（电路与系统专业论文）基于usb+20的声音采集系统的研制[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 本论文班声音信号藏振动信号的采集为主饕辑究内容，设计并制造了高速信号聚集 系统。在本系统中应用现代数字信号处理技术，以比较流行【j s b 2 o 协议为传输接口， 豳丽使该系统l 够对高速公路上的声音及振动信号、蝙蝠产生的超声信号进行采鬃。浚 设 节约了筏本，扩大了声音采集系统的应用范围。 本论文从硬件设计和软件设计两方面加以阐述，硬件设计部分重点叙述了数字信号 处理( d s p ) 模块、可编程逻辑控制模块、数据传输模块的设计，并将电路调试过疆中 豹一一些注意阉题和经验热以重点蕊述；另， 黯予禳 牛电路静软件初始亿伟了蓠要说锈。 在软件部分莆先编写了b o o t l o a d e r 程序，实现了对f l a s h 的烧写；接糟编写了固件程 序，通过i 总线接口下裁到e e p r d m 中；用v c 编写了简易程序，完成了对u s b 端 日靛调试及逮度滚试工 擘。最螽捷逝了系统改遗的思路，为将来藏聋专象系统奠定鏊穑。 关键词：数字信号处理：u s b ；信号采集：声音与搬动信号 a b s t r a c 轴盎i sp a p e ah i g 秘8 p 锚d 睡辫a l l 潮濑s y s 艳嫩w a sd e s i 舒嚣da n dm a d 。 ；od 髓i 埘斑 s 。u 艇矗懿硪触dv i b f a t o ns g n a i s 静酒托 s i g n a lp r o c e s s - n gw a 宕a p p 珏礤鞋n du s b 2 - o 毯s 聪囊s 拄期s p 黜i 珏圭群f a e e 巍菇氇碚s y g 瓣越c 嚣no o l l 赧t 酶t f 鑫难cs i g n 越s # n 趣eh i g 熟w 8 y n 拙瞧雌i es i 辨鑫l sw h 曲鑫糖o m 谴磁b yb 蘸s 镌e & s i 黔o f 蕊s 刚酶越to 嘲ye c 。魏0 蹦注e d c o 髓一啦a 狲能搬培e di 谯辩ao f a 神l e 械 t k 糖d w 黻ea n ds o 黼耀e 醴瞧e 科s t 撼1w e 辩i 搬d 挂。蟛瓤谯至sp 辩t 囊e s i g 拄鹾 d 辩m 礤啦e ，鼬静撞麓el 铝c 。汹j 越。妇l o 鞠d 如攮铋璐妒建躺d 穗ew e 砖“涵醅i y d 甓s c f i b 稚1 扭嚣d 蠢娃i ，s e 泌a 搬榭i 蝴w 嚣蠢察i 坩nt 。娃糟p b l 髓醛a 躐嫩p 赫e n e o s 主摊 d e 妇g g 血g 萤f o c e s s o f 铂e c 溉峨t 。as i 踟l ee x p l 黼越i o 娃糊m 鑫如触如es o f l w a r e i 西蛀矗l i 黜i 龌氇。b a f 出张辖e l 愆痰 彳酶硅转l l 鼬d 牲甜o g 豫魁w a sc o p l e d 濠雠d 搴f 牺l 娃氆e 擎b a s | f i 秘w 躲辩鏊凇w a s 蠢s oc 润叠l 醚穰& 碱。嬲。妇爨p 骁0 磁谤 。s i 却l o 艄 w a sc o m p i l e db yv cl g u 挂辨址。热rt od e b u gt u s ba f l dt e 磷蹲。e d f i 赴a l l y 瓤i 捌 r o 、e d 蝣颤n k 堍o f 娃结s y 或e 辩w a sp 哦如删矗n d 廷e s 赫珏幽稠鑫岛粕d 鑫蛙。娃f 敬斑es y s t 。嫩 轴o o m 速g 瓤o x 争c 姓醐。赫受# 强 k e y w 狰糠：d s p ； u s 8 ； 黟嫩l l 描畦雠； s o 瑚d8 砖v i 融鑫熊s g 鼬l i l 独键经声臻 本人声明所呈交昀学位浍文是本人在导师指导下进行的研究工 擘爱取得鹩研究成果。据我所知，除了文中籍刹翔敬标注和致谢的墟 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获锝东北师范大学或其他数育机构的馨怔或证书蕊使用过的材料。 与我一丽工作的同志对本磷究辑骰酌任何贡献均飘在论文中 车了明 确的说明并表示谢意。 学位论文律者签名：懿禽墓强期：强2 芏鏊 学位论文叛税使用授权书 本学位论文俸者完全7 解东北掰蕊大学青关缳整、使爱擎位论文 韵规定，即：东北师范大学有权保留势向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范 大学可隧博学位论文斡全部域部分内容壤入毒关数摆痒进行捡絮，可 阻采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名；键l 蟊囊 攒导教疖签名 日 期：奠日2 芏尽日 期 学位论文作者毕、业后尊向：套博 工作单位：筮盎垫妊纽 遥谲地垃； 电疆 自# 编 匿一 零|豢 随着信号处理技术的发展，为其它学科的发展提供了一个良好的基础，而其它学科 的对信号凳璞技术翡需求，氇直接髓迸了信号处理技术静教震。 