基于dsp與usb的語音采集處理系統的設計與實現-資料下載頁

　　

【正文】 態。并且復位是優先級別最高的中斷，一般是在加電后芯片處于未知狀態時對其復位。因為復位信號終止存儲器操作并初始化各硬件狀態位，所以每次復位后系統必須重新運行初始化程序。圖 14 所示是由 MAX706T 組成的復位電路，該電路既可以通過按鍵 SW 對芯片進行手動復位，也通過 MAX706T 實現自動復位。20KR2GNDWDO 5RESET 7WDI 6PFO 8MR1VCC2GND3PFI4MAX706TU710KR74R76GND12 34SW110uFRC12DSP_RESET圖 14 MAX706T 組成的復位電路4 DSP 的音頻采集與處理 語音信號的線性預測分析 語音線性編碼的原理線性預測分析（LPALinear Predictive Analysis）的基本思想是語音信號的每個取樣值能夠用過去若干個取樣值的線性組合（預測值）來逼近。通過使實際語音信號取樣值和線性預測樣值之間的均方誤差最小，來決定唯一的一組預測器系數。這里的預測器系數就是線性組合中所用的加權系數。LAP 是目前進行語音信號分析最有效和最流行的技術之一因，它提供了一組簡潔的語音信號模型參數。這組參數比較準確的表達了語音信號的頻譜幅值，而計算量并不大。當 LAP 技術應用于語音編碼時，利用模型參數可有效地降低編碼比特率，提高識別率和減少計算時間。另外，利用 LAP 技術還可以進行語音合成。這里，先簡單介紹一下線性預測法的原理，再舉例說明如何在 DSP 上運用語音線性編碼 LPC 實現語音數據的壓縮。假設語音波形以一定的時間間隔 T 采樣得到的信號為 x（n） （n =0,1…），語音信號當前時刻的采樣值 x（n）與鄰近的 M 個過去時刻的采樣點上的值 x（n1），x（n2）……x（nM）相關，也就是說：x（n）可以由 x（nk）（k=1,2,…M）的線性組合近似表示： ()() ()12M()[ +)Maxnanan??????…()1Mk??^這種線性組合所得到的值被稱為語音信號 x（n）的線性預測，或稱為預測值。計算預測誤差： ()()()MMfn??^ ()1)kxaxnk???式中， （k=1,2…M）稱為線性預測系數，語音波形的特征可以由系數()Mka來表示。該系數取分析區間內的預測誤差的最小均方值。()k因為預測誤差 在分析區間內的平方和為()Mfn12 ()20 1()[())]NMMknEfxnaxn?? ????上式的最小值取在該式對系數 構的偏微分為 0 處。因此可以得到下面的 M 個()ka一次方程所構成的聯立方程組：， k=1,2…，M()MkEa??由上面的方程組即可得到系數 的最優解。即由()1()()011 ()001=2[()])()2)(NMlMnlk NlnnlExaxlnkakxl???????????其中 K=1,2…M?？傻? K=1,2…M1 1()0 0)(())NMNlnl naxnklxk? ?? ????在本系統中，無損失數據壓縮算法擬采用線性預測編碼方案，預測編碼采用類似△M 的編碼方式，這里稱為改進的△M 編碼，這種方法易于集成在 DSP 芯片中。改進的△M 編碼數據存儲格式如圖 15 所示：編碼標志位采樣點數編碼量占二進制位數差值占二進制位數基值 1 偏移量 基值 n 偏移量… 差值 1 差值 n…數據塊頭基值序列差值序列圖 15 改進的△M 編碼數據存儲格式改進的△M 編碼是利用各采樣點之間的相關性編碼一定長度采樣點數據，從而起到壓縮數據作用。以十進制的例子解釋此編碼方式對數據的壓縮作用：假設有 10 個數據位數是 2 位的十進制采樣點數據：11，12，19，18，20，16，21，25，30，28。如果不采用任何數據壓縮算法，其數據存儲應該是 11121918202221253028，共占 20 個字符，如果采用去掉數據塊頭的存儲方式，數據可存儲為 1162140187950497，共占 16 個字符，顯然，數據得到了壓縮。這16 個字符的意義解釋如下：116214 表示基值為 11，與 n 的差值小于等于 9 的采樣點連續有 6 個，基值為 21，與 21 的差值小于等于 9 的采樣點連續有 4 個，由差值序列可得出各采樣點的值：11（11+0），12（11+l），19（11+8），18（11+7），20（11+9），16（11+5），21（21+0），25（21+4），30（21+9），28（21+7）。