解析ADSP-BF531的数字音频选择系统的应用

1 引言

随着数字电路广泛应用，广播中的数字信号逐步取代传统的模拟信号。随着数字媒体技术的发展，存储技术在数字媒体领域也得到了广泛应用。特别是数字技术的迅猛变革，使存储数字媒体的技术手段也发生很大变化。在媒体爆炸性增长的同时，广电界十分关心数字技术的未来发展，同时也更加关心数字媒体资产的管理、使用和存储。本系统设计采用ADSP-BF531和EMP7128实现了广播常用的AES3数字信号实时检测和动态分配功能。

2 系统功能简介

音频数字选择系统是由母板、控制板和分配板组成。AES3信号分为10组，每组3路信号是由机箱直接输入母板，母板再将每组信号分别送入10块分配板。分配板对输入信号进行解析，再根据用户的要求选择符合要求的信号输出，并显示当前各路信号的质量。

音频数字选择系统原理：接收3路AES3广播信号，A路为主路，无特殊情况时为输出信号。若A路出现无信号或信号电平过低等情况，系统将自动切换至B路。若B路有问题，切换至C路。若3路输入信号均有问题，则输出应急信号。应急信号由上位机提供。

本系统是由音频信号分配模块、控制模块、上位机组成，如图1所示。

本系统同时输入10组30路信号，分别由10块分配板卡完成信号分选。1块控制板卡控制10块分配板卡，并检测其状态，实现各分配板卡与上位机通信。

3 AES3信号分析

AES3信号作为一种数字音频基带信号，可在一定程度上防范非法的插播。即使没有配备AES3输入口的发射设备，其模拟输入口也往往是平衡式的，意在保障尽可能高的信号源质量，减轻传输中的干扰。AES/EBU数字音频接口标准采用一个双相标识（Biphase mark）的调频通道编码调制串行数据，使之无直流（DC-Free）和自同步（Self-clocking）。调频编码中，每一个数据码转换为两位通道码，一位通道码1引起传输信号的一次变化。未经加工的串行数据不能直接通过电缆传输，必须调制（编码）使之成为一种含有与码值无关的时钟信号波形。AES3的帧格式如图2所示。
 

4系统硬件设计

4.1分配板卡

分配板主要包括CS8420、MAX3095、ADSP-BF531以及CPLD等器件，CPLD（Complex Programmable Logic Device）复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（"在系统"编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。分配板卡信号电路连接如图3所示。

输入信号进入板卡后，首先进入数字音频采样率转换器CS8420.CS8420不但町以在不影响信号流的情况下提取AES3信号，而且能够改变信号采样速率。CS8420需要由ADSP-BF531从SPI接口通过CPLD进行初始化，其片内有128个控制寄存器和数据寄存器，前14个为控制寄存器。CS8420必须在系统上电后初始化才能正常工作。CS8420内部寄存器时序有很大不同，如图4所示，读取CS8420寄存器时，1个SPI周期需接收16位数据即可读取CS8420内部寄存器数据。完全与ADSP-BF531的SPI接口相匹配。在写入CS8420寄存器时，1个SPI周期需接收24位数据才能写入数据。而ADSP-BF531的SPI接口1个周期最多发送16位数据，因此对于CS8420的写操作，ADSP-BF531必须发送两次数据。CPLD修正其片选信号，才能完成写操作。CS8420初始化后，开始对输入信号解码。可通过两种方式输出解码信号，即SPI接口和同步串口输出方式。SPI（Serial Peripheral Interface--串行外设接口）总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI有三个寄存器分别为：控制寄存器SPCR,状态寄存器SPSR,数据寄存器SPDR.外围设置FlashRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCLK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS（有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI）。这里采用后者输出解码信号，再输入CPLD,并进入ADSP-BF531.由于存在3路输入音频信号，所以需要3片CS8420.这些CS8420分别将解码信号送人CPLD,再由CPLD分时送入ADSP-BF531的SPORT端口。

系统的数据处理采用Blackfin531.Blackfin531处理器内核包含2个16位乘法器，2个40位的累加器，2个40位的ALU,4个视频ALU和1个40位移位器。DSP内核时钟（CCLK）和系统外设时钟（SCLK）可由输入时钟（CLKIN）信号获得。内核时钟最高可达300 MHz,系统外设时钟最高可达133 MHz,为了达到实时性，系统把内核时钟倍频至300 MHz.

