通信工程毕业设计（论文）基于DSP与USB的语音采集处理系统的设计与实现.doc

南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）基于DSP与USB的语音采集处理系统的设计与实现The Design and Realization of a Phonetic Data AcquisitionSystem Based on DSP and USB 院（系）： 计算机与信息工程学院 专 业： 通信工程 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2012年4月 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology基于DSP与USB的语音采集处理系统的设计与实现通信工程摘要随着计算机技术的发展，数字信号处理技术己经成为高速实时处理的一项关键技术，广泛应用于图形图像处理、语音识别、智能检测、工业控制等各个领域。数据采集系统可以通过A/D转换把模拟信号转换成数字信号，并可以方便地实现数字信号存储、处理及再现，是数字信号处理的重要组成部分，得到了越来越广泛的应用。本毕业设计以应用于工业测试系统的在线状态检测数据采集系统的设计为研究对象，讨论了基于DSP数字信号处理器和USB通用串行总线接口数据采集系统的软硬件设计的主要步骤和方法，分析了数据采集应用对象的特征，阐述了系统硬件电路的搭建，介绍了DSP的线性预测编码算法在语音信号处理中的作用。特别地，在传统数据采集研究成果的基础上，完成了基于USB和DSP技术的数据采集所涉及的有关总体方案、硬件电路、软件程序、性能测试等方面的工作。关键词数据采集；通用串行总线；DSP；预测编码 The Design and Realization of a Phonetic Data AcquisitionBased on DSP and USBCommunication Engineering MajorDing Xiao-liAbstract: Along with the development of computer technology, Digital signal processing technology has been a Kernel technology in high-speed real-time processing. It is widely used in many fields such as graph and image processing, voice identification, intelligent checking, industry control,etc. The Data acquisition system is an important part of DSP. In this system, analog signals are transformed to digital signals by Analog- Digital Converters(ADC), and then be stored, transacted and recuperated easily.Taking the design of the industry on-line state detection Data Acquisition System as example, the graduation dissertation discusses the main processes and measures on the software and hardware design based on DSP and USB. The feature of data acquisition object is analyzed in the graduation dissertation. The design of system hardware circuit is expatiated in detail. Linear Predictive Coding in phonetic signal processing on DSP is introduced as