1、基于 DSP芯片的音频信号的分析器的设计 摘要 DSP 技术在音频处理领域的应用越来越广。目前，在很多语音处理系统中都用到了语音 分析 模块，采集现场的声音并 进行频谱分析 。语音处理系统的实时性、功耗、体积、以及对语音信号的保真度都是很影响系统性能的关键因素。 因此， 音频信号的分析器 的设计是非常必要的。 本设计采用的高速 TMS320C5416DSP 芯片，最高频率能达到 160MIPS，能够很好的解决系统的实时性；采用的数字编解码芯片 TLV320AIC23(以下简称 AIC23)具有 1632 位采样精度， 采样频率范围 从 8kHz96kHz。因此，该音频编解码芯片与 TMS320
2、C5416DSP 的结合是可移动数字音频录放系统、现场语音 分析 系统的理想解决方案。 本文首先介绍了基于 TMS320C5416DSP 芯片的语音 分析 系统的工作原理，给出了整体设计方案和工作框图，然后给出了系统的硬件设计方案； 接着 介绍了基于TMS320C5416DSP 芯片的语音录放系统的软件设计。 在整个设计过程中，我们采用了 TLV320AIC23DSP 芯片为核心音频录放接口器件，结合 TMS320C5416DSP 芯片，语音数据存储 FLASH 存储器等进 行了硬件设计。软件部分则采用模块化的设计方法，用 C 语言来实现。 该语音录放器的设计能够完成语音采集，存储，滤波，频谱
3、分析，基本实现了语音分析功能。 关键词 ： TMS320C5416， TLV320AIC23， DSP，语音 分析 THE DESIGN OF SPEECH ANALYSOR BASED ON TMS320C5416 DSP CHIP ABSTRACT The use of DSP technology in the field of audio processing is increasingly wider. At present, many speech processing systems are used in speech-analysis module, acquisition
4、scene speech and stored for speech-process. Speech-processing System with real-time, power consumption, size, and the speech signal fidelity is a key factor which is affecting system performance. Therefore, speech recording and playing design is very necessary. The design of high-speed chip used TMS
5、320C5416 DSP, the maximum frequency can reach 160 MIPS , which is a good solution to the real-time system; the figures used in the codec chip TLV320AIC23 (hereinafter referred AIC23) is 16 32 Sampling precision, sampling frequencys range from 8kHz96kHz. Therefore, The Audio Decoder Chip and the comb
6、ination TMS320C5416 DSP Mobile Digital Speech-analysis System Speech Acquisition scene, is the ideal solution. This paper firstly introduces the Speech-analysis of principle based on TMS320C5416 DSP chip, given the overall design of the plan and diagram, and then gives the system hardware design pro
