DSP最小系统电路设计.doc

DSP最小系统电路设计 第1章 绪论DSP 有两种涵义，一种是Digital Signal Processing，指的是数字信号处理技术；一种是Digital Signal Processor，指的是数字信号处理器。两者是不可分割的，前者是理论上的技术，要通过后者变成实际产品，两者结合起来才成为解决某一实际问题和实现某一方案的手段。数字信号处理器是目前 IT 领域中发展极为迅速的一类微处理器，其功能强大，应用范围相当广泛，能够完成实时的数字信号处理任务。DSP的性能几乎决定了电子产品的性能。在人们生活当中，DSP可谓无处不在，例如手机，电视机 ，数码相机，MP3等等都有DSP的存在。DSP 已经成为通信、计算机和消费类电子产品等领域的基础器件。因此，只有理论的学习是不够的，设计一个DSP最小系统，掌握这门重要技术，才能更深刻地理解和掌握DSP，为今后进行高精度、高性能的电子设计打下基础。DSP 芯片是模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用微处理器，其处理速度比最快的CPU还快10-50 倍，具有处理速度高、功能强、性能价格比好以及速度功耗比高等特点，被广泛应用于具有实时处理要求的场合。DSP 系统以 DSP 芯片为基础，具有以下优点。1高速性DSP 系统的运行速度较高，最新的DSP运行速度高达1000MIPS 以上。2编程方便可编程DSP可使设计人员在开发过程中灵活方便的对软件进行修改和升级。3稳定性好DSP 系统以数字处理为基础，受环境温度及噪声的影响比较小，可靠性高。4可重复性好数字系统的性能基本上不受元器件参数性能的影响，便于测试、调试和大规模生产。5集成方便DSP 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。6性价比高常用的DSP价格在5美元以下。第2章 总体设计2.1系统要实现的功能DSP 最小系统的设计是本次设计的主要任务，课题以TMS320C5402 为核心器件，并利用外存储器对最小系统电路进行扩展。在介绍TMS320C5402基本特点的基础上，借鉴国内外现有技术成果的，研究DSP相关技术，开发出DSP最小系统板。系统要实现以下功能。1最小系统部分的设计能够用于基本的数字信号处理，运行一些简单的程序。此部分主要包括电源电路、复位电路、时钟电路、JTAG 接口的设计等。2扩展电路的设计对于DSD最小系统，DSP芯片等在芯片出厂时不可能让片内存储器的大小满足所有功能的要求 ，如果将片内存储器做太大，必然造成芯片成本的提高，而太大的片内存储器对很多用户来说是浪费。2.2 系统的设计流程一个DSP应用系统的设计过程大致分为以下几个部分，各部分的相互关系如图 2-1 所示。系统要求的描述确定DSP芯片及外围设备总体设计确定软硬硬件分工软件设计及调试硬件设计系统测试 图2-1 DSP 应用系统的设计过程1.2原理框图基于TMS320C5402最小系统系统框图。此最小系统主要由时钟及复位电路、JTAG仿真调试接口电路以及供电系统，外加Watchdog电路等模块构成。系统框图2-2所示。JTAG仿真 调试接口Watchdog复位电路TMS320C540X产生3.3V和1.8V电源电路时钟电路产生5V电源电路图2-2 原理框图第3章 DSP最小系统电路设计3.1 电源电路设计包括TMS320C5402 在内的 TMS320C54X 系列DSP大部分采用低电压供电方式，可以大大降低 DSP 芯片的功耗。TMS320C5402的电源分两种，即内核电源(CVdd)和 I/O 电源(DVdd)。其 中 I/O 电源一般采用3.3V电压而内核电源分为2.5V 或更低，降低内核电压的主要目的是降低功耗。TMS320C5402 的内核电压为 1.8V。下面介绍 TMS320C5402 的电源设计。1电源电压结构及要求TMS320C5402 采用了双电源供电机制，以获得更好的电源性能，其工作电压为3.3V和1.8V。其中，1.8V主要为该器件的内部逻辑提供电压，包括CPU和其他所有的外设逻辑。与3.3V供电相比，1.8V供电大大降低功耗。外部接口引脚仍然采用3.3V电压，便于直接与外部低压器件接口，而无需额外的电平变换电路。TMS320C5402的电流消耗主要取决于器件的激活度，CVdd消耗的电流主要决定于CPU的激活度。外设消耗的电流决定于正在工作的外设及其速度。