well. specially , based on the research achievements of traditional data acquisition system, the paper accomplishes the Data acquisition system involved total project，hardware circuit, software program, performance testetc based on DSP and USB. Key words： Data Acquisition; Universal Serial Bus; DSP; Linear Predictive Coding目录1 绪论11.1选题依据及研究意义21.2 DSP发展状况31.3 USB的发展状况51.4本文的主要研究工作51.4.1 研究工作51.4.2 主要研究内容61.5 论文的组织结构62 软硬件开发平台及器件介绍72.1 软件开发环境72.1.1 CCS集成开发环境72.1.2 系统仿真92.2 硬件开发环境102.2.1 数据采集A/D转换器102.2.2 DSP较其它处理器的优势102.2.3 TMS320C6713芯片介绍112.3 USB芯片介绍132.3.1 主流芯片的分类132.3.2 PD1USBD12芯片功能133 系统的实现方案与硬件电路设计153.1 高速采集传输系统分析153.2 DSP的外围结构框图163.3 片外存储器接口的接口信号183.4 EMIF与SDRAM的接口逻辑193.5 电源系统设计204 DSP的音频采集与处理224.1语音信号的线性预测分析224.1.1 语音线性编码的原理224.1.2 DSP程序的实现254.2 本系统采用的CCS环境和IETCE开发板274.3 软件程序设计和运行结果285 工作总结30参考文献31致谢321 绪论语音数据采集系统主要完成语音信号的采集、A/D/A转换，然后通过PC接口总线将处理后的数据送入计算机作进一步处理。目前以这一部件为核心的设备在国内外得到广泛的应用，如机场、商场等人流量大或比较重要的场所安装的监控设备；工业控制中现场数据的采集系统；家庭影院、视频会议、可视电话等多媒体设备。但是，这些数据采集系统普遍采用的是PC上的RS-485总线、ISA总线、PCI总线、Firewire等。RS-485总线和ISA总线的传输速度慢，不能满足音视频高速实时传输的要求；采用PCI接口设计的数据采集卡虽然数据传输率很高，但是还存在整个系统笨重、安装麻烦、价格昂贵，受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差，缺乏灵活性，不能实现即插即用，不适合小型、便携设备采用。在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真，因此工程师们往往需要花费大量的时间和资源用于系统搭建。Firewire（即IEEE1394）是由苹果公司于80年代中期开始开发的一种允许连接多种高性能设备的高性能总线互连，它的传输速率可高达3.2Gbps，主要使用在高速的影像或者连接设备没有PC主机的场合，它比USB有弹性，不过目前PC外围普遍没有1394接口，还得添加1394-PCI转接卡才能使用1394接口设备，相对外围电路较复杂且昂贵，对1394应用的比较少。通用串行总线（USB）是应用在PC领域中的新型接口技术，自从Windons98操作系统全面对USB接口支持后，USB逐渐进入实用阶段。利用USB可以实现较传统方式更有效、更经济、更多扩展的PC外设与PC相连。通用串行总线（USB）作为一种新兴的计算机外设总线标准，从标准的出现到大规模的应用，仅用了短短几年的时间，这一切都得益于它易用、真正的热插拔、高性能和系统造价低廉等优点。随着数字信号处理理论的发展，数字信号处理器DSP（Digital Signal Processors）得到了长足的发展，同时也使数字信号处理理论得以实现。DSP的突出特色包括哈佛（Harvard）结构、流水线操作、独立硬件乘法器、零开销循环等。DSP具有快速的运算速度和强大的数据处理能力，特别适合于数字信号处理场合，它能满足数据采集系统中对数据处理速度的要求。