基于TMS320VC5502的數(shù)字音箱處理器設計

上海理工大學光電學院 簡獻忠 曹 毅

基于TMS320VC5502的數(shù)字音箱處理器設計

上海理工大學光電學院 簡獻忠 曹 毅

以DSP芯片TMS320VC5502和微控制器STC89LE516RD+為核心構建系統(tǒng)平臺，給出了硬件和軟件設計。詳細闡述了TMS320VC5502與音頻CODEC芯片CS42516的接口設計，并介紹了部分功能模塊設計。

TMS320VC5502；CS42516；數(shù)字信號處理；音頻處理

1.引言

圖1為本文設計的數(shù)字音箱處理器功能示意圖。可見其集成了擴聲系統(tǒng)中多種周邊處理設備，包含噪聲門（Gate）、壓限器（Limit）、均衡器（PEQ）、分頻器（Divide）、延時器（Delay）等，它對多路的輸入信號進行路由、擴聲、混音、音質音效處理，以滿足現(xiàn)場的動態(tài)范圍、幅頻特性調整需求，因此數(shù)字音箱處理器是一種多功能的音箱管理系統(tǒng)。

其主要性能指標是精度，而算法的復雜度與穩(wěn)定性決定了系統(tǒng)的可實現(xiàn)性。CS42516是CIRRUS LOGIC的一款高性能音頻CODEC芯片，它提供2通道的ADC和6通道的DAC，高達110dB DAC/114dB ADC的動態(tài)范圍、192KHz的采樣率，為系統(tǒng)提供了精度保障。TMS320VC5502是TI公司的一款低功耗高性能的16位定點數(shù)字信號處理器，它高達300MHz的工作頻率、強大的并行功能及豐富的片上外設為實現(xiàn)復雜的語音算法提供了可能。為實現(xiàn)圖1中的多功能、多路音頻處理，對各功能模塊算法進行分析、簡化、優(yōu)化，最終實現(xiàn)了一款高性價比的數(shù)字音箱處理器。

2.硬件設計

系統(tǒng)硬件組成如圖2所示，由DSP芯片、微控制器、音頻編解碼器、SDRAM、E2PROM、LCD、和按鍵組成。

微控制器STC89LE516RD+為系統(tǒng)的控制核心。它通過RS232與上位機通信，通過DSP的HPI口與DSP通信，模擬IIC總線與音頻編解碼器、E2PROM通信，模擬SPI總線驅動LED，并通過I/O驅動LCD和按鍵。通過上位機軟件可實現(xiàn)友好人機交互，也可通過按鍵與LCD顯示菜單配合使用對系統(tǒng)進行設置，LED用來指示系統(tǒng)音量、靜音等信息，E2PROM用來保存出廠設置和用戶設置等信息。其中E2PROM選用CAT1161，利用它的復位控制和看門狗功能可實現(xiàn)系統(tǒng)自動復位。

DSP芯片TMS320VC5502為系統(tǒng)的運算核心。它通過HPI口裝載來自STC89LE516RD+的代碼實現(xiàn)自舉，并存取各算法模塊運行參數(shù)；通過音頻數(shù)據(jù)接口存取CODEC芯片CS42516的音頻數(shù)據(jù)。圖3為音頻數(shù)據(jù)流示意圖，圖4為TMS320VC5502與CS42516音頻接口連線圖。

圖5為TMS320VC5502的McBSP傳輸時序與CS42516音頻數(shù)據(jù)傳輸時序對比。圖5中McBSP設置為通常模式，對比可發(fā)現(xiàn)McBSP在FSXR的上升或者下降沿開始一幀數(shù)據(jù)的傳輸，而CS42516用CX_LRCLK的高低電平區(qū)分音頻數(shù)據(jù)的左右聲道。經(jīng)測試CS42516的CX_LRCLK高低電平分別包含固定的32個CX_SCLK，故FSXR的上升或者下降沿后將包含64個CLKXR時鐘。為使DSP能區(qū)分左右聲道數(shù)據(jù)，其McBSP的每幀數(shù)據(jù)應包含兩個32位字對應左右聲道數(shù)據(jù)。系統(tǒng)音頻數(shù)據(jù)寬度為24位，CS42516音頻數(shù)據(jù)格式設置為IIS 24位模式，McBSP設置為每幀2字、每字32位，DMA設置為每元素32位；當音頻數(shù)據(jù)寬度為16位時，CS42516音頻數(shù)據(jù)格式設置為右對齊16位模式，McBSP設置不變，DMA設置為每元素16位。

3.軟件設計

圖7為主程序流程圖，在DSP的接受和發(fā)送緩存之間實現(xiàn)了圖1所示各功能模塊。

3.1 噪聲門、壓限器模塊

噪聲門、壓限器屬于動態(tài)范圍調整處理，其設計思想如圖6所示。其電平檢測可化為幀電平絕對值和平均。在其靜態(tài)特性處理環(huán)節(jié)將出現(xiàn)對數(shù)運算，可采用泰勒級數(shù)展開法，也可采用查表法。泰勒級數(shù)展開法提供較高精度，查表法運算效率高。

3.2 均衡器、分頻器模塊

均衡器、分頻器屬于頻幅特性調整。為簡化設計，濾波器均采用TI提供的庫函數(shù)“IIR32”，對其進行數(shù)據(jù)位數(shù)擴展，并添加溢出處理機制即可滿足需求。由于篇幅有限，僅給出部分擴展后代碼，如圖8所示。

4.結束語

本文設計了一款多功能、多通道處理的數(shù)字音箱處理器，詳細介紹了其音頻接口設計，

并介紹了部分功能模塊設計。系統(tǒng)簡單、高效對同類型產(chǎn)品開發(fā)具有一定的借鑒意義。

[1]Texas Instruments TMS320C55x Manuals.

[2]CIRRUS LOGIC CS42516 Data Sheet.

[3]祁才君,王培良.基于ADSP-21262的數(shù)字壓限器設計[J].聲器件與電路,2008,32(3):23-25.

[4]張雄偉.曹鐵勇.DSP芯片的原理與開發(fā)應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[5]王天寶.數(shù)字調音系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].大連理工大學碩士學位論文,2010.

簡獻忠（1969—），男，上海理工大學光電學院副教授，碩士生導師。

曹毅（1982—），男，上海理工大學光電學院在讀研究生。