本文的目的是建立一套通用的系统，使之满足在两种特殊情况下声黹信号采集的需 裂，一是基于车辆声谱特征的高速公路交通事件及交通流特性直接检测技术研究，需要 聚集靛信号为车辆麴声信号帮振动馕每，一般在2 罐h z 范围痨，这需要翊糕采样攀对梵 类信号进行采集；二是蝙蝠发声空间声场场强分布研究，需要采集的信号为蝙蝠的艘声 信号，一般在2 0 0 k h z 范围内，这需要用高采样率对此类信号避行采集，设计实现一套高 髓裁、低藏零、方授舅嚣显霹软释缡程控裁采样率蘸数字慕集系统。 本文作者对市场中的硬件采集系统进行调研，现在的一些公司例如杭州爱华公司已 经做出完整的语音采集系统，但不能采集超声傣号及低频的振动信号。为了建立一窖可 遥应予怒声聚集帮中 囊频率采集的系统，蟊舞寝霜现我数字信号处理羚警覆并糍恕我们 多年工作的算法写入应j j | 到实际，并且能高速的把声音信号存取；必须自主研发，这也 是本文作者所要进行的工作。 下嚣将簿麓交逶系统中豹特薤参数懿疆驳秘稼疆声场强发熬溺量擞下燕要魏赍缀， 对其国内外研究发展现况做下简要分析： ( 1 ) 在智能交通系统的众多交通信息中，交通流特征参数信息是最根本的，它们通过 奄辆捡溅嚣张获褒，这塑特惩参数熬梭测鼗据是交逶营瑾都门剖定政策、爨取接憨和黠交 通设施进行规划、设计的疑为科学、客观的依据。本论文将声信号、地搬动信号作为测量 和研究的对敷，突破现有交通信息检测的固有思路，开辟了交通信息检测技术研究的新领 域，黯裹速公路管理帮雕及嚣掌握甍速公路交逶漉信患，挟遵建麓窭楚瑗、救援、黪疆决 策，减少事件造成的直接、间接损失，提高高速公路运营效率具有重大意义“4 。 在国内用声学信号对交通流特征进行处理的研究尚未见到报道。国际上只有日本在 把声音信号俘为对交通攀教中褫频傍号弱窟动傣号( 在撞击鞠紧惫刹车j 窭程中产生了太 强度，频率瓶围很大的声音信号，通过处理后可以作为为视频系统的扁动信号) 。美国 用于军事上的智能地雷系统，其中的地雷装有声音处理装置，能适分辨敬我车型，使地 嚣具有智能化。露应用语音信号对予交通滚特镊进行提取，具煮缀强豹裁颖牲，籁邂戆 学术价值及瘦用价值。 ( 2 ) 蝙蝠是哺乳类中分碲最广、数量最多的动物类群之一，几乎占据了所有可利 耀的生态环境，它们是囊王e 会飞的蛰类，这季孛 羟位上的优势使它们剥用了生态环境中w 一 个全新的、朱被利用的焦三态位，又由于蝙蝠在夜间飞行捕食，这使得它们可以利用丰富 的食物资源，并且竞争性非常小。行为生态学感动物生态学研究的一个煎要内容，声音 行为在动物的遥讯、取食、求偶以及领域保护警方亟都有霞要作用。螭螺在生悫系缝中 将臻豹生态位技萁声行为翁猛特瞧，决定了瓣蝠潮声定位行为生态学研究蒸有耋簧豹意 义。另羚，蝙娠是数鼓匿大数夜毒亍瞧聚虫最囊要戆控毒l 誊，避过对蠛蝠强声定位弱磷究 对我国蝙蝠的研究与保护和对农、林业的发展以及维护生态平衡都具有重要作用”“。 对蝙蝠进 亍研究，必矮应瑶躺蝠q 声售芍对虢蝠进行磷炎，这簧要一款逶含携带， 逶穰性较强，髓錾野外传照的声营袋熬系统。在麓砖尚未套成型斡专用设备。我馋查瘸 了大量的文献，并经过很长时间的摸索，设计并制作了符合上述条件的系统。 戎选题蘸本文 擘者营瓣蔷耱接日垮议散了懿研究，列窭表格拯下 袭1 对各种接豳协议比较 接搿游议豢天佟赣速搴 实瑗复杂攫 撬予撬诗算撬楚孬蒹容 枯 r s 一2 3 2 c2 0 k b d s 简单较强兼容，串口 r s 一4 8 sl 攥b b s 麓革强兼容，牵霹 l s a 1 3 ( 撇b d s 复杂 弱 被p c l 取代 p c i 1 0 0 0 m b p s 复杂弱兼容，扩展插槽 f i r e 疆i e4 弛d s 复杂弱部分滚窖，扩震攒耩 u s b1 11 2 孙d s 较复杂较强兼窑， 接口 u s b2 o 4 8 0 m b d s 较复杂较强部分兼容，外接口 串譬侮没( r s2 3 2 e 、r s 一躺) 速度较设；糟e ei 3 懿，翻名鞑r e w i r e ( 灭线接翻) ， 麓丧苹暴公霹开发戆一黪裹速度转送接蜀，瑷在豹擞捉对其支持不麓援蒋及，蓉簧敷其 为接口，需购买扩展板，价格昂贵。总线( i s a ，p c i 、) 安装麻烦，价格昂贵，受计算 撬掭摧数爨，避蛙，中辩资源限潮，霹扩震瞧整，撬电磁千撬辘力弱。u s 器2 0 诲莰自 2 0 年提患以来，冀速度渡毫，支持热捶拨，抗瞧磁于携畿力较强，大帮分薮羹个人诗 算机已支持该协议，成为了高速数字信号采集系统的热点。 在设计装绫孵，本文像者营竞考虑列选髑了t i 公司静# 辩蕊冀 淤睨5 4 0 2 ，痰予箕 摹越曲性能，广范地皮愆于语音傣号处理的镁域。第二步选撵与上位楗( 诗箕极) 麓送蘧 信的接口协议芯片，在以往的工作中我们常用的是串口，但这已不能满足对超声信号的 提取瓣要求，赝以本文佟嚣选用了程爨监上畦毒广泛应麓基子u s b 2 o 蛰议靛甍缝携芯 片c y 7 c 6 8 0 1 3 。第三，在解决地址转换秘逻辑糕台闯题选髑x i l i n x 公司一款c p l d x c 9 泌4 4 来解决。最蔚，a d 选用了t i 公司的1 0 位高速a d 芯片t h s l 0 0 6 4 。 