DSP芯片性能价格比和开发手段不断提高，使得DSP芯片已经在通信与信息系统、信号与信息处理、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器等许多领域得到广泛的应用。本论文通过对传统语音采集系统弊端的分析，将深入研究基于USB2.0和DSP的技术，研究实现一种易于和计算机相连且高速实时的语音采集系统。由于该系统采用DSP芯片，克服了以前采用单片机作处理器而使系统速度慢及数学运算能力差等缺点。用USB作通信总线，其优点是可实现热插拔、扩展方便，特别适合便携式计算机，系统既满足实时性，又满足易扩展性，有一定的实用价值。1.1选题依据及研究意义数据采集是控制系统中至关重要的一个环节，在工业生产和科研中常常需要对各种数据进行采集，如温度、压力、液位、流量等。与采样系统不同，数据采集系统不仅仅包括信号的取样而且还包括信号的传输和处理过程，而采样系统仅仅指信号的获取。采样包含于采集之中，要进行采集必须先进行采样，因此，采样而来的数据要能真实反映原始信号的信息。由香农定理可知：采样信号的频率必须大于或者等于最高信号频率的两倍。目前，国内外数据采集系统多采用实时存盘卡形式的嵌入式系统板卡来实现。一般的数据采集处理系统的组成框图如图1所示。它们的共同特点是板卡上集成IDE总线或是SCSI总线，存盘数据直接写入板接硬盘，上位PC机对数据进行分析和处理时，必须把板接硬盘里的数据转存上位机硬盘。控制器一般采用单片机，单片机的字长也由4位、8位、16位向着32位发展，对于大多数的场合来说己经能够满足要求了，同样，单片机也有价格低廉、结构简单、接口扩展方便等优点。但是最大的缺点在于运算速度慢、数学运算能力差。在一些要求信号处理的数学运算比较复杂的领域，如视频、语音通信或是复杂控制领域，单片机往往力不从心，这需要更高级的CPU来支持。 图1 传统数据采集实时存盘系统原理框图另一方面，板卡式的数据采集卡，多通过系统总线也就是1/0通道总线、微型计算机总线或者是板级总线和上位机插槽上的各个扩充板卡相连，常用的有PCI、SIA、EISA等。对于用户来说，要打开机箱，加入硬件并且进行配置，这需要一定的技术支持。况且，接口卡的配置必须停机，驱动程序的安装、调试甚至正常运行也需要人工干预，板卡与系统之间的中断冲突、兼容性等问题也是需要考虑的。基于此，有必要选择更加方便的通道进行数据传递。本文采用USB进行数据传递，实现了高速数据传输。由上可知，由于一般的数据采集系统存在以上诸多问题，因此采用DSP作为控制器，而采用USB和上位机相连接将是以后数据采集处理系统的发展方向。而在语音处理技术发展史上，语音编码的研究始于1939年Dudlye的创造性发明声码器。从那时开始直至20世纪70年代中期，除PCM（脉冲编码调制）和ADPCM（自适应差分脉冲编码调制）已取得较大进展之外，中低比特率语音编码一直没有实质性的突破。到了1980年美国政府公布了一种2.4Kb/S的线性预测编码标准算法LPC-10以后，整个语音编码技术领域发生了一次质的飞跃，人们梦寐以求的在普通电话带宽信道中传输数字电话的愿望终于变成现实。虽然数字电话具有保密性高、容易克服噪声累计现象，便于进行程控交换等优点，但是64Kb/s的PCM、32Kb/s的ADPCM要占用几十千赫信道带宽，都不便于在普通话路中传输，因此语音压缩编码技术一直是一个令人关注的课题。除PCM，ADPCM，AM（增量调制），LPC（线性预测编码），ME-LPC（多脉冲激励线性预测编码）等声码器之外，美国在1988年又公布了一个4.8Kb/s的CELP（码激励线性预测编码）语音编码标准算法，欧洲也推出了一个16Kb/s的RELP（规则脉冲激励）线性预测编码算法，其语音质量都能达到高音质。近几年又出现了更好的编码算法多带激励声码器（MBU），它可以在2.4Kb/s的速率下提供较高质量的语音。这些算法都可用数字信号处理器实时实现，目前正努力进一步减小时延，使之在移动通信中得到广泛应用。语音编码产品化的过程比语音识别来的容易，因此其研究成果能很快转向实际应用，对通信领域的发展起到了重要的推动作用。嵌入式语音处理技术得到了广泛应用的是语音编码技术。根据语音识别性能及算法的不同，语音级别专用芯片大致有以下几种类型：1.由单片机组成的语音专用IC。它以8位机或16位机为计算核心，外加AD/转换、D/A转换及存储器。