dsp數(shù)字信號處理課程設(shè)計報告--基于dsp的mp3播放器設(shè)計

1、<p>　　《DSP技術(shù)及應(yīng)用》課程設(shè)計</p><p>　　選題名稱: 基于DSP的MP3播放器設(shè)計 </p><p>　　系（院）: 計算機工程學(xué)院</p><p>　　專 業(yè):計算機科學(xué)與技術(shù)(嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計)</p><p>　　班 級: 計算機107

2、3班 </p><p>　　姓 名: 學(xué) 號: </p><p>　　指導(dǎo)教師: </p><p>　　學(xué)年學(xué)期: 2009 ~ 2010 學(xué)年 第 2 學(xué)期</p><p>　　2010年 6

3、 月 10 日</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　DSP課程設(shè)計是數(shù)字信號處理和DSP原理與應(yīng)用課程相結(jié)合的實踐過程，通過本課程設(shè)計，可以進一步領(lǐng)會和深化課堂上學(xué)到的有關(guān)數(shù)字信號處理的基本概念、基本原理以及基本的數(shù)字信號處理操作，進一步理解DSP芯片的硬件實現(xiàn)機理及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點，掌握DSP系統(tǒng)的開發(fā)流程和基本編程方法，實踐工程的

4、調(diào)試方法和仿真方法。使用專業(yè)的MP3解碼芯片，輔以簡單的外圍電路實現(xiàn)。以通用數(shù)字信號處理器(DSP,Digital Signal Processor)為核心，搭建相應(yīng)的外部電路形成一個系統(tǒng)，解碼功能通過對數(shù)字信號處理芯片編程來實現(xiàn)。這種方案中，使用一定開發(fā)環(huán)境進行軟件的設(shè)計實現(xiàn)和調(diào)試測試。為了滿足解碼系統(tǒng)的需求，需要根據(jù)性能和技術(shù)要求，對通用的數(shù)字信號處理芯片進行外圍電路擴充。這種方案的優(yōu)點是系統(tǒng)實現(xiàn)的靈活性高，功能的可擴展性強，系統(tǒng)成

5、本可以通過對芯片的選擇控制到相對較低的水平，而且對于同樣使用數(shù)字信號處理芯片實現(xiàn)的系統(tǒng)來說，能最大程度地進行系統(tǒng)集成?；诖?本文提出了一種基于DSP的MP3播放器的設(shè)計和實現(xiàn)方案。該MP3播放器基于DSP技術(shù)，采用慢速大容量外存加高速小容量外存的組合方式，音樂文件先從慢速外存</p><p>　　關(guān)鍵詞：DSP；MP3；編碼；解碼；</p><p><b>　　目錄</b

6、></p><p><b>　　1 課題概要1</b></p><p><b>　　1.1硬件要求1</b></p><p><b>　　1.2軟件要求1</b></p><p><b>　　2 系統(tǒng)分析2</b></p>&l

7、t;p>　　2.1 要達到的技術(shù)指標(biāo)2</p><p><b>　　2.2功能描述3</b></p><p>　　2.3 TMS320C6711 DSP芯片簡介4</p><p><b>　　3 設(shè)計方案5</b></p><p>　　3.1 設(shè)計方案概述5</p>

8、<p>　　3.2 基于DSP的系統(tǒng)設(shè)計方案5</p><p>　　3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計方案6</p><p>　　4 系統(tǒng)整體框圖7</p><p>　　5 硬件電路設(shè)計7</p><p>　　5.1 主譯碼模塊7</p><p>　　5.2 系統(tǒng)的PCB圖11</p><

9、p><b>　　總 結(jié)12</b></p><p><b>　　致 謝14</b></p><p>　　參 考 文 獻15</p><p><b>　　1 課題概要</b></p><p><b>　　1.1硬件要求</b></p>

10、;<p>　　預(yù)期的MP3播放器的目標(biāo)系統(tǒng)硬件要求實現(xiàn)以下功能：</p><p>　　(1) 能夠存儲一定量的MP3碼流文件，供解碼系統(tǒng)使用。在系統(tǒng)初步實現(xiàn)時，存儲的碼流長度至少要保證能夠從主觀上感受到音頻信號解碼的效果；</p><p>　　(2) 能夠?qū)P3碼流進行解碼，從MP3格式恢復(fù)成PCM碼流。系統(tǒng)應(yīng)該能夠保證解碼過程的正確性，并能夠滿足解碼算法在實現(xiàn)過程中所需要

