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基于TMS320C6713DSP在音乐喷泉控制系统中的应用2009年09月23日

  引言
  本设计针对这些问题,提出了一种新的方法来控制喷泉的变化,通过喷泉水柱的喷射高低来实时地展现音乐的频谱。音乐喷泉是现代科技与艺术的综合,利用喷泉来表现音乐的美,令人赏心悦目。目前许多单位均推出了自己的音乐喷泉,取得了良好的效果。但纵观这些音控产品,有的利用音乐的时域变化来控制喷泉,有的将音乐分成几个频段来控制喷泉的花型,且多采用低频、中频和高频三个频段来控制。缺点是都没有在频域上很好地展现音乐,因此不能很好地体现音乐的内涵。
  总体设计
  首先对音频信号进行放大、滤波、采样和A/D转换等预处理,经过DSP对音频信号进行傅立叶变换,可以得到音频信号的频谱,即各频率对应声音信号的强度,通过变频控制系统就可以将频谱图用喷泉的水柱表现出来,水柱的高低按线性比例反映音频信号的幅度。设每次对音频信号的采样个数为n,系统总的结构如图(1)所示。

系统总的结构图
  图1 总体设计框图
  具体设计
  芯片及功能模块介绍
  TLV320AIC23(简称AIC23)是一个高性能的多媒体数字语音编解码器,它的内部ADC和DAC转换模块带有完整的数字滤波器。内部有11个16位寄存器,控制接口具有SPI和I2C工作方式。数据传输宽度可以是16位,20位,24位和32位,采样频率范围支持从8kHz到96kHz。在ADC采集达到96kHz时噪音为90-dBA,能够高保真的保存音频信号。在DAC转换达到96kHz时噪音为100-dBA,能够高品质的数字回放音频。
  TMS320C6713是TI公司生产的一种高速数字信号处理器(DSP),他采用先进的超长指令字(VLIW)结构,每时钟周期可以执行8条32b指令,最高时钟频率可以达到300MHz,指令周期最小3.3ns。该芯片具有丰富的片内存储器资源和多种片上外设,外部总的存储器地址空间最大512MB,数据宽度为32b,可以支持SBRAM,SDRAM,SRAM,FALSH和EPROM。
  TMS320C6713中有两个多通道缓冲串口(McBSP),可以方便地利用这两个McBSP完成对AIC23的控制和通信。
  硬件连接
  TMS320C6713与TLV320AIC23的连接
  TMS320C6713的两个多通道缓冲串口分别配置成I2C模式和SPI模式McBSP0作为数据的发送端口,McBSP1作为控制端口,对AIC23写控制字TMS320C6713与AIC23的硬件连接图如图2所示。

   TMS320C6713与TLV320AIC23的硬件连接
  图2 TMS320C6713与TLV320AIC23的硬件连接
  变频控制系统设计
  变频控制系统是由变频控制器、变频分配器和变频器构成。对于8路以下的控制系统变频控制系统可采用图3所示的控制方法。

   变频控制系统
  图3 变频控制系统
  经DSP处理后的音乐信号自动转换成变频调速器所要求的4~20mA直流电流信号。输出直流电流信号与输入的音乐信号大小成线性关系,使喷泉的喷高随音乐信号大小变化。
  对于8路以上的多路喷泉控制可以采用扩展音乐喷泉控制器和变频演示仪功能的方式来满足要求。DSP作为变频型音乐喷泉控制系统的控制中心,以后以4路进行扩展,分别为4路、8路、12路、16路……,以此类推。每路控制一台变频调速器,将音乐信号转换成变频调速器所能接受的4~20mA直流电流信号,来驱动变频调速器,使喷泉的喷高随音乐信号的大小而变化。
  软件实现
  总统软件设计
  首先初始化McBSP0口和McBSP1口,配置AIC23,然后启动AIC23的A/D转换,将由麦克风输入的模拟音频信号进行采样,然后对采样到的音频信号进行傅立叶变换,总体流程框图如图4所示。离散傅立叶变换(DFT)的公式见公式1,为了进行快速傅立叶变化,采取时间抽取(DIT)基2FFT算法。

