基于TMS320VC5502的语音信号采集系统设计

1、基于TMS320VC5502的语音信号采集系统设计 摘 要：为了研究数字信号处理，提出了一个基于DSP TMS320VC5502和A/D转换芯片TLC320AD50的语音信号采集系统的设计。给出了该系统的总体设计方案，具体硬件电路,包括系统电源设计、复位电路设计、时钟电路设计、存储器设计、A/D接口电路设计、JTAG接口设计、DSP与A/D芯片的连接等，以及软件流程图。通过MATLAB得到语音信号的波形和频谱图。实验表明: 所设计的基于DSP的硬件和软件系统是一个很好的语音信号采集系统,该系统结构清晰，电路简洁，易于实现。关键词：语音信号；数据采集；DSP；TLC320AD50Abstract

2、：In the study based on digital signal processing, proposed a design based on DSP TMS320VC5502 and A / D converter chip TLC320AD50 speech signal acquisition system. Gives the overall design scheme of the system, the hardware circuit including the system power supply design, the reset circuit design,

3、clock circuits, memory design, A / D interface circuit, JTAG interface design, the connections of DSP and A / D chip and so on, and software flow chart. We get speech signal waveform and spectrum diagram by MATLAB. Experiments show that: the design based on DSP hardware and software systems is an ex

4、cellent voice signal acquisition system, the system structure is clear, the circuit is simple and easy to achieve.Keywords：Voice signal;Data Acquisition;DSP;TLC320AD501.引言20世纪50年代以来，随着数字信号处理各项技术的发展，语音信号处理技术得到不断提高, 语音合成、语音识别、语音记录与语音控制等技术已开始逐步成熟并得到应用。在语音信号处理过程中, 要实现语音信号处理技术的精确性、实时性目的，语音信号采集和无误差存储成为语音信

5、号处理中的前提。TMS320VC5502是德州仪器公司公司在2002年基于TMS320VC5502推出的定点数字信号处理器，它采用修正的哈佛结构，包括1个程序存储总线、3个数据存储总线和4个地址总线，这种结构允许同时执行程序指令和对数据操作， 运行速度快，单周期定点指令执行时间为5ns，远高于语音信号采集和处理的要求。在语音信号采集中, 模拟信号向数字信号转换（ADC)的精度和实时性对后续信号处理过程起到了重要作用。设计中采用TLC320AD50完成语音信号的A/D转换。TLC320AD50是TI公司提供的一款16 bit同步串口A/D和D/A转换芯片，ADC之后有1个抽取滤波器以提高输入信号

6、的信噪比, 其采样频率最高可达22.5 Kb/s，满足语音信号处理中关于采样频率的要求。2 基于TMS320VC5502的语音信号采集系统设计2.1 TMS320VC55x介绍2002 年初,推出了TMS320C5510,TMS320C5509, TMS320C5502 等DSP 芯片,连同此前推出的TMS320C5501, TMS320C55x( 以下简称C55x) 作为一个系列, 共有4 种芯片。C55x 是新一代16 位定点数字信号处理器, 采用了新的C55x CPU 内核。C55x 通过CPU 结构方面的措施来提高内核的性能和速度; C55x 通过在功耗方面的专门处理, 其功耗达到了目

7、前业界最低,是C54x 功耗的1/ 6。C55x 是在C54x 的基础上发展而来的, 同时又吸收了在C55x 之前已推出的TMS320C6000 系列的优点。一般地说，C55x的目标市场是消费和通信市场，多用于语音编解码，线路回音和噪声消除，调制解调，图像和声音的压缩和解压，语音的加密与解密，语音的识别与合成等领域。TMS320C55x DSP的主要性能和优点：一个32×16bit指令缓冲队列：缓冲可变长度指令实现块重复操作。两个17bit×17bit MAC：在单周期内实现双MAC操作。一个40bit ALU:执行高精度算数和逻辑算数。一个40bit桶形移位寄存器：可以把

8、40bit结果左移31位或右移32位。一个16bit ALU：和主ALU并行执行简单算术运算。四个40bit累加器：保持计算结果和减少所需存储器数量12条独立总线：并行地对不同操作单元同时提供出来指令和操作数。用户配置的IDLE域：改善低活动性时的电源管理。TLC320AD50介绍:TLC320AD50简称AD50是TI生产的多媒体音频编解码器芯片,它集成了16位A/D和D/A 转换器,采样速率最高可达22.05KHz,其采样速率可通过DSP编程来设置。在AD50内部ADC之后有抽样滤波器,以提高输入信号的信噪比,在DAC之前有插值滤波器,以保证输出信号平滑。AD50内部有7个数据和控制寄存器

9、,用于编程设置它们的工作状态。由于语音信号的频率范围在200Hz23400Hz之间,采样率一般设定为8kHz,所以用AD50做AD转换器非常合适。AD50的工作方式和采样频率均通过串口编程来实现。由于转换的数据和控制数据是通过同一串行口进行传输的,所以AD50中有首次通信和二次通信。首次通信专用于转换数据的传送,其时序如图2所示。二次通信则用来设置和读出寄存器的值,所有的寄存器都在二次通信时编程。启动二次通信有两种方法,一种是在FC上加高电平,第二种是将15位方式在首次通信的D IN的LSB位置为1。AD50完成语音信号采集后,在DSP中进行相应的处理算法,语音信号经处理再从AD50输出。2.