11、的存儲空間、計算速度等需求；</p><p>　　(3) 能夠把解碼后輸出的PCM碼流通過揚聲設(shè)備，如耳機、音箱等播放出來，這樣才能夠從直觀上判斷解碼的效果，并且方便后期在使用該系統(tǒng)方案時進行直觀性能評價和直接應(yīng)用；</p><p>　　(4) 能夠滿足系統(tǒng)的功率要求。一般情況下，對于電子類便攜式系統(tǒng)，或者嵌入式應(yīng)用方案來說，系統(tǒng)的功耗要比較低，用電池供電能夠滿足系統(tǒng)的工作需要。</

12、p><p><b>　　1.2軟件要求</b></p><p>　　系統(tǒng)的軟件應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：</p><p>　　(1) 能夠從數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)中讀取MP3碼流數(shù)據(jù)，要能保證數(shù)據(jù)讀取的速度滿足系統(tǒng)的需要；</p><p>　　(2) 能夠正確定位MP3文件數(shù)據(jù)的地址和文件長度，為后期進行歌曲選擇打下基礎(chǔ)；</p&g

13、t;<p>　　(3) 能夠正確對MP3碼流進行解碼，并且以所需要的格式和方式輸出。解碼算</p><p>　　法要在目標(biāo)系統(tǒng)中實現(xiàn)，因此，不但要保證算法的正確性，也要保證算法的適應(yīng)</p><p>　　性，充分利用目標(biāo)系統(tǒng)性能特性，并滿足系統(tǒng)的運算速度要求；</p><p>　　(4) 能夠正確協(xié)調(diào)硬件各個模塊的工作，提供正確的芯片控制信號，這項軟件

14、功能是專門針對硬件的，需要根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)的硬件需求來設(shè)計實現(xiàn)</p><p><b>　　2 系統(tǒng)分析</b></p><p>　　2.1 要達到的技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　圖2.1 MP3播放器的基本技術(shù)指標(biāo)</p><p><b>　　2.2功能描述</b></p><p&

15、gt;　　圖2.2 MP3播放器的功能描述</p><p>　　2.3 TMS320C6711 DSP芯片簡介</p><p>　　veloci結(jié)構(gòu)使C6000 DSP成為高性能的DSP芯片。典型的VLIW結(jié)構(gòu)由多個并行運行的執(zhí)行單元組成，這些單元在單個時鐘周期內(nèi)可執(zhí)行多條指令。并行是突破傳統(tǒng)設(shè)計而獲得高性能的關(guān)鍵。</p><p>　　C6711處理器由三個主要部

16、分組成:CPU內(nèi)核、外設(shè)和存儲器。CPU中8個功</p><p>　　能單元可以并行操作，這些功能單元被分成類似的兩套，每套由4個基本功能單元組成。CPU有兩組寄存器，每組寄存器由16個32位寄存器組成。由于在運行期間個做硬件數(shù)據(jù)相關(guān)性的檢查，所以程序的并行性在編譯時就被確定。片內(nèi)程序存儲器的總線寬度為256的，使每個周期可取8條32位指令。</p><p>　　C6711芯片包括片內(nèi)程序

17、存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，有些芯片將這些存儲器作為高速緩沖存儲器。外設(shè)包括直接存儲器訪問(DMA)、低功耗邏輯、外部存儲器接口、串口、擴展總線或主機口和定時器等。</p><p><b>　　具有以下特點：</b></p><p>　　1 運行速度快。指令周期為6ns，峰值運算能力為1336MIPS,對于單精度運算可達1G FLOPS，對于算精度運算可達250MFLOPS.

18、</p><p>　　2 硬件支持IEEE格式的32位單精度與64為雙精度浮點操作。</p><p>　　3 繼承了32*32bit的乘法器，其結(jié)果可為32或64bit.</p><p>　　4 C6711的指令集在C62的指令集基礎(chǔ)上增加了浮點執(zhí)行能力，可以看作是C62指令集的超集。</p><p>　　與C62系列芯片一樣，由于其出色的運

19、算能力、高效的指令集、智能外設(shè)、大容量的片內(nèi)存儲器和大范圍的尋址能力，這個系列的芯片適合用于基站數(shù)字波束形成、圖像處理、語音識別等對運算能力和存儲量有高要求的應(yīng)用場合。</p><p><b>　　3 設(shè)計方案</b></p><p>　　3.1 設(shè)計方案概述</p><p>　　為了能夠設(shè)計和實現(xiàn)出較高性能的系統(tǒng)，需要了解當(dāng)前的MP3解碼器

