基于ADSP-BF531的數(shù)字音頻選擇系統(tǒng)

1 引言

隨著數(shù)字電路廣泛應用，廣播中的數(shù)字信號逐步取代傳統(tǒng)的模擬信號。本系統(tǒng)設計采用ADSP-BF531和EMP7128實現(xiàn)了廣播常用的AES3數(shù)字信號實時檢測和動態(tài)分配功能。

2系統(tǒng)功能簡介

音頻數(shù)字選擇系統(tǒng)是由母板、控制板和分配板組成。AES3信號分為10組，每組3路信號是由機箱直接輸入母板，母板再將每組信號分別送入10塊分配板。分配板對輸入信號進行解析，再根據(jù)用戶的要求選擇符合要求的信號輸出，并顯示當前各路信號的質(zhì)量。控制板與上位機相連，控制上位機各組信號輸出。

音頻數(shù)字選擇系統(tǒng)原理：接收3路AES3廣播信號，A路為主路，無特殊情況時為輸出信號。若A路出現(xiàn)無信號或信號電平過低等情況，系統(tǒng)將自動切換至B路。若B路有問題，切換至C路。若3路輸入信號均有問題，則輸出應急信號。應急信號由上位機提供。同時，上位機將實時監(jiān)控各路信號，并隨時切換。

本系統(tǒng)是由音頻信號分配模塊、控制模塊、上位機組成，如圖1所示。

本系統(tǒng)同時輸入10組30路信號，分別由10塊分配板卡完成信號分選。1塊控制板卡控制10塊分配板卡，并檢測其狀態(tài)，實現(xiàn)各分配板卡與上位機通信。

3 AES3信號分析

AES／EBU數(shù)字音頻接口標準采用一個雙相標識(Biphase mark)的調(diào)頻通道編碼調(diào)制串行數(shù)據(jù)，使之無直流(DC-Free)和自同步(Self-clocking)。調(diào)頻編碼中，每一個數(shù)據(jù)碼轉(zhuǎn)換為兩位通道碼，一位通道碼1引起傳輸信號的一次變化。未經(jīng)加工的串行數(shù)據(jù)不能直接通過電纜傳輸，必須調(diào)制(編碼)使之成為一種含有與碼值無關的時鐘信號波形。在接收器中，數(shù)據(jù)分離器電路能將傳輸信號鎖定在內(nèi)置時鐘并分離上音頻數(shù)字信號。AES3的幀格式如圖2所示。

4系統(tǒng)硬件設計

4.1分配板卡

分配板主要包括CS8420、MAX3095、ADSP-BF531以及CPLD等器件，分配板卡信號電路連接如圖3所示。

輸入信號進入板卡后，首先進入數(shù)字音頻采樣率轉(zhuǎn)換器CS8420。CS8420不但町以在不影響信號流的情況下提取AES3信號，而且能夠改變信號采樣速率。CS8420需要由ADSP-BF531從SPI接口通過CPLD進行初始化，其片內(nèi)有128個控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，前14個為控制寄存器。CS8420必須在系統(tǒng)上電后初始化才能正常工作。CS8420內(nèi)部寄存器時序有很大不同，如圖4所示，讀取CS8420寄存器時，1個SPI周期需接收16位數(shù)據(jù)即可讀取CS8420內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)。完全與ADSP-BF531的SPI接口相匹配。在寫入CS8420寄存器時，1個SPI周期需接收24位數(shù)據(jù)才能寫入數(shù)據(jù)。而ADSP-BF531的SPI接口1個周期最多發(fā)送16位數(shù)據(jù)，因此對于CS8420的寫操作，ADSP-BF531必須發(fā)送兩次數(shù)據(jù)。CPLD修正其片選信號，才能完成寫操作。CS8420初始化后，開始對輸入信號解碼。可通過兩種方式輸出解碼信號，即SPI接口和同步串口輸出方式。這里采用后者輸出解碼信號，再輸入CPLD，并進入ADSP-BF531。由于存在3路輸入音頻信號，所以需要3片CS8420。這些CS8420分別將解碼信號送人CPLD，再由CPLD分時送入ADSP-BF531的SPORT端口。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理采用Blackfin531。Blackfin531處理器內(nèi)核包含2個16位乘法器，2個40位的累加器，2個40位的ALU，4個視頻ALU和1個40位移位器。DSP內(nèi)核時鐘(CCLK)和系統(tǒng)外設時鐘(SCLK)可由輸入時鐘(CLKIN)信號獲得。用戶編程的倍頻因子，可使片上PLL倍頻CLKIN信號。內(nèi)核時鐘最高可達300 MHz，系統(tǒng)外設時鐘最高可達133 MHz，為了達到實時性，系統(tǒng)把內(nèi)核時鐘倍頻至300 MHz。

系統(tǒng)中ADSP-BF531所使用資源包括2個定時器、UART、SPI端口、SPORT端口。系統(tǒng)初始化后，ADSP-BF531首先設置PLL，倍頻輸入時鐘．產(chǎn)生內(nèi)核時鐘和系統(tǒng)外設時鐘。然后初始化內(nèi)部總線、SPI端口、UART、SPORT端口、設置中斷。接著通過SPI端口初始化CS8420。然后控制CPLD選通主路，進入信號檢測、分選狀態(tài)。ADSP-BF531擁有16個功能強大的PF引腳，既可作為I／O引腳，也可作為中斷。由于系統(tǒng)涉及到控制信號，所以采用PF作為控制引腳。對CPLD中數(shù)據(jù)分時提取，控制信號分選。

