基于模型化DSP快速設計的音頻信號采集系統

李智勇等

摘 要： 數字信號控制器具有數字信號處理器和微控制器的優點，在現代自動控制、數據采集系統中占據著重要的地位，TMS320F28335作為目前最主流的數字信號控制器，在實際工程中被廣泛的使用。目前該處理器存在著程序設計周期長，程序設計過程復雜等問題。采用模型化設計的DSP嵌入式系統程序開發方法能很好地解決這個問題。以設計一個基于DSP的音頻數據采集系統為例，通過將CCS軟件和Matlab/Simulink進行有機的結合，對模型進行圖形化界面配置，最終實現目標處理器程序代碼的自動生成、下載、調試和運行，從而快速地實現音頻信號數據采集系統的設計。

關鍵詞： TMS320F28335； 數據采集系統； Matlab/Simulink； 模型化設計

中圖分類號： TN912?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）21?0011?03

Fast design of audio signal acquisition system based on DSP modeling design

LI Zhiyong， WANG Fei， ZHU Qiang

（Chongqing Key Laboratory of Signal and Information Processing， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China）

Abstract： The digital signal controller has the advantages from digital signal processor and microcontroller， which has played the important role in modern automatic control and data acquisition system. TMS320F28335 as the mainstream digital signal controller is widely used in practical engineering. Currently， this processor has the problems of long period program design and complicated program design process. The program development method of DSP embedded system with modeling design can solve these problems better. Taking design a DSP?based audio signal acquisition system as an instance， the graphic interface of the model is configured by combining CCS software with Matlab/Simulink greatly. The automatic generation， downloading， debugging and operation of the program codes in the target processor are realized， and the design of this audio signal acquisition system can be implemented fast.

Keywords： TMS320F28335； data acquisition system； Matlab/Simulink； modeling design

0 引 言

數字信號處理器（Digital Signal Processor）作為一種專用的高性能處理器，在通信、電力、自動控制等領域發揮著舉足輕重的作用。工程師進行DSP程序設計時通常使用兩種方法：一種是通過建立常規的系統工程，編寫程序代碼的方式；另外一種是使用半圖形化的DSP/BIOS或SYS/BIOS對DSP進行程序設計。第一種方法的設計過程太過復雜，工程師通常都需要查閱大量技術文檔才能完成相關控制寄存器的配置。此外，在進行多任務設計時，工程師還要考慮程序的結構問題。第二種方法針對前一種方法的缺點進行了一定改進，減少了一定的程序設計量，工程師也不需要再去組織程序的結構，但還是要大量的編寫程序代碼，這些現象導致在實際工程應用中，工程設計進度緩慢，設計方法復雜?；谀Ｐ突焖貲SP程序開發方法的出現使得這類問題得到了解決。

基于模型設計方法是通過將Matlab/Simulink和DSP編程軟件有機地結合起來使用。這樣，工程師能夠在Matlab中的Simulink工具中進行系統原型設計、自動代碼生成和嵌入式系統開發。利用這樣一種簡單快捷的設計方法，工程師不僅可以對系統設計方案進行快速驗證，分析方案的可行性，也可以快速對數字信號處理算法進行評估，從而在短時間里完成系統設計、算法構思到代碼的實現。這樣，工程師就可以將主要精力放在算法的研究，而不是瑣碎的程序代碼設計上。這就加快了系統軟硬件的開發速度，降低了工程師的入門門檻；解決了DSP嵌入式工程師既要有深厚的理論知識積累，又要有熟練的嵌入式編程經驗的難題。因此，這樣一種基于模型化的設計可以在實際工程設計中被廣泛使用。

1 建立音頻數據采集系統模型

為了驗證這樣一種方法，建立了一個音頻數據采集系統的模型，以這種快速簡單的模型化設計方法來實現這個系統的功能。在開始設計之前需要設置一些環境變量，將CCS軟件和Matlab軟件有機結合起來，配置的主要工作就是在系統中指定相應軟件的工作路徑，并設置好仿真器配置文件。

完成了相關的配置之后，打開Matlab的Simulink工具。新建一個名為SAMPLE_SYSTEM的模型文件，選擇器件庫中的“Embedded Coder”→“Embedded Targets” →“Processors” →“Texas Instruments C2000”，然后選擇C28x3x模塊，從這個庫中添加異步通信接口（SCI）發送模塊和模擬/數字信號轉換模塊（ADC）到模型設計文件中。由于此次設計的系統是一個多點數據采集系統，各個數據采集模塊會分開工作，最后共用一個SCI串口將數據上傳到上位機，選中“Simulink”→“Signal Routing”，將其中的復用器MUX拖入模型中，通過這個復用器，多個ADC的模塊就可以共用一個通信接口于上位機完成通信。

由于F28335的片內ADC采用的數據格式是12位的無符號整型，而SCI接口通常采用的是8位的字符型數據，這兩者的數據并不匹配，因此需要對ADC采集到的數據進行一定的處理之后才能交給串口發送出去，而Simulink中并沒有現成的模塊，但是提供了自定義模塊的功能，可以選中“Simulink” →“User?Define Functions”將用戶自定義模塊添加到系統模型中。通過對這個自定義模塊的編輯，實現數據類型的轉換，使數據可以被SCI接口正常的接收和發送。

