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案例详细
标题DSP在耳鸣治疗仪设计中的应用
技术领域
行业
简介本文以TMSC320C3X DSP系列芯片为核心单元，设计耳鸣治疗仪。文中给出了系统原理图以及硬件与软件的设计方法。该系统是一个可调节系统，它针对耳鸣作用的实质，可以对不同频率和相位的正弦数字信号进行调节。
内容

0.引言

    耳鸣是指在没有外界声音参与的情况下耳朵里却有某种响声。全世界近6亿的人患有不同程度的耳鸣，其中4.3%的人其耳鸣严重影响生活、工作和社交活动,甚至更加严重。老年人的耳鸣发病率更高。目前没有任何药物能够立竿见影地使耳鸣停止，而且使所有患者的耳鸣消失。

    本文根据耳鸣产生的原理，大胆的设想了一种治疗耳鸣的方法。选择TMS320C3X（以下简称C3X） DSP芯片作为系统的CPU，这是因为在种类繁多的DSP芯片当中，TMS320系列是公认性能较好，在国内较为流行的一种。C3X是美国TI公司生产的第三代产品，也是第一代浮点DSP芯片，它具备如下优点:非常高的处理速度;丰富的硬件资源;独特的支持定点、浮点运算的指令系统;支持Ｃ等高级语言开发。我们以C3X作为核心单元，并进行了硬件电路和软件的设计。


1.系统原理及其功能

物体振动的能量在空气等媒质中传播，构成了声波。人耳能听到特定频率的声波，其范

围是（20-20,000赫兹）。实验证明，耳鸣时产生的声音是一种频率在人耳听域范围内的正弦波。我们只要用与其频率相同、相位相反的正弦波与之叠加，就能使耳鸣得到缓解或是彻底的消除。根据上述原理，本文采用TI公司的浮点DSP C3X作为系统的核心，配合能够处理大量数据的高速存储器以及高速D/A转换芯片等外围芯片，构成了耳鸣治疗系统，其系统框图如图1所示。它主要由C3X、按键显示部分、D/A转换电路、逻辑电路、存储单元以及输出部分组成。

TMS320C31（核心）核心

逻辑电路

存储单元

D/A 转换电路

按键显示

输出



 

  
                                                  图1  系统功能框图

该系统在软、硬件的配合下能实现的主要功能有：

①产生特定频率范围内的正弦波（20～20,000MHz）；

②通过按键调节正弦波的相位、频率；

③LED数码显示当前的频率或相位值。


2.硬件设计

硬件仿真板是整个系统运行的基础，它由一个完整的处理器系统构成，具有存储器、I/O接口、逻辑电路和CPU(C3X)。其硬件仿真板的框图如下所示：

 

逻辑电路

RAM

EPROM

D/A转换

锁存器

按键控制

TMS320C31

DC/DC


 

  


图2 硬件仿真板结构框图

    其中，逻辑电路采用地址线和读/写信号混合译码来控制各外围芯片的片选信号。按键控制部分是让DSP响应不同的硬件中断，执行相应的不同功能（位选、数选等）的中断子程序。

系统具有较复杂的内存空间，其中有256K×32位为零等待存储器，占内存的0～03FFFFH，512K×8位EPROM为七等待存储器，占内存的400000H～41FFFFH，D/A为一等待存储器，占用FDXXXXH单元。电路中采用巧妙的方法实现这一存取区的等待。EPROM上电自动加入七个等待，由软件决定D/A的等待周期（具体设置见软件设计部分）。

3.软件设计

    软件的设计至关重要，它影响整个系统的性能和使用。系统软件的功能是控制用户程序的运行，显示程序运行的状态，帮助检查系统中存在的错误。本系统的软件分为初始化程序、波形产生程序、按键控制并显示程序三部分组成。

（１）初始化程序

    初始化主要是根据需要，对DSP的一些寄存器进行设置。包括：

①数据页指针（DP）：初始化DP非常重要，因为DP的复位值是不确定的，要想正确地进行直接寻址操作，必须在程序的开始正确的初始化DP。

②定时控制寄存器：每个定时器都有３个寄存器分别定义其功能状态、计数器、周期数。本系统采用定时器０，配合D/A建立时间（本仿真板采用的是AD7845，其D/A建立时间５微秒），将总控制寄存器808020H内容设置为“2C1H”。

③总线控制寄存器（808064H）：定义了总线操作的设置。本系统设置为“970H”，其中WTCNT为“１”（D/A为一等待），SWW为“１０”（外部硬等待信号 或内部等待信号二者任一有效，DSP结束当前片外访问）。

④中断使能寄存器IE、状态寄存器ST以及中断标志寄存器IF等。

（２）波形产生程序

    因为最终要产生频率非常高的正弦波信号，如果直接进行正弦、乘法等计算，难以在现有系统条件下完成，而且对于小数的运算速度也不如对整数的处理速度快。考虑以上情况在Matlab环境下，以 为步长，计算得出了整数数据表以供查表使用。

（３）按键控制以及显示程序

    一共有３个按键，分别对应３个外部中断，作用分别为位选、数选、功能选择，均以中断子程序的形式实现。通过按键改变正弦波的频率和相位，满足需求。

    显示部分采用４个７段LED数码管，能够满足显示的需要，也最大程度的降低了成本。

    使用仿真板调试的过程如下：

（１）   用文本编辑程序编写源程序。

（２）   用TI公司提供的编译程序ASM30和连接程序LNK30对其进行编译连接。

（３）   将连接后的*.OUT文件装入仿真板运行。

（４）   使用调试命令测试程序并用示波器观察结果，定位错误。

（５）   修改源程序，重复（１）～（４）的过程，直至消除所以错误。

4.结束语

    本系统是设计者针对耳鸣作用实质大胆提出的一种方法，并设计软、硬件电路进行了仿真试验。设计过程中在能够满足计算速度要求的前提下，选取了性价比较高的DSP已及外围芯片，达到了预想的设计效果。

 

参考文献：

[1]苏涛，《DSP实用技术》，西安电子科技大学出版社，2002年6月，各地新华书店，TN911.72

[2]张伟雄，《DSP芯片的原理与开发应用》第3版，电子工业出版社，2003年2月,TN911.72,TP332