ADSP-BF531需要完成以下功能：

(1)通過同步串口采集由CPLD輸出的音頻信號，并對其電平比較。由SPORT端口分時接收CPLD送來的3路信號的質(zhì)量數(shù)據(jù)，并在定時器設置的時間內(nèi)存儲最大值，即音頻信號的最大電平。

(2)由電平比較后的結(jié)果和各開關的狀態(tài)決定選擇相應的通道作為輸出，同時記錄狀態(tài)，并將其輸入CPLD。從CPLD讀取外部控制開關狀態(tài)。觸發(fā)定時器1，檢測存儲的最大電平是否達到外部開關標準，如果沒有達到，當前通道點亮報警燈，并通過UART向控制板發(fā)送報警信號。同時觸發(fā)定時器2，設置報警時間。如果在觸發(fā)定時器2之前，信號達到要求，則關閉報警燈，恢復報警前狀態(tài)；如果信號電平低于所需電平，根據(jù)控制開關，將輸出切換到另一路信號，同時點亮該路信號指示燈。

(3)通過UART與控制板通信，及時應答控制板查詢，上報當前狀態(tài)。ADSP-BF531通過UART與控制板通信，便于用戶查詢和控制。為防止沖突，信號分配板只能應答控制板發(fā)送的信號，而不能向控制板發(fā)送數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)采用AT49BV163作為ADSP-BF531的加載器件。該Flash具有1 M×16的內(nèi)存空間，系統(tǒng)上電時為ADSP-BF531提供加載程序。

系統(tǒng)選取Alter公司的MAX7000S系列的EPM7128，實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)分時提取、信號、分選、讀取控制開關信息、控制指示燈。系統(tǒng)控制開關和指示燈的讀取、控制由ADSP-BF531的數(shù)據(jù)總線控制。由于MAX3095可同時將4路差分信號轉(zhuǎn)換成普通信號，因此，系統(tǒng)將3路輸入的音頻差分信號轉(zhuǎn)化成普通信號，再送入CPLD EPM7128。分配板卡由外部電源提供5 V直流電源，通過電源轉(zhuǎn)換器將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V和1.2 V電壓，分別為ADSP-BF531和Flash AT49BV163供電。

4.2控制板卡

控制板卡有1路音頻輸入，為應急信號。將應急信號輸出至各分配板卡。當分配板卡的3路信號均達不到要求時，輸出應急信號。控制板卡信號電路連接如圖5所示。

控制板卡除了監(jiān)視應急音頻狀態(tài)，實現(xiàn)與上位機和各分配板卡的通信。音頻信號處理部分與分配板卡類似。由于ADSP-BF531中只有一個UART，且與上位機和分配板卡的通信都是即時的，無法復用。因此采用ADSP-BF531的UART與上位機通信。而用數(shù)據(jù)總線在CPLD中進行并口與串口轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)與各分配板卡的通信。

CPLD實現(xiàn)控制板卡與分配板卡的通信。并口轉(zhuǎn)換串口時，每次通信ADSP-BF531向CPLD發(fā)送16位并行數(shù)據(jù)，低8位為串口數(shù)據(jù)，通過觸發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)；高8位的低4位決定發(fā)送到具體的分配板，由此判斷選通信號，并按一定波特率將串口數(shù)據(jù)發(fā)送至相應通道。串口轉(zhuǎn)換并口時，首先模擬相應波特率時鐘，以此時鐘對引腳采樣，當檢測到串口起始位時，存儲采樣數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)及通道狀態(tài)送人與ADSP-BF531并口相連的引腳。并對ADSP-BF531的PF相連的引腳置位，觸發(fā)ADSP-BF531中斷，讀取并口數(shù)據(jù)。

4.3DSP程序

ADSP-BF531程序初始化后，主程序隨時接收由SPORT端口送人的解碼音頻信號，并存儲最大電平值，同時打開UART中斷和、TIMER0中斷。在TIMER0中斷中(本系統(tǒng)初始化設置為10 ms)，處理存儲數(shù)據(jù)并提取狀態(tài)，如不滿足要求則打開TIMER1中斷(本系統(tǒng)初始化設置為6 s)，跳回主程序繼續(xù)檢測，如在相應TIMER1中斷時還不滿足要求，則進行切換。UART中斷完成控制板與上位機的數(shù)據(jù)交換。

各子程序模塊功能介紹：主程序模塊main()初始化系統(tǒng)與各種接口，檢測記錄電平，監(jiān)控狀態(tài)，等待中斷發(fā)生。Timer0中斷子程序模塊EX_INTERRUPT_HANDLER(Timer0_ISR)用于處理存儲數(shù)據(jù)并提取狀態(tài)功能。Timer1中斷子程序模塊EX_INTERRUPT_HANDLER(Timer1_ISR)完成在設定的延時中，檢測電平判斷是否切換功能。異步串口中斷子程序模塊EX_INTERRUPT_HANDLER(Uart_ISR)實現(xiàn)接收上位機及控制板卡信號功能。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用先進的音頻多速率轉(zhuǎn)換器CS8420以及高性能嵌入式處理器ADS-BF531，實現(xiàn)多路數(shù)字音頻信號的自動檢測和選取。本系統(tǒng)已在試用，結(jié)果表明，該系統(tǒng)分析準確，轉(zhuǎn)換速度快，工作穩(wěn)定，適用于廣播發(fā)射臺。