基于戳上考虑，本论文实现的测蕊系统就是簧实现麓够慰舞、低速整号( 僬予2 0 k g z 信号和低予2 0 0 k h z 俊跨) 进行采粲，研究工作主要包括以下几个方驻： 1 ) 在碳目需求韵纂础上，确定系统的工作要求，正确选择电路芯片狴号。 2 ) 设计并制作了基予啊s 3 2 0 v c 5 4 0 2 数字信警处理嚣的数字采集与处理模块，设计 井制作了基于u s b 协议的数据传输模块。 3 ) 基于u s 82 o 协议蕊片设计和实现。及与d s p 芯片的迤接问题。 4 ) 对测墩系统的韵贻毡程序鄹鞭处理算法( 测量数攒蠢效段进行僳莓稆传较) 送 行编驾。并编写u s b 驱动程净及简犟的上位机接霜程亭。 本文在第章介绍u s b2 o 协议及u s b 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 的介绍，第二章介绍 数字僖号处理芯片及爨选用躲c p 曲蕊片，第三章海疆俸实溪，第四章i 程序设计， 势给出u s b 与上位枫的简单传输程浮，测试采繁卡是否正常工作，给出缡论与展鐾。 第一章u s b2 o 协议、u s b 接口芯片选取 1 1u s b 2 o 协议介绍 u s b 的全称为u n i v e r s a ls e r i 8 1b u s ( 通用每荦亍总线) ，怒1 9 9 4 年底囊i b m 、i n t e l 、 e o 黼a q 、b e c 、m i e r 。s 。f t 、n e e 和n t ht e l e c o 共同开发豹陌外设接口标准，出予其 具有使用方便及成本低廉蒋优点，迅速得到业界强力支持，目前已经成为主流的总线标 准。u s b 广泛皮用于传绕p c 外设，拯鼠标、键盘、霹卡、显示嚣等，移动存储设备热移 动鞭盘，闲移盘等，戳及新兴的消费电子，如m p 3 播旅器、数码相机、移动电话等。同 时赫应用范围也在不断扩大。 u s b 最初推出的是l 。x 版本，其总线传输速艘较低，为1 2 m b p s 。2 0 0 0 年4 胃出j ：述 七家公司发布的u s b 2 0 协议把u 踣豹传输速率藏高了4 。铪，即达4 8 跚b p s ，在豫持了 u s b l 1 优点前提下，保证了向下兼容性，可以究垒支持各种u s b l x 的产品。u s b 2 0 满 足了高端应用对总线的带宽需求，从2 0 0 2 年下半年起，支持l j s b 2 o 协议婚设备开始大 臻镶密袋。鹱褥u s b 在蓠遮数据采窳方箍大有精藏芝逢，揍褥工程人员在设诗高速采集 系统时，不得不青睐于u s b 接口。通用串行总线的出现，很容搦就能实现低成本、高可靠 性。 采瑁u s 8 2 g 秘议攘霜痞戳下主簧优点 ( 1 ) 速度快。u s b 有高速、全速和低速三种方式，高速4 8 0 m b p s ，全遵1 2 m b p s ，低速 为1 5 m b p s 。 ( 2 ) 设鍪安装帮配黉容易。安装u s b 设备不努孬打开撬籀，翅藏已安装过的设器宪 全不用关闭计算机。所有u s b 设备支持热拔插，系统对其进行自动配置，彻底抛弃了斌去 的跳线和拨码开关设置。 ( 3 ) 纂予扩震。遥过使翅& b 扩鼹露拔接多这 2 7 令韩设。巍准u s 鹭邀缆长囊为3 涨妫 米低速) ，通过h u b 或中继器可以使外设距离达到3 0 m 。 ( 4 ) 能够聚用总线供电。u s b 总线提供晟大达5v 电压、5 0 0i i l a 电流。 ( 5 ) 鹱襞灵活。u 鹞共煮4 秘黄辘模式：控裁俺辘( c 。n t r 0 1 ) 、嚣步蕊输 ( s y n c h r o n i z a t i o n ) 、中断传输( i n t e r r u p t ) 、块传输( b u l k ) ，以适应不同设备的 需要。“ 1 2 c y 7 c 6 8 0 0 1 3 简介 1 2 1u s b 接口芯片的选择 在选羯0 s 8 芯片晴，率文作者选溪的是秘掣e s s 公司豹疆? e 5 8 秘1 3 ，宅支持u s 8 2 0 协 议及向下兼容u s b l 1 协议，它支持两种传输速率：全速( f u l 卜s p e e d ) 1 2 m b p s 和高遮 ( h i 曲s p e e d ) 4 8 删b p s ，它甭支持低速( l o ws p e e d ) 1 5 m b p s 。 大部分u s b i 1 器件都需要徽控潮器参与数据从瑞点f 1 s 虱应用环境转移，选样， 微控制器本身的工作频率在一定程度上限制了带宽的进一步提高。在1 2 m b i t s 的仝速 模式下，这种隈制并不明鼹，但当速度提于 至48 ( jm b p s 时，在成本严格控制下微控制器就 必然成为整个系统韵繁宽瓶颈。 e z u s 8f x 2 系列稿片的最大特点就是提供了一种独特架构，使u s b 接口和应用环 境直接共享f i f 0 ，面微控制器可不参与数据传输但允许以f i 或r a m 的方式访问这蠛共 拳f i f o ，搿示。这静被称之为“量子f i 鞠”蕊a n 抽mf i f 的箍理黎桷，较荮魏解决 了u s b 高速模式的带宽问题。 1 2 2c y 7 c 6 8 0 0 1 3 特点 z u s bf x 2 戆独将设计镬镡e ￥? 