7、gram; Secondly Speech-analysis System software design based on TMS320C5416 DSP chip . Throughout the design process, we used TLV320AIC23 DSP core chips for audio-recording device interface, TMS320C5416 DSP combination of chips, Speech Data Storage Flash memory, and so on the hardware design. Softwar
8、e is a modular design method, the C language to achieve. The speech recording of the design is to complete speech acquisition, storage, filtering, spectrum-analysis. The basic realization of the Speech-analysis function KEY WORDS： TMS320C5416， TLV320AIC23， DSP， Speech-analysis 目录 前言 .1 第 1 章 语音分析的技术
9、方案及硬件电路设计 .2 1.1 语音分析器的性能指标和硬件方案 .2 1.1.1 语音分析器的性能指标 .2 1.1.2 硬件设计方案 .3 1.2 语音分析系统的硬件电路设计 .4 1.2.1 TMS320C5416DSP 数字信号处理接口电路模块 .5 1.2.2 TLV320AIC23 语音采集、回放接口电路模块 .9 1.2.3语音数据存储接口电路模块 .12 1.2.4 音频接口电路模块 .13 1.2.5 电源接口电路模块 .15 第 2 章 语音分析器的应用软件设计 .17 2.1 语音分析器应用软件系统的设计方案 .17 2.2 主程序模块 .17 2.3 语音分析模块的程序
10、设计 .20 2.3.1 MCBSP 的初始化 .20 2.3.2 AIC23 的初始化 .22 结论 .27 参考文献 .27 致谢 .31 附录 33 前 言 DSP 处理速度快，功耗低，性能好，基于 TMS320C5416DSP 芯片的语音存储容量大，具有很好的通信音质等特点，因此被广泛应用于很多领域中。 本设计实现的语音 分析 系统具有如下优点： 1 音频数据占用资源少 2 音质通信级 3 开发难度低 4 语音芯片与 DSP 接口电路简单 5 体积小 在论文完成过程中，我首先在图书馆查阅相关书籍研究如何进行基于TMS320C5416DSP 芯片的语音录放器的 方案设计，然后对系统内部所
11、需要的各个模块进行设计并对芯片做了详细研究；其次参阅相关资料在计算机和实验板上进行应用软件的设计、编程与调试，然后在老师指导下进行硬件与软件的联合调试；最后自己对毕业设计资料进行整理，总结，完成毕业设计论文。 在整个设计过程中，本文首先介绍了基于 TMS320C5416DSP 芯片的语音录放系统的工作原理，给出了整体设计方案和工作框图，然后给出了系统的硬件设计方案 ；在硬件设计中， 我们采用了 TLV320AIC23DSP 芯片为核心音频录放接口器件，结合 TMS320C5416DSP 芯片，语音 数据存储 FLASH 存储器等 基本完成了语音录放器硬件的设计过程； 最后介绍了基于 TMS32
12、0C5416DSP 芯片的语音录放系统的软件设计 ， 软件部分 主要是在 CCS 环境下用 C 语言编程实现。将外部输入的模拟语音信号，经由高保真语音芯片 AIC23 进行采样后保存在外扩存储器存储空间中，然后这些存储的数字语音信号经过 DSP 带缓冲串口 MCBSP 2 读入 DSP，经过 FIR 数字低通滤波器滤除语音信号中高频部分及其它噪声，最后对这些语音信号的 FFT 变换 。 该语音分析器的设计能够完成语音采集，播放，存储，频谱分析，基本实现了语音分 析功能。 随着技术的进步， TMS320C5416DSP 与 TLV320AIC23 的结合的语音编码方案将会有更好的应用前景。 第
13、1 章 语音分析器的技术方案及硬件电路设计 在当今的数字化时代背景下， DSP 已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，是集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素。 DSP 芯片已经被广泛地应用于当今技术革命的各个领域 ，而且 DSP 技术也正以极快的速度被应用在通信、电子系统、信号处理系统等许多领域中。 基于 TMS320C5416DSP 芯片的语音 分析 器的设计系统 的主要功能 对语音信号进行采样滤波后 FFT 变换，然后观察其频谱分布。 通过 该分析器可观察到 语音信号频谱特征的观察，从而为语音的编解码，压缩，解压缩，语音编码，语音识别语音合成，语音增
