基于TMS320LF2407 DSP控制器語(yǔ)音模塊的設(shè)計(jì)

摘要：本文著重介紹了DSP芯片的SPI同步串行接口及SPI與語(yǔ)音轉(zhuǎn)換芯片AD50的通信方式，給出了硬件電路設(shè)計(jì)。針對(duì)AD50的特點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)DSP的SPI口對(duì)其進(jìn)行初始化配置，使其正常工作。DSP在內(nèi)部對(duì)語(yǔ)音信號(hào)予以處理并通過(guò)AD50輸出。
關(guān)鍵字：數(shù)字信號(hào)處理器DSP同步串行接口SPI語(yǔ)音模塊　AD50的初始化

隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP技術(shù)也正以日新月異的速度應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。TMS320LF240X系列DSP是美國(guó)德州儀器（TI）公司推出的一款16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，它采用程序總線、數(shù)據(jù)總線分別獨(dú)立并具有多條總線的哈佛結(jié)構(gòu)體系，其數(shù)據(jù)和程序有各自獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，這樣的結(jié)構(gòu)使數(shù)據(jù)吞吐率有很大提高；芯片內(nèi)部包含多個(gè)處理單元；1616位硬件乘法器；廣泛采用深度流水線技術(shù)，以及特有的DSP指令，使得取址、譯碼和處理可同時(shí)進(jìn)行，從而減少了指令執(zhí)行時(shí)間，增強(qiáng)了DSP的處理能力；具有強(qiáng)大的內(nèi)部事件管理器、10位A/D采樣功能、I/O端口等豐富的外設(shè)接口。因此 DSP適用于高速、實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)處理應(yīng)用系統(tǒng)。

對(duì)于某一控制任務(wù)可能需要多個(gè)DSP相互合作完成或DSP作為主控制器來(lái)控制其他外圍器件，這樣DSP就需要和其他控制器頻繁交換數(shù)據(jù)，此時(shí)，我們可以通過(guò)SPI口進(jìn)行器件之間的高速數(shù)據(jù)交換，這種通信方式比起通過(guò)串行通訊接口（SCI）速度提高了近一倍。

2. SPI串行外設(shè)接口

DSP的串行外設(shè)接口（SPI）是一個(gè)高速同步串行輸入/輸出(I/O)口，它能使可編程長(zhǎng)度(1~16位)的串行位流以可編程的位傳輸速率輸入或輸出器件。SPI口主要 通過(guò)4根線來(lái)完成通信^[1]，即：時(shí)鐘線(SPICLK)，主機(jī)輸出/從機(jī)輸入線（SPISIMO）,主機(jī)輸入/從機(jī)輸出線（SPISOMI），SPI從發(fā)送使能 。它主要用于主從式系統(tǒng)中，一個(gè)主控制器可以帶動(dòng)幾個(gè)從器件，或者一個(gè)主控制器可以和幾個(gè)其他控制器構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從器件的時(shí)鐘是由主機(jī)給出，主機(jī)通過(guò)從發(fā)送使能信號(hào)來(lái)使同一時(shí)刻只有一個(gè)從器件和主機(jī)交換數(shù)據(jù)。從器件只有在主機(jī)發(fā)送命令時(shí)才向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)。

SPI主機(jī)和從機(jī)連接如下：

圖1 SPI主從機(jī)硬件連接

由于SPI接口是串行傳輸數(shù)據(jù)，所以要求通信兩端的時(shí)序必須匹配。TMS320LF2407的SPI接口有4種時(shí)序，由芯片的SPICLK寄存器的4種時(shí)鐘模式確定。這4種模式規(guī)定同步移出和移入數(shù)據(jù)位與時(shí)鐘上/下觸發(fā)沿及相位是否延遲的關(guān)系。

模式0DD上升沿觸發(fā)無(wú)延時(shí)：上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，緊接的下降沿接收數(shù)據(jù)。

模式1DD上升沿觸發(fā)有延時(shí)：上升沿前半個(gè)周期和緊接的下降沿之間發(fā)送數(shù)據(jù)，上升沿接收數(shù)據(jù)。

模式2DD下降沿觸發(fā)無(wú)延時(shí)：下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，緊接的上升沿接收數(shù)據(jù)。

模式3DD下降沿觸發(fā)有延時(shí)：下降沿前半個(gè)周期和緊接的上升沿之間發(fā)送數(shù)據(jù)，下降沿接收數(shù)據(jù)。

DSP可以根據(jù)系統(tǒng)中與之通信的芯片的具體特點(diǎn)來(lái)選擇一個(gè)工作模式。

3. 硬件電路設(shè)計(jì)