6 鞠1 3 奏鸯如下特点； ( 1 ) 在单片中集成了u s b 2 0 收发器、s i e ( 串行接口引擎) 和增强的8 0 5 1 微处理器； ( 2 ) 软件：8 0 5 1 程序从内部r a m 运行，程序可以通过u s b 总线下载，戏从e e p r o m 中装 载，藏者镬羁静郏存储设镰( 是支持1 2 8 警鬻弱鸷鼗) 。 ( 3 ) 8 位或1 6 位外部数据接口； ( 4 ) 通用可编程接口( g p i f ) ，可以同大多数8 位或1 6 位并行接口直接连接，具有可 编稳懿波影描述簿和配置寄存器，支持多重秘￥转入帮e t l 赣出； ( 5 ) 集成工业标准的8 0 5 1 内核，鼎有以下增强特性：高达4 8 m h z 的时钟；每条指令四 个时钟周期；两个u s a r t ；三个计数器定时器，扩展的中断系统；两个数据指 赞： ( 6 ) 3 3 v 电源： ( 7 ) 智能的串行接口引擎( s i e ) ； ( 1 0 ) 矢鬃u s b 中錾； ( 11 ) 在控制传输阶段为s e l u p 和d a t a 提供分离的数据缓冲区； ( 1 2 ) 集成i2 c 兼容控制器，运行在1 0 0 或4 0 0 k h z ； ( 1 3 ) 8 0 5 l 可工雩# 在船鞭z 、2 4 埔z 、1 2 酝z 三耱黠镑频率； ( 1 4 ) 四个集成f i f o ，可以同】6 位总线自动转换，可工作在主从模式；f i f o 可傻外部 提供的时钟或异步造通信号；为a s i c 和d s p 提供方便接口。 ( 15 ) 为f l f 。鞫g p i 设计专门的蠡穑中断矢蕊； ( 1 6 ) 最多可有4 0 个通用目的l o 。” 髅1 1c y 7 8 0 1 3 甥拣檬蕊 6 第二章数字信号处理芯片及c p l d 芯片介绍 21 数字信号处理芯片介绍 d s p 是英文d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 缩写，即数字信号微处理器的意思。d s p 芯 片专门用于完成各种实时数字信息处理，它是在数字信号处理( d i g i t a ls i r n a l p r o c e s s i n g ) 和各种理论上发展起来的。 自从美国i n t e l 公司在2 0 世纪7 0 年代推出世界上第一块d s p 芯片以来，d s p 经过 了几代的发展，分成了两大类：一类是专门用于f f t 、f i r 滤波、卷积等运算的芯片， 称为专用d s p 器件；另一类是可以通过编程完成各种用户要求的信息处理任务的芯片， 称为通用数字信号处理器件，本论文中所涉及的d s p 指的是通用数字信号处理器件”1 。 为快速实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软硬件结构。目前，d s p 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，大致有如下几个方面： 1 ) 哈佛结构 早期的微处理器内部大多采用冯诺伊曼( v o n n e u m a n n ) 结构，其片内程序空间 和数据空间是合在一起的，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行的。当高速运 算时，不但不能同时取指令和取操作数，而且还会造成传输通道上的瓶颈现象。而d s p 内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛( h a v a r d ) 结构，允许同时取指令( 来自 程序存储器) 和取操作数( 来自数据存储器) 。而且还允许在程序空间和数据空间之间 相互传送数据，即改进的哈佛结构。 2 ) 总线结构 许多d s p 芯片内部都采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内可以多次访 问程序空间和数据空间，t m s 3 2 0 v c 5 4 系列d s p 内部有四条总线( 每条总线又包括地址总 线和数据总线) ，可以在一个机器周期内从程序存储器取l 条指令，从数据存储器读2 个操作数以及向数据存储器写1 个操作数，大大提高了d s p 的运行速度。因此，对d s p 而言，内部总线是个十分重要的资源，总线越多，可以完成的功能就越复杂 3 ) 流水线结构 d s p 执行一条指令，需要通过取指、译码、取操作数和执行等几个阶段。在d s p 中， 采用流水线结构，在程序运行过程中这几个阶段是重叠的，如图2 1 所示。在执行本条 指令的同时，还一次完成了后面几条指令的取操作数、译码和取指，将指令周期降到最 小值。 酎睾孛 鼗据 译弱 取操作数 执行 。nn + l 一n + 2 一n + 3 一 一 一 一 n * 一 n 。n + n + 2 一 - 一 一 _ 一 。n 。2 一n 。1 。 n n + 1 一 一一 。n 稳 一一n 2 n ，1 图2 1 四级流水线操作 4 ) 雾处理单元 d s p 内部般都包括有多个处理单元，如算术逻辑运算单元( a l u ) 、辅助寄存器运 舞零元( a i a u ) 、累加器( a c c ) 以及硬转乘法嚣( m 驱) 等。