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基于信号处理和嵌入式应用的音频处理系统的设计和实现

2018年02月11日 05:07 次阅读

1引言

随着计算机技术、电子技术和通信技术的迅猛发展,音频处理技术也在众多领域得到广泛应用。如通信领域中的手机、IP电话,消费类电子产品中的MP3和CD播放器以及控制领域中的语音识别、声控系统等[1]。针对DSP强大的数字信号处理能力和ARM处理器良好的实时性能,结合音频编解码芯片TLV320AIC23的接口特点,本文阐述了由三者组成的音频处理系统的硬件接口设计和软件编程,提供了有效和实用的音频处理系统方案。

TLV320AIC23(简称AIC23)是TI公司的一款高性能立体声音频编解码器Codec芯片。其内部集成的模数转换器(ADCs)和数模转换器(DACs)采用了带有过采样数字插补滤波的多位Sigma-Delta技术。数据传输字长为16、20、24、32位,支持采样频率范围8kHz至96kHz.ADC和DAC的信噪比分别达到90dB和100dB.内置耳机输出放大器,支持MIC和LINE IN两种输入方式,且对输入和输出都具有可编程增益调节。另外,AIC23功耗低,回放模式下功率仅为23mW,省电模式下更是小于15uW.因此,AIC23成为数字音频应用

领域中的理想选择[2],在多种数码产品中发挥着重要作用,比较典型的应用如手机、MP3、DV摄像机中的音频编解码。

TMS320VC5402(简称VC5402)是TI公司的一款优秀16位定点DSP,运算速度快,指令执行速度达到100MIPS.自带片内存储器和多种片上外设,广泛应用于语音编解码和通信领域[3]。

S3C4510B(简称4510B)是Samsung公司的一款低成本、高性能的16/32位精简指令集微控制器,其出色的ARM7TDMI内核以及通用微处理器宏单元使其成为用户定制应用开发的理想选择[4]。

2系统硬件设计

本音频处理系统主要由前述三个处理芯片组成:ARM控制单元,DSP信号处理单元以及AIC23音频采集单元。系统原理框图如图1.

图1基于DSP和ARM的音频处理系统原理框图

AIC23是可编程芯片,内部有11个16位寄存器,编程设置这些寄存器可得到所需的采样频率、输入输出增益和传输数据格式等。该控制接口有SPI和I2C两种工作模式,由芯片上的MODE引脚进行选择:MODE=0为I2C模式,MODE=1为SPI模式。因ARM 4510B上也有I2C接口,故选用I2C模式。AIC23的I2C接口地址由引脚的状态决定,=0时地址为0011010,=1时地址为0011011.其中SDIN与SDA为数据线,SCLK与SCL为串行时钟线。VC5402有两个多通道缓冲串口,选用其中的McBSP0与AIC23进行通信,信号连接如图1所示。图中AIC23工作在主模式,时钟信号、DAC和ADC的帧同步信号BFSX0和BFSR0都由AIC23提供。而DSP VC5402与ARM 4510B的通讯是通过DSP上的HPI接口实现的。

3系统软件设计

系统由ARM系统和DSP系统两大部分组成,ARM作为主控制器管理整个系统的工作进程,运行相关的应用程序,可对多个任务进行调度,完成与外部DSP系统或其他外设的通信。DSP则主要完成音频数据的采集和信号处理,并将处理后的数据发送给ARM供应用程序调用。这样的设计可以大大提高系统的工作效率,这也是当前嵌入式系统,各移动手持设备如PDA、手机等的典型设计方案。

这里具体要做的是对AIC23的控制接口编程,使其工作在所需的模式下。然后初始化DSP的McBSP,进行AD、DA转换和数据处理。

3.1 ARM编程部分

系统中对ARM的编程主要涉及对AIC23的初始化,使其进入正常工作状态,对音频数据进行采集和处理。这需要设置4510B的I2C总线特殊功能寄存器:控制状态寄存器IICCON、预分频寄存器IICPS和移位缓冲寄存器IICBUF,寄存器相关说明见表1[5]。

表1 4510B I2C总线特殊功能寄存器

AIC23的11个控制寄存器相关设置的详细描述参见文献2.这里的设置为:左右声道线路输入静音;耳机左右声道音量为6dB;使能DAC,麦克风音量为20dB作为ADC输入;使能ADC高通滤波;芯片各部分电路供电使能;芯片工作在主模式,采样数据长度16位,采用DSP数据格式(同步帧后跟随两个数据字);采样率88.2KHz(外部晶振为11.2896MHz);使能数字接口。

对AIC23编程时的I2C总线时序如图2所示。设置好I2C的时钟频率后,首先发送开始条件(SCLK为高电平时,SDI从高电平向低电平切换),然后发送AIC23的器件地址,器件地址发出后发送AIC23相应寄存器的地址,再发送对该寄存器设置的数据,最后发送停止条件(SCLK为高电平时,SDI从低电平向高电平切换)。注意,这里的寄存器地址为7位,寄存器数据为9位,而I2C总线以字节为单位传送数据。因此在对AIC23的寄存器编程时,第一个字节包括了前7位的寄存器地址B15-B9以及设置数据的最高位B8,第二个字节为设置数据的后8位B7-B0.