本系統中，采樣點數據有效位為 12 位二進制，采樣點個數為 4K 字節，而數據序列均是采用 16 位二進制數據表示的，這本身就存在 4 位冗余。對于 12 位的采樣點，基值必須是 12 位，差值理論上 1~11 位可選，都有可能起到壓縮數據的作用。選擇最佳的差值位數的方法是：1~ 11 位差值編碼都試一遍，選出壓縮率最高的差值位數。當差值位數選定以后，基值以及偏移量序列就能確定下來，偏移量需要多少位二進制表示也可以確定下來。把采樣點數、偏移量占二進制位數、差值占二進制位數寫入數據塊頭以便解碼時候用。用以上編碼方式編碼后的數據長度主要取決于基值序列和差值序列的長度。顯然，在采樣點間的相關性極差的情況下，用以上方法編碼起不到壓縮數據的作用，反而比直接存儲原始數據的數據長度還長，此時就不宜用以上方法編碼了，而采用直接存儲原始數據的方法編碼。其存儲格式如圖 16 所示：編碼標志位 采樣點數 原始數據 1 原始數據 2 原始數據 n…圖 16 原始數據直接存儲格式其中編碼標志位為 1 時表示采用了改進的△M 編碼方式，為 O 時表示采用了直接記錄原始數據方式。改進的△M 編碼算法流程圖如圖 17 所示。開始找到最佳的基值二進制位數是否找到 ？計算偏移量應占二進制位數填數據塊頭填基值序列填差值序列填數據塊頭填原始數據結束是否圖 17 改進的△M 編碼算法流程圖 DSP程序的實現這里具體介紹用 DSP 編程實現預測線性編碼算法程序的核心代碼和程序組織結構。預測編碼函數名和參數定義為：void DeltaM(WORD InBueffr[]，WORD OutBueffr[])，其中 InBuffer[]為編碼數據。1. DSP 響應中斷進行數據壓縮的中斷服務函數為 void Compress()，其核心代碼如下：Void ComPress(){WORD IN[4096],OUT[4096],temP。//4k 數據緩存Int i。for(i=0。i4096。i++)//讀取數據{asm(“PORIR 8000h,@_temP”)。IN[i]=temP。DeltaM(NI,OUT)。//預測編碼for(i=0。i4096。i++)//寫數據{temP=IN[i]:asm(“PORTW @_temP,0000h”)。}}2. 中斷向量表 文件核心代碼如下：.seet”.vectors”.ref_c_int00 //C 中斷入口點.align 0x80 //與頁邊界對齊.global_ComPress //申明數據壓縮中斷響應函數標志RESET:BD_c_int00 //跳轉 c 入口點STM200，SP //堆棧大小為 200into: BD_Compress //跳轉到中斷服務程序PSHM STOPSHM ST!3. 主函數代碼如下，是一個死循環，系統在此等待數據壓縮中斷請求到來。main(){for(。 。)}4. 鏈接命令文件*.cmd 核心代碼如下：MEMORY{ VECS : o=800h,l=800h IRAM : o=1000h,l=0x0002efff SDRAM : o=80000000h,l=0x00efffff}SECTIONS{ .vectors: VECS .text : SDRAM .data : SDRAM .bss : SDRAM .cinit : SDRAM .far : SDRAM .stack : SDRAM .sysmem : SDRAM .const : SDRAM .cio : SDRAM .switch : SDRAM} 本系統采用的 CCS 環境和 IETCE 開發板CCS（CodeComPoserStudio）是 Tl 公司的 DSP 集成開發環境，它提供了環境配置、源文件編輯、程序調試、跟蹤和分析等工具，可以幫助用戶在一個軟件環境下完成編輯、編譯鏈接、調試和數據分析等工作。與 TI 提供的早期軟件開發工具相比，利用CCS 能夠加快軟件開發進程，提高工作效率。CCS 一般工作在兩種模式下：軟件仿真器和與硬件開發板相結合的在線編程。