14、强等实时语音处理方法的实现及参数的选取提供依据 。 本系统是一个数字信号处理系统，是电子技术、信号处理技术与计算技 术 相结合的产物 ，也 是一个软硬件结合的系统。 1.1 语音分析器的性能指标和硬件方案 1.1.1 语音分析器的主要性能 本设计实现的语音录放器具有如下主要性能： 1由于语音信号的频率范围为 300Hz-3400Hz（人说话 声音）或 20Hz-20kHz（音乐，占音频信号全频率），根据采样定理，为保证信息不失真，确定系统的采样频率为 8KHz 或 96kHz; 2结合系统采用的 TMS320C5416 芯片处理速度以及信号采样频率的要求，采用 TLV320AIC23DSP 芯
15、片作为系统的 A/D 转换芯片 ; 3根据上述技术指标确定 TMS320C5416 系统的外围接口方式。 本设计实现的语音 分析 系统具有如下优点： 1音频数据占用资源少 2音质通信级 高 3开发难度低 4语音芯片与 DSP 接口电路简单 5体积 小 1.1.2 硬件设计方 案 DSP 技术在音频处理领域的应用越来越广。目前，在很多语音处理系统中都用到了语音 分析 模块，采集现场的声音并存储起来 对 语音信号的频谱特征进行观察，为确定最佳的语音压缩的方法和参数的选择提供依据 。语音处理系统的实时性、功耗、体积、以及对语音信号的保真度都是很影响系统性能的关键因素。 本系统用 DSP 芯片 TMS
16、320C5416 与音频编解码芯片 TLV320AIC23 实现硬件接口和软件设计 , 并在此硬件基础上实现语音信号的采集、播放、存储、回放。本系统包括音频采集、 DSP 对语音信号的处理、 Flash 存储三部分。系 统结构如图 1-1所示 : T L V 3 2 0A I C 2 3T M S 3 2 0 C 5 4 1 6 D S P F l a s h 存 储M C B S P 数 据 接 口 控 制 接 口M C B S P 1线 路 输 入麦 克 输 入图 1-1 总体设计图 TMS320C5416 作为主芯片实现语音信号采集、存储和各模块之间的通信等控制，其主要功能有：上电自举，
17、将采集压缩后的音频信号存储在 Flash 中。 AIC23的语音信号输入可以是麦克输入也可以是线路输入，这可以通过配置寄存器选择。当能过麦克输入人的说话声时，综合人声的频率、数据量大小的要求，采样频率不需要太高，设定为 8KHz 比较合适。实验证明，在这个采样频率下能清晰地采集、回放人的说话声，并且具有较好的保 真度。当输入为音乐或歌曲的线路输入时，为了保证音质不失真，采样频率可以设定为 96KHz。 在总体设计图中， AIC23 是一种高性能的立体声音频 Codec 芯片作为从设备，主要完成输入语音信号的 A/D 转换，语音采样编解码及滤波处理，该芯片构成简单，功能强大； TMS320C54
18、16DSP 芯片有三个 MCBSP(多通道缓冲串口 ) ， MCBSP0 和MCBSP1 可完成对 AIC23 的控制， MCBSP0 为语音数据接口，完成语音数据的交换数据发送与接收， MCBSP1 为数据控制接口，主要对 AIC23 写控制字；语音数据存储模块选 用 Flash 存储器，它是一种可在线进行电擦写可快速访问，掉电后信息不会丢失的非易失性存储器，具有可靠性稳定性，低成本低功耗，高密度大容量可达几个 GB，抗震性，尺寸小重量轻等多种先进特性，烧录技术以 Flash 闪存为载体进行读取和存储。 该系统的工作原理是：语音信号通过话筒从线路或麦克输入口输入音频信号送到 AIC23 中，
19、 AIC23 控制芯片内寄存器，使输入的音频信号进行 A/D 转换， 一方面将转换得到的数字语音信号送到 TMS320C5416DSP 的 Flash 存储器暂存起来，每收够一帧就调用语音压缩程序进行编码，编码后 得到的数据被 TMS320C5416DSP 送到 Flash 存储器存储起来； 另一方面调用语音滤波和 FFT 变换程序对语音数字信号进行分析。 放音时，先从 Flash 存储器中读出压缩数据送到 DSP 中，TMS320C5416DSP 调用解压缩程序还原出语音信号，还原后的语音信号通过耳机发送出来。 1.2 语音分析系统的硬件电路设计 本设计采用的高速 TMS320C5416DS