它们可以在个指令婀期 肉同时避行运算。例如，当执行一次乘法和累加的嗣时，辅助鸯毒器单元銎i 经完成了下 个地址的寻址工作，为下一次乘法和累加运算做好充分的准祷。因此，d s p 在进行连 续的暴加运算时，每一次浆加运算都是攀周期的。潞p 的这靴多处理蕈元结擒，姆剩逡 用于f i r 和i i r 滤波器。此外，许多n s p 的多处理单元结枸逐可以将一些特殊的算法， 铆如f f t 的筏鹘侧莺寻址和取模运算等，在芯片内部用硬件实现以提嵩运行速度。 5 ) 特殊的d s p 指令 为了更好地满足数字错号处理葭用翰需要，在d s p 的攒令系统中，设计了些特殊 的龄p 指令。船f i s 帮删s 指令，专门用子系数对称的f i r 滤波器和l 髂算法。 6 ) 指令周期短 早期的d s p 的指令周期豹4 0 0 n s ，采用4 u i l l n m o s 制造工艺，蒸运算速度为5 m i p s ( 每 秒执行5 万条锩令) 。涟蛰集成毫精工艺的发展，豁p 广滋采髑亚微米翻o s 翻造工艺， 其运 亍速度越来越快，达到1 0 0 m i p s 。 7 ) 运算精爱高 擎期敬b 钓字长为8 位，后采逐多提嵩到1 8 饭、2 4 位、3 2 位。为簖止运算过程 中溢出，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 0 系列的累加器达到4 0 位。 8 ) 硬 牛配簧强 接霜翡麓越柬越强，片痣其青枣暂霜 ，潞p 熊形除毁。开始疵现聪裹邋精单片祝搦的d s p 芯骨， 键盘运算速发与数据处理筏力及运冀耱黢等方蘸霄缀大局黻牲。运算速度夫缝为：犟鬻 令周期2 0 0 一2 5 0 n s 。这一时期有代表性的器件i n t e l 2 9 2 0 、( n e c ) u p d 7 7 2 0 、( t i ) t m s 3 2 0 1 0 、 ( 嬲i ) s 2 8 l l 等，龙冀怒 i 熬豫s 3 2 键0 ，采用了馥进麴埝馋臻构，这秘结橡兔谗数撼 在程淳存储空阊与数攒襻镝空间之润传输，大大提高了运行遵疫和编褪翼髓牲。 第二阶段( 1 9 9 0 年前后) ，d s p 成熟阶段。这一时期许多国际上生产集成电路芯片 携簧名厂家郄辎继推出彝己的d s p 嚣 孛，这一瓣期的d s p 器捧在硬馋缝鞠上更适合数字 傣号赴理，如磺件乘法器、硬件f 鞭、筚指令滤波处理等，使得d s p 遥簿速度达4 每个 指令周期8 0 一1 0 0 n s 。佩是，在编狸炭活性、软件调试、功耗、外部避讯功能等方丽都 逐不l 尽始久意。 第三输段 2 0 0 0 年一至今) ，d 辨究善阶段。这一对期备d s p 生产厂豢不双使d s p 的信号处理性能更加完替，而且在系统开发的方便性、程序编辑调试的灵活性、功耗降 低的节能型簿方蘧作了许多工作。党其是各 $ 邂用孵设集成到片上，不仅提高了数字痿 母签理能力，丽且为d s p 器件酌邋蹋纯及为数字处理取代模拟电路带来了极大方缆。这 时期的d s p 运算速度可达每个指令周期1 0 n 8 左右，可姓在w i n d o w s 平台上直接用c 谬言编程，使用方便灵活，弱时成本也不断下潞，健进了d s p 翰普及釉瘦爝。 曩蓠，蕊p 酌发震嚣常迅速，l 伴结掩方掰未甍是商多处理器静并行处理结掏、便予 外部数据交换的串行总线传输、大容最片上r a 和r o m 、程序加密、增加i 0 驱动能力、 外围电路内装化、低功耗等方面发鼹。软件方藤主票是综会开发平台的炎蒋，使d s p 的应 翔开发更热袋灞方便。d 鞠处理器主蚕性戆魏菠麓及对将来鹣预测扫缡麴褒2 。l 所示”“。 表2 1d s p 芯片主接性能特的发展及对将来的预测 典型豹0 豁楚理瞧撬 1 9 8 0l 磐9 02 02 0 1 0 对角绒尺寸( m ) 5 05 05 05 工艺水平( 掣m ) 3 0 。8 o 。l0 0 2 【速攫( m p s ) 54 05 0 0 05 0 0 0 0 r a m ( b v t e )2 5 6 2 k 3 2 kl m 珐耗( m # m i p s ) 2 5 01 2 。5o 。l0 ，o o l 一 价格 $ ) 1 5 01 5bo 1 5 由于本文作者所处琏的信号属予声学信号，所以选用了在声学信号处理方谶成熟 黪， i 公司生产箕有嵩健债跑匏秣s 3 2 0 v e 飘系列定点型数字惯号处理器。该系割豹b 弦 在组成上包括了一般徽处理器的基本组成部分，国外，一个最明显的特征就是它采用了 不同于一般微处理器的总线结构一增强型哈佛钻构。这种结构使计算速度犬幅提麓，加 之它茶搔令慈统墼有专门趱予信号跫疆戆蕈簿潮糖令帮硬停忝法器，燮避一步提高了它 的运算速度。因此在数学信号处理领域迅速得到了应用，翻菇扩大的旋用反过来键进了 d s p 的迅速发展。d s p 芯片作为可编程超大规模集成电路( w l s i ) 器件，通过可下裁的 软 牛蹙晷姊蜜瑗数字辔鸯处瑾功熊。”。b 印芯声 滁蒸冬薯避锾楚理器静糍遮运算璃戆豁， 主要针对商数据传输速率、数值运算密集的实时数字信号姓邋，在处理器结构、措令暴 蹴和指令流狸设训上做了较大改动。 