由于单片机的运算能力有限，因为其编码和识别算法不可能复杂，精度也低，典型的芯片是1996年美国Sensory公司生产的RSC-146。2.由数字信号处理器DPS组成的语音处理系统。它一般由定点16位DSP外加A/D转换和D/A转换，以及ROM，RAM，Flash等存储器组成。由于DSP包含用做数字信号处理运算的专用部件，因而运算能力强，精度高，适于组成较高性能的语音系统。最常用的DSP芯片有TI公司的TMS320C6713系列，AD公司的ADSP218X系列以及DSPG公司开发的OAK系列。用DSP组成的语音系统可以实现高质量、高压缩率语音编解码功能，同时可以产生高品质的语音合成和语音回放功能，这是当前语音级专用芯片的主流组成。本设计即是采用TI公司的TMS320C6713芯片作为编解码处理器。1.2 DSP发展状况DSP芯片，即数字信号处理芯片，也称为数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱一些。但是，近年来新推出的DSP芯片已经将通用微处理器的一些功能集成在芯片中，DSP芯片已经可以实现普通微处理的功能。一个典型的DSP系统如图2所示。图2 典型的DSP系统1965年快速傅立叶变换FFT算法的提出被公认为数字信号处理DSP这一学科的开端。世界上第一片单片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811。在近四十年的发展过程中，数字信号处理自身已基本形成一套较为完善的理论体系。这些理论包括：1.信号的采集（A/D技术、抽样定理、量化噪声分析等）；2.离散信号的分析（时域及频域分析、各种变换技术、信号特征的描述等）；3.离散系统分析（系统的描述、系统的单位抽样响应、转移函数及频率特性等）；4.信号处理中的快速算法（快速傅立叶变换、快速卷积与相关等）；5.信号的估值（各种估值理论、相关函数与功率谱估计）；6.滤波技术（各种数字滤波器的设计与实现）；7.信号的建模；8.信号处理中的特殊算法（如抽取、反卷积、信号重建等）；9.信号处理技术的实现（软件实现和硬件实现）与应用；数字信号处理器是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快1050倍。其结构特征如下：1.普遍采用了数据总线和程序总线分离的改进的哈佛结构，比传统处理器的冯.诺依曼结构有更高的指令执行速度； 2.DSP大多采用了流水线技术。计算机在执行一条指令时，总要经过取指令、译码、访问数据、执行等几个步骤，需要若干个指令周期完成。流水线技术是将各指令的执行时间重叠起来。综合起来看，使得每条指令的最终执行时间是在单个指令周期内完成的；3.片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅助寄存器用于寻址，它们可以在寻址访问前或后自动修改内容，以指向下一个要访问的地址；4.针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘累加运算的特点，DSP硬件的乘累加结构使得它可以在一个指令周期完成一次乘法和一次加法运算；5.多数DSP带有DMA通道控制器和同步串行接口，配合片内多总线结构，可以大大提高数据块传输速度；6.具有中断处理器和定时控制器，可以方便地构成一个单芯片系统；7.具有软、硬件等待功能，能与各种高低速存储器接口。继1978年AM公司发布的52811之后，1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个重要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的林PD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片。1.3 USB的发展状况USB是一个新接口，新接口并不会常常出现，因为人们已经习惯于旧有的接口，对于新接口往往不会立即全盘接受。如果新接口是建立在旧接口的基础上，则不仅可以节省开发的时间及成本，而且用户也比较能够接受。由于PC机在进行重新配置时缺乏足够的灵活性，已经严重影响了PC机的进一步发展与普及随着友好用户界面核心的硬件软件机制的结合一直到相应的诸如PCI、PnP ISA和PCMCIA等新一代体系结构的提出，计算机看起来已经不如当初那么直观了。