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DSP与MATLAB的语音数据采集和处理系统设计方案
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2017-10-26
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1 引言
目前迅速发展的数字信号处理器已在数据采集、通信及多媒体等领域中得到广泛的应用。本系统采用TI公司16位定点高速芯片TMS320C5410和专用语音采集芯片TLC320AD50进行数据采集和相关滤波、压缩处理，并将最终的数据流经串口送入计算机。在计算机中使用MATLAB控制串口接收数据并完成解压、回放、编码、通信仿真等处理。
2 硬件接口电路
2.1 TMS320C5410外部扩展电路
TMS320C5410是TI公司于1996年推出的定点数字信号处理器。它运行速度快，单周期定点指令执行时间10ns或8.3ns，远大于语音采集和处理的要求。另外它采用修正的哈佛结构，程序与数据分开存放，内部具有8条高度并行性的总线。其中，一组程序总线，三组16位数据总线和四组地址总线。允许数据存放在程序存储器中，并被算术指令直接使用，大大提高了运行速度和灵活性。CPU具有40位算术逻辑单元，两个独立的40位累加器，17×17位并行乘法器，一个40位桶形移位寄存器、8个辅助寄存器、2个辅助寄存器算术逻辑单元。最大可有8M字可寻址程序存储空间，可访问的数据存储空间有64K字，I/O存储器空间有64KB。其中片内64KB的RAM包括两块2KB的DARAM，七块8KB的SARAM以及片内16KB的ROM配置位程序存储器。片上集成一个16位定时器、软件可编程等待状态发生器、六通道直接存储器访问（DMA）控制器、三个多通道缓冲串口（McBSP）以及一个8位增强型主机接口（HPI8）。
图1为DSP与存储器的接口电路，其中PS、DS、IS分别为程序、数据和I/O空间选择信号。MSTRB、IOSTRB分别为存储器和I/O选通信号。
另外，由于FLASH存储器与EPROM相比有更高的性价比，而且体积小，功耗低，可电擦写，使用较方便。因此，本系统也扩展了一片FLASH存储器，图2为DSP与FLASH的接口电路。FLASH芯片为AMD公司的AM29LV400B，该芯片为单电源供电，支持整片擦除，每个分区有保护，避免意外擦除，并且使用寿命很长。
2.2 TMS320C5410与TLC320AD50的接口电路
AD转换是本系统的重要组成部分，要着重考虑转换精度和抗干扰问题。本系统所用AD和DA转换芯片为TI公司的TLC320AD50，它在一个封装中集成了两种功能，可同时进行AD和DA转换。图3为TMS320C5410和TLC320AD50的接口电路。
AD50采用16位过采样sigma-delta技术，以8K的采样率对输入的语音信号进行采样、量化，按同步串行方式传给5410进行处理。AD50向CPU发出帧同步和移位时钟信号来控制数据的串行传输。在此需说明一下，本系统主要用来将语音信号通过AD转换采集进来，然后串行发送给PC，在PC中用MATLAB接收信号并进行处理。整个过程中DA转换并不在信号处理的主要流程中，DA转换只是用来验证采集数据时所用到的滤波、压缩算法的正确性与合理性。所以，在编写系统软件时并没有将DA转换写入。此外，把DA转换加进来也是为了丰富系统硬件资源利于今后进行功能扩展。
2.3 TMS320C5410与PC机的串口通信
本系统采用MAX232E构成5410与PC间的通信接口。MAXIM公司的MAX232E采用单5V电源供电，使用时只需外接4个电容就能完成TTL与RS232间的电平和逻辑关系的转换。经过DSP系统处理的语音信号通过串口以9600b/s的速率送入计算机，在计算机中通过MATLAB控制串口接收数据，并且利用MATLAB强大的数据处理能力对语音信号进行处理。
目前迅速发展的数字信号处理器已在数据采集、通信及多媒体等领域中得到广泛的应用。本系统采用TI公司16位定点高速芯片TMS320C5410和专用语音采集芯片TLC320AD50进行数据采集和相关滤波、压缩处理，并将最终的数据流经串口送入计算机。在计算机中使用MATLAB控制串口接收数据并完成解压、回放、编码、通信仿真等处理。
2 硬件接口电路
2.1 TMS320C5410外部扩展电路
TMS320C5410是TI公司于1996年推出的定点数字信号处理器。它运行速度快，单周期定点指令执行时间10ns或8.3ns，远大于语音采集和处理的要求。另外它采用修正的哈佛结构，程序与数据分开存放，内部具有8条高度并行性的总线。其中，一组程序总线，三组16位数据总线和四组地址总线。允许数据存放在程序存储器中，并被算术指令直接使用，大大提高了运行速度和灵活性。CPU具有40位算术逻辑单元，两个独立的40位累加器，17×17位并行乘法器，一个40位桶形移位寄存器、8个辅助寄存器、2个辅助寄存器算术逻辑单元。最大可有8M字可寻址程序存储空间，可访问的数据存储空间有64K字，I/O存储器空间有64KB。其中片内64KB的RAM包括两块2KB的DARAM，七块8KB的SARAM以及片内16KB的ROM配置位程序存储器。片上集成一个16位定时器、软件可编程等待状态发生器、六通道直接存储器访问（DMA）控制器、三个多通道缓冲串口（McBSP）以及一个8位增强型主机接口（HPI8）。
图1为DSP与存储器的接口电路，其中PS、DS、IS分别为程序、数据和I/O空间选择信号。MSTRB、IOSTRB分别为存储器和I/O选通信号。
另外，由于FLASH存储器与EPROM相比有更高的性价比，而且体积小，功耗低，可电擦写，使用较方便。因此，本系统也扩展了一片FLASH存储器，图2为DSP与FLASH的接口电路。FLASH芯片为AMD公司的AM29LV400B，该芯片为单电源供电，支持整片擦除，每个分区有保护，避免意外擦除，并且使用寿命很长。
2.2 TMS320C5410与TLC320AD50的接口电路
AD转换是本系统的重要组成部分，要着重考虑转换精度和抗干扰问题。本系统所用AD和DA转换芯片为TI公司的TLC320AD50，它在一个封装中集成了两种功能，可同时进行AD和DA转换。图3为TMS320C5410和TLC320AD50的接口电路。
AD50采用16位过采样sigma-delta技术，以8K的采样率对输入的语音信号进行采样、量化，按同步串行方式传给5410进行处理。AD50向CPU发出帧同步和移位时钟信号来控制数据的串行传输。在此需说明一下，本系统主要用来将语音信号通过AD转换采集进来，然后串行发送给PC，在PC中用MATLAB接收信号并进行处理。整个过程中DA转换并不在信号处理的主要流程中，DA转换只是用来验证采集数据时所用到的滤波、压缩算法的正确性与合理性。所以，在编写系统软件时并没有将DA转换写入。此外，把DA转换加进来也是为了丰富系统硬件资源利于今后进行功能扩展。
2.3 TMS320C5410与PC机的串口通信
本系统采用MAX232E构成5410与PC间的通信接口。MAXIM公司的MAX232E采用单5V电源供电，使用时只需外接4个电容就能完成TTL与RS232间的电平和逻辑关系的转换。经过DSP系统处理的语音信号通过串口以9600b/s的速率送入计算机，在计算机中通过MATLAB控制串口接收数据，并且利用MATLAB强大的数据处理能力对语音信号进行处理。
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