q 鞴s 3 2 0 羁5 4 系尉津芯片豹蕊本结构耩褴： 1 ) e p u 先进的多总线结构( 1 条程序总线、3 条数据总线和4 菇地址总线) ；4 0 位算术逻辑 逶冀攀元( a l u ) ，包括i 个经辆澎移经毒存嚣帮2 令秧立熬4 0 短鬃翔器；沌较，选 辑、咎罐单元( e s s u ) ，粥予女8 法毙较避择；搬数编玛器，霹潋在单令闵甥蠹诗冀4 e 位累加器中数值的指数；双地址生成器，包括8 个辅助寄存器和2 个辅助寄存器算术遥 冀攀霭( a 融r ) 。 2 ) 存储器 1 9 2 k 可寻址存储空间( 6 4 k 字程序存储器、6 4 k 字数据存储器以及6 4 k 学i o 空间) ； 片遗r 删，霹醚赣! 为程序数据毒镶嚣；片表双肆蛙融￥( d a r 燃) ，t m s 3 2 0 v e 5 0 0 系鞠 d s p 中的阻r 脒分为若予块。在每个机器周期晦，允许对髑一融r a m 块寻圭囊( 访耀) 2 次，嘲此c p u 可阻在一个机器周期肉对闻一d a r a m 块读1 次和写入1 次。一般情况下， 黜r 脒总是映射剿数据存健童阗，主襄用予存放数据；固时，它瞧可以映射剥程黪枣德 器空间，用于存放程序代码。 3 ) 指令系统 攀指令莺复和块 令重复操作；块存储器铵遴 令；3 2 经长搡 乍数搬令；困时读入 2 或3 个操 乍数指令；就并行存储和并行加载的算术指令；条件存储指令；从中鹾快速 逐幽指令。 4 ) 片内外设 软件可编程等待状态发生器；可编程分区转换逻辑电路；带有内部搬荡器或粥 部 对钟源的片肉锁相环( p l l ) 时钟发生器；全双工串行口，支持多位数据传送；对分多 蹋串行口( t d m ) ；多通道缓冲串行【= ：l ( m c b s p ) ；】6 谯可编程定时器；8 位并行主机接髓 ( h p i ) ；外部总线关断控制，以断开外部的数嚣总线、地址总线和控制总线；数耀总线 瑟霄慧线谦持嚣特性。 5 ) 电源 霹用i 魄e 1 、i d l e 2 翻l m e 3 指令控制功耗，以= = 作在销电方式；c l k t 输出倍母 可鞋荚断。 6 ) 程片仿真接口 彝有符台聪髂1 i 4 9 。1 梅准的在片岱囊接翻。“2 。4 本文作者搿选翅豹0 s p 怒 勰3 2 e v e s 躺2 ，奎予冀辜越静性链，嚣瘸手消赞电子产晶 中，烧处理语音信号比较成熟的产晶。 2 。2e 陵d 余绪 c p l d 的选择： 由于本系统的开发项隧不是镀犬，】0 0 0 门以内阿编程逻辑器件足以满足该系统要 求，逸胡在线可编程器件，并且保证设计韵电路系统随时可能过各种方式进行硬件修潋 和硬件丹级，并且有良好的硬件加密蚀。应选用 e 较廉价且b 较成型的产品，基于以上 静考虑，我途翔的世界土e p l d 最大供寝商之一x i l i n x 公司生产的高性能c p l dx e 9 5 1 4 4 ， 用于地址转挽和逻辑粘台。 2 2 1x c 9 5 0 0 系列器 牛介绍 x c 9 5 系列器件采蔼了i s 麓女术。每个x c 9 5 器俘是出个多功麓块组( f b ) 豹和 i 0 ( i o b ) 块组成，可用开关矩阵f a s t c o n n e c t 完全互联的子系统，1 0 b 提供器件输入和输 如的缓冲，每个f b 提供宥3 6 个输入和1 8 个输出的可编程逻辑容量。f a s t c o n n e c t 开关矩 酶连接所有f 转靛赣窭帮输入信号妥确豹输入端，对于每个f b ，1 2 个i 8 个输出( 取决予封 装的引脚数) 和有关的输出使能信号赢接驱动i b 。图3 3 所示的是x c 9 5 1 4 4 的结构“”： 。一e 图2 2x c 9 5 1 4 4 结构图 2 2 2x c 9 5 1 4 4 特点如下： ( 1 ) 5 n s | 脚至g ；i 脚延迟； ( 2 ) 系统频率可达1 7 3 m h z ： ( 3 ) 1 4 4 个宏单位，3 2 0 0 可用门； ( 4 ) i 内片脚可接收5 v ，3 3 v ，2 v 电压信号； ( 5 ) 先进的0 3 5 微米c o m sf a s t f l a s h 技术 ( 6 ) 宏单元寄存器的时钟来源于3 个全局时钟盼任意一个或乘积时镑。 ( 7 ) 其有符合i e 髓l1 4 9 + l 标准的在片仿真接口“8 第曼章硬俸连接 本硬件系统主要由三大模块组成： 数字信号采集与处理模块，信号传输模块，逻辑控制和地址转换模块。 j e p l 目 。 e 9 s l 谴4 j ； 一| 曩 镯0 1 硬件 3 数孛信号采集与楚理模块 3 ，l 。l 电源设计 南于本系统宥u s b 接霸，可以考虑出u s b 接的5 v 电源矗接供电，这样就餐去了 外接电源豹麻烦，同时，为了保迸系统在野外斡稳定性，另加了9 v 供电的外接电源。 由于v c 5 4 0 2 的d s p 芯片的外围i ，o 电路需3 3 伏供电，内核电压需1 8 v 供电，所 以斑选用两种不同电压供电方式，选嗣的芯片分别蹙5 v 转3 。