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数码音频信号处理及控制系统

摘 要：本设计为实际的工程项目——新一代DVD系统的一个功能模块。系统采用的是目前最为流行的YAMAHA公司的DSP芯片YSS915和嵌入式微处理8051为核心，组成一个数码音频信号处理及控制系统。本系统分为：8051控制模块，DSP模块，模拟信号处理模块，显示模块和滤波电路模块。系统可实现对数码音频的音量、环绕声、音调、静音等各种状态及大小的控制并将系统运行的实时状态通过Philiph公司的74HC595搭建的显示电路显示出来。
关键词：YSS915 DSP 嵌入式微处理器 8051 数码音频信号处理

1 整体方案设计
本系统的设计本着准确、稳定、可靠的原则采用自上而下、分级设计、匹配相连的模块化设计思想进行设计。整个系统采用目前最为流行的的DSP芯片YSS915和嵌入式微处理器MCS-51单片机系统8051为核心，组成一个数码音频信号处理及控制系统。系统作为实际工程项目——新一代DVD系统的一个功能模块，分为：8051控制模块、DSP模块、模拟信号处理模块、显示模块和滤波电路模块。整个系统为：麦克风采集到的模拟信号经过模拟信号处理模块被放大到符合YSS915正常处理需要的电压范围，然8051控制模块将控制YSS915对放大后的模拟信号在芯片内部转换为数字信号，并进行各种处理，而后与输入到该DSP芯片的数字信号叠加并从其数字输出端口输出；输出的数字信号经过2通道 DAC转换为模拟信号并与经过YSS915的直通模拟信号相叠加为新的模拟信号，该模拟信号经过一个由4558P双运放组成的有源带通滤波器最后输出给音箱设备。整个系统的运行情况均可以通过由Philiph公司的74HC595搭建的显示电路显示出来。整体方案设计如下方框图所示：
显 示

控制信号 数字信号

模拟信号

滤波
电路
音箱
叠加
控制信号

D
S
P
DAC
麦克风
信 号
放大
电路
数字
信号

8
0
5
1
模拟信号

2 具体方案设计
2.1 8051控制电路模块设计
本模块的设计采用的是MCS-51系列单片机8051为核心。由于8051芯片内具有4K的内部程序存储空间，因此可以减少扩展外部程序存储空间等方面对I/O口的需求。又由于在本系统中按键的数量比较少，因此将这几个按键与P0.0到P0.5相连，分别控制音量，环绕声，音调，静音4个模式和各个模式的增减。该端口均要接上拉电阻，在按键没有按的时候，端口读到的值为1，当按键按下时，为0。用于显示的I/O口为P1.0到P1.3四个端口，实现串行输出，锁存并行显示。P2.0到P2.6的各个端口分别控制YSS915和PCM1716等各个芯片与CPU的通信。
2.2 显示电路模块设计
本模块电路采用的是具有连续输入，锁存并行输出功能的芯74HC595，准备显示的3字节的3位数据，伴随Shcp的脉冲，通过该芯片的DS端串行输入，而后被锁存到该芯片的内部寄存器中；当STcp有个高电平脉冲信号的时候，被锁存的数据全部并行输出显示出来。这个多位8段数码管显示电路总共只需要3个的单片机I/O口。该方案的使用，打破了以往需要译码，解码过程的显示电路对I/O口的需求，进而有利于节约有限的I/O。
2.3 DSP电路模块设计
本模块是本系统的重点模块，对于数码音频信号的处理，采用的是现在最为流行的YAMAHA公司的YSS915（该芯片的介绍，请参考后面的芯片介绍）。该芯片只需要由个端口与CPU相连，就可以实现其对各种数码音频信号的处理功能。通过改变其内部01到3F寄存器的值就可以改变起音量，环绕声，回响，音调等。因此也就实现了单片机对本系统的整体控制。
2.4 模拟信号放大电路模块设计
本电路采用的是单片高性能双运算放大器4558P，该芯片具有较高的单位增益带宽，能有效地防止放大过程中的失真。该电路使用的是两级放大器，第一级为2通道放大。每个通道可以实现对一个麦克风进来的模拟信号的放大。使用的是反向比例放大电路，放大倍数为
-Rf/R1=-220k/2k=-110 ，第二级采用的是反相求和电路，直接将第一级的的2个输出信号当作该求和电路的2个输入信号进行求和，放大倍数为1倍。2级运放反馈电阻均并联一个22P的电容，是为了有效的防止干扰。实际测试也显示效果不错。
2.5 D/A转换电路模块设计
本模块采用的单片双通道音频信号DAC——PCM1716，能将YSS915输出的2通道的数字音频信号直接转化为模拟信号，以有效的与YSS915直通的模拟信号叠加，而形成各种音响效果。在本次设计中将MODE管脚接高电平，从而设置为硬件模式；将DM1和DM0都接低电平进而将其采样频率设置为44.1KHZ；将I2S和IWO设置为低电平，将输入数据的格式设置为每字16位，右对齐模式。然后利用单片机的一个I/O口对其进行复位处理。利用这种方法可以有效的减少芯片对CPUI/O口的需求，从而能更加有效的提高系统的扩展能力。
3 软件流程图（见下页）
4 方案实现
4.1 硬件部分
⑴使用ORCAD Capture V9 绘制出整个系统的电路原理图，对各个元器件建立相应的PCB封装。（原理图祥见附录）
⑵对该原理图进行DRC检查，及其他检查，而后生成网络表文件。
⑶将在ORCAD里生成的网络表文件导入到PowerPCB中。
⑷对该原理图网络表进行规划布局，布线设计，设计验证，而后输出CAM文件。
SURROUND=0?
是
否
开始
初始化定义
初始化YSS915
启动DA转换
VOLUM=0？
去抖动处理
SURROUND=0?
VOLUM=0？
去抖动处理
调用音量处理子程序
TONE=0？
去抖动处理
MUTE=0？
TONE=0？
MUTE=0？
去抖动处理
调用音调处理子程序
调用环绕声处理子程序
调用静音处理子程序
否
是
否
是
是
否
否
是
否
是
是
否

