基于DSP的聲音信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湖南工學(xué)院 俞 斌

1.引言

在智能交通系統(tǒng)的眾多交通信息中，交通流特征參數(shù)信息是最根本的，它們通過車輛檢測(cè)器來獲取，這些特征參數(shù)的檢測(cè)數(shù)據(jù)是交通管理部門制定政策、采取措施和對(duì)交通設(shè)施進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)的最為科學(xué)、客觀的依據(jù)。本論文將聲信號(hào)、大地振動(dòng)信號(hào)作為測(cè)量和研究的對(duì)象，突破現(xiàn)有交通信息檢測(cè)的固有思路，開辟了交通信息檢測(cè)技術(shù)研究的新領(lǐng)域，對(duì)高速公路管理部門及時(shí)掌握高速公路交通流信息，快速地做出處理、救援、管理決策，減少事件造成的直接、間接損失，提高高速公路運(yùn)營(yíng)效率具有重大意義。在國(guó)內(nèi)用聲學(xué)信號(hào)對(duì)交通流特征進(jìn)行處理的研究尚未見到報(bào)道。國(guó)際上只有日本在把聲音信號(hào)作為對(duì)交通事故中視頻信號(hào)的啟動(dòng)信號(hào)（在撞擊和緊急剎車過程中產(chǎn)生了大強(qiáng)度，頻率范圍很大的聲音信號(hào)，通過處理后可以作為為視頻系統(tǒng)的啟動(dòng)信號(hào)）。美國(guó)用于軍事上的智能地雷系統(tǒng)，其中的地雷裝有聲音處理裝置，能夠分辨敵我車型，使地雷具有智能化。而應(yīng)用語音信號(hào)對(duì)于交通流特征進(jìn)行提取，具有很強(qiáng)的新穎性，較高的學(xué)術(shù)價(jià)值及應(yīng)用價(jià)值。本文介紹的就是基于DSP的聲音采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖1所示。主要包括數(shù)字信號(hào)采集與處理模塊，信號(hào)傳輸模塊，邏輯控制和地址轉(zhuǎn)換模塊。本系統(tǒng)中央處理器選TI公司的TMS32OVC54O2DSP芯片，它具有先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)（1條程序總線、3條數(shù)據(jù)總線和4條地址總線）；4O位算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU），包括1個(gè)4O位桶形移位寄存器和2個(gè)獨(dú)立的4O位累加器；比較、選擇、存儲(chǔ)單元（CSSU），用于加法/比較選擇；指數(shù)編碼器，可以在單個(gè)周期內(nèi)計(jì)算4O位累加器中數(shù)值的指數(shù)；雙地址生成器，包括8個(gè)輔助寄存器和2個(gè)輔助寄存器算術(shù)運(yùn)算單元（ARAR）；單指令重復(fù)和塊指令重復(fù)操作；塊存儲(chǔ)器傳送指令；32位長(zhǎng)操作數(shù)指令；同時(shí)讀入2或3個(gè)操作數(shù)指令；能并行存儲(chǔ)和并行加載的算術(shù)指令；條件存儲(chǔ)指令；從中斷快速返回指令等特點(diǎn)，完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

2.1 數(shù)字信號(hào)采集與處理模塊

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 TTAG接口電路示意圖

上位機(jī)與目標(biāo)DSP芯片的通信，通過JTAG接口來實(shí)現(xiàn)。JTAG接口通過瑞泰公司的仿真器與微機(jī)的并行接口連接，通過仿真器自帶的CCS仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，這種連接方式對(duì)DSP目標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能沒有較大的影響，能夠保證測(cè)量系統(tǒng)調(diào)試時(shí)的方便性和可靠性。JTAG的接口電路比較簡(jiǎn)單，只需要根據(jù)仿真器上JTAG接口引腳對(duì)應(yīng)連接即可，具體形式如圖2所示。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊利用的是TI公司生產(chǎn)的THS1OO64，它采用的是CMOS結(jié)構(gòu)、1O位精度、6MIPS采樣率，可同時(shí)對(duì)四個(gè)單通道信號(hào)或兩組差分信號(hào)進(jìn)行采樣；可工作于循環(huán)掃描方式對(duì)2、3或4個(gè)通道的信號(hào)進(jìn)行采樣；低功耗，最大功耗僅為216mW；內(nèi)部參考電壓和外部參考電壓可選；微分非線性度1LSB；積分非線性度1LSB；工業(yè)溫度級(jí)；采用的是TSSOP封裝形式，能夠縮小系統(tǒng)體積；與DSP能夠直接相連，無需電壓轉(zhuǎn)換芯片。DSP與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片A/D的具體連接如圖3所示，圖中的邏輯運(yùn)算由可編程邏輯器件CPLD實(shí)現(xiàn)。A/D芯片的時(shí)鐘由TMS32OVC54O2的多通道緩沖串行口MCBSP的時(shí)鐘輸出引腳