10、2基于TMS320VC5502的语音信号采集系统的总体设计基于TMS320VC5502的语音信号采集系统的结构如图21所示，该系统的中央处理单元采用美国TI(德州仪器)公司的高性能定点数字信号处理芯片TMS320VC5502，TMS320VC5502是TI公司推出的定点数字信号处理器，它采用修正的哈佛结构，包括12组独立总线，即1组程序读总线，1组程序地址总线，3组数据读总线，2组数据写总线，5组数据地址总线。这种结构允许同时执行程序指令和对数据操作， 运行速度快，单周期定点指令执行时间为10ns。在语音信号采集中, 模拟信号向数字信号转换（ADC)的精度和实时性对后续信号处理过程起到了重要作

11、用。设计中采用TLC320AD50完成语音信号的A/D转换。TLC320AD50是TI公司提供的一款32 bit同步串口A/D和D/A转换芯片，ADC之后有1个抽取滤波器以提高输入信号的信噪比, 其采样频率最高可达22.5 Kb/s，满足语音信号处理关于采样频率的要求。图1系统结构框图a)DSP核心模块的设计: TMS320VC5502是整个数据采集系统中，核心处理部分。把缓存器的数据转存到海量存储器中，并对CPLD逻辑的工作方式，工作时钟进行控制，同时还完成与上位机的通信。TMS320VC5502有2个MAC单元，4个40位累加器，能够在单周期内作2个17*17的乘法运算。在这里，选用TMS

12、320VC5502的数据空间用做SRAM的扩展，选用TMS320VC5502的I/O空间用做FLASH扩展。DSP核心模块充当整个系统的CPU的功能，除了承担对AD转换器送来的信号做相应的处理之外，还驱动RS-232串行通信链路将相应的数据及时的传到上位机上以备做之后的相关处理或计算，这就要求DSP芯片的处理能力相当的强大和速度必须与ADC相匹配，这一点TMS320VC5502完全有能力做到。b) AD转换模块: AD转换模块是整个系统的主要部分，它接收来自外部的信号或模拟数据，然后经过处理转换成数字信号传递给CPU做后续的处理。设计中采用TLC320AD50完成语音信号的A/D转换。TLC3

13、20AD50是TI公司提供的一款16 bit同步串口A/D和D/A转换芯片，ADC之后有1个抽取滤波器以提高输入信号的信噪比, 其采样频率最高可达22.5 Kb/s，满足语音信号处理中关于采样频率的要求。TLC320AD50(以下简称AD50 )是TI生产的多媒体音频编解码器芯片,它集成了16位A/D和D/A 转换器,采样速率最高可达22.05KHz,其采样速率可通过DSP编程来设置。在AD50内部ADC之后有抽样滤波器,以提高输入信号的信噪比,在DAC之前有插值滤波器,以保证输出信号平滑。AD50内部有7个数据和控制寄存器,用于编程设置它们的工作状态。由于语音信号的频率范围在200Hz234

14、00Hz之间,采样率一般设定为8kHz,所以用AD50做AD转换器非常合适。AD50的工作方式和采样频率均通过串口编程来实现。由于转换的数据和控制数据是通过同一串行口进行传输的,所以AD50中有首次通信和二次通信。首次通信专用于转换数据的传送,其时序如图2所示。二次通信则用来设置和读出寄存器的值,所有的寄存器都在二次通信时编程。启动二次通信有两种方法,一种是在FC上加高电平,第二种是将15位方式在首次通信的D IN的LSB位置为1。AD50完成语音信号采集后,在DSP中进行相应的处理。语音信号经处理后再从AD50输出。图2TMS320VC5502芯片2.3 基于TMS320VC5502的语音信