3 v 的电源汀1 0 8 4 c t 积3 3 v 转1 8 扶的蕊片l 瑚3 1 7 ，疰j 于两个电压转换芯片价格便宜，量能满足d 辨工作功率要求， 所数在成型的产品中褥到广泛应用。具体连接方式，请参照圈3 2 蕊3 。2 毫源曦蹿 3 。1 2 美钍魄鼹设曹 在设计持s p 复往电臻融，本文襻鬻选角了戳x 叠霉斡镂件看f l 弼辩辩。豁，冀乓 舔p 连接如潮3 3 所示： 强3 ，3 鹾牛开曩狻舄s p 连接辫 3 i ，舔 辩姆瞧路 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 型号的n s p 虎都嗡个时钟发生器，设计嚣只嚣选撵器件黝畦锄瓣， 爨俸魏援法意器秘：( 1 燕嚣摄藻器方式，在麟p 鹃； 辩x l 霸x ! 戈l 烈之阕接梭潞 髂，蠹帮簸端嚣即可工挎；( 2 ) 外郝瓣辞方式，井都对簿赣籀旗x 2 ，避。k 鞴；l 嬲输入， x l 引脚悬空。 本捌壁杀统鹣黠锌攘滚采耍第一转声式，将2 豫& 蓦嚣烬接到s l 瓣x 与 黼之阗。秘匮3 2 0 v e 泓 臻蠢号懿粥p 蒜片毫g 撼酾l 、e l 耩d 2 鞠e l 黼端三夸 辫穗予谶 件配置d s p 内部的锁棚撩电路p l l ，用泉确定d s p 上电詹工住的时钟方戏。如僚频外部 】i 甜错源攮式鞫玲熬步 都时钟灞模式等，醺d s p 萄虢工作在薮宽时钟频率藏豳内，其体程 惫路莰诗爵，蓬鼠k 强l 、e b k 6 棼2 帮e l 黼瓣三令；i 辩蓬与稳斑瘫警连臻蛰季不嗣蠡工箨 方式，在率臻统中，将既k m d l 、c l ，k m d 2 和c l k m 腓三个引脚酃设霞为低电平，实现上电 蕊0 豹滞u 工作予外部时诤源工捧黼方式。 盎n o ；一 匿3 。d 韶靖钟恕蘸 3 ! d s p 鸯g 羧鹳电路 j 辐接l = ：| 韵糍是上艇搬与翻搽d s p 慧片弱通偿，遥过j l 始缓弱采蜜榄。j 髓浚搿 邂遭臻泰公弼熊苗真娶每徽勰戆并蜇接口连接，逶遘髂真嚣翁帮麴。e s 髓粪款释迸舒东 镜调试，这种连按方式对d 黯羁标系绫的赛时链麓莰膏较大瓣辩响，蘸留德诞测量暴辘 瓣试时鲢方键睦鞫霞錾掩。 剪勰鲍接霈瞧踺蜷鞍麓攀，只嚣蘩校露铸冀器上j 鞑g 按黼s l 辫黠盛逑按簿写，蒜搭 鼯筑翔霞2 5 新示。 图3 6n 聪绩口憩鼹汞意蓬 3 1 s 扩展的r 枷与d 鼢的连接 本系统将数箍空间扩矮劐2 5 6 k 字，霹予辩策辑来的数糕进行暂聍存储+ 熬獬黼m 遗阁了i 鲻 公镯转高遮数攒荐赣嚣薅s i s l h l 2 豁6 ，藏芯翳鹣奄源宅蘸为3 。鞲，萼s 纛 井设电压相同，觅需电平糟抉。其容擞为1 2 8 k 字，主要特撼为：高速存储。访问时阍 为l 。n s ； 蔻功耗；全静态王襻；三淼辕拯；可拣渤数据高低字节：输八输出s 脚等i t l 窀警褪蓑容，宦瓣磷磷黪稳定箕豫餐筝蒂是露露效，嚣熬撵穰豁诋s 谯是蚕奏羧，纂 u 腓引脚狭患愁片的高字节是否有效，遮两个引脚都是低电平有效；因为c s 4 0 2 型母的 1 4 d s p 的数据线为1 6 位，所以i s 6 1 “1 2 8 1 6 ( 存储器) 芯片的离低字节都应有效，即l b # 期u b # 都应该鬻低电平；e 蹦是芯片羽选透信号输入线，德电平有效；髓# 是芯片抟续选 通信号输入线，低电平肖效；w e # 是端片的写允许信号输入线，低电平有效。 因为c 5 4 0 2 的数据空间只有6 4 k 字，也即是说在寻址数据空间时，它只有a o 劐a 1 5 的缝垃线有效，a 1 8 到a i 9 这疆裉蟪疆线是无絮的，新| 冀扩麓超过6 4 k 字懿数据空鞴时， 必须用i o 引脚进行扩展。c 5 4 0 2 本身作为通用i o 口的引脚只有x f 和b i o # ，而b i o 革聿引脚是输入引脚，只有x f 引脚既w 作为输入，也可以作为输出，但x p 引脚在此系统 中还要捧嚣数攥鲢m 帮f l a s h 靛选穗信号，新以e 5 驺2 本身的 0g i 辫运不巍满足系统 的设计要求和系统的升级，在此系统中选用h p i 接口的8 帑数据线h d 0 到h d 7 ，通过设 嚣c 5 4 0 2 随郎寄存器，将其设为通用i o 接口，在此只用到了h p i 的h d o 数据线，具体 设霆如下： 1 ) 逯嗣i 内霜控裁寄存籍g p i r ，将它静蘩0 整置l ，捷g 睾为逶焉 i 0 口使用。( 2 ) 通用i o 口状态控制寄存器g p i o s r ，将宅的第。位簧o ，使h d 0 引脚 的初始状态为低电平“”。程序代码为： s t m# l h ，g p i r n o p n o p s t m 蕺) 氇s 艇稿g c 5 4 0 2 与i s 6 1 l v l 2 8 1 6 连接方式如图2 3 所示，图中的逻辑运算由可编程逻辑器件 c p l 实现。在系统上电时，x f 引脚为高电平，它可经软件设最为低电平，从而可实现 对冀辨数攒绺镤器药片。遗。s r 勰馥辩在0 s p 黪辨露数据蓬，敬势页存镶方式对其避杼寻 址，分为两试，每页4 8 k 字空间，将c 5 4 0 2 的h p i 接口的数据线h d 0 接到r a m 的a 1 6 引 脚，通过将h d o 设置为o 或l ，实现页面的选择。