而且从用户的角度来看，PC机上的I/O接口如串行/并行接口，键盘/鼠标/游戏杆并不具有即插即用的功能，而在同时人们对计算机的要求也越来越多，所以各种用来扩充计算机功能的外设也就不断出现，与之相应，后面的端口越来越紧张，这正是缺乏一种双向的、廉价的支持中速的外设总线。为了解决以上这些问题，相应的通用串行总线的概念（USB）也就产生了。1994年Microsoft、Compaq、Digital、IBM、NEC、North-Telecom、Intel这些世界上著名的计算机公司和通信公司成立了USB论坛，并于1994年11月11日推出了USBO.7规范，于1995年4月13日推出了USBO.9规范，1995年8月25日推出了USBO.99规范，于1996年11月3日推出了USB1.O规范，于1998年8月23日推出了USB1.1规范。1997年开始有真正符合USB技术标准的外设出现。USB1.1是目前推出的支持USB的计算机外设上普遍采用的标准。在1999年2月23日的英特尔开发者论坛大会上，介绍了USBZ.O规范。在微软公司与英特尔公司推出的PC，99的硬件体系规范和PC，99的软件规范都包含对USB的支持。苹果公司的MAC05及微软公司公司的Windows 98、Windows 2000、Windows XP中全面支持USB。由于USB在接口方面的使用极其方便，可以连结多个不同的设备，一个接口理论上可以连接127个设备，而过去的串口和并口只能接一个设备。速度快也是USB技术的突出特点之一，USB接口的最高传输率可以达到12Mb/s（2.0协议的可以达到480Mb/s），比一般的串口快100倍以上，这使得高分辨率、真彩色的大容量图像和声音的实时传送成为可能，所有这些突出的优点使得USB技术广泛的应用、发展和普及。1.4本文的主要研究工作1.4.1 研究工作本文的主要工作如下：1.大量阅读国内外有关数据采集系统的文献，并进行分析、整理和消化，提出采用DSP作为数据处理MCU，设计基于TMS32OC6713的语音采集和回放电路及编程实现预测线性压缩编码算法。2.使用CCS集成开发环境。3.熟悉了软件设计和开发的一般方法、步骤，使开发的软件具有较好的可靠性、可维护性、可读性。1.4.2 主要研究内容与国内外相关课题的研究现状相比，本课题研究有以下几点特色和创新：1.引入数据压缩算法（线性预测编码LPC），减少高采样率下采集系统数据传输量。2.提出了运用USB串行接口实现高速数据传输，较传统的SIA、PCI并口而言，提高了数据传输率。3.应用DSP代替单片机进行数据处理，加快了数据处理速度。1.5 论文的组织结构本套数据采集卡的适用对象是语音放大器输出的模拟电压信号，研究目标是实现对模拟信号的模数采样，并把转换后数据存储到计算机上，以及将存储后的数据经过数模变化输出模拟信号。本文主要研究了基于DSP与USB的语音采集处理的常用算法的基本理论和关键技术。对于DSP的数据处理主要介绍了线性预测编码压缩算法。各章节的安排如下：第一部分 重点介绍论文的选题背景、目的和意义、国内外的发展现状、趋势，以及本文的主要研究内容等。第二部分 介绍硬件开发系统。重点介绍本文中语音采集处理所应用的硬件平台DSP及TMS320C6713处理器以及ICETEK-6713-A评估板功能，软件开发环境CCS 3.3和系统仿真及USB芯片选择。第三部分 重点介绍本系统中所采用的软件系统和硬件系统的设计。第四部分 介绍了DSP的音频采集与处理数据采集处理的相关技术，如线性预测编码的预测分析。第五部分 总结全文，并对未来工作进行展望。2 软硬件开发平台及器件介绍大部分基于DSP的应用程序的开发包括四个基本阶段：应用设计、代码创建、调试、分析与调整。而这些都依托于软件和硬件开发平台。本文是在ICETEK-6713-A评估板和 CCS 3.3的软件仿真环境下所进行的设计。2.1 软件开发环境可编程DSP芯片的开发工具分为代码调试工具和代码生成工具两大类，代码生成工具的作用是将用C语言、代数语言、汇编语言或者两者的混合语言编写的DSP程序编译、汇编并链接成可执行的DSP程序，代码生成工具主要包括：C编译器、汇编器和链接器等。