基于ARM的低功耗語音增強系統(tǒng)設(shè)計
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2 硬件設(shè)計
2．1 主控CPU芯片選型
本系統(tǒng)要求低功耗，傳統(tǒng)的信號處理系統(tǒng)大多采用DSP，DSP芯片雖然數(shù)據(jù)處理能力強大，但是本身功耗太高，因此不適用于低功耗設(shè)計的要求，加之DSP內(nèi)部外設(shè)種類很少，如不具有A／D和D／A等模塊，對于系統(tǒng)設(shè)計，增加這些功能模塊無疑又會增加功耗。
LPC1756是NXP(恩智浦)公司推出的高度集成和低功耗的32位嵌入式處理器，內(nèi)核構(gòu)架為32位高性能ARM Cortex-M3 CPU，具有3級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)總線，LPC756具有256 kB片上Flash和32 kB SRAM，時鐘頻率可高達120MHz，指令執(zhí)行速度最高為150 MIPS，工作在最高頻率時，所耗電流也僅為數(shù)十毫安。LPC1756具有大量豐富的外設(shè)：一個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，高達8個輸入通道；一個10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)；4個32位通用定時器；8個DMA通道等。此外，具有80個引腳的LPC1756的封裝體積為12x12x1．4 mm?？傊?，該芯片具備處理速度快、功能豐富、體積小和性價比高等優(yōu)點。因此符合本系統(tǒng)設(shè)計要求。
為了適應(yīng)低功耗設(shè)計的要求采用LPC1756片內(nèi)ADC模塊和DAC模塊。為了節(jié)約CPU處理數(shù)據(jù)的時間，在采集端和輸出端均采用DMA傳輸模式。
2．2 大電壓差電源設(shè)計
在本系統(tǒng)中，要求輸入電壓為26 V直流電壓，輸出電流不超過60 mA。ARM處理器所需供電電壓為2．4～3．3 V。目前流行的電源壓降模塊普遍采用線性穩(wěn)壓源和開關(guān)電源。線性穩(wěn)壓源常見的如LDO(低壓差輸出)模塊，LDO原理是利用三極管基極電壓來控制輸入輸出端的電壓差來獲得輸出所需電壓的目的，而系統(tǒng)電流也要流經(jīng)三極管，因此LDO在降壓的同時，其自身的功耗也很大，LDO芯片的功耗：
P=(VIN-VOUT)*I (6)
式(6)中VIN為輸入電壓(轉(zhuǎn)換前)，VOUT為輸出電壓(轉(zhuǎn)換后)，I為輸出電流。假設(shè)本系統(tǒng)電流為50mA，因此由式(6)可得LDO自身功耗P=(26-3．3)*50 mW=1 135mW，可見在這種高壓差的LDO系統(tǒng)中，損失的功率太大使得電源轉(zhuǎn)換效率很低，這樣在LDO芯片上會產(chǎn)生很大的熱量，很容易燒壞電源芯片，不僅會使整個系統(tǒng)癱瘓，而且會造成安全隱患。但是LDO具有輸出電壓穩(wěn)定、紋波小等優(yōu)點，適合低壓差電源轉(zhuǎn)換。
開關(guān)電源常見的如DC-DC模塊，開關(guān)電源的原理是利用開關(guān)的特性，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)輸出對應(yīng)占空比的PWM信號來控制MOS管的柵極電壓，從而達到輸出預(yù)期電壓的目的，MOS管的漏源極間的導(dǎo)電溝道電阻非常小，因此消耗在開關(guān)電源上的功耗很小。因此鑒于開關(guān)電源輸入電源范圍寬、功耗小等優(yōu)點，廣泛在系統(tǒng)設(shè)計時被采用。需要指出的是在用開關(guān)電源時，由于開關(guān)電源頻繁的開關(guān)特性，會使得輸出電壓的紋波和噪聲較大，因此在設(shè)計時需考慮濾波和PCB布線等情況。
鑒于上述原因，本系統(tǒng)電源模塊采用開關(guān)電源和LDO共同作用的架構(gòu)，先用開關(guān)電源將輸入電壓(DC26V)轉(zhuǎn)換至適合LDO輸入電壓(DC5V)范圍內(nèi)，這樣可以有效降低在LDO上的功耗；然后再利用LDO模塊轉(zhuǎn)換至系統(tǒng)所需的穩(wěn)定電壓(DC3．3V)，確保系統(tǒng)不受電源紋波的干擾。開關(guān)電源芯片選用美國國家半導(dǎo)體公司的LM2576開關(guān)電源，其具有電壓輸入范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高以及帶負載能力強等優(yōu)點；LDO芯片采用美國TI公司的TPS79133芯片，其具有輸出電壓穩(wěn)定、紋波小等特點。
2．3 信號調(diào)理模塊設(shè)計
輸入為語音信號，經(jīng)麥克風轉(zhuǎn)換為電壓信號，但這種電壓信號很徽弱，一般為幾十毫伏，需要經(jīng)過放大才能被A／D有效采集，為了提高放大后信號的信噪比，在放大前端應(yīng)對信號進行濾波處理，語音信號分布在300～3400 Hz之間，因此可對輸入信號進行低通率波。又由于譜減算法的特性，去噪后信號的幅度較去噪前信號的幅度減小很多，所以對去噪后的語音信號也應(yīng)當放大和濾波處理。
本系統(tǒng)采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC34119集成運放，該芯片具有寬電壓輸入(2．0～16 V)、對語音信號具有自適應(yīng)增益功能以及不需外部加直流偏置等特點。由于LPC1756內(nèi)部A／D和D／A參考電壓為3．3 V，因此運放的輸入(參考)電壓也應(yīng)為3．3 V，信號增益是通過反饋電阻與輸入電阻之比來確定。即：
Gain=RF／RI (7)
在本系統(tǒng)中，輸入增益設(shè)為10倍，輸出增益設(shè)為3倍。低通濾波器采用美信半導(dǎo)體公司MAX7427集成芯片，該芯片具有功耗低(僅需0．8 mA)、外圍電路簡單等特點，且通過外接振蕩電容來計算上限截止頻率，適用頻率范圍1～12 000 Hz，符合本系統(tǒng)頻率范圍。
3 系統(tǒng)整體框架本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/148201.htm
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