采用DSP的声音采集系统硬件原理及设计

　　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。

　　1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，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。

　　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。

　　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。

　　3.3 AD转换

　　本设计中选用的 AD转换芯片是 TI公司的TLC320AD50C。该芯片的采样采用ΣΔ技术，即将一个抽样滤波器放置于 ADC后，将一个差值滤波器放置在 DAC前。这种结构的特点就是使系统可同时进行接收、发送任务。 TLC320AD50C可实现高采样率（可达 22.5kb/s）的 AD/DA转换，该功能由 2个 16位的同步串行转换通道实现，可直接和 DSP连接进行通信。

　　TLC320AD50C中的可选项和电路配置可以通过串行口进行编程，该芯片对掉电、复位、信号采样率、串行时钟率、增益控制、通信协议、测试模式等可通过串行口进行编程和电路配置。具体连接如图 3：

　　片外复位电路提供上电复位，晶振电路可提供 10MHz的主时钟频率，数据采样频率和其他时钟信号均由此频率分配。5402与 AD50C之间的通信格式为主串行通信格式：接收和发送转换信号。

　　3.4  存储采集到声音信号后，一个很重要的环节就是声音信号的存储，本系统中我们采用的是SST公司的 FLASH存储器： SST39VF400A。该器件存储容量为 4 MB，采用 3.3 V单电源供电，对各个子模块的读写和擦除，可通过一些特殊的命令字序列来实现且无需额外提供高电压。在此设计中我们利用 DSP编程实现对该存储器的读写操作。

　　DSP主要通过外部存储器接口 (EMIF)访问片外存储器。它不仅具有很强的接口能力(可以和各种存储器直接接口)，而且具有很高的数据吞吐能力。 5402与 SST39VF400的接口电路设计如图 1所示。该电路主要通过 DSP的相关输出管脚来控制 FLASH的擦除和读写。其中，A0～A19为地址线，DQ0～DQ15为数据线，OE和 WE分别为输出使能和写使能， CE1为片使能。

　　声音信号经过 AD转换器以后传输给 DSP，由 DSP的 PS和 DS引脚通过逻辑开关来分别控制 flash和 sram的使能端，由 DSP的 RW和 MSTRB控制位通过逻辑电路分别控制读和写。

　　在本设计中，SRAM使用的是 GS1117：64K×16的 1MB异步静态随机存储器。 GS71116是一个由高速的互补性金属氧化物半导体晶体管（ CMOS）组成的静态随机存储器，不需要外部时钟或时间频闪观测器。 3.3V的操作电压，所有的输入输出均兼容晶体管逻辑电路（TTL）。它的快速通道时间小于 15ns，操作电流小于 100mA。

　　3.5 USB

　　PDIUSBD12是一款带并行总线的 USB 接口器件，它符合通用串行总线 USB 1.1 版规范，集成了 SIE、FIFO、存储器收发器以及电压调整器等，可与任何外部微控制器或微处理器实现高速并行接口 2M字节/秒，且在批量模式和同步模式下均可实现 1M字节/秒的数据传输速率，可通过软件控制与 USB 的连接，采用 GoodLink技术的连接指示器 ,在通讯时使 LED 闪烁，具有可编程的时钟频率输出，内部上电复位和低电压复位电路，为双电源操作，在 3.3±0.3V或扩展的 5V电源下均可使用，可实现多中断模式的批量和同步传输。连接图如图 4：

　　3.6 JTAG

　　JTAG是 joint test action group的简称，是用来调试 DSP的仿真部分，其连接部分要和仿真器上的引脚一致。TI公司的DSP5000系列专门预留有JTAG管脚，共14个， 4,8,10,12引脚均接地，6引脚悬空，5接高平电压3.3V，所有的仿真引脚均使用 IEEE1149.1标准，其余的引脚含义为【5】：1、TMS：输入引脚，选择测试方式；2、TRST：输入引脚，测试复位；3、TDI：输入引脚，测试数据输入；7、TDO：输出引脚，在 TCK的下降沿时输出数据，其余时间呈高阻态；9、TCK_RET：输入引脚，在板子与仿真器的连接电缆不小于 6英寸的时候，接法与 TCK相同，大于 6英寸的时候，需另加驱动；11、TCK：输入引脚，测试时钟，一般为占空比为50%的固有时钟信号；13、EMU0：仿真中断引脚0，可用作输入或输出；14、EMU1：仿真中断引脚1，可用作输入或输出，当 TRST为低电平、EMU0为高电平时，EMU1为低电平，所有输出禁止。

　　4结论

　　通过这个声音采集系统，我们可以把无形的声音信号转化为图形进行处理，可以观察它的波形特点进行研究、工业生产等等。而在设计其他的 DSP应用系统接口电路时，要根据具体情况综合考虑性能指标、器件选取、外围电路设计等方面，仔细选取器件，精心合理布局，才能达到理想的设计效果。

　　本文作者创新点：根据硬件电路的设计逻辑给出了画 PCB的过程，介绍了基于 DSP声音采集系统的硬件设计过程和方法。