还有一些辅助工具程序，如文件格式转换程序、库生成和文档管理程序等；代码调试工具的作用是对DSP程序及系统进行调试，使之能达到设计的目的，TMS320系列DSP芯片的系统集成和调试工具有：C/汇编语言原码调试器、初学者工具DSK、软件模拟器、评价模块EVM软件开发系统SWDS和仿真器等。2.1.1 CCS集成开发环境CCS集成开发环境支持编辑、编译、汇编、链接和调试DSP程序的整个开发过程，它还允许编辑C代码和汇编源代码，还可以在C代码之后显示与之对应的汇编指令。只需要在菜单VIEW中选择Mix Source/Asm选项，即可看到C之后跟着的汇编语句。与以往的DSP开发软件不同的是，CCS使用工程（Project）来管理应用程序的设计文档，这与以往的Microsoft Visual Studio有很大的相似处。工程中包含有源代码、目标文件、库文件、连接命令文件和头文件。在以往的开发工具中，编译、汇编和链接是各自独立的执行程序，开发设计人员需要熟悉每个程序的相关参数，且需要在DOS窗口下键入这些繁琐的命令，而在CCS集成开发环境下只需要修改这些参数即可。而且，CCS能自动查找工程所需要的头文件，并将它加入工程中。CCS工作界面如图3。图3 CCS工作界面CCS有两种工作模式，即软件仿真器模式和硬件在线编程模式。软件仿真器方式可以脱离DSP芯片，在PC机上模拟DSP的指令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调试。硬件在线编程模式可以实时运行在DSP芯片上，与硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。 1.CCS的调试工具有下列特性：Ø 设置一个或者多个断点，在断点处自动更新窗口；Ø 使用Watch窗口查看变量；Ø 查看和编辑存储器、寄存器；Ø 使用Probe Point工具在主机与目标系统间传输数据流；Ø 可对目标系统中的信号绘图显示；Ø 使用Profile Point查看执行统计信息；Ø 观察目标系统中执行的反汇编和C指令；CCS还提供GEL语言，允许开发者向CCS菜单中增加功能。2. DSP/BIOS插件在软件开发的分析阶段，传统的调试手段对诊断实时系统中的错综复杂问题无能为力。CCS提供支持实时分析的DSP/BIOS插件。可以用它来实时跟踪和监视一个DSP应用程序，同时对实时性能的影响达到最小。DSP/BIOS API提供以下实时分析特性。Ø 程序跟踪：显示写入目标日志的事件，并在程序执行过程中反映动态控制流程；Ø 性能监测：跟踪统计目标板资源的使用情况，如处理器负载和线程时序等；Ø 文件流：将目标板上的I/O对象与主机上的文件联系在一起。DSP/BIOS同时提供基于优先级的调度方案，支持函数的周期性执行和多优先级线程。3硬件仿真和实时数据交换TI DSP芯片提供片上仿真支持，使CCS能控制程序的运行并实时监视程序的活动。主机与目标DSP通信是通过JTAG接口来完成的，这种连接方式对DSP目标系统的实时性能没有太大的影响。仿真器提供与主机通信的JTAG口。片上仿真硬件提供以下功能：Ø 运行、停止、或复位DSP芯片。Ø 将代码和数据加载到DSP芯片中。Ø 检查硬件指令或数据相关的断点。Ø 各种计算功能，包括精确到指令周期的剖析（Profile）功能。Ø 提供主机和目标系统间的实时数据交换。CCS支持这些片上的仿真功能，而且CCS的RTDX功能使主机和DSP之间能双向实时通信，RTDX提供一个连续的、实时的可视环境，使开发者能看到DSP应用程序工作的真实过程，RTDX允许系统开发工作者在不停止运行目标应用程序的基础上，在计算机和DSP芯片之间传输数据，同时还可在主机上利用对象链接嵌入（OLE）技术分析和观察数据，这样可以提供给开发者一个真实的系统工作过程，从而缩短开发时间。2.1.2 系统仿真当系统的硬件结构和图像处理算法基本确定后，接下来的主要任务是在CCS集成开发环境下，选择好编程语言编写源程序。对于TMS320C6713，C代码的效率是人工编写汇编代码的70%80%。且由于是实时性要求不是特别强的应用，采用C语言编程就完全可以满足需要。DSP程序编写完成好，需要对程序进行调试和仿真。主要有两种模式：软件仿真和硬件仿真。软件仿真就是靠主机上的软件模拟器（Simulator）完成程序的执行，无需目标板（DSP处理平台）就可以开始软件编程，但仿真速度慢，且无法仿真某些外设的功能。