BCLKXO提供，而BCLKXO的時(shí)鐘頻率可通過軟件編程的方式設(shè)置，這樣，即使A/D工作在6MHz時(shí)鐘情況下，DSP仍能最高工作在1OOMHz的頻率上，不影響對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理，同時(shí)，由于A/D中有一個(gè)16字的FIFO，通過A/D內(nèi)部的控制寄存器，可以減少DSP與A/D通信的次數(shù)，如每采樣8或12個(gè)數(shù)值（存入FIFO），觸發(fā)DSP與A/D進(jìn)行通信，所以高速工作的DSP仍能與A/D通信，同時(shí)不影響DSP正常工作。

圖3 DSP與THS10064的連接圖

圖4 CPLD與DSP連接圖

圖5 CPLD與存儲(chǔ)器的連接圖

圖6 CPLD與USB接口芯片圖

圖7 USB接口芯片與EEPROM連接圖

圖8 USB接口芯片與上位機(jī)連接

2.2 邏輯轉(zhuǎn)換和地址粘合部分

本系統(tǒng)中的邏輯轉(zhuǎn)換由Xilinx公司的CPLD XC95144完成，同時(shí)，其也包括信號(hào)采集邏輯，還包括了與USB接口芯片CY7C68O13與DSP的地址粘合問題。邏輯控制部分在Xilinx公司集成開發(fā)環(huán)境ISE中運(yùn)行，以原理圖方式設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)的好處是最符合電路設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，需要注意的是以這種方式設(shè)計(jì)出來的電路進(jìn)度慢，只適合比較小的控制電路。由CPLD連接DSP的控制信號(hào)，讓其與儲(chǔ)存器，A/D，USB接口芯片實(shí)現(xiàn)邏輯連接，如圖4、5、6所示。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸部分

USB控制器CY7C68O13內(nèi)置增強(qiáng)型51單片機(jī)。CY7C68O13固件程序燒寫在E2PROM中，該器件選用的是型號(hào)為24LC64的EEPROM，其容量為8K字，在信號(hào)傳輸時(shí)采用philips公司的I2C協(xié)議。CY7C68O13在KeiluVision2環(huán)境下就可實(shí)現(xiàn)對(duì)其燒寫。其與USB接口芯片連接方式如圖7所示。

EZ-USB FX2芯片包括1個(gè)8O51處理器、一個(gè)串行接口引擎（SIE）、1個(gè)USB收發(fā)器、8KB片上RAM，4KB FIFO存儲(chǔ)器以及一個(gè)通用可編程接口（GPIF），F(xiàn)X2 是一個(gè)全面解決方案，它占用更少的電路板空間，并縮短開發(fā)時(shí)間。由于CY7C68O13的獨(dú)特架構(gòu)，使其滿足USB收發(fā)器＋SIE＋MCU結(jié)構(gòu)，能夠完成從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層到應(yīng)用層的連接。CY7C68O13與計(jì)算機(jī)用USB口連接，其連接方式如圖8所示。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)、邏輯電路的軟件設(shè)計(jì)、信號(hào)采集模塊的軟件設(shè)計(jì)和USB接口程序設(shè)計(jì)等4個(gè)部分。下面簡(jiǎn)要介紹一下測(cè)量系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)過程。

測(cè)量系統(tǒng)的程序編寫主要包括DSP初始化程序、A/D初始化程序、與上位機(jī)通信程序、DSP預(yù)處理程序等。所有這些程序都存放在DSP的外擴(kuò)FLASH中，系統(tǒng)上電后，程序自動(dòng)加載到DSP中執(zhí)行。這些程序的編寫是在CCS2.O軟件環(huán)境下，通過北京瑞泰創(chuàng)新公司的仿真器進(jìn)行調(diào)試。

測(cè)量系統(tǒng)上電后，F(xiàn)LASH中的系統(tǒng)程序自動(dòng)加載到DSP中，系統(tǒng)開始運(yùn)行，主機(jī)運(yùn)行主機(jī)端程序，二者通過微機(jī)串口進(jìn)行通信。DSP的初始化程序?qū)ο到y(tǒng)必需的寄存器和標(biāo)志位設(shè)置初始值，如狀態(tài)寄存器STO和ST1、處理器模式狀態(tài)寄存器PMST、時(shí)鐘模式寄存器、中斷標(biāo)志寄存器IFR、中斷屏蔽寄存器IMR等，同時(shí)對(duì)多通道緩沖串行口MCBSP進(jìn)行初始化，設(shè)置串口時(shí)鐘的輸出頻率，供A/D轉(zhuǎn)換器使用；然后測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)入采集處理狀態(tài)，當(dāng)一組數(shù)據(jù)采集完之后，DSP對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，判斷是否為有效數(shù)據(jù).將其存入RAM中，由CPLD控制，通過USB芯片，轉(zhuǎn)入上位機(jī)中。

4.結(jié)束語

本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的新穎性，對(duì)高速公路管理部門及時(shí)掌握高速公路交通流信息，快速地做出處理、救援、管理決策，減少事件造成的直接、間接損失，提高高速公路運(yùn)營(yíng)效率具有重大意義。

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