是

4.2 软件部分
⑴使用MCS-51汇编软件进行编程，编程过程中贯彻模块化思想进行设计。
⑵对于编辑完成的软件进行汇编，并在伟福 E2000/L型仿真器对软件进行仿真调试。
⑶将调试通过的程序固化到8051芯片中。
5 调试工具
仪器名称
型号规格
计算机
实达云图100
示波器
V-1065A
信号发生器
GAG-809
数字万用表
DT-9924
单片机仿真器
伟福E2000/L
麦克风
实达UD-9908

参考文献

[1]《YAMAHA公司芯片(YSS915)介绍》（英文版）.2002年.
[2]《Philips公司芯片（74HC595）介绍》(英文版).1998年6月.
[3]《BURR-BOWN公司芯片（PCM1716）介绍》（英文版）.2000年.
[4] 李朝青著.《单片机原理与接口技术》.北京航空航天大学出版社，1994年9月.
[5] 李华等著.《MCS-51系列单片机实用接口技术》.北京航空航天出版社，2001年8月.
[6] 周航慈编.《单片机应用程序设计技术》.北京航空航天大学出版社，2002年11月.
[7] 李宁著.《PADS-PowerLogic和PowerPCB实用教程》.电子工业出版社，2001年2月.
[8] 张义和著.《全能电路图设计ORCAD CAPTURE V9》.中国铁道出版社，2000年4月.
[9] 全国大学生电子设计竞赛组委会编.《第四届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编》.北京理工大学出版社，2001年3月.
[10]全国大学生电子设计竞赛组委会编.《第三届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编》.北京理工大学出版社，2000年3月.
[11]童诗白著.《模拟电子技术基础》.高等教育出版社，1988年5月.

Abstract: This designe is a project that is a function module of a new DVD system. The numeral audio-signal processing and controlling system is composed of YSS915 produced by YAMAHA that is the most popular DSP CMOS chip and 8051that is embedded MPU used as the core of this system. This system contains 8051-control module, DSP module, control system of analog signals , display module and LFP module. This system can control vary state and volume of audio-signal volume, surround, surrounding sound, tune, mute. Display circuit that is composed of 74HC595 produced by Philiph Corporation can display the running state of whole system.
Key words: YSS915 DSP MPU 8051 audio-signal processing

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