李玉麗王曉麗

(1:吉林建筑大學電氣與電子信息學院，長春130118;2:吉林建筑大學職業(yè)技術(shù)學院，長春130118)

傳統(tǒng)的音頻產(chǎn)品，其音頻的處理大都采用模擬設備，且體積大、精度低，易受環(huán)境影響，元器件容易老化.隨著數(shù)字音頻技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)字音頻處理器，可以使音頻技術(shù)在制作、壓縮、數(shù)字傳輸及存儲等幾方面得到長足的發(fā)展.數(shù)字化的音頻技術(shù)把現(xiàn)有的數(shù)字和模擬技術(shù)二者有機地結(jié)合在一起，使設備精度提高，體積大大減小，受環(huán)境影響較小，且數(shù)字音頻只有0，1兩種狀態(tài)即使多次復制，效果也不會減弱，傳輸?shù)腻e誤率較低，噪聲小，這都是傳統(tǒng)的音頻設備所不能比擬的.目前，數(shù)字音頻技術(shù)廣泛地應用于電子類數(shù)字音響設備，如MP 3、廣播節(jié)目制作、多媒體、廣播電視數(shù)字化和通訊系統(tǒng)等.

1 總體架構(gòu)

本文設計的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.系統(tǒng)采用的主要芯片包括AT 89 C 51單片機，TI公司的TMS320 C 5402 DSP芯片，BB公司的生產(chǎn)的PCM3001芯片.AT 89 C 51和TMS320 C 5402兩個處理器以主從方式連接實現(xiàn).C 5402與PCM3001通過C 5402的多通道緩沖串口MCBSP實現(xiàn)連接.

整個硬件系統(tǒng)包括兩個部分，其功能如下:

(1)MCU主處理器部分.包括單片機AT 89 C 51的最小系統(tǒng)、HD 7279芯片具有串行接口，可同時驅(qū)動8位共陰極數(shù)碼管和連接64鍵的鍵盤矩陣，通過該芯片可完成數(shù)碼顯示和鍵盤接口的全部功能.AT 89 C 51需要5 V電源，而DSP芯片TMS320 C 5402需要3.3電壓，因此采用74 LVC 4245芯片進行電壓轉(zhuǎn)換.MCU作為系統(tǒng)主機，首先完成自身的初始化定義.通過采集鍵盤信號選擇按鍵處理程序，并將所得信息送給DSP系統(tǒng)，以實現(xiàn)對音頻信號壓縮、失真、均衡、混響等功能;

圖1 硬件總體框圖

(2)DSP處理系統(tǒng).主要完成音頻的算法處理，可以實現(xiàn)各種信號效果和設計均衡器.它主要包括電源電路、復位電路、時鐘電路、存儲器接口電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路.

1.1 主系統(tǒng)電路設計

主系統(tǒng)主要包括單片機AT 89 C 51、看門狗芯片DS1232、譯碼芯片74 HC 139、晶振和最小系統(tǒng)電路等，如圖2所示.

圖2 主系統(tǒng)電路

DS1232是一個具有看門狗功能的電源監(jiān)測芯片，在電源上電、斷電、電壓瞬態(tài)下降和死機時都會輸出一個復位脈沖，十分適合作為單片機的復位電路.

DS1232具有3個功能:一是電源電壓的監(jiān)視.圖3中DS1232的VOL腳接地，當Vcc低于4.75 V時，RST腳輸出高脈沖自動復位微處理器;二是按鍵復位功能.復位按鍵可直接連到芯片DS 1232的/PBRST端，在該引腳上輸入低電平信號，就可在DS 1232的RST引腳上產(chǎn)生至少250ms的高電平復位信號;三是看門狗定時器，當DS 1232的/ST引腳在150ms內(nèi)沒有收到微處理器有效信號時，即單片機的程序陷入“陷阱”或跑飛狀態(tài)，DS 1232的RST引腳將產(chǎn)生復位信號強迫AT 89 C 51復位.

74 HC 139是2－4線譯碼器，實現(xiàn)I/O地址譯碼功能，產(chǎn)生I/O讀寫信號./Y1連至DSP的READY引腳.

1.2 DSP系統(tǒng)電路設計

一個典型的DSP系統(tǒng)如圖3所示.

