采用DSP的聲音采集系統(tǒng)硬件原理及設計

聲音信號無處不在，同時也包含著大量的信息。在日常的生產(chǎn)生活中，我們分析聲音信號，便可以簡化過程，得到我們想要的結(jié)果。隨著 DSP芯片的性價比不斷攀升，使 DSP得以從軍用領域拓展到民用領域，由于 TI公司 DSP5000系列強大的音頻壓縮能力，語音應用得到了較大的發(fā)展。因此，基于 DSP的聲音采集系統(tǒng)的設計與開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。

1系統(tǒng)總體介紹

該系統(tǒng)主要應用于工業(yè)生產(chǎn)中，通過采集的聲音信號與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)相比較，來檢測生產(chǎn)設備的運行狀態(tài)等。本系統(tǒng)主要分為以下幾個部分：電平轉(zhuǎn)換電路、 AD轉(zhuǎn)換電路、靜態(tài)存儲與動態(tài)存儲、USB接口以及 JTAG部分。

該系統(tǒng)通過采集聲音信號來檢測器械的裂紋、密合度等。將 DSP高速處理數(shù)字信號的能力與 USB高速傳輸數(shù)據(jù)的能力結(jié)合起來，使其服務于工業(yè)生產(chǎn)，是該系統(tǒng)的主要設計目的。系統(tǒng)選用了 TI公司的TMS320VC5402作為該塊 PCB的 CPU，并將 Philips公司的 PDIUSBD12作為接口芯片，使用 USB1.1協(xié)議進行 DSP與電腦的通信。 2硬件設計思想人類可以聽到的聲音信號是范圍在 20-20kHz的模擬信號，所以首先需要傳感器接收該聲音信號，接著需要進行轉(zhuǎn)換，使聲音信號由模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號。之后通過分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，利用被測信號的特點和相干性，檢測被覆蓋的聲音信號。在檢測方法上有頻域信號的相干檢測、時域信號的積累平均、離散信號的計數(shù)技術、并行檢測等方法。

由于 5402片內(nèi)的 ROM和 DRAM資源有限，所以該系統(tǒng)需要外部存儲設備，本設計選擇一片 SRAM作為靜態(tài)存儲器，一片 FLASH作為動態(tài)存儲設備。5402的 CPU電壓為 3.3伏，外設電壓為 1.8伏，所以該系統(tǒng)還需要一個供電的電源模塊，可以將一般的輸入電壓 5伏轉(zhuǎn)化為 3.3與 1.8伏的電壓為 DSP供電，該 5V電壓還可為除 DSP以外的其他設備供電。

DSP與計算機的通信，通常采用 USB、RS232、PCI或 ISA卡等方式。RS232的主要缺點是：速度慢，不支持熱插拔； PCI與 ISA卡的主要缺點是：受計算機卡槽數(shù)量、地址等資源的限制，可擴展性差。而利用 USB通訊的主要優(yōu)點，便是傳輸速度快，支持熱插拔，占用資源少，可擴展性強。該設計利用 USB接口芯片直接與 DSP相連，通過 DSP的程序?qū)崿F(xiàn) USB的協(xié)議，最大的優(yōu)點就是可以保障數(shù)據(jù)交換的速度。綜上，在本系統(tǒng)中，幾個基本環(huán)節(jié)就是：電平轉(zhuǎn)換電路：將 5V電源轉(zhuǎn)換為 3.3V與 1.8V，分別為 DSP芯片的片上外設以及 CPU供電； AD信號轉(zhuǎn)換電路：將傳感器接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供 DSP進行處理；信號的存儲電路：儲存 DSP處理的信號；信號傳輸電路：將經(jīng)過處理的信號上傳至電腦；仿真電路：用于測試 DSP芯片。整體架構如圖 1所示。



3模塊介紹

3.1 DSP

1、 DSP技術簡介

數(shù)字信號處理器，簡稱 DSP，是專業(yè)進行信號處理的芯片，目前在通信、自控領域具有廣泛的應用。在信息資源大大豐富的今天，數(shù)字化程度已經(jīng)越來越高。而 DSP作為這一技術的重要組成部分，對我們的生活已經(jīng)產(chǎn)生了越來越深刻的影響。自從 1978年 AMI公司發(fā)布了“單處理設備”開始，從基于 Harvard結(jié)構但使用不同數(shù)據(jù)與程序總線的第一代通用DSP，到進行了改進的第二代增強型通用DSP，再到包含了 GPP結(jié)構的第三代DSP，今天的DSP的發(fā)展趨勢已經(jīng)趨向于混合結(jié)構，DSP產(chǎn)品與計算機之間的差別已經(jīng)越來越模糊。在數(shù)字化時代背景下，DSP已成為各種電子產(chǎn)品等領域的基礎器件，而其在電機控制、聲音識別與圖像識別領域中的應用則是更為廣泛。

2、聲音采集系統(tǒng)中采用的 DSP

本系統(tǒng)中 DSP采用的是 TI公司的 TMS320VC5402（以下簡稱 5402），其操作速率達 100 MIPS，由于其具有改進的哈佛結(jié)構，所以它可以在一個指令周期內(nèi)完成 32x32bit的乘法，亦可以迅速完成數(shù)學運算最常用的乘加運算。它有 4條地址總線、3條 16位數(shù)據(jù)存儲器總線和 1條程序存儲器總線， 40位算術邏輯單元 (AIU)，一個 17×17乘法器和一個 40位專用加法器。8個輔助寄存器及一個軟件棧，允許使用最先進的定點 DSP的 C語言編譯器，內(nèi)置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)(PLL)時鐘產(chǎn)生器、兩個多通道緩沖串行口、一個 8位并行與外部處理器通信的 HPI口、2個 16位定時器以及 6通道 DMA控制器，特別適合電池供電設備．

3.2電平轉(zhuǎn)換電路

電平轉(zhuǎn)換電路，顧名思義，就是將電源供電的電壓轉(zhuǎn)換為適合芯片工作的電壓。由于 5402的核電壓與片上外設電壓不同，而且整個電路需要的電壓并不能由電源直接提供，所以電平轉(zhuǎn)換電路可以說是整個電路工作的動力，為各個元器件提供適合其工作的條件。

在該電路中，電源芯片使用的是 TI公司的 TPS767D301(以下簡稱 D301)。D301是一款可以使不同電壓分別輸出的芯片，可輸出 3.3V和介于 1.5-5.5V之間的某一調(diào)整后的電壓。因為 5402的外設電壓是 3.3V，核電壓為 1.8V，所以在此設計中，將該芯片的輸出設定為

3.3V和 1.8V，與 5402匹配。連接圖如圖 2所示。


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

3.3 AD轉(zhuǎn)換

本設計中選用的 AD轉(zhuǎn)換芯片是 TI公司的TLC320AD50C。該芯片的采樣采用ΣΔ技術，即將一個抽樣濾波器放置于 ADC后，將一個差值濾波器放置在 DAC前。這種結(jié)構的最大特點就是使系統(tǒng)可同時進行接收、發(fā)送任務。 TLC320AD50C可實現(xiàn)高采樣率（最高可達 22.5kb/s）的 AD/DA轉(zhuǎn)換，該功能由 2個 16位的同步串行轉(zhuǎn)換通道實現(xiàn)，可直接和 DSP連接進行通信。

TLC320AD50C中的可選項和電路配置可以通過串行口進行編程，該芯片對掉電、復位、信號采樣率、串行時鐘率、增益控制、通信協(xié)議、測試模式等可通過串行口進行編程和電路配置。具體連接如圖 3：