图2 I2C时序

3.2音频数据采集与播放

初始化AIC23后,再初始化DSP以及McBSP0,之后进行音频数据的采集与播放。通过麦克风采集语音信号,经过数字滤波处理后由耳机输出。使用McBSP0的接收中断保存数据,通过FIR数字滤波子程序处理音频数据。程序流程如图3所示。

图3音频数据处理程序流程图

初始化McBSP0使其与AIC23协调工作,这里要根据硬件设计和软件要求来配置McBSP0的各个控制寄存器。本系统中串口的主要设置为:接收数据右对齐,带符号扩展;接收中断使能;由片外提供发送、接收帧信号和发送、接收时钟信号;发送、接收帧同步信号低电平有效;在时钟上升沿采样发送、接收数

据;每帧发送、接收两个16位字数据[6]。

数据接收部分可在DSP中断程序中用如下语句实现:

mvkd drr10,*ar5 ;保存数据

pshd *ar5+% ;数据压入堆栈

popd new_ad ;从堆栈弹出数据到自定义的寄存器

FIR滤波的相关程序如下:

ld new_ad,a ;新数据加载至累加器

stm #1,ar0 ;双操作数增量

stm #N,bk ;设置循环缓冲区长度,即FIR滤波级数(N为滤波级数)

stl a,*ar3+% ;新数据送至ar3指向的缓冲区

rptz a,#(N-1) ;重复执行N-1级的乘加运算

mac *ar2+0%,*ar3+0%,a ;ar2为系数指针,结果在累加器高位中

sth a,temp ;保存计算结果

ld temp,a ;结果放入累加器低位

……

stlm a,dxr10 ;将累加器地位中的数据送至串口发送寄存器

……

基于前述对AIC23和DSP的相应设置,采用21级系数对称FIR数字滤波,对经由麦克风输入的语音信号进行滤波处理,滤波结果由耳机输出,实际效果良好。所采集到的音频数据还可通过HPI接口传送至ARM供应用程序调用。

3.3语音识别应用测试

语音识别的基本原理是对语音信号进行特征提取。目前常用的语音识别算法有基于模式匹配的动态时间规正法(DTW: Dynamic TIme Warping)、基于统计模型的隐马尔柯夫模型法(HMM: Hidden Markov Model)以及基于神经网络的识别法(DNN、NPN、TDNN)等[7]。为便于系统应用测试,本文采用一种最简易的方法对系统进行调试,即对英文元音的识别。基本原理是提取元音字母的频率特征,各元音在其频域响应中都有三个明显的共振峰频率,而最容易识别的是第一共振峰,由此可进行有效的元音识别。在提取第一共振峰频率特征时采用“零交越”法(统计单帧信号波形穿越零点的次数——过零率),将信号频率特征的分析转换为时域分析,计算得到的过零率与理论值进行比较即可实现元音的识别。图4所示分别为元音“A”的时域和频域图。

图4元音A的时域图和频域图

由频域采样图可以看到很明显的第一共振峰,此时计算时域采样中信号的过零率可较为准确的识别元音A,过零率的计算中近似等于零的采样点通常是微弱的干扰,可以忽略不计。经验证,这种简易单元音识别法的识别率在80%以上,由此证明本系统音频处理的实用性。

4结束语

本文阐述了基于信号处理和嵌入式应用的音频处理系统的设计和实现。论述了系统的硬件设计、软件编程及其应用。通过ARM对音频芯片AIC23的控制和DSP与AIC23的通信,实现了音频信号采集、处理、输出的功能以及简单的语音识别。构建了基于ARM和DSP的音频处理系统应用框架,对进一步的数据处理、控制应用等提供了切实可行的软硬件方案。

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他开场介绍的第一个项目就是英伟达在前不久GDC上发布的NVIDIA RTX光线追踪技术(ray-tr...