添加所需要的模塊之后，將各個模塊接口按功能需求連接起來，ADC的三個通道分別連接到了各自的數據類型轉換模塊的輸入口，這些模塊的輸出口和SCI模塊通過復用器MUX進行連接，實際的連接情況如圖1所示。

2 系統模型配置

為了實現各個模塊的正常工作，需要對各個模塊的參數進行配置。這一步的實質其實就是通過圖形化的界面完成對DSP相應的控制寄存器的配置；因此，工程師不必再查閱技術文檔即可完成相關的寄存器配置。

首先對ADC模塊進行設置，將使用的ADC模塊設置為ADC_B，并且開啟ADC_B的3個轉換通道。在這里還可以配置ADC的采樣頻率和觸發方式。在本設計中將ADC采樣頻率設置為0.000 1 s，將觸發方式設置為軟件觸發。SCI接口的配置和ADC的配置基本類似，這里不再贅述。ADC的配置界面如圖2所示。

值得一提的是，在配置ADC時可以選擇是否啟用DMA（Direct Memory Access）傳輸ADC采集到的數據。DMA的使用可以使CPU不再管理ADC的運行，也就不需要花費大量的時間等待模/數轉換的完成，CPU只在需要使用數據時，才到指定的地址中獲得相關數據，這使得處理器有更多的時間去執行其他任務，這種方法在DSP程序設計中被廣泛使用。但是，DMA控制器的配置非常繁瑣，很多工程師對此只能望而卻步，放棄這一對系統性能改善有明顯提升的方法。而在基于模型化的設計中，工程師只需選擇使用DMA就可以完成DMA的配置，這對提升系統性能和縮短程序的開發周期而言，有著重要的作用。

用戶自定義模塊的功能是實現數據類型的轉換，將ADC采集到的16位無符號整形數據轉換成8位的字符型數據，通過編寫這個模塊的C語言控制程序就可以實現數據類型轉換的功能。用鼠標雙擊這個自定義模塊就可以進入這個模塊的設置窗口（如圖3所示），在這里，工程師可以完成模塊功能的設計。該模塊將轉換完成的數據封裝到一個包含了相關信息的數據幀中，從模塊的輸出口送出。

在實際中，工程師也完全可以根據自己的實際情況，將一些更有效的算法設計成模塊，在移植這種模塊化的程序時，不做任何修改就可以使用。

最后就是對目標平臺進行設置，這里將目標平臺設置為TMS320F28335，時鐘頻率設置為150 MHz，這樣就完成了對整個系統的設計。整個過程中，沒有對TMS320F28335的任何一個寄存器進行設置，也沒有查閱任何參考文檔。這樣的設計方式無疑是非常實用的。

3 系統實際測試

配置好模型設計文件之后，點擊模型設計窗口右上角的建立模型按鈕，此時，Matlab就開始編譯文件，并將編譯過程的相關信息在Matlab的控制臺上顯示出來，編譯結束之后生成一個.OUT可執行文件，將這個可執行文件通過計算機系統的控制臺自動下載到DSP芯片中。程序文件下載過程中計算機系統的控制臺提示信息如圖4所示。

程序下載完成之后，首先將音頻信號接到一個音頻信號預處理的硬件上，該硬件電路將輸入的音頻信號限制在0～3.3 V之間，并對輸入信號做了抗混淆濾波處理，處理之后的信號就輸入到DSP的信號采集接口。然后，將硬件電路的串口和計算機串口連接起來，并打開計算機上的串口監視軟件，按照相應的通信協議完成串口的設置。確認設置之后，串口就顯示出了接收到的數據，串口監控軟件接收到的數據如圖5所示。通過數據顯示，監控軟件不斷地接收到采集系統發送來的數據，數據被成功采集到計算機中。

為了更為直觀地查看采集到的數據波形，將串口數據監視軟件關閉，打開一個串口數據的波形顯示軟件，就可以顯示出采集到音頻信號的時域波形。該軟件顯示采集到的音頻信號時域波形如圖6所示。由于在測試時只對ADC的A路輸入了信號，而其余兩路都沒有信號輸入，所以該軟件只顯示出了A路信號的時域波形，這與串口數據監視軟件接收到的數據是匹配的。這就說明了這種基于模型化的DSP程序快速設計方法是易用可行的。

4 結 論

設計一個基于DSP的音頻信號數據采集系統，通常需要編寫大量的控制寄存器，而工程師無法記憶這么多寄存器的配置方式，只能查閱數據手冊，一旦配置錯誤，很難再找出問題，這就導致了開發方式效率低下，開發周期長。而使用基于模型化的設計方法，工程師只需要在圖形化的對話框中就可以完成相應的配置。這樣就可以提高程序的開發速度，降低程序設計的難度。工程師甚至不用編寫一行代碼就可以實現DSP程序的設計。這種模型化的DSP系統快速設計方法非常適合在實際工作中使用，有著極大的實際意義和推廣價值。

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