圖3 典型的DSP系統(tǒng)

輸入信號(可以是聲音信號或者是圖像信號)經(jīng)過預放、防混疊濾波后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進行轉(zhuǎn)換，DSP讀入ADC的數(shù)據(jù)進行數(shù)字信號處理，DSP處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)需要把以數(shù)字形式存儲的音頻信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換成模擬信號，采用RMAA軟件得到揚聲器頻響曲線，最后經(jīng)過低通濾波器得到連續(xù)、平滑的模擬波形.

DSP最小系統(tǒng)包括一個DSP芯片、一個模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬接口、一個存儲代碼的EPROM和外部擴展存儲器RAM.以芯片TMS320 C 5402為主的系統(tǒng)主要工作如下:①C 5402通過數(shù)據(jù)總線D 7－D 0實現(xiàn)與AT 89 C 51數(shù)據(jù)交換.如果是由AT 89 C 51發(fā)送數(shù)據(jù)送到P 1口，則74 HC 139譯碼產(chǎn)生一個低電平向TMS 320 C 5402發(fā)READY信號，TMS320 C 5402響應后準備讀取8位數(shù)據(jù).反之，由TMS320 C 5402發(fā)送數(shù)據(jù)至AT 89 C 51時，先將8位數(shù)據(jù)輸出至D 7－D 0，然后，在XF線上產(chǎn)生一個低電平脈沖向AT89C 51發(fā)INT0中斷.AT 89 C 51在響應中斷程序后讀取經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后的8位數(shù)據(jù);②C 5402根據(jù)讀入的編碼，調(diào)用相應的音頻處理程序，完成對數(shù)字音頻信號的效果處理.

1.3 PCM3001的配置

PCM3001是一片價廉的立體聲音頻編解碼器.

PCM3001芯片電源電壓為5 V.芯片的接口采用串行接口.芯片內(nèi)部有立體聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器，信噪比為94 dB;立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器信噪比為98 dB;單端電壓的輸入和輸出.采樣頻率有3種，分別是32 kHz，44.1 kHz，48 kHz.具有16位或18位I/O數(shù)據(jù).PCM3001芯片支持左對齊、右對齊、I2S和DSP等多種數(shù)據(jù)格式，采用何種數(shù)據(jù)格式由芯片引腳設置來決定.芯片的引腳分別是FMT，F(xiàn)MT 1，F(xiàn)MT 0，可通過將這3個引腳懸空或接地來分別置1或0，共有7種數(shù)據(jù)組合方式.PCM3001有3個接地腳和3個電源腳.電源腳有模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬電源(VCC 1)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的模擬電源(VCC 2)、數(shù)字電源(VDD)，接地腳有模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬地(AGND 1)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的模擬地(AGND 2)、數(shù)字地(DGND).為了保障PCM3001芯片使用的最好性能，通常將3根電源線接在一起，共用1個電源，以免出現(xiàn)閂鎖.如果模擬和數(shù)字電源需要分開供電，要在2個電源之間并聯(lián)方向相反的2個二極管，這樣便可消除閂鎖現(xiàn)象.模擬地和數(shù)字地要有各自的地線，避免互相干擾.

2 系統(tǒng)的軟件設計與實現(xiàn)

基于DSP的音頻系統(tǒng)實現(xiàn)對揚聲器頻率響應的補償，即實現(xiàn)對揚聲器的數(shù)字均衡，在特定的頻率范圍內(nèi)將信號放大或衰減，數(shù)字均衡器具有良好的可靠性和靈活性.數(shù)字均衡器在系統(tǒng)中使用后，硬件無需改變，對于不同的揚聲器，改變系數(shù)就可以改變均衡器的數(shù)值和類型.系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能包括各種音頻效果和對揚聲器的數(shù)字均衡.系統(tǒng)流程圖如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)流程

框圖的設計完成了音頻信號處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了音頻的回聲、混響、均衡和變調(diào)等效果，各種效果可單獨使用，也可串接使用，都能達到預想效果.

3 結(jié)語

本文完成了對數(shù)字音頻信號處理的設計，實現(xiàn)了對音頻的壓縮、失真、均衡、混響等效果.基于DSP的數(shù)字音頻處理器能為我們提供更好的聲音品質(zhì)，價格低廉、使用方便;可靠且靈活.隨著數(shù)字音頻技術(shù)和DSP的發(fā)展，數(shù)字音頻處理器將會得到更為廣泛的應用.

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