20、P 芯片（该芯片的用途和优点及结构功能在后面的器件选择中有详细阐述），最高频率能达到 160MIPS，能够很好的解决系统的实时性；采用的数字编解码芯片 TLV320AIC23(该芯片的用途和优点及结构功能也在后面的器件选择中有详细阐述，以下简称 AIC23)具有 1632 位采样精度。因此，该音频编解码芯片与 TMS320C5416DSP 的结合是可移动数字音频录放系统、现场语音采集系统的理想解决方案。语音 分析 器的具体实现原理图见附录。 TMS320C5416 有 3 个 MCBSP (多通道缓冲串口 )。可以方便地利用其中 2 个MCBSP 完成对 AIC23 的控制和通信。 AIC23
21、 芯片是一个可编程芯片 ,内部有 11 个16 位寄存器 ,控制接口具有 SPI 和 I2C 工作方式 ,这两种工作方式由 MODE 引脚(MODE为串行接口输入模式选择引脚 )来选择 ,即 :MODE=0 为 I2C 模式 ;MODE=1 为SPI 模式。 AIC23 有独立的控制接口和数据接口，控制口用于接收控制器的命令字，数据接口与 DSP 完成语音数据的交换。 AIC23 的工作时钟由外接的一个 11.2896M 的晶振提供。 DSP 的工作时钟是 由 12M 外部晶振提供 。本系统用到了利用 C5416DSP的 MCBSP0和 MCBSP1，分别与 AIC23 的控制和数据接口相连。
22、 C5416DSP 与 AIC23的接口电路如图 1-2 所示 。 T M S 3 2 0 C 5 4 1 6 D S PB C L K X 0B D X 0B F S X 0B C L K X 1B D R 0B F S R 0B D X 1B F S X 1T L V 3 2 0 A I C 2 3B C L KD I NL R C I ND O U TL R C O U TS C L K/ C SX T I / M C L K耳 机 输 出线 路 输 入麦 克 输 入图 1-2 TMS320C5416DSP 与 TLV320AIC23 的接口电路框图 1.2.1 TMS320C5416D
23、SP数字信号处理 接口电路 模块 系统采用的主芯片是 TI 公司的一款 16位定点 DSP： TMS320C5416(以下简称C5416)，主要是考虑到 C5416片内具有 128K*16位的内部 RAM，这对提高系统总体性能和集成度有很大的帮助。另外 C5416还具有 3个 MCBSP多通道缓冲串口，该串口与 SPI器件兼容，提供多达 128个发送和接收通道。与其他 C54xDSP芯片一样 C5416具有功耗低、运算速率高、性价比高的优点。另外 C5416具有如下特点：当核电压为 1.6伏特时的工作频率可达到 160MIPS；能访问 64K数据存储空间、 64K I/O空间、以及 192K程
24、序存储空间。 TMS320C5416作为主芯片实现语音信号采集、存储和各模块之间的通信等控制，其主要功能有：上电自举，读取键盘值并初始化音频编码芯片和液晶屏，控制AIC23并通过液晶屏显示 AIC23 的工作状态，将采集压缩后的音频信号存储在 Flash 中。 TMS320C5416通过以下引脚与 TLV320AIC23连接。 BCLKX0/BCLKX1:缓冲串口 0和 1的发送时钟 ,用于对来自缓冲串行口发送移位 寄存器和传送至数据发送引脚的数据进行定时； BDX0/BDX1:缓冲串行口数据发送端 ,来自缓冲串行口发送移位寄存器中的数据经该引脚串行发送； BFSX0/BFSX1:用于发送输出
25、的帧同步脉冲；BDR0: 缓冲串行口数据接收端； BFSR0: 用于接收输入的帧同步脉冲； X2/CLKIN:由晶振接到内部振荡器的输入引脚。 TMS320C5416与 FLASH存储器连接时， DSP采集到的 32位语音数据通过外部数据总线的低 8位分 4次，从左声道的高 8位到右声道的低 8位依次写入 Flash。 DSP提供工作时钟由外接的一个晶振提供， DSP的工作时钟是 5倍频后的时钟：56.488M。 TMS320C5416主电路模块电路如图 1-3所示 。 1 2 3 4ABCD4321DCBAC V S S1A 2 22C V S S3DVDD4A 1 05HD76A 1 17
26、A 1 28A 1 39A 1 410A 1 511C V D D12HAS13D V S S14C V S S15C V D D16H C S17H R / W18R E A D Y19PS20DS21IS22R / W23M S T R B24I O S T R B25M S C26XF27H O L D A28I A Q29H O L D30B I O31M P / M C32DVDD33C V S S34B D R 135B F S R 136CVSS37BCLKR138HCNTL039DVSS40BCLKR041BCLKR242BFSR043BFSR244BDR045HCNTL146
