dsp数字信号处理课程设计报告 基于DSP的MP3播放器设计.doc

DSP 技术及应用技术及应用课程设计课程设计 选题名称选题名称: 基于 DSP 的 MP3 播放器设计 系（院）系（院）: 计算机工程学院 专专 业业:计算机科学与技术(嵌入式系统软件设计) 班班 级级: 计算机 1073 班 姓姓 名名: 学学 号号: 指导教师指导教师: 学年学期学年学期: 2009 2010 学年 第 2 学期 2010年 6 月 10 日 摘要： DSP 应用的快速发展为数字信息产品带来广阔的发展空间，并将支持通信、计 算机和消费类电子产品的数字化融合。在无线领域，DSP 遍及无线交换设备、基站、 手机终端和网络领域，并涵盖从骨干基础设施到宽带入户的设备。面向群体应用， DSP 在媒体网关、视频监控、专业音响、数字广播、激光打印等应用中表现出色；面 向个人应用，DSP 在便携式数字音频和影像播放器、指纹识别和语言识别等应用中表 现不俗；针对嵌入式数字控制应用，DSP 极大地满足了工业的需求，如数字变频电力 电源设备、工业缝纫机等；DSP 也极大地满足了消费电子的需求，如空调、冰箱、洗 衣机等。随着 DSP 生产技术和工艺的进步，新型的 DSP 产品将会不段涌现，并得到 广泛应用。随着数字编解码及压缩技术的发展，语音文件也朝着高压缩比、高保真的 方向发展，从 MP1、MP2 到目前的 MP3 格式。 关键词：DSP；语音文件；编解码； 目目 录录 1 课题概要 .1 1.11.1 硬件要求硬件要求 .1 1.21.2 软件要求软件要求 .1 2 系统分析 .2 2.12.1 要达到的技术指标要达到的技术指标 .2 2.22.2 功能描述功能描述 .2 2.32.3 TMS320C6711TMS320C6711 DSPDSP 芯片简介芯片简介.3 3 设计方案 .4 3.13.1 设计方案概述设计方案概述 .4 3.23.2 基于基于 DSPDSP 的系统设计方案的系统设计方案 .4 3.33.3 软件系统设计方案软件系统设计方案 .5 4 系统整体框图 .6 5 硬件电路设计 .6 5.15.1 模拟音频模块 .6 5.25.2 系统的系统的 PCBPCB 图图 .8 总 结 .10 致 谢 .11 参 考 文 献 .12 DSP 系统开发与应用工程实习报告 0 1 1 课题概要课题概要 1.11.1 硬件要求硬件要求 预期的 MP3 播放器的目标系统硬件要求实现以下功能： (1) 能够存储一定量的 MP3 码流文件，供解码系统使用。在系统初步实现时，存储 的码流长度至少要保证能够从主观上感受到音频信号解码的效果； (2) 能够对 MP3 码流进行解码，从 MP3 格式恢复成 PCM 码流。系统应该能够保证 解码过程的正确性，并能够满足解码算法在实现过程中所需要的存储空间、计算速度 等需求； (3) 能够把解码后输出的 PCM 码流通过扬声设备，如耳机、音箱等播放出来，这样 才能够从直观上判断解码的效果，并且方便后期在使用该系统方案时进行直观性能评 价和直接应用； (4) 能够满足系统的功率要求。一般情况下，对于电子类便携式系统，或者嵌入式应 用方案来说，系统的功耗要比较低，用电池供电能够满足系统的工作需要。 1.21.2 软件要求软件要求 系统的软件应该能够实现以下功能： (1) 能够从数据存储介质中读取 MP3 码流数据，要能保证数据读取的速度满足系统的 需要； (2) 能够正确定位 MP3 文件数据的地址和文件长度，为后期进行歌曲选择打下基础； (3) 能够正确对 MP3 码流进行解码，并且以所需要的格式和方式输出。解码算 法要在目标系统中实现，因此，不但要保证算法的正确性，也要保证算法的适应 性，充分利用目标系统性能特性，并满足系统的运算速度要求； (4) 能够正确协调硬件各个模块的工作，提供正确的芯片控制信号，这项软件功能是 专门针对硬件的，需要根据目标系统的硬件需求来设计实现 DSP 系统开发与应用工程实习报告 1 2 2 系统系统分析分析 2.12.1 要达到的技术指标要达到的技术指标 序号技术指标参数 1内存2GB 2数据流速度64kb/s320kb/s 3谐波失真0.01% 4信噪比90dB 5动态范围85dB 6通道分离度80dB 7录音格式ADPCM 8录音数据流速率16kb/s-32kb/s 16、32kb/s 等（WAV 格式）9解码功能 16、32、48、64、128kb/s 等（MP3 格式） 34Mb/s（下载）10USB 接口 