机