       总体流程框图
  图4 总体流程框图
  对N点音频信号进行FFT变换,由公式1可知对应到频域上也是N点,设频域上对应第k点的频率为fk,则其计算公式见公式2。其中fs为音频信号的采样频率,f'k为归一化频率,f'k的计算公式见公式3。因此由公式2和公式3可以得出频谱图上每个采样点对应的实际频率值。

    公式
  音频数据采集
  1、采样频率
  根据采样定理,采用频率至少应该是采样声音频率的2倍。由于人耳所能感受的频率大约为20Hz~20kHz,所以理论上采用频率最好取40kHz即可。实际上由于设备的原因,采用频率一般要高出10%,即44kHz。由于AIC23支持44.1kHz,所以本设计中采样频率选用44.1kHz。
  2、样本大小
  样本大小决定了可能录制声音的最低幅度和最高幅度的差距,代表了采样的量化大小。声音的强度正比于声音的幅度。与频率一样,人耳对声音强度的感受能力不是成线性关系,而是成对数关系,常用dB(分贝)来表示。dB的定义为:20log(A1/A2),A1,A2为声音的两个幅度。
  当采用大小为8位时,那么声音的最大和最小的幅度比为256,则:20log(256)=48dB,当采用大小为16位时,那么声音的最大和最小的幅度比为65536,则:20log(65536)=96dB此时最大声强已经接近于人耳的极限。本设计中样本大小选用16位。
  3、数据采集的实现
  程序设计步骤如下:
  a)初始化多通道缓冲串口0和1。
  对多通道缓冲串口的初始化是通过配置其寄存器来完成的。串口0配置成方式,串口0各寄存器配置如下:串口配置控制寄存器SPCR=0xC30003;接口控制寄存器PCR=0x03;接收控制寄存器RCR=0x0140;发送控制寄存器XCR=0x0140。串口1配置成SPI方式,串口1各寄存器配置如下:串口配置控制寄存器SPCR=0xC51000;接口控制寄存器PCR=0xa0a;接收控制寄存器RCR=0;发送控制寄存器XCR=0x10040。
  b)配置TLV320AIC23
  AIC23内部有11个16位寄存器,这16位控制字中,B[15—9]为寄存器的地址,B[8—0]为要写入寄存器的数据。对本设计写入这11个寄存器的数值如下:左声道输入控制=0x17;右声道输入控制=0x17;左耳机通道控制=0x7f;右耳机通道控制=0x7f;模拟音频通道控制=0x1c;数字音频通道控制=0x1;启动控制=0;数字音频格式=0x4f;样本速率控制=0x3f;数字界面激活=0x01;初始化寄存器=0。
  c)启动转换,进行A/D转换,将转换后的数据存储在DSP的内部存储器中,每次采用128点。
  实例
  图5为在DSP的软件环境CCS2.0下仿真输出的音频信号频谱波形,图6为音频信号的时域波形。每次采样数为128,采样频率设为44.1kHz,样本大小为16位。

   音频信号频谱图
  图5 音频信号频谱图

   音频信号时域波形
  图6 音频信号时域波形
  结束语
  本文给出了一种新的音乐喷泉的设计方案,提出了通过喷泉水柱的高低变化来展现音乐信号的频谱的方法,利用DSP和音频编解码芯片在音频信号处理中的优点,将二者很好地应用于音乐喷泉系统中。详细地阐述了TMS320C6713与音频codecAIC23接口的软件编程与硬件系统设计。这一方案在Code Composer Studio(CCS2.0)环境下运行仿真器进行软件硬件联合调试时取得了较好的效果,证实了设计的成功和方案的可用性。本方案不仅可以作为音乐喷泉的前端控制系统设计,如果加上一个LCD显示和一些控制电路,还可以作为便携式音频信号频谱分析仪的模型。

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