前者可以脫離 DSP 芯片，在 PC 機上模擬 DSP 的指令集與工作機制，主要用于前期算法實現和調試。后者實時運行在 DSP 芯片上，可以在線編制和調試應用程序。IECTE 板是一塊需要外部提供+5V 直流電源的獨立的開發板，在板線性穩壓器提供 直流的 DSP 內核電壓， 直流數字和 SV 直流模擬電壓。它提供低功耗的、標準的、獨立的 C67X 系列開發平臺，允許用戶為 C67X 系列 DSP 評估和開發應用程序。IECTE 板上的核心當然就是 1OOMHz 的 C6713，還有兩片 AD 模塊，它們占用了 DSP 的兩個 McBSP，其中的一片是本文提到的，即用于采集外部音頻信號（使用 McBSP1），另一片則與標準電話線相接口（使用 McBSP0）。值得一提的是 IECTE 板的在板接口十分豐富，有 25 針并行接口，9 針串行接口，JTAG 仿真口，電話 DAA 接口，麥克風，揚聲器接口，還有擴展接口用于擴展存儲器和外圍電路。這些接口極大地方便了 DSP 開發者的在板開發。本文所涉及的程序設計是通過 25 針的并行口將主機和 IETCE 板連接起來的。 軟件程序設計和運行結果本設計完成的主要的功能是通過麥克風接口進行語音信號的采集并且實時的通過揚聲器接口回放出來。為了要使用 CCS 在 IECTE 目標板上運行，除了要有源文件的主程序（.c ）之外，還需要配置中斷向量表（.asm）和命令鏈接文件（.cmd），在一些特殊的場合還需要配置其他的文件。主程序當然是整個程序的核心，它的作用涉及數據的讀/寫和具體的處理過程以及中斷的設置、寄存器的配置等；中斷向量表主要作用是告知程序中斷跳轉的位置，顯而易見，如果在主程序中已經設置，則不再需要配置中斷向量表；命令鏈接文件（.cmd）的主要作用是分配存儲空間，比如存儲器的第 O 頁分配作程序空間，第 1 頁分配作數據空間，以及各個段將要放在哪兒（如，text 段放在數據空間），這個文件對每個工程來說都是必須的。主流程圖設計如圖 18 所示。開始結束初始化 C 6 7 1 3及串行口初始化A D 5 0 C開中斷并設置接收數據緩存軟件等待數據傳送完畢 ？進一步的處理或送出是否圖 18 主程序設計流程從上面的程序流程中，我們可以看到，要完成預定的功能，首先要初始化 DSP 的串行口，接下來就是開辟緩存區以便將輸入的數據存儲起來等待進一步處理如濾波、DA 轉換等。程序設計好之后，將其添加到一個新建的工程里編輯、調試，直到編譯、構建通過 文件， 文件。這樣就可以運行了。為了驗證程序是否已正常運行，可以在麥克風/揚聲器接口分別接上話筒和小音箱，在對著話筒說話時，將可以從小音箱中聽到。同時，也可以在 CCS 中打開觀察窗口、寄存器窗口以及圖形顯示窗口。下圖 19 為音頻輸入時某一時刻的圖形顯示和寄存器的值。圖 20 為 Matlab 環境下，5kHz 采樣即 FFT 長度為 8000 點加漢明窗顯示的一段語音的時域波形。圖 19 音頻輸入圖形顯示及寄存器值圖 20 語音的時域波形5 工作總結由于傳統數據采集方案在使用配置方面存在一些不足，本文提出基于 USB、DSP 的數據采集設計方案，以語音信號作為實驗對象，結果初步實現了 A/D、D/A 轉換，完成了預定的任務，為 USB 外設的設計積累了寶貴的經驗。目前，計算機與外設的通訊任務大多數是通過 RS232 接口或并口完成的，RS232 接口的數據傳輸率太低，而并口的數據線過多而且傳輸距離太短，若在設計中采用 USB 接口，將大大提高數據傳輸速度，簡化接口和電纜，克服以上兩種接口的不足。本文論述了一種基于 DSP 和 USB 的高速數據采集傳輸系統的設計與實現方法，詳細介紹了系統的理論基礎和設計思想，系統各功能模塊的作用以及硬件和軟件的設計原理和方法。用 C6713 做核心處理器完成對模擬信號的高速采集，再通過 接口電路上傳到 PC 機中做進一步的分析處理，達到高速數據采集和傳輸的設計目的。經實際應用測試，該系統對一次采集數據量小于 1M 字節，采集速率不大于 的圖像等高速數據采集傳輸系統可以穩定的運行，具有很好的實用性，達到了系統設計要求，具有一定的通用性。該系統支持即插即用，能滿足高采樣率較大數據量的要求，具有較強的靈活性，使用非常方便，具有較好的應用前景。現對本文的主要工作總結如下：1