系统中ADSP-BF531所使用资源包括2个定时器、UART、SPI端口、SPORT端口。系统初始化后，ADSP-BF531首先设置PLL,倍频输入时钟。产生内核时钟和系统外设时钟。然后初始化内部总线、SPI端口、UART、SPORT端口、设置中断。ADSP-BF531拥有16个功能强大的PF引脚，既可作为I/O引脚，也可作为中断。由于系统涉及到控制信号，所以采用PF作为控制引脚。对CPLD中数据分时提取，控制信号分选。

ADSP-BF531需要完成以下功能：

（1）通过同步串口采集由CPLD输出的音频信号，并对其电平比较。由SPORT端口分时接收CPLD送来的3路信号的质量数据，并在定时器设置的时间内存储最大值，即音频信号的最大电平。

（2）由电平比较后的结果和各开关的状态决定选择相应的通道作为输出，同时记录状态，并将其输入CPLD.从CPLD读取外部控制开关状态。触发定时器1,检测存储的最大电平是否达到外部开关标准，如果没有达到，当前通道点亮报警灯，并通过UART向控制板发送报警信号。同时触发定时器2,设置报警时间。如果在触发定时器2之前，信号达到要求，则关闭报警灯，恢复报警前状态；如果信号电平低于所需电平，根据控制开关，将输出切换到另一路信号，同时点亮该路信号指示灯。

（3）通过UART与控制板通信，及时应答控制板查询，上报当前状态。为防止冲突，信号分配板只能应答控制板发送的信号，而不能向控制板发送数据。

系统采用AT49BV163作为ADSP-BF531的加载器件。该Flash具有1 M×16的内存空间，系统上电时为ADSP-BF531提供加载程序。

系统选取Alter公司的MAX7000S系列的EPM7128,实现音频数据分时提取、信号、分选、读取控制开关信息、控制指示灯。系统控制开关和指示灯的读取、控制由ADSP-BF531的数据总线控制。由于MAX3095可同时将4路差分信号转换成普通信号，因此，系统将3路输入的音频差分信号转化成普通信号，再送入CPLD EPM7128.分配板卡由外部电源提供5 V直流电源，通过电源转换器将5 V转换成3.3 V和1.2 V电压，分别为ADSP-BF531和Flash AT49BV163供电。

4.2控制板卡

控制板卡有1路音频输入，为应急信号。将应急信号输出至各分配板卡。当分配板卡的3路信号均达不到要求时，输出应急信号。控制板卡信号电路连接如图5所示。

控制板卡除了监视应急音频状态，实现与上位机和各分配板卡的通信。音频信号处理部分与分配板卡类似。因此采用ADSP-BF531的UART与上位机通信。UART:Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通用异步接收/发送装置，UART是一个并行输入成为串行输出的芯片，通常集成在主板上，多数是16550AFN芯片。因为计算机内部采用并行数据，不能直接把数据发到Modem,必须经过UART整理才能进行异步传输，其过程为：CPU先把准备写入串行设备的数据放到UART的寄存器（临时内存块）中，再通过FIFO（First Input First Output,先入先出队列）传送到串行设备，若是没有FIFO,信息将变得杂乱无章，不可能传送到Modem. 而用数据总线在CPLD中进行并口与串口转换，实现与各分配板卡的通信。

CPLD实现控制板卡与分配板卡的通信。并口转换串口时，每次通信ADSP-BF531向CPLD发送16位并行数据，低8位为串口数据，通过触发器发送数据；高8位的低4位决定发送到具体的分配板，由此判断选通信号，并按一定波特率将串口数据发送至相应通道。串口转换并口时，首先模拟相应波特率时钟，以此时钟对引脚采样，当检测到串口起始位时，存储采样数据，将数据及通道状态送人与ADSP-BF531并口相连的引脚。并对ADSP-BF531的PF相连的引脚置位，触发ADSP-BF531中断，读取并口数据。

4.3DSP程序

ADSP-BF531程序初始化后，主程序随时接收由SPORT端口送人的解码音频信号，并存储最大电平值，同时打开UART中断和、TIMER0中断。在TIMER0中断中（本系统初始化设置为10 ms），处理存储数据并提取状态，如不满足要求则打开TIMER1中断（本系统初始化设置为6 s），跳回主程序继续检测，如在相应TIMER1中断时还不满足要求，则进行切换。

各子程序模块功能介绍：主程序模块main（）初始化系统与各种接口，检测记录电平，监控状态，等待中断发生。Timer0中断子程序模块EX_INTERRUPT_HANDLER（Timer0_ISR）用于处理存储数据并提取状态功能。Timer1中断子程序模块EX_INTERRUPT_HANDLER（Timer1_ISR）完成在设定的延时中，检测电平判断是否切换功能。

5 结束语

本系统采用先进的音频多速率转换器CS8420以及高性能嵌入式处理器ADS-BF531,实现多路数字音频信号的自动检测和选取。本系统已在试用，结果表明，该系统分析准确，转换速度快，工作稳定，适用于广播发射台。