27、BDR247BCLKX048BCLKX249CVSS50HINT51CVDD52BFSX053BFSX254HRDY55DVDD56DVSS57HD058BDX059BDX260IACK61HBIL62NM163INT064INT165INT266INT367CVDD68HD169CVSS70BCLKX171DVSS72B F S X 173B D X 174DVDD75D V S S76C L K M D 177C L K M D 278C L K M D 379H P I 1 680HD281T O U T82E M U 083E M U 184T D 085T D 186T R S T8
28、7T C K88T M S89C V S S90C V D D91H P I E N A92D V S S93C L K O U T94HD395X196X 2 / C L K I N97RS98D099D11 00D21 01D31 02D41 03D51 04A 1 61 05D V S S1 06A 1 71 07A 1 81 08A19109A20110CVSS111DVDD112D6113D7114D8115D9116D10117D11118D12119HD4120D13121D14122D15123HD5124CVDD125CVSS126HDS1127DVSS128HDS2129D
29、VDD130A0131A1132A2133A3134HD6135A4136A5137A6138A7139A8140A9141CVDD142A21143DVSS144U1T W S 32 0 V C 54 1 6GNDGNDGNDGNDGNDGND GND GND GND GND GNDGND GND GND GNDGNDGNDGNDGND3 .3 V3 .3 V3 .3 V3.3V3.3V3.3V1.6V1.6V1.6V1.6V1 .6 V1 .6 VA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A 1 0A 1 1A 1 2A 1 3A 1 4A 1 5A 1 6A 1 7A 1 8D0D1D2D
30、3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15 A19A20INT0INT1INT2INT3HD0 HD1HD2HD3HD4HD5HD6A21A 2 2HASH C SH R WR E A D Y/ P S/ D S/ I SRW/ M S T R B/ I O S T R B/ M S CXFH O L DB I 0M P / M CDOUTB D R 1LRCOUTB F S R 1BFSR2BCLKXR0BCLKXR1HCNTL0BLCKXR2HCNTL1BDR2B C L K X R 1BCLKX2/HINTBFSX2HRDYDINBDX2HBILNM1C L K M
31、D 1C L K M D 2C L K M D 3H P I 1 6T O U TE M U 0E M U 1T D 0T D 1/ T R S TT C KT M S1 .6 VH P I E N AC L K O U T/ R E S E TX1X2/HDS1/HDS2R133R233R333Y116C11 2PC21 2PX1X2BCLKLRCINSCLKS A C SS X 21 C5416DSP芯片的总线结构 DSP芯片的基本特点是采用了哈佛总线结构， C5416DSP芯片的结构是以 8组 16位总线为核心，形成了支持高速指令执行的硬件基础。 8组总线分为 1组程序总线， 3组数据总线和 4组地址总线。 2 C5416DSP芯片的中央处理器 中央处理器 CPU是 DSP器件的核心部件，它的性能直接关系到 DSP器件的性能。为了满足处理速度的要求， TMS320C5416DSP芯片的 CPU采用了流水线指令执行结构和相应的并行结构设计，使其能在一个指令周期内，高速地完成多项算术运算。 CPU的基本组成如下： 40位算术逻辑运算单元（ ALU）； 2个 40位累加器（ ACCA，ACCB）； 1个支持 1630位移位的桶形移位寄存器；乘法器 加法器单元（ MAC）；