56Mb/s（上传） 11音频输出功率（5-7.5）mW2 12电池AAA 型 1 节 13静态电流2uA 14待机电流30mA 15工作电流70mA 16录音取样频率8kHz 图 2-1 MP3 播放器的基本技术指标 2.22.2 功能描述功能描述 序号功能当前状态操作结果 1播放待机、停 止 按 PLAY 键顺序播放内存中的 MP3 歌曲 2随机播放播放按随机键MP3 中的歌曲随机播放 3重复播放播放重复按 REPEAT 键 普通播放单曲重复所有歌曲重 复普通播放 播放按 MODE 键按一次设起点，再按一次设终点， 两点间循环播放 4循环播放 循环播放按 MODE 键返回原播放 5 音场选择待机、播 放 重复按 EQ 键普通（NORMAL）古典 （CLASSIC）摇滚（ROCK）重 低音（BASS）迪斯科（DISCO） DSP 系统开发与应用工程实习报告 2 爵士（JAZZ）流行（POP） 普通（NORMAL） 按 VOL+键声音增大6音量控制播放 按 VOL-键声音减小 播放按 REW 或 FF 键向前或向后搜索歌曲并播放7搜索 待机、停 止 按 REW 或 FF 键向前或向后搜索歌曲文件名 播放按 PLAY 键暂停播放8暂停 暂停播放按 PLAY 键恢复播放 9删除待机：选 定文件 按 DEL 键二次删除选定文件 待机、播 放 按 HOLD 键其他键失去作用10锁定 锁定按 HOLD 键取消锁定 11浏览停止按 REW 或 FF 键顺序显示存储器中的歌曲文件名 12停止播放按 STOP 键停止 停止按“开关”键13关机 待机 n 分 钟 无 关机 图 2-2 MP3 播放器的功能描述 2.32.3 TMS320C6711TMS320C6711 DSPDSP 芯片简介芯片简介 veloci 结构使 C6000 DSP 成为高性能的 DSP 芯片。典型的 VLIW 结构由多个并行 运行的执行单元组成，这些单元在单个时钟周期内可执行多条指令。并行是突破传统 设计而获得高性能的关键。 C6711 处理器由三个主要部分组成:CPU 内核、外设和存储器。CPU 中 8 个功 能单元可以并行操作，这些功能单元被分成类似的两套，每套由 4 个基本功能单元组 成。CPU 有两组寄存器，每组寄存器由 16 个 32 位寄存器组成。由于在运行期间个做 硬件数据相关性的检查，所以程序的并行性在编译时就被确定。片内程序存储器的总 线宽度为 256 的，使每个周期可取 8 条 32 位指令。 C6711 芯片包括片内程序存储器和数据存储器，有些芯片将这些存储器作为高速 缓冲存储器。外设包括直接存储器访问(DMA)、低功耗逻辑、外部存储器接口、串口、 扩展总线或主机口和定时器等。 具有以下特点： 1 运行速度快。指令周期为 6ns，峰值运算能力为 1336MIPS,对于单精度运算可 达 1G FLOPS，对于算精度运算可达 250MFLOPS. 2 硬件支持 IEEE 格式的 32 位单精度与 64 为双精度浮点操作。 DSP 系统开发与应用工程实习报告 3 3 继承了 32*32bit 的乘法器，其结果可为 32 或 64bit. 4 C6711 的指令集在 C62 的指令集基础上增加了浮点执行能力，可以看作是 C62 指令集的超集。 与 C62 系列芯片一样，由于其出色的运算能力、高效的指令集、智能外设、大容 量的片内存储器和大范围的寻址能力，这个系列的芯片适合用于基站数字波束形成、 图像处理、语音识别等对运算能力和存储量有高要求的应用场合。 3 3 设计方案设计方案 3.13.1 设计方案概述设计方案概述 为了能够设计和实现出较高性能的系统，需要了解当前的 MP3 解码器系统的实现 方案。市场调查和技术咨询的结果显示，目前 MP3 播放器系统 MP3 解码模块一般有 两种实现方案。 第一、使用专业的 MP3 解码芯片，辅以简单的外围电路实现。这种方案的优点是 系统个体集成度高，电路结构紧凑，实现相对比较简单，能够很快设计实现出目标系 统并投入使用，但是由于使用的是专业芯片，芯片中的功能模块即使能扩充，幅度和 范围都相对较小，系统很难进行算法升级或功能扩充，在嵌入式应用中与原系统的集 成度不高。 第二、以通用数字信号处理器(DSP,Digital Signal Processor)为核心，搭建相应的 外部电路形成一个系统，解码功能通过对数字信号处理芯片编程来实现。这种方案中， 使用一定开发环境进行软件的设计实现和调试测试。为了满足解码系统的需求，需要 根据性能和技术要求，对通用的数字信号处理芯片进行外围电路扩充。