20、系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。市場調(diào)查和技術(shù)咨詢的結(jié)果顯示，目前MP3播放器系統(tǒng)MP3解碼模塊一般有兩種實現(xiàn)方案。</p><p>　　第一、使用專業(yè)的MP3解碼芯片，輔以簡單的外圍電路實現(xiàn)。這種方案的優(yōu)點是系統(tǒng)個體集成度高，電路結(jié)構(gòu)緊湊，實現(xiàn)相對比較簡單，能夠很快設(shè)計實現(xiàn)出目標(biāo)系統(tǒng)并投入使用，但是由于使用的是專業(yè)芯片，芯片中的功能模塊即使能擴充，幅度和范圍都相對較小，系統(tǒng)很難進行算法升級或功能擴充，在嵌入式應(yīng)用中與原系統(tǒng)的集

21、成度不高。</p><p>　　第二、以通用數(shù)字信號處理器(DSP,Digital Signal Processor)為核心，搭建相應(yīng)的外部電路形成一個系統(tǒng)，解碼功能通過對數(shù)字信號處理芯片編程來實現(xiàn)。這種方案中，使用一定開發(fā)環(huán)境進行軟件的設(shè)計實現(xiàn)和調(diào)試測試。為了滿足解碼系統(tǒng)的需求，需要根據(jù)性能和技術(shù)要求，對通用的數(shù)字信號處理芯片進行外圍電路擴充。這種方案的優(yōu)點是系統(tǒng)實現(xiàn)的靈活性高，功能的可擴展性強，系統(tǒng)成本可以通

22、過對芯片的選擇控制到相對較低的水平，而且對于同樣使用數(shù)字信號處理芯片實現(xiàn)的系統(tǒng)來說，能最大程度地進行系統(tǒng)集成。但是由于整個系統(tǒng)從硬件到軟件都需要自行設(shè)計和搭建，系統(tǒng)實現(xiàn)的難度和復(fù)雜度比較高。</p><p>　　對于本系統(tǒng)設(shè)計采用方案二，即采用以DSP實現(xiàn)編解碼的系統(tǒng)。</p><p>　　3.2 基于DSP的系統(tǒng)設(shè)計方案</p><p>　　MP3解碼器的解碼算

23、法完全由DSP芯片實現(xiàn)，其控制部分用單片機實現(xiàn)，作為硬件電路設(shè)計的一個部分。電路的整體設(shè)計與開發(fā)需要綜合考慮前面兩部分程序算法接口內(nèi)容，可以在進行詳細的程序設(shè)計的基礎(chǔ)上進行。這樣，可以把MP3解碼器的開發(fā)工作分為兩大模塊，即MP3解碼程序DSP實現(xiàn)，即軟件設(shè)計，以單片機控制程序和電路板設(shè)計部分，即硬件設(shè)計。</p><p>　　MP3系統(tǒng)開發(fā)從模塊上可以劃分為硬件開發(fā)和軟件開發(fā)兩個部分，軟件主要實現(xiàn)MP3解碼算法

24、，單片機實現(xiàn)存儲器訪問控制，MP3文件播放控制等功能。系統(tǒng)總體的功能結(jié)構(gòu)如圖一所示。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計方案</p><p>　　軟件系統(tǒng)設(shè)計方案是用DSP軟件實現(xiàn)MP3解碼算法功能，并完成相應(yīng)的接口訪問功能，軟件功能圖如圖二所示。</p><p>　　圖2-2 MP3解碼器

25、軟件系統(tǒng)功能原理圖</p><p><b>　　4 系統(tǒng)整體框圖</b></p><p>　　MP3解碼算法要被用來實現(xiàn)數(shù)碼MP3實時解碼適配器，所以必須通過硬件實現(xiàn)其算法。本系統(tǒng)以DSP(TMS320VC5416)作為解碼的主要部分，還包括音頻D/A轉(zhuǎn)換，單片機的控制模塊，電源系統(tǒng)，存儲器模塊等組成，圖三給出了系統(tǒng)框圖。</p><p>　　