語(yǔ)音模塊的硬件電路設(shè)計(jì)必須保證語(yǔ)音信號(hào)輸出的實(shí)時(shí)性，這里我們采用TI DSP系列的TMS320LF2407（以下簡(jiǎn)稱2407），它高達(dá)30MIPS的處理能力足以滿足語(yǔ)音的實(shí)時(shí)要求。語(yǔ)音采集和輸出芯片采用的是TLC320AD50C^[2] （以下簡(jiǎn)稱AD50），它是一款單5V電源供電、16位A/D和D/A高分辨率的可編程信號(hào)轉(zhuǎn)換器。語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的主要功能是將話音通過(guò)MIC輸入，然后經(jīng)過(guò)差分放大、模擬帶通濾波后，輸入AD50，經(jīng)采樣，將數(shù)據(jù)再送入DSP中進(jìn)行處理，最后再將處理完的語(yǔ)音數(shù)據(jù)經(jīng)DAC，放大輸出，最后驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲。

AD50是差分器件，從MIC輸入的信號(hào)Vaudio經(jīng)集成運(yùn)放后變?yōu)椴罘州斎?N*Vaudio，在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以前，需要經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾除帶外雜波。由于話音的頻率一般在3400Hz以下，而工頻干擾一般為50Hz左右。所以設(shè)計(jì)了通帶范圍為300Hz～3400Hz的帶通濾波器。該濾波器由兩級(jí)二階低通、兩級(jí)二階高通級(jí)聯(lián)組成，采用多級(jí)反饋形式，具有巴特沃斯（butterworth）帶內(nèi)平坦的特性，這樣可保證300～3400Hz的語(yǔ)音信號(hào)不失真地通過(guò)濾波器，不僅濾除帶外的低頻信號(hào)，以減少帶外工頻等分量的干擾，還將濾除帶外的高次諧波，減少由于采樣引起的混疊失真。

設(shè)計(jì)中AD50的功能實(shí)現(xiàn)是通過(guò)對(duì)其內(nèi)部的4個(gè)寄存器進(jìn)行編程來(lái)完成的，對(duì)這4個(gè)寄存器的訪問(wèn)與其他一些接口電路有所不同，它不是通過(guò)地址線選通寄存器，而是通過(guò)串行輸入口（DIN）在二次通信的時(shí)刻將控制字輸入到AD50中，對(duì)4個(gè)寄存器進(jìn)行初始化。通過(guò)這種串行接口的初始化，可以達(dá)到對(duì)AD50進(jìn)行編程的目的，可編程的功能還包括：復(fù)位、掉電、通信協(xié)議、信號(hào)采樣率、增益控制等。

AD50和DSP交換數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)流和控制流在串行線上一位一位的傳輸，我們通過(guò)分時(shí)復(fù)用傳輸線即一次串行通信和請(qǐng)求二次串行通信的方法來(lái)分辨是數(shù)據(jù)流還是控制流。使一次通信時(shí)DIN端口輸入的16bit數(shù)據(jù)的LSB位為高，這樣在特定模式下就發(fā)出了二次通信的請(qǐng)求。在二次通信過(guò)程中，16位控制字DIN引腳輸入到AD50中來(lái)，對(duì)它的4個(gè)寄存器進(jìn)行寫操作，從而實(shí)現(xiàn)AD50的各個(gè)可編程控制。 基于SPI串行外設(shè)接口的特點(diǎn)，在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)考慮到采用的語(yǔ)音處理芯片AD50和2407的時(shí)序，配置AD50為主動(dòng)模式，2407的SPI為從動(dòng)模式。AD50的基準(zhǔn)時(shí)序信號(hào)MCLK由DSP的系統(tǒng)時(shí)鐘輸出CLKOUT提供，AD50通過(guò)內(nèi)部的PLL分頻器將MCLK信號(hào)變成SCLK信號(hào)，SCLK信號(hào)即控制著串行數(shù)據(jù)流中字符內(nèi)部位與位之間的定時(shí)關(guān)系。由于AD50不是標(biāo)準(zhǔn)的串行外設(shè)接口，根據(jù) SPICLK端在從動(dòng)方式下正常工作所需接收的信號(hào)波形，將AD50的FS引腳經(jīng)非門引出，和SCLK相與，它們輸出的時(shí)序信號(hào)和SPI的SPICLK端相連以達(dá)到控制兩者時(shí)序同步的目的。

DSP和AD50的管腳時(shí)序圖如圖2所示：

圖2 SPI和AD50C主要引腳信號(hào)時(shí)序圖

由于AD50是SPI通信接口的主動(dòng)器件，為了更好地控制AD50，可將DSP的任意一個(gè)沒(méi)有用到的通用I/O端口作為AD50的使能口，和AD50的PWDOWN端口相連，通過(guò)這個(gè)通用I/O口來(lái)控制AD50的啟動(dòng)和關(guān)閉。SPI的使能端SPISTE所要求的使能信號(hào)可以由AD50的FSD端口獲得，通過(guò)對(duì)AD50的軟件初始化，將FSD輸出的使能信號(hào)略提前于一次通信的第一位數(shù)據(jù)的傳送時(shí)刻，即可以實(shí)現(xiàn)在AD50和SPI傳輸數(shù)據(jù)的前一時(shí)刻將SPI使能。