硬件仿真是利用开发系统将代码直接下载到目标板上，在芯片中直接运行，仿真速度快，且仿真结果与系统实际一致。本系统中，目标板（EVM板）通过ICETEK-5100USB V2.0仿真器与主机相连。仿真程序就是利用USB仿真器ICETEK-5100USB V2.0（如图4）将代码下载到DSP芯片中，在芯片上直接运行。图4 ICETEK-5100USB V2.0仿真器2.2 硬件开发环境 数字信号处理DSP（Digital Signal Processing）简称DSP，是一门十分重要的新兴科学。随着计算机和信息科学的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。其中尤以TI公司生产的系列DSP芯片应用最为广泛。先后推出TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000系列芯片。2.2.1 数据采集A/D转换器模/数转换（Analog to Digit）的一般转换过程为：采样、保持、量化和编码采样要遵循采样定理：fsfmax。式中fs为采样频率，fmax为输入信号的最高频率分量的频率。常用的模/数转换器ADC（Analog-Digit Converter），其工作原理有基于并行比较型的、逐次逼近型的、积分型的、-脉宽调制型的、电压V-频率F变换型的等。2.2.2 DSP较其它处理器的优势目前的微处理器分为通用处理器、单片机和DSP三大类。DSP与单片机及通用微处理器相比具有很大的优越性。通用微处理器一般用在PC和服务器领域，与单片机相比，DSP具有较高的集成度并具有更快的运行速度，DSP器件比16位单片机单指令执行时间快810倍，在乘法处理上，DSP的优势更为明显，完成一次乘累加运算快1630倍。这一性能决定了DSP的应用领域主要集中在较复杂的算法处理中，DSP处理器的主要结构特点是：1哈佛结构传统的微处理器通常采用冯诺曼总线结构：统一的程序和数据空间，共享的程序和数据总线。由于总线的限制，微处理器执行指令时，取指和存取操作数共享内部总线，因而程序指令只能串行执行。当面对数据密集型算法时，会造成传输通道上的瓶颈现象。DSP处理器采用的是程序与数据总线分离的哈佛总线结构，能同时取指和取操作数，并行处理指令和数据，大大提高了程序效率。2流水技术（Pipeline）在处理器内，计算机执行一条指令分为：取指、译码、取数、执行运算等步骤，需要若干个指令周期才能完成。流水技术可以使2个或更多不同的操作重叠执行。即，第一条指令取指后，译码时，第二条指令取指；第一条指令取数时，第二条指令译码，第三条指令取指，一次类推，如图5所示。图5 流水技术流水处理技术使得若干条指令的不同执行阶段可以并行执行，是提高DSP程序执行效率的另一主要手段。3算术单元硬件乘法器在数字信号处理的算法中，乘法和累加是基本的大量的运算。往往需要占用DSP处理器的绝大部分处理时间。在通用微处理器内通过微程序实现的乘法操作需要100多个时钟周期，非常费时，因此在DSP处理器内专门设置了硬件乘法器来完成乘法操作，以提高乘法速度，这也是DSP区别于通用微处理器的一个重要标志。多功能单元为了进一步提高速度，可以在CPU内设置多个并行操作的功能单元（ALU乘法器、地址产生器等），如TI的DM642系列DSP内部有8个功能单元，包括2个乘法器和6个ALU。这8个功能单元最多可以在1个周期内同时执行条32位指令。由于多功能单元的并行操作使DSP在相同的时间内能完成更多的操作，因而提高了程序的执行速度。4专用寻址单元要达到很高的数据处理速度必须要有很高速度的数据访问和传输相配合。随着频繁的数据访问，数据地址的计算时间也线性增长。在通用CPU中，数据地址的产生和数据的处理都有ALU来完成。在DSP处理器中，则设置了专门的数据地址产生器，与ALU并行工作，从而节省了CPU的时间，提高了信号处理速度。5片内存储器当面向数据密集型应用时，存储器访问速度对处理器的性能影响很大。现代微处理器内部一般不设存储程序的ROM和存储数据的RAM，因为处理器的程序一般都很大，片内存储器不会给处理器性能带来明显改善。但DSP算法的特点是需要大量的简单计算，相应的程序比较短小，存放在DSP片内就可以减少指令传输时间，并有效缓解芯片外部总线接口的压力。DSP上述这些特点，使其在各个领域得到了广泛的应用。