基于TMS320LF2407 DSP控制器語音模塊的設(shè)計

摘  要：本文著重介紹了DSP芯片的SPI同步串行接口及SPI與語音轉(zhuǎn)換芯片AD50的通信方式，給出了硬件電路設(shè)計。針對AD50的特點，軟件設(shè)計時通過DSP的SPI口對其進行初始化配置，使其正常工作。DSP在內(nèi)部對語音信號予以處理并通過AD50輸出。
關(guān)鍵字：  數(shù)字信號處理器DSP   同步串行接口SPI  語音模塊　AD50的初始化

隨著信息技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP技術(shù)也正以日新月異的速度應(yīng)用到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。TMS320LF240X系列DSP是美國德州儀器（TI）公司推出的一款16位定點數(shù)字信號處理器，它采用程序總線、數(shù)據(jù)總線分別獨立并具有多條總線的哈佛結(jié)構(gòu)體系，其數(shù)據(jù)和程序有各自獨立的存儲空間，這樣的結(jié)構(gòu)使數(shù)據(jù)吞吐率有很大提高；芯片內(nèi)部包含多個處理單元；16×16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、譯碼和處理可同時進行，從而減少了指令執(zhí)行時間，增強了DSP的處理能力；具有強大的內(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、實時性的數(shù)據(jù)處理應(yīng)用系統(tǒng)。

對于某一控制任務(wù)可能需要多個DSP相互合作完成或DSP作為主控制器來控制其他外圍器件，這樣DSP就需要和其他控制器頻繁交換數(shù)據(jù)，此時，我們可以通過SPI口進行器件之間的高速數(shù)據(jù)交換，這種通信方式比起通過串行通訊接口（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）是一個高速同步串行輸入/輸出(I/O)口，它能使可編程長度(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4根線來完成通信^[1]，即：時鐘線(SPICLK)，主機輸出/從機輸入線（SPISIMO）,主機輸入/從機輸出線（SPISOMI），SPI從發(fā)送使能        。它主要用于主從式系統(tǒng)中，一個主控制器可以帶動幾個從器件，或者一個主控制器可以和幾個其他控制器構(gòu)成多機系統(tǒng)，從器件的時鐘是由主機給出，主機通過從發(fā)送使能信號來使同一時刻只有一個從器件和主機交換數(shù)據(jù)。從器件只有在主機發(fā)送命令時才向主機傳送數(shù)據(jù)。

SPI主機和從機連接如下：

圖1 SPI主從機硬件連接

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

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

模式1――上升沿觸發(fā)有延時：上升沿前半個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2――下降沿觸發(fā)無延時：下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，緊接的上升沿接收數(shù)據(jù)。

模式3――下降沿觸發(fā)有延時：下降沿前半個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來選擇一個工作模式。

3. 硬件電路設(shè)計

語音模塊的硬件電路設(shè)計必須保證語音信號輸出的實時性，這里我們采用TI DSP系列的TMS320LF2407（以下簡稱2407），它高達30MIPS的處理能力足以滿足語音的實時要求。語音采集和輸出芯片采用的是TLC320AD50C^[2] （以下簡稱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轉(zhuǎn)換器。語音信號實時處理系統(tǒng)的主要功能是將話音通過MIC輸入，然后經(jīng)過差分放大、模擬帶通濾波后，輸入AD50，經(jīng)采樣，將數(shù)據(jù)再送入DSP中進行處理，最后再將處理完的語音數(shù)據(jù)經(jīng)DAC，放大輸出，最后驅(qū)動喇叭發(fā)聲。

AD50是差分器件，從MIC輸入的信號Vaudio經(jīng)集成運放后變?yōu)椴罘州斎?N*Vaudio，在對模擬信號進行數(shù)據(jù)采集以前，需要經(jīng)過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)計了通帶范圍為300Hz～3400Hz的帶通濾波器。該濾波器由兩級二階低通、兩級二階高通級聯(lián)組成，采用多級反饋形式，具有巴特沃斯（butterworth）帶內(nèi)平坦的特性，這樣可保證300～3400Hz的語音信號不失真地通過濾波器，不僅濾除帶外的低頻信號，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)計中AD50的功能實現(xiàn)是通過對其內(nèi)部的4個寄存器進行編程來完成的，對這4個寄存器的訪問與其他一些接口電路有所不同，它不是通過地址線選通寄存器，而是通過串行輸入口（DIN）在二次通信的時刻將控制字輸入到AD50中，對4個寄存器進行初始化。通過這種串行接口的初始化，可以達到對AD50進行編程的目的，可編程的功能還包括：復(fù)位、掉電、通信協(xié)議、信號采樣率、增益控制等。