26、圖4-1 系統(tǒng)整體框圖</p><p><b>　　5 硬件電路設(shè)計</b></p><p><b>　　5.1 主譯碼模塊</b></p><p>　?。?） TMS320C6711接口與時鐘電路</p><p>　　veloci結(jié)構(gòu)使C6000 DSP成為高性能的DSP芯片。典型的VLIW結(jié)構(gòu)

27、由多個并行運行的執(zhí)行單元組成，這些單元在單個時鐘周期內(nèi)可執(zhí)行多條指令。并行是突破傳統(tǒng)設(shè)計而獲得高性能的關(guān)鍵。</p><p>　　C6711處理器由三個主要部分組成:CPU內(nèi)核、外設(shè)和存儲器。CPU中8個功</p><p>　　能單元可以并行操作，這些功能單元被分成類似的兩套，每套由4個基本功能單元組成。CPU有兩組寄存器，每組寄存器由16個32位寄存器組成。由于在運行期間個做硬件數(shù)據(jù)相關(guān)

28、性的檢查，所以程序的并行性在編譯時就被確定。片內(nèi)程序存儲器的總線寬度為256的，使每個周期可取8條32位指令。</p><p>　　C6711腆芯片包括片內(nèi)程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，有些芯片將這些存儲器作為高速緩沖存儲器。外設(shè)包括直接存儲器訪問(DMA)、低功耗邏輯、外部存儲器接口、串口、擴展總線或主機口和定時器等。</p><p><b>　　具有以下特點：</b>&

29、lt;/p><p>　　1、運行速度快。指令周期為6ns，峰值運算能力為1336MIPS,對于單精度運算可達1G FLOPS，對于算精度運算可達250MFLOPS.</p><p>　　2、 硬件支持IEEE格式的32位單精度與64為雙精度浮點操作。</p><p>　　3、繼承了32*32bit的乘法器，其結(jié)果可為32或64bit.</p><p&

30、gt;　　4、 C6711的指令集在C62的指令集基礎(chǔ)上增加了浮點執(zhí)行能力，可以看作是C62指令集的超集。</p><p>　　與C62系列芯片一樣，由于其出色的運算能力、高效的指令集、智能外設(shè)、大容量的片內(nèi)存儲器和大范圍的尋址能力，這個系列的芯片適合用于基站數(shù)字波束形成、圖像處理、語音識別等對運算能力和存儲量有高要求的應(yīng)用場合。</p><p>　　圖5-1 時鐘，JTAG和DSP接口電

31、路</p><p>　?。?） 主譯碼模塊中的JTAG仿真口電路</p><p>　　連接測試組（JTAG）接口用于連接最小系統(tǒng)和仿真器，實現(xiàn)仿真器對DSP的訪問，JTAG接口的連接需要和仿真器上的接口一致。</p><p>　　一般情況下，最小系統(tǒng)板需要引出雙排的14腳插針，圖中引腳間隔為0.1英寸，引腳寬度為0.025英寸，引腳長度為0.235英寸。在大多數(shù)情況

32、下，如果開發(fā)板和仿真器之間的連接電纜不超過6英寸，可采用上述接法，在EMU0和EMU1接上拉電阻4.7K。</p><p>　　圖5-2 JTAG電路</p><p>　?。?） 主譯碼模塊中的時鐘電路</p><p>　　時鐘電路有25MHZ晶振，兩片ICS504和SN74LVTH125PW組成，如圖所示</p><p><b>

33、;　　圖5-3 時鐘電路</b></p><p>　　5.2 系統(tǒng)的PCB圖</p><p>　　圖4-6系統(tǒng)生成的.Pcb</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　通過這周的DSP課程設(shè)計加深了對TMS320C54X的了解，對DSP這門課的認識進一步加深了。從一個剛?cè)腴T的學(xué)習(xí)者,漸漸

34、的愛上了這門技術(shù)，雖然說對于DSP技術(shù)方面的知識還有很多要學(xué)習(xí)和提高，但是在這周我還是感受到這門課程的魅力所在。我學(xué)會了Protel電路板的繪圖操作，并通過上網(wǎng)搜索資料，查閱課本及課外書籍，對電路各部分組成器件的工作原理加深了解。學(xué)會了仿真環(huán)境使用方法，動手設(shè)計電路組成器件以及器件之間的布局與連接，加強了動手能力。</p><p>　　這是一個磨練意志的過程。從課題的選擇開始，到硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計，這其中經(jīng)歷了