15、号采集系统的详细设计由系统结构框图可知，系统主要包括实现模/数转换的A/D模块、掉电时存放程序的Flash模块、为DSP提供电源的外部电源模块、时钟模块，复位电路模块、实现程序下载的JTAG接口模块以及外接扩展存储器等几个部分.系统结构框图如图2-1所示。本章将详细介绍各模块的硬件设计以及软件设计。（1）DSP设计：作为DSP家庭高性价比代表的16位定点DSP芯片，C5402适用于语音通信等实时嵌入应用场合。与其它C54X芯片一样,C5402具有高度灵活的可操作性和高速的处理能力。性能：操作速率可达100MIPS;具有先进的多总线结构，三条16位数据存储器总线和一条程序存储器总线；40位算术逻

16、辑单元，包括一个40位桶形移位器和两个40位累加器；一个17×17乘法器和一个40位专用加法器，允许16位带/不带符号的乘法；整合维特比加速器，用于提高维特比编译码的速度;单周期正规化及指数译码；8个辅助寄存器及一个软件栈；数据/程序寻址空间为1M×16bit，内置4K×16bit ROM和16K×16bit RAM；内置可编程等待状态发生器、锁相环时钟产生器、两个多通道缓冲串口、一个与外部处理器通信的8位并行HPI口、两个16位定时器以及6通道DMA控制器且低功耗。C5402采用6级流水线,且当重复指令时，一些多周期的指令就变成了单周期的指令；芯片内部

17、RAM和ROM可根据PMST寄存器中的OVLY和DROM位灵活设置。这些都有利于算法的优化。（2）电源设计：为了降低芯片功耗，C54x系列芯片大部分都采用低电压设计，并且采用双电源供电，即内核电源CVDD：采用1.8V，主要为芯片的内部逻辑提供电压，包括CPU、时钟电路和所有的外设逻辑；I/O电源DVDD：采用3.3V，主要供I/O接口使用。可直接与外部低压器件接口，而无需额外的电平变换电路。在实际中，大部分数字系统所使用的电源可工作于5V或3.3V，本设计采用双电源芯片：TPS73HD318电源的最大输出电流为750mA，并且提供两个宽度为200ms的低电平复位脉冲。电路图如图3所示。图3由

18、TPS7301 芯片组成的电源电路（3）复位电路设计：TMS320VC5502的复位输入引脚RS为处理器提供了一种硬件初始化的方法,它是一种不可屏蔽的外中断,可在任何时候对TMS320VC5502进行复位。当系统上电后，RS引脚应至少保持5个时钟周期稳定的低电平，以确保数据、地址和控制线的正确配置。复位后(RS回到高电平)，CPU从程序存储器的FF80H单元取指，并开始执行程序。本设计采用手动复位电路（如图4）。图4 手动复位电路（4）时钟电路设计：时钟电路用来为C54x芯片提供时钟信号，由一个内部振荡器和一个锁相环PLL组成，可通过芯片内部的晶体振荡器或外部的时钟电路驱动。利用DSP芯片内部

19、提供的晶振电路，在DSP芯片的X1、X2之间连接晶体振荡器。使用芯片内部的振荡器在芯片的X1和X2/CLKIN引脚之间接入一个晶体,用于启动内部振荡器。时钟电路图如图5。 C1=C2=20pF图5时钟模块电路（5）程序存储器扩展设计：FLASH存储器用以扩展程序存储器。AT29LV1024是1M位的FLASH存储器。地址线：A0A15；数据线：I/O0I/O15；控制线：片选信号；编程写信号；输出使能信号。要实现语音数据和系统程序的存储，TMS320VC5502必须有外接扩展存储器。TMS320VC5502 的速度为100 MI/s，为保证DSP运行速度，需要外部存储器的速度接近10ns。系统

20、选择ICSI64LV16作为外部存储器，其容量64K字×16 bit。A/D转换模块是整个系统的主要部分，它接收来自外部的信号或模拟数据，然后经过处理转换成数字信号传递给CPU做后续的处理。TLC320AD50是一款SIGMA- DELTA 型单片音频接口芯片, 通过串行口与DSP 或其它设备通信。它内部集成了16 位的D/A 和A/D 转换器, 采样速率最高可达22.05 Kb/s, 其采样速率可通过DSP 编程来设置。设置AD50时，串行通信数据最低为高电平。在DAC 之前有一个插值滤波器以保证输出信号平滑, ADC 之后有一个抽取滤波器以提高输入信号的信噪比。AD50 的发送和接收可以同时进行。参考AD50 的产品手册文献, 得出TMS320VC5502与TLC320AD50的连接方法如图a所示图 6 TLC320AD50与 TMS320VC5502 串行口的连接（6）总体电路图参考文献：详细格式参见信阳师范学院学报自然科学版参考文献要求：文献序号标在引用处文字末、句号前，加标于右上角。内部资料、个人通讯、报纸及未公开发表的文章不能作为参考引文。序号以在文中出现先后为序。    引用期刊文献的格式为：