2.2.3 TMS320C6713芯片介绍DSP处理器比较有代表性的产品是TI（Texas Instruments，德州仪器）的TMS320系列和Motorola的DSP56000 系列。本文采用的是TMS320C6713，TMS320C6713 DSP是美国TI于1997年推出的C6000系列DSP芯片的一款，是迄今为止德州公司推出的最快的浮点处理器，其主频可达200MHz，这就为需要高精度和快速处理的应用打下了一个坚实的基础。其次TMS320C6713 芯片是TMS320C6000 系列的首款采用表面贴装的芯片，封装的修改，将大幅度降低生产、维护和开发中的难度，加快产品的市场化速度。结构图如图6所示： 图6 TMS320C6713结构图TMS320C6713基本性能：Ø 支持VLIW超长指令字，8个独立的功能单元：2ALUs（定点）；4ALUs（定点或者点）；2乘法器（定点或浮点）；Ø 支持单精度和双精度指令；8位防溢出保护；饱和模式；Ø L1/L2存储器结构：n -4K字节 L1P程序Cache（直接映射）；n -4K字节L1D 数据Cache（2路径）；n -256K字节的L2存储器：64K字节可以做2级Cache使用，192K可以做内部RAM使用，同时256K都做内部RAM也是可以的；Ø 器件配置方式有8- 16- 32-的ROM配置，HPI配置端模式是大端和小端，一般场合使用小端模式；Ø QFP封装的6713EMIF接口16bit，可以无缝SDAM，EEPROM，FLASH，SDRAM，SBRAM. 512M的地址总线空间；Ø 扩展的直接存储器存取控制器（EDMA）；Ø 16位主机（HPI）接口；Ø 2个多通道音频串行口（McASPs）；2个MCBSP接口；Ø 2个I2C接口（I2C1跟MCBSP接口复用）；Ø 2个32位的定时器；Ø 16个GPIO（复用）。2.3 USB芯片介绍2.3.1 主流芯片的分类现在的USB生产厂商很多，几乎所有的硬件厂商都有USB的产品。USB控制器一般有两种类型：一种是MCU集成在芯片里面的，如Intel的SX93OAX，CYPRESS的EZ-USB，SIEMENS的C541U以及MOTOLORA、National Semiconductors等公司的产品，但是这种芯片价格相对较为昂贵；另一种就是纯粹的USB接口芯片，仅处理USB通信，如PHILIPS的PDIUSBD11（I2C接口）、PDIUSBD11A，PDIUSBD12（并行接口），National Semiconductor的USBN9602，USBN9603，USBN9604等，价格低廉。前一种由于开发时需要单独的开发系统，因此开发成本较高；而后一种只是一个芯片与MCU接口实现USB通信功能，成本较低，而且可靠性高。PDIUSBD12是PHILIPS公司推出的一种价格便宜、功能完善的并行接口芯片，性价比很高。它支持多路复用、非多路复用和DMA并行传输。PDIUSBD12接口芯片遵从协议USB1.1适合于不同用途的传输类型。PDIUSBD12需要外接微控制器（MCU）来进行协议处理和数据交换，它对MCU没有特殊要求，而且接口方便灵活，因此可以选用自己熟悉的MCU对芯片进行控制，也可以利用PHILIPS公司的固件（firmware）结构来缩短开发时间、降低风险、减小投资。本课题就是选用PDIUSBD12作用通讯接口芯片。2.3.2 PD1USBD12芯片功能PDIUSBD12是物美价廉而且性能较优的USB设备。它一般用在微控制系统中，通过并行接口和控制器进行高速通讯，也支持本地DMA传输。具下的重要特点：1.和USB1.1完全兼容2.片内集成了SIE、FIFO、收发器和电压调整电路3.和外部的微控制器和微处理器的高速并口相接4.支持DMA操作5.块传输和同步传输下可达1Mbps的传输速率6.支持总线供电有很好的抗电磁辐射能力7.可软件控制USB总线的连接和断开8.有连接指示器9.有上电复位和低电压复位电路10.能输出可编程的脉冲其功能框图如图7所示。下面，简单介绍一下各部分功能：图7 PDIUSBD12芯片的功能框图1.模拟收发器集成的收发器接口可通过终端电阻直接与USB电缆相连。2.电压调整器片内集成了一个3.3V的调整器用于模拟收发器的供电，该电压还作为输出连接到外部1.5K的上拉电阻，可