AD50和DSP交換數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)流和控制流在串行線上一位一位的傳輸，我們通過分時復(fù)用傳輸線即一次串行通信和請求二次串行通信的方法來分辨是數(shù)據(jù)流還是控制流。使一次通信時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)出了二次通信的請求。在二次通信過程中，16位控制字DIN引腳輸入到AD50中來，對它的4個寄存器進行寫操作，從而實現(xiàn)AD50的各個可編程控制。 基于SPI串行外設(shè)接口的特點，在硬件電路設(shè)計時考慮到采用的語音處理芯片AD50和2407的時序，配置AD50為主動模式，2407的SPI為從動模式。AD50的基準時序信號MCLK由DSP的系統(tǒng)時鐘輸出CLKOUT提供，AD50通過內(nèi)部的PLL分頻器將MCLK信號變成SCLK信號，SCLK信號即控制著串行數(shù)據(jù)流中字符內(nèi)部位與位之間的定時關(guān)系。由于AD50不是標準的串行外設(shè)接口，根據(jù) SPICLK端在從動方式下正常工作所需接收的信號波形，將AD50的FS引腳經(jīng)非門引出，和SCLK相與，它們輸出的時序信號和SPI的SPICLK端相連以達到控制兩者時序同步的目的。

DSP和AD50的管腳時序圖如圖2所示：

圖2  SPI和AD50C主要引腳信號時序圖

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

當系統(tǒng)要對語音信號進行處理時，首先要正確地初始化SPI和AD50。由于AD50屬于DSP的外圍器件,且不是標準的通信串口，所以不能象SPI一樣通過直接向各寄存器置入初始化值而完成，而必須在AD50的二次通信時將原來置于SPI輸出緩沖寄存器里的值，通過串行傳輸線送入AD50的串行輸入端，以完成對AD50的初始化。

SPI初始化如下：

LDP   #DP_PF2          

LACL  MCRB

OR    #003CH            

；配置SPI各個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     

；從動方式,時鐘方式為無延時的上升沿

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，AD50處于一次通信，然后發(fā)送一個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，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AD的二次通信請求

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（一個移位寄存器）內(nèi)，當SPI的使能引腳SPISTE變低，且SPICLK時鐘到來時，SPI便將SPIDAT內(nèi)的數(shù)據(jù)通過移位的方式移出該寄存器，同時也以移位的方式將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，并將中斷標志位置為1。DSP可以通過查詢的方式不斷查詢這個位，當其變?yōu)?時，即表明一次數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)結(jié)束，此時可以去處理這個數(shù)據(jù)。

軟件流程圖如圖4所示：

圖4  軟件流程圖

DSP對語音信號進行處理時，可依據(jù)需要設(shè)計一些濾波器對其進行濾波處理^[3]，如FIR、IIR、FFT等。采用以上的硬件電路設(shè)計使得濾波器的頻率可調(diào)，大大擴展了該語音處理模塊的應(yīng)用范圍。

5.結(jié)語

本文在介紹基于DSP語音模塊設(shè)計的基礎(chǔ)上，著重分析了SPI口的通信原理，介紹了SPI工作時序的不同模式，并結(jié)合該語音模塊的設(shè)計，詳細說明了SPI口在通信過程中的工作原理及軟硬件實現(xiàn)方案。在該模塊上已實現(xiàn)了FIR、IIR、級聯(lián)型IIR及FFT等對語音信號的濾波操作并取得了較好的效果。本語音模塊作為自主研發(fā)的《DSP綜合實驗系統(tǒng)》設(shè)備中的語音傳輸模塊已成功用于教學(xué)實驗中。

參考文獻

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[2] 高鍵鍵,基于DSP語音信號采集和傳輸?shù)膽?yīng)用研究:[學(xué)位論文].北京:北京化工大學(xué),2003
[3] 程佩青.數(shù)字信號處理教程（第二版）.北京：清華大學(xué)出版社.2001