35、很多困難，但是更重要的是在這個過程中我得到了很大的鍛煉。一方面通過TMS320C54X等一些器件的設(shè)計讓我學(xué)習(xí)和掌握了DSP技術(shù)的基礎(chǔ)知識和技術(shù)要點，也使以前學(xué)的很多知識都得到了運用；另一方面在用Protel 99 SE軟件畫電路圖,這個過程中讓我掌握了計算機輔助的設(shè)計技術(shù)。當(dāng)然，這是一個需要不斷的嘗試，不斷的校核，不斷的修改，最后完成一個合理的設(shè)計的過程。需要的是細心和耐心。在很大程度上培養(yǎng)了我拼搏的工作精神。使我受益匪淺，更加明確了

36、自己專業(yè)的方向。這次時間是短暫的，但這我想我們學(xué)到的應(yīng)該不僅僅是專業(yè)技術(shù)等表面上的東西，更深一層的是對人生的感悟，對未來的想法，年輕人的桀驁不馴在此時已經(jīng)不在有意義，取而代之的是理性的思維。我們應(yīng)該具備什么樣的能力，我們適合什么樣的人生，我們應(yīng)該在怎樣的崗位上實現(xiàn)自己的人生價值。</p><p>　　實習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識、發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體

37、訓(xùn)練和考察過程，通過課程設(shè)計我能夠比較系統(tǒng)的了解理論知識，把理論和實踐相結(jié)合，并且用到生活當(dāng)中。在做設(shè)計的過程中總會出現(xiàn)各種問題，在這種情況下我們都會努力尋求最佳路徑解決問題，無形間提高了我們的動手，動腦能力，并且同學(xué)之間還能相互探討問題，研究解決方案，增進大家的團隊意識。</p><p>　　課程設(shè)計是短暫的，影響卻是長遠的。通過課程設(shè)計讓我體會了團隊合作的益處，在團隊中一起發(fā)現(xiàn)問題、討論問題，共同進步、共同提

38、高。DSP課程設(shè)計主要是我們理論知識的延伸，它的目的主要是要在設(shè)計中發(fā)現(xiàn)問題，并且自己要能找到解決問題的方案，形成一種獨立的意識。我們還能從設(shè)計中檢驗我們所學(xué)的理論知識到底有多少，鞏固我們已經(jīng)學(xué)會的，不斷學(xué)習(xí)我們所遺漏的新知識，把所學(xué)的知識學(xué)的更加扎實。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　首先要感謝xx給我提供了這么一個鍛煉自我的機會，

39、感謝計算機工程學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)們給我們提供了實驗室，讓我的學(xué)習(xí)不只是停留在理論上，而是上升到了實踐，讓我感受到了動手能力的重要性，并檢驗了我的理論知識水平。</p><p>　　課程設(shè)計行文過程中，x老師和x老師多次幫助我分析思路，開拓視角，在我遇到困難想放棄的時候給予我最大的支持和鼓勵。兩位老師嚴謹求實的治學(xué)態(tài)度，踏實堅韌的工作精神，將使我終生受益。再多華麗的言語也顯蒼白。在此，謹向xx老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意

40、。  </p><p>　　在我設(shè)計和實踐過程中我的同組成員給予我極大的支持和鼓勵，在此我要感謝我的同組同學(xué)給予我的支持和鼓勵，感謝xx同學(xué)不厭其煩的給我講解編碼與解碼過程的實現(xiàn)，是她們兩個讓我對編解碼有了更深刻的理解；感謝xx同學(xué)耐心的給我極大的幫助，在電路設(shè)計的過程中給我講解了TMS320C54X的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部的I/O口的使用方法；感謝xx同學(xué)在我電路連接的過程中給我指點迷津。最后我再說一句，“感

41、謝幫助過我的每一位老師和同學(xué)，是你們給了我最大的學(xué)習(xí)動力”。</p><p>　　你們用不同的方式給了我成長，也是你們促使我在走過的大學(xué)時光里一直努力，一直向我的夢想前進！</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　?。?） 喬瑞平，崔濤，TMS320C54x DSP 原理及應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

42、2</p><p>　?。?） 計丹, 基于定點DSP的MP3解碼系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn), 碩士學(xué)位論文, 2002.</p><p>　　（3） 呂海平, 基于DSP的MP3編碼器技術(shù)研究 , 碩士學(xué)位論文, 2007.</p><p>　?。?） 王希公, MP3數(shù)碼音頻播放機設(shè)計 ,天津大學(xué)工程碩士學(xué)位論文, 2004.</p><p>