发表于 2018-03-29 10:09 372次阅读
ARM牵手英伟达推出专用的IOT设备人工智能IP

Arm为更多移动消费者带来高品质体验

Arm日前隆重宣布推出两款全新Mali GPU:Mali-G52和Mali-G31,为主流以及超高效...

发表于 2018-03-28 16:39 2344次阅读
Arm为更多移动消费者带来高品质体验

如何满足新时代显示所需的创新需求?

放眼电子器件市场,移动设备可以说是规模最大也最为复杂的一个。据统计,2018年人们的日常生活中会用到...

发表于 2018-03-28 15:29 257次阅读
如何满足新时代显示所需的创新需求?

运行LibreELEC系统

发表于 2018-03-28 14:50 439次阅读
运行LibreELEC系统

儒卓力首次到深圳参展业界盛事CITE 2018

全球电子元器件分销商兼亚洲电子供应链中的知名厂商儒卓力(Rutronik Elektronische...

发表于 2018-03-28 14:45 1038次阅读
儒卓力首次到深圳参展业界盛事CITE 2018

stm32之串口工作在DMA模式下有时接收异常

发表于 2018-03-28 13:32 369次阅读
stm32之串口工作在DMA模式下有时接收异常

嵌入式神经网络赋予人工智能视觉、听觉和分析能力

随着专用的处理器和软件的崛起,为开发具备人工智能的嵌入式系统敞开了大门。

发表于 2018-03-28 10:22 655次阅读
嵌入式神经网络赋予人工智能视觉、听觉和分析能力

拒绝开发板, 用 SkyEye 就可以模拟 AR...

对于希望学习 ARM 汇编的同学而言, 购买 ARM 开发板进行板上实测无疑是一个有效的方法,不过购...

发表于 2018-03-28 09:07 226次阅读
拒绝开发板, 用 SkyEye 就可以模拟 AR...

特朗普对华发起贸易战包括信息技术而中国没有反制的...

美国为何在许多自己的强项上制裁中国,中国又为何不对进口额超过石油的集成电路产品征收高关税呢?

发表于 2018-03-28 08:34 5748次阅读
特朗普对华发起贸易战包括信息技术而中国没有反制的...

基于DSP芯片+GPS+GSM组成的汽车定位防盗...

随着人们生活水平的提高,汽车已逐步进入家庭,对汽车防盗的要求越来越高。尽管市场上的汽车防盗器正逐步改...

发表于 2018-03-28 05:31 112次阅读
基于DSP芯片+GPS+GSM组成的汽车定位防盗...

国产DSP完美替代TI 世强新增代理进芯电子

中国集成电路企业与世界巨头相比还有不少差距。但随着各个层面的重视,一批优秀的半导体企业脱颖而出,一些...

发表于 2018-03-27 10:42 475次阅读
国产DSP完美替代TI 世强新增代理进芯电子

学嵌入式能不能只用C写程序?

想深入链接C语言的函数是如何调用的,参数是如何传递的,想了解指针的本质、函数名的本质,就要深入汇编级...

发表于 2018-03-26 08:34 240次阅读
学嵌入式能不能只用C写程序?

嵌入式Wi-F的来源以及与普通Wi-Fi的区别

现在我们可以这样来看,从硬件层面上看,WIFI设备与CPU通信是通过USB接口的,与其他WIFI设备...

发表于 2018-03-24 11:18 1531次阅读
嵌入式Wi-F的来源以及与普通Wi-Fi的区别

基于CK802安全内核开发出面向物联网安全的商业...

中天微积极布局AI领域的嵌入式CPU IP研发与推广,其针对AI领域的新一代CPU内核系列将于近期推...

发表于 2018-03-24 10:27 493次阅读
基于CK802安全内核开发出面向物联网安全的商业...

学习嵌入式Linux内存管理的知识

malloc实际上,并不是用户调用malloc后马上对物理地址与虚拟地址之间进行映射,只有在用户对...

发表于 2018-03-23 13:35 279次阅读
学习嵌入式Linux内存管理的知识

整理总结一份属于自己的编码风格

· Lib:引用的库文件。 一个工程一定要包含一个main.c文件,只用来存放main函数。其余函...

发表于 2018-03-23 11:48 238次阅读
整理总结一份属于自己的编码风格

嵌入式Linux开发工程师的成长过程

系统工程师夹在驱动工程师及应用工程师这两个层次之间,他要对系统有一个整体的概念,系统主要是指操作系统...

发表于 2018-03-23 11:39 352次阅读
嵌入式Linux开发工程师的成长过程

移动和嵌入式设备上也能直接玩机器学习?