電路連接如圖3所示：

圖3 DSP和AD50的硬件連接原理圖

4.軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)要對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，首先要正確地初始化SPI和AD50。由于AD50屬于DSP的外圍器件,且不是標(biāo)準(zhǔn)的通信串口，所以不能象SPI一樣通過(guò)直接向各寄存器置入初始化值而完成，而必須在AD50的二次通信時(shí)將原來(lái)置于SPI輸出緩沖寄存器里的值，通過(guò)串行傳輸線送入AD50的串行輸入端，以完成對(duì)AD50的初始化。

SPI初始化如下：

LDP #DP_PF2

LACL MCRB

OR #003CH

；配置SPI各個(gè)引腳為特殊功能方式

LDP #DP_PF1

SPLK #000FH,SPICCR

；配置SPI寄存器允許初始化,16位數(shù)據(jù)輸出

SPLK #0003H,SPICTL

；從動(dòng)方式,時(shí)鐘方式為無(wú)延時(shí)的上升沿

SPLK #0002H,SPIBRR

；SPI波特率為10MHz (根據(jù)采樣率確定波特率)

SPLK #008FH,SPICCR

；初始化結(jié)束,并關(guān)閉初始化使能位

在初始化AD50過(guò)程中，首先向AD50的DIN端口發(fā)送0000H，確保第二次向AD50發(fā)送字符時(shí)，AD50處于一次通信，然后發(fā)送一個(gè)0001引發(fā)二次通信，再分四次把命令字寫入AD50，程序如下：

SPLK #0000H,SPIDAT

NOP

XMIT_RDY0:

；確保第二次向AD50發(fā)送字符時(shí)，AD50處于一次通信

BIT SPISTS,BIT6 ；等待數(shù)據(jù)

BCND XMIT_RDY1,NTC ；發(fā)送完

NOP

LACL SPIRXBUF

NOP

SPLK #0001H,SPIDAT ；開始初始化寄存器2

XMIT_RDY1:

BIT SPISTS,BIT6 ；等待數(shù)據(jù)

BCND XMIT_RDY1,NTC

；發(fā)送完,完成對(duì)AD的二次通信請(qǐng)求

NOP

LACL SPIRXBUF

NOP

SPLK #0210H,SPIDAT

；正式初始化寄存器2,(16 BIT ADC MODE )

XMIT_RDY1_1:

BIT SPISTS,BIT6

；等待數(shù)據(jù)

BCND XMIT_RDY1_1,NTC

；發(fā)送完,完成對(duì)寄存器2的初始化

NOP

LACL SPIRXBUF

SPI將它要發(fā)送的數(shù)據(jù)放在SPIDAT（一個(gè)移位寄存器）內(nèi)，當(dāng)SPI的使能引腳SPISTE變低，且SPICLK時(shí)鐘到來(lái)時(shí)，SPI便將SPIDAT內(nèi)的數(shù)據(jù)通過(guò)移位的方式移出該寄存器，同時(shí)也以移位的方式將AD50發(fā)送的串行數(shù)據(jù)移入該寄存器。接收完后，SPI將接收到的數(shù)據(jù)復(fù)制到接收緩沖器SPIRXBUF，并將中斷標(biāo)志位置為1。DSP可以通過(guò)查詢的方式不斷查詢這個(gè)位，當(dāng)其變?yōu)?時(shí)，即表明一次數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)結(jié)束，此時(shí)可以去處理這個(gè)數(shù)據(jù)。

軟件流程圖如圖4所示：

圖4 軟件流程圖

DSP對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，可依據(jù)需要設(shè)計(jì)一些濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波處理^[3]，如FIR、IIR、FFT等。采用以上的硬件電路設(shè)計(jì)使得濾波器的頻率可調(diào)，大大擴(kuò)展了該語(yǔ)音處理模塊的應(yīng)用范圍。

5.結(jié)語(yǔ)

本文在介紹基于DSP語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，著重分析了SPI口的通信原理，介紹了SPI工作時(shí)序的不同模式，并結(jié)合該語(yǔ)音模塊的設(shè)計(jì)，詳細(xì)說(shuō)明了SPI口在通信過(guò)程中的工作原理及軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。在該模塊上已實(shí)現(xiàn)了FIR、IIR、級(jí)聯(lián)型IIR及FFT等對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的濾波操作并取得了較好的效果。本語(yǔ)音模塊作為自主研發(fā)的《DSP綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)》設(shè)備中的語(yǔ)音傳輸模塊已成功用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

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