这种方案的优 点是系统实现的灵活性高，功能的可扩展性强，系统成本可以通过对芯片的选择控制 到相对较低的水平，而且对于同样使用数字信号处理芯片实现的系统来说，能最大程 度地进行系统集成。但是由于整个系统从硬件到软件都需要自行设计和搭建，系统实 现的难度和复杂度比较高。 对于本系统设计采用方案二，即采用以 DSP 实现编解码的系统。 3.23.2 基于基于 DSPDSP 的系统设计方案的系统设计方案 MP3 解码器的解码算法完全由 DSP 芯片实现，其控制部分用单片机实现，作为硬 件电路设计的一个部分。电路的整体设计与开发需要综合考虑前面两部分程序算法接 DSP 系统开发与应用工程实习报告 4 口内容，可以在进行详细的程序设计的基础上进行。这样，可以把 MP3 解码器的开 发工作分为两大模块，即 MP3 解码程序 DSP 实现，即软件设计，以单片机控制程序 和电路板设计部分，即硬件设计。 MP3 系统开发从模块上可以划分为硬件开发和软件开发两个部分，软件主要实现 MP3 解码算法，单片机实现存储器访问控制，MP3 文件播放控制等功能。系统总体的 功能结构如图一所示。 硬件系统 MP3播放器系统 软件系统 主译码模块 控制模块 模拟音频模块 电源模块 DSP 子系统 控制 子系统 图 2-1 系统结构框图 3.33.3 软件系统设计方案软件系统设计方案 软件系统设计方案是用 DSP 软件实现 MP3 解码算法功能，并完成相应的接口访问 功能，软件功能图如图二所示。 DSP 系统开发与应用工程实习报告 5 键盘 用户接口 应用程序 FLASH 文件系统 HPI 驱动 通用 驱动 应用程序 HPI 驱动 MP3 解码 输出 均衡 D/A 控制子系统MP3子系统 图 2-2 MP3 解码器软件系统功能原理图 4 4 系统整体框图系统整体框图 MP3 解码算法要被用来实现数码 MP3 实时解码适配器，所以必须通过硬件实现其 算法。本系统以 DSP(TMS320VC5416)作为解码的主要部分，还包括音频 D/A 转换， 单片机的控制模块，电源系统，存储器模块等组成，图三给出了系统框图。 DSP (MP3解码) MCBSP DMA HPI 接 口 音频D/A转 换模块 电源模块 FLASH SDRAM AT89C52 人机接 口模块 USB 接口 驱动 LCD 显示 耳机 基于DSP的MP3播放器框图 图 4-1 系统整体框图 5 5 硬件电路设计硬件电路设计 5.15.1 模拟音频模块 声音采集电路以 TI 公司的音频编解码器 TLV320AIC23 为核心来完成，AIC23 把 麦克风输出的模拟音频信号转换成数字音频信号，形成 PCM 码流，送给 DSP 芯片。 DSP 则以 DMA 方式，通过多通道缓冲串口读取 PCM 样值，并在片内 RAM 建立帧缓 DSP 系统开发与应用工程实习报告 6 冲区，每帧的大小为 12，DSP 通过 I2C 接口对芯片的内部寄存器进行控制设置，使其 工作在合适的的工作模式下。 (1) A1C23 与 6711 的连接方式 AIC23 与 DSP 的接口有两个:一个是控制口，用于设置 AIC23 的工作参数;另一 个是数据口，用于传输 AIC23 的 A/D、D/A 数据。将 6711 的 McASP 配置成脉冲帧同 步模式，2 通路 TDM 格式的数据流，与 4 片 AIC23 的数据接口相连;使用 I2C 总线与 AIC23 的控制口接口。 AIC23 的数据口 AIC23 的数据口有 4 种工作方式，分别为 Rightiustitled、Leftjustified、xlsMode、DSPMode。其中后两种可以很方便的与 DSP 的 McASP 串口相连接。采用 DSPMode 工作方式。AIC23 的数据口可以和 6711 的 McASP 接口无缝连接，方便地实现主模式与从模式两种工作方式。当 McASP 为从模 式时，McASP 的接收时钟与帧同步信号都由 AIC23 来提供;当 McASP 为主模式时， McASP 产生所有的信号。McASP 串口相连接。采用 DSPMode 工作方式。AIC23 的 数据口可以和 6711 的 McASP 接口无缝连接，方便地实现主模式与从模式两种工作方 式。当 McAS 为从模式时，McASP 的接收时钟与帧同步信号都由 AIC23 来提供;当 McAS 为主模式时，McASP 产生所有的信号。 