最近,机器学习(ML)话题大热,Arm也推出神经网络机器学习软件 Arm NN。这是一项关键技术,可...

发表于 2018-03-22 16:36 612次阅读
移动和嵌入式设备上也能直接玩机器学习?

揭秘Arm人工智能战略:不仅CPU/GPU会支持...

Arm在北京召开2018全球技术发布会,详细介绍了Project Trillium项目,同时Arm还...

发表于 2018-03-22 16:05 690次阅读
揭秘Arm人工智能战略:不仅CPU/GPU会支持...

嵌入式Linux工具之GCC常用编译选项

“-I dir”选项可以在头文件的搜索路径列表中添加 dir 目录。由于 Linux 中头文件都默认...

发表于 2018-03-22 11:16 292次阅读
嵌入式Linux工具之GCC常用编译选项

以DSP为核心的纸币识别系统设计

。国产纸币清分机很少,而且功能都很有限,很难满足高速实时性的要求,尤其是能够用图像处理的方法来识别纸...

发表于 2018-03-22 10:54 165次阅读
以DSP为核心的纸币识别系统设计

开发板设计中CMOS输入可能发生的耗电问题

想象CMOS输入属于一个栅极驱动器的情况,该栅极驱动器控制一个高功率MOSFET/IGBT,后者在应...

发表于 2018-03-22 09:09 1293次阅读
开发板设计中CMOS输入可能发生的耗电问题

基于DDS的任意波信号发生器机交互系统设计

本文以Hynix公司生产的HMS30C7202工业级处理器作为控制器,以矩阵键盘作为输入设备,以AM...

发表于 2018-03-22 09:01 180次阅读
基于DDS的任意波信号发生器机交互系统设计

开发高可靠性嵌入式系统的7个易操作且可以长久使用...

对嵌入式工程师来说一个很大的好处是,我们的IDE和工具链可以自动产生应用程序或内存空间校验和(Che...

发表于 2018-03-21 08:37 1188次阅读
开发高可靠性嵌入式系统的7个易操作且可以长久使用...

CX5010嵌入式控制器:高性能,多接口

在控制方面,华恒公司全面应用了Beckhoff的自动化产品:整个工厂都配备了用于控制的面板型PC和...

发表于 2018-03-20 16:31 426次阅读
CX5010嵌入式控制器:高性能,多接口

嵌入式Linux的入门,开发嵌入式需要大量辅助软...

熟练掌握C/C++,熟悉Linux/Windows操作系统,对于OS的软、硬件资源的分配、任务调度,...

发表于 2018-03-20 11:37 486次阅读
嵌入式Linux的入门,开发嵌入式需要大量辅助软...

传Arm中国合资公司四月成立命名Arm mini...

传Arm预定四月分割中国业务,将成立名为Arm mini China的新公司。Arm mini Ch...

发表于 2018-03-19 12:51 839次阅读
传Arm中国合资公司四月成立命名Arm mini...

ARM推出iSIM新技术将SIM卡集成进设备的处...

目前的物联网设备大多通过 Wi-Fi 或物联网卡连接网络。芯片设计公司 ARM 最近推出了一个新方案...

发表于 2018-03-19 10:56 369次阅读
ARM推出iSIM新技术将SIM卡集成进设备的处...

使用MaxCompute阿里大数据计算方法详解

基于MaxCompute搭建社交好友推荐系统,使用MaxCompute阿里的大数据计算的方法可以做哪...

发表于 2018-03-19 09:53 1215次阅读
使用MaxCompute阿里大数据计算方法详解

Semtech和MultiPhy宣布在OFC20...

单波长100G技术准备开始生产部署 高性能模拟和混合信号半导体及先进算法领先供应商Semtech C...

发表于 2018-03-17 10:43 352次阅读
Semtech和MultiPhy宣布在OFC20...

Linux驱动工程面试必问知识点

一看就知道,找工作用的,主要想从事驱动方面的开发工作,当然追求linux的道路还很漫长,先说说面试,...

发表于 2018-03-17 10:09 640次阅读
Linux驱动工程面试必问知识点

MicroBlaze软核处理器简介

MicroBlaze 是高度可配置的 IP 核,支持 70 多种配置选项。一些重要的配置选项为指令/...

发表于 2018-03-16 16:10 464次阅读
MicroBlaze软核处理器简介

AMD嵌入式发力边缘计算

自2016年开始,一条沉睡的巨龙 AMD 开始慢慢苏醒。也正是因为GPU时代的到来,让AMD在过去一...

发表于 2018-03-16 15:15 97次阅读
AMD嵌入式发力边缘计算