在本系统中，将整个1 2 8 k 字的存储空 翘全部袭瓣戮遣蛙聋：。 l f p 鞘瓣终罄空瓣( 霹为c 5 0 2 片建造簸0 0 h 勺f f 麟不 可片外围寻址，这样会浪费一些存储资源，更合理的接线方法是将i s 6 l l v l 2 8 1 6 分嬲页， 簿页3 2 k 字空间，利用h p i 接口的四条数据线h d 0 到h d 3 谶行页面控制) “。 考虑劐袋集电路静袋撵率最大遮爨8 m i p s ，蕊撵可以剥惩h p 王静数据总线黪国：? ， 将它设置为通用i o 嗣，与眦m 钓地址线相连接，实现更犬数据空间的扩展。这种扩展 存储空间的方法也适用于程序存储空间的扩展。另外，也可以将c 5 4 0 2 的多通道缓冲串 行墨b s p 影 遥建设鬻，将它置为通用i o 日来实瑷存然空闼翦扩襞，僵本测鬟系统 中c j 4 0 2 的两个多通道缓冲串行口m c b s p o 1 融处于使用状态，故采用前一种扩展方法。 强3 。6e 5 4 0 2 与i 翰l l v 挖8 1 6 连接强 3 l6f l a s h 与d s p 接口设计 嘉整度、嚣荔失整静宅可擦写雾健器f 潍潮蕊片瑁寒存赣系统翡拐嫱纯程穿，系统 上电后通过c 5 4 0 2 内部r o m 中的引导装载程序( b o o t l o a d e r ) 将f l a s h 中的程序加载到 c 5 4 0 2 中，使系统自动运行。本系统利用d s p 并行引导方式，通过d s p 软件编程实现对 f 旗s 嚣的在线缡程操终。 本系统选用的是埘i 公司的a m 2 9 l b 8 0 0 b 型号的f l a s h ，主要特征为：存储空间为 1 2 8 k 字，支持单电源操作，工作电源为3 3 v ，可直接与c 5 4 0 2 进行接脚：采用c m o s 工 艺，最浃存驳速度裹这? 0 n s ，可迸镎1 0 0 0 0 凌驾入攘写搽份；支持换缝穆搡俸鞠块保 护功能，防止对任何区段进行编程和擦除的硬件保护机制，并且与j t a g 标准相兼容； 司通过软件方法检查编稷和擦除操作的状态，同时，它的r e a d y 引脚和b u s y # 引脚可用 寐戳硬终方淤检测缡程秘攘除操作瞧投态：其毒攘除哲莓擦豫佼复功缝，在暂势禳陵 揉作过程中，支持读写不处于擦除状态的块；内嵌有擦除和编程的算法能自动对整个芯 片或某几个块进行擦除编程操作。部分引脚说明如下： g ￥? e c e r e s e t r ￥b y # d q l 5 a 1 a 0 一a 1 8 选择字节或字模式 芯片选择信号输入引脚，低电平有效 硬件艇位引脚，低电平有效 芯片准冬簿凝态或憾装态输出gl 瓣 字模式下为d 。1 5 ，字节模式下为l s b 地址线 1 9 条地址线，单向输出、高阻 0 q 0 一b q l 4 1 5 条数据线，双自三态，输入、输出、高鼹 f l a s h 在避行数据写入和擦涂撵作时，有严格的命令写入顺序，对数据进行保护， 具体来说，在写入一个字节的数据前，要求必须顺序写入三个字节序列；数据擦除前， 凝求必颁顺序写入六个字节序列，常罔的命令蔫编程命令、攘除命令、读数糕命令、复 位命令。其侮的操作颡痔及规鼬如袭0 、2 新示： 袁3 1 编穗命令 操作周总线周期 愈令 糕 l23456 数地数地数 地 数 地数地 数 洋猁 地址 据址据址掇址 据 址据址 据 谟l融固 爱位 ) 。c融 片擦 15 5 5a a2 a5 55 5 5 j 05 5 5a a2 a a5 55 5 51 0 豫羧 5 5 5姓丛&胬5 5 55 5 5姒激弱融 拣除 65 隧啦 2 a a 5 5 5 5 5躺 p a 固 字编 稷6 4 注：表中r 矗免要读豹存旗器速筑；黯舞款露镶器缝娃 i 矗麓读毫弱数摄：s a 荛要擦除懿 段地址；p 为要写入数据的存储嚣地址；p d 为聚在地址p a 处写入的数据 a m 2 9 l b 8 0 0 b 型号的f l a s h 可以通过对其一些状态位的检测操作柬判断某段程序是 否正确编程或撩除，瞄及撬行揉佟是否正确，可进 亍捡浏豹竣拳馑巷：魏交位( 0 铺) 、 超时标志位( d q 5 ) 、数据查询位( d q 7 ) 和r e a d y b u s y 引脚( 盯# ) 。在本系统中利 用d q 5 d q 7 进行检；蚵| l ，检测方法流程图如图3 7 所示； 图3 7f l a s h 检测操作流程图 1 7 奉系襞莱孀蒡嚣下蔑方式对f 娃鼎避行搡捧，褥f 嚣h ， 扩劐e 粒数据空鲻，闲 为e 5 4 。2 芯幸海蘸鸯l 醮字魅0 a 融m ，它映射到数摆空阉，且瓣射戮鹣是低l 馘警数撬空蚓， 这样必然要覆菠掉一部分f 1 a s h 的数据空间，其余4 8 k 可供外部存储器映射芝用，因此最 大繇毒缝筵疆蹙8 0 0 0 9 麓f 醢，菸3 2 宰。搴系统哭糕鬻了f l 瑟 l 魏低鞋s 孚窑露。鼹薄遵 潦方斌懿嚣2 。瓣誉，隧巾翡逻辍逶簿出可编穗逻辑器传撼实麓。鬻簧注纛翦鼹 a m 2 9 l v 8 0 0 b 芯片中没商用铡的引脚a 1 6 “a 1 8 不能滴单的悬空黼不作她理，葵将它按剐 5 0 2 夔 i 8 “a 三8 ；l 辩 戮势f l 矗s # 扩愁剃蘼是e ；4