AIC23 的控制口 AIC23 的控制口有两种工作方式:两线制的 I2C 方式 (MODE 为低);三线制的 SPI 方式(MODE 为高)，文中采用 I2C 方式，时序图如下图所示。 图 5-1 I2C 总线配置 AIC23 的时序图 使用 I2C 总线对 AIC23 进行配置时，I2C 总线选择 7 位地址的寻址方式， DSP 系统开发与应用工程实习报告 7 由于 AIC23 的寄存器只有写操作无读操作，因而其通讯协议规定每个 WORD 的前 7Bit 为寄存器的地址，后 1Bit 为寄存器内容。在两线制的 I2C 方式下 SDI 为串行数据线， SCLK 为串行时钟线，开始条件是当 SCLK 为高而 SDI 为下降沿，1 到 7 个位时钟传 输寄存器地址，R/W 位决定数据传输方向，第 9 个位时钟识别地址并接受数据传输， 后 2 个 8 位时钟传输控制数据位(9 位)。单片 AIC23 接口电路。 图 5-2 音频转换电路 5.25.2 系统的系统的 PCB 图图 DSP 系统开发与应用工程实习报告 8 图 5-3 系统生成的.Pcb DSP 系统开发与应用工程实习报告 9 总总 结结 今年学习的 DSP，对 DSP 的硬件设计，软件设计掌握的深度还不够，但通过本次 课程设计，明显的改善了，学会了仿真环境使用方法，动手设计电路组成器件以及器 件之间的布局与连接，加强了动手能力。对于硬件电路的工作原理也有了进一步的学 习，同时有了一个提升，对自己的专业方向也更加明确，从一个刚入门的学习者渐渐 的爱上了这门技术，虽然说对于 DSP 技术方面的知识还有很多要学习和提高，但是在 这周我还是感受到这门课程的魅力所在。 从课题的选择开始，到硬件和软件系统的设计，这其中经历了很多困难，但是更 重要的是在这个过程中我得到了很大的锻炼。这是一个需要不断的尝试，不断的校核， 不断的修改，最后完成一个合理的设计的过程。需要的是能力和毅力。在很大程度上 培养了我拼搏不放弃的工作精神。在一个好的氛围里才能踏下心来做东西，在这一段 时间里，团队成员都认真对待这次课程设计，除了自己做好自己的课题模块外，在遇 到不懂的地方互相讨论，查阅资料，互相解决问题。另外在课程设计中出现问题时， 一定要戒骄戒躁，脚踏实地，认真看书，仔细分析，就一定能够发现错误。我也是这 么做的，这一点在这次的课程设计中十分重要。 通过这次课程设计，我体会到了成功的喜悦，看到设计的仿真结果出来的时候， 心里非常自豪。并希望能将理论运用到实践，设计出更好更完整的系统。我明白了一 个人要想做好一件事，就必须具备自信心，耐心，还要有毅力，要胆大心细，要勇于 尝试，要手脑并用，最后才能交出一份令人满意的答卷。 这次课程设计是短暂的，以至于在结束的时候总有一种意犹未尽的感觉，在这期 间我们的团队协作配合表现的淋漓尽致。由此我也意识到了团队的力量，总之这次课 程设计让我受益匪浅。 DSP 系统开发与应用工程实习报告 10 致致 谢谢 首先要感谢学校给我们提供了这么一个锻炼的机会，感谢计算机工程学院的领导 们给我们提供了实验室，让我们的学习不只是停留在理论上，让我感受到了动手能力 的重要性，并检验了我的理论学习水平。 在这次课程设计过程中，马老师和常老师多次帮助我们团队分析思路，开拓视角 ，当遇到困难的时候给予我们指引和鼓励。两位老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧 的工作精神，让我们感受颇深。在此，谨向马老师和常老师致以诚挚的谢意和崇高的 敬意。 在我设计和实践过程中我的同组成员给予我极大的支持和鼓励，在此我要感谢我 的同组同学给予我的支持和鼓励，最后感谢帮助过我的每一位老师和同学，是你们给 了我最大的学习动力，并让这次课程设计能够成功完成。 DSP 系统开发与应用工程实习报告 11 参参 考考 文文 献献 （1） 乔瑞平，崔涛，TMS320C54x DSP 原理及应用，西安电子科技大学出版社， 2005.2 （2） 计丹, 基于定点 DSP 的 MP3 解码系统设计与实现, 硕士学位论文, 2002. （3） 吕海平, 基于 DSP 的 MP3 编码器技术研究 , 硕士学位论文, 2007. （4） 王希公, MP3 数码音频播放机设计 ,天津大学工程硕士学位论文, 2004. （5） 廖义奎，ARM 与 DSP 综合设计及应用，中国电力出版社，2009.9 （6） 饶运涛，邹继军，王进宏，郑勇云，现场总线 CAN 原理与应用技术（第 2 版） ，北京航空航天大学出版社，2008.7