基于DSP的聲音信號采集系統設計

湖南工學院 俞 斌

1.引言

在智能交通系統的眾多交通信息中，交通流特征參數信息是最根本的，它們通過車輛檢測器來獲取，這些特征參數的檢測數據是交通管理部門制定政策、采取措施和對交通設施進行規劃、設計的最為科學、客觀的依據。本論文將聲信號、大地振動信號作為測量和研究的對象，突破現有交通信息檢測的固有思路，開辟了交通信息檢測技術研究的新領域，對高速公路管理部門及時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，提高高速公路運營效率具有重大意義。在國內用聲學信號對交通流特征進行處理的研究尚未見到報道。國際上只有日本在把聲音信號作為對交通事故中視頻信號的啟動信號（在撞擊和緊急剎車過程中產生了大強度，頻率范圍很大的聲音信號，通過處理后可以作為為視頻系統的啟動信號）。美國用于軍事上的智能地雷系統，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。而應用語音信號對于交通流特征進行提取，具有很強的新穎性，較高的學術價值及應用價值。本文介紹的就是基于DSP的聲音采集系統的設計。

2.硬件系統設計

本系統的硬件原理框圖如圖1所示。主要包括數字信號采集與處理模塊，信號傳輸模塊，邏輯控制和地址轉換模塊。本系統中央處理器選TI公司的TMS32OVC54O2DSP芯片，它具有先進的多總線結構（1條程序總線、3條數據總線和4條地址總線）；4O位算術邏輯運算單元（ALU），包括1個4O位桶形移位寄存器和2個獨立的4O位累加器；比較、選擇、存儲單元（CSSU），用于加法/比較選擇；指數編碼器，可以在單個周期內計算4O位累加器中數值的指數；雙地址生成器，包括8個輔助寄存器和2個輔助寄存器算術運算單元（ARAR）；單指令重復和塊指令重復操作；塊存儲器傳送指令；32位長操作數指令；同時讀入2或3個操作數指令；能并行存儲和并行加載的算術指令；條件存儲指令；從中斷快速返回指令等特點，完全滿足系統的設計需要。

2.1 數字信號采集與處理模塊

圖1 系統原理框圖

圖2 TTAG接口電路示意圖

上位機與目標DSP芯片的通信，通過JTAG接口來實現。JTAG接口通過瑞泰公司的仿真器與微機的并行接口連接，通過仿真器自帶的CCS仿真軟件進行系統調試，這種連接方式對DSP目標系統的實時性能沒有較大的影響，能夠保證測量系統調試時的方便性和可靠性。JTAG的接口電路比較簡單，只需要根據仿真器上JTAG接口引腳對應連接即可，具體形式如圖2所示。

本系統的數據采集模塊利用的是TI公司生產的THS1OO64，它采用的是CMOS結構、1O位精度、6MIPS采樣率，可同時對四個單通道信號或兩組差分信號進行采樣；可工作于循環掃描方式對2、3或4個通道的信號進行采樣；低功耗，最大功耗僅為216mW；內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；工業溫度級；采用的是TSSOP封裝形式，能夠縮小系統體積；與DSP能夠直接相連，無需電壓轉換芯片。DSP與模數轉換芯片A/D的具體連接如圖3所示，圖中的邏輯運算由可編程邏輯器件CPLD實現。A/D芯片的時鐘由TMS32OVC54O2的多通道緩沖串行口MCBSP的時鐘輸出引腳

BCLKXO提供，而BCLKXO的時鐘頻率可通過軟件編程的方式設置，這樣，即使A/D工作在6MHz時鐘情況下，DSP仍能最高工作在1OOMHz的頻率上，不影響對采集數據的處理，同時，由于A/D中有一個16字的FIFO，通過A/D內部的控制寄存器，可以減少DSP與A/D通信的次數，如每采樣8或12個數值（存入FIFO），觸發DSP與A/D進行通信，所以高速工作的DSP仍能與A/D通信，同時不影響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接口芯片與上位機連接

2.2 邏輯轉換和地址粘合部分

本系統中的邏輯轉換由Xilinx公司的CPLD XC95144完成，同時，其也包括信號采集邏輯，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公司集成開發環境ISE中運行，以原理圖方式設計。這種設計的好處是最符合電路設計的預期效果，需要注意的是以這種方式設計出來的電路進度慢，只適合比較小的控制電路。由CPLD連接DSP的控制信號，讓其與儲存器，A/D，USB接口芯片實現邏輯連接，如圖4、5、6所示。

2.3 數據傳輸部分

USB控制器CY7C68O13內置增強型51單片機。CY7C68O13固件程序燒寫在E2PROM中，該器件選用的是型號為24LC64的EEPROM，其容量為8K字，在信號傳輸時采用philips公司的I2C協議。CY7C68O13在KeiluVision2環境下就可實現對其燒寫。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8O51處理器、一個串行接口引擎（SIE）、1個USB收發器、8KB片上RAM，4KB FIFO存儲器以及一個通用可編程接口（GPIF），FX2 是一個全面解決方案，它占用更少的電路板空間，并縮短開發時間。由于CY7C68O13的獨特架構，使其滿足USB收發器＋SIE＋MCU結構，能夠完成從物理層、數據鏈路層到應用層的連接。CY7C68O13與計算機用USB口連接，其連接方式如圖8所示。

3.系統軟件設計

本系統的軟件設計主要包括：測量系統的軟件設計、邏輯電路的軟件設計、信號采集模塊的軟件設計和USB接口程序設計等4個部分。下面簡要介紹一下測量系統的程序設計過程。

測量系統的程序編寫主要包括DSP初始化程序、A/D初始化程序、與上位機通信程序、DSP預處理程序等。所有這些程序都存放在DSP的外擴FLASH中，系統上電后，程序自動加載到DSP中執行。這些程序的編寫是在CCS2.O軟件環境下，通過北京瑞泰創新公司的仿真器進行調試。

測量系統上電后，FLASH中的系統程序自動加載到DSP中，系統開始運行，主機運行主機端程序，二者通過微機串口進行通信。DSP的初始化程序對系統必需的寄存器和標志位設置初始值，如狀態寄存器STO和ST1、處理器模式狀態寄存器PMST、時鐘模式寄存器、中斷標志寄存器IFR、中斷屏蔽寄存器IMR等，同時對多通道緩沖串行口MCBSP進行初始化，設置串口時鐘的輸出頻率，供A/D轉換器使用；然后測量系統進入采集處理狀態，當一組數據采集完之后，DSP對其進行預處理，判斷是否為有效數據.將其存入RAM中，由CPLD控制，通過USB芯片，轉入上位機中。

4.結束語

本系統具有很強的新穎性，對高速公路管理部門及時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，提高高速公路運營效率具有重大意義。

[1]白婧敏,曾水平.基于DSP的聲音采集系統硬件設計[J].微計算機信息,2010(26).

[2]張冬玲,王良紅.基于DSP的微弱信號檢測采集系統設計[J].微計算機信息,2005(3).

[3]Texas Instruments Incorporated,TMS320C54x系列DSP的CPU與外設[M].北京:清華大學出版社,2006.

[4]陳炳權.基于TMS320VC5409型DSP+XC3S400型FPGA的指紋識別及其采集系統[J].湖南文理學院學報,2007,6.