与CPU相比，外设消耗的电流是比较小的。时钟电路也需要消耗一小部分电流，且这部分电流是恒定的，与CPU和外设的激活程度无关。CVdd为器件的所有内部逻辑提供电流，包括CPU、时钟电路和所有外设。DVdd只为外部接口引脚提供电压，消耗电流取决于外部输出的速度和数量，及在这些输出口上的负载电容。如图 3-1 所示，电源芯片选用TPS73HD325，该电源芯片可以由5V产生3.3V 和1.8V的电压输出，最大输出电流为750mA，可以满足TMS320C5402最小系统的需要。电源控制电路如图3-1所示。图3-1 电源控制电路3.2 复位电路设计对于实际的DSP应用系统，特别是产品化的DSP系统，其可靠性是一个不容忽视的问题。由于DSP系统的时钟频率较高，在运行时极有可能发生干扰和被干扰的现象，严重的系统问题可能出现死机现象。为了克服这些情况，除了在软件上做一些保护措施外硬件上必须做相应的处理。硬件上最有效的保护措施是采用具有看门狗(Watchdog)功能的自动复位电路相结合的方式。自动复位电路除了具有上电复位功能外，还具有监视系统运行并在系统发生故障或死机时再次进行复位的能力。基本的原理就是通过电路提供一个用于监视系统运行的监视线当系统正常运行时，应在规定的时间内给监视线提供一个高低电平变化的信号，如果在规定时间内这个信号不发生变化，自动复位电路就认为系统运行部正常并对系统进行复位。自动复位功能可以通过“看门狗”芯片实现，如图3-3就是用MAX706芯片搭建的“看门狗”电路。两模块的连接方式分别如图3-2和图3-3所示。 图3-2简单的复位电路 图3-3具有Watchdog功能的复位电路3.3 时钟电路设计DSP的时钟可以有两种连接方式，即外部振荡器方式和谐振器方式。如果使用内部振荡器，则必须在X1/XCLKIN和X2两个引脚之间连接一个石英晶体。如果采用外部时钟，可将输入时钟信号直接连到X1/CI。KIN引脚上，X2悬空。本文采用的足外部有源时钟方式，直接选择一个3.3V供电的30MHz有源晶振实现。系统工作是通过编程选择5倍频的PLL功能，可实现F2812的最高工作频率(150MHz)。晶振电路如图3-4所示。图3-4 晶振电路3.4 JTAG接口电路设计DSP仿真器通过DSP芯片上提供的扫描仿真引脚实现仿真功能，扫描仿真消除了传统电路仿真存在的电缆过长会引起的信号失真及仿真插头的可靠性差等问题。采用扫描仿真，使得在线仿真成为可能，给调试带来极大方便。JTAG接口电路如图3-5所示。图3-5 JTAG接口电路3.5 DSP的串行接口电路设计由于TMS320C54x中SCI接口的TTL电平和PC机的RS-232C电平不兼容，所以连接时必须进行电平转换。本设计选用符合RS-232C标准的MAX3232驱动芯片进行串行通信。串行接口电路如图3-6所示。图3-6 串行接口电路3.6 存储器FLASH接口设计对于基于DSP平台的Flash接口设计，经过综合考虑了几种方案之后决定，采用一再加上简单的外围电路和时序调整电路。这种芯片仅仅完成Flash底层的数据链路级交换，并提供给本地微控制器一个并行的接口，但是它并不完成协议层的工作。协议个带TMS320C54X的DSP内核的Flash接口芯片28F400B3（成本非常低），层的工作需要对微控制器编程，控制Flash接口芯片来实现接口协议。所以，开发难度相对来说大一些，要做的编程工作也多一点。DSP与Flash的接口如图3-7所示。Vcc_RP_WPVppD0D15D0D15A0A15A0A15_DS_CE_MSTRB_WE_R/W_OEXF图3-7 DSP与Flash的接口第4章 软件设计 TMS320系列DSP芯片的开发环境应包括硬件和软件两个方面，常用的软件开发环境为CCS2，硬件环境包括JTAG 仿真器和DSP硬件平台。如没有硬件开发环境时，也可以在CCS2软件环境中进行算法仿真。 CCS2代码调试器是一种针对标准TMS320设计接口的集成开发环境IDE,它包含源代码编辑工具、代码调试工具、可执行代码生成工具和实时分析工具，并支持设计和开发的整个流程，如图4-1 所示。图4-1 CCS2的开发流程图4.1 仿真工作原理及测试步骤DSP 通过JTAG 接口与仿真器相连，仿真器则通过USB与电脑连接。电脑上的编译软件CCS2是通过仿真器将程序下载到DSP内运行的。在使用JTAG协议调试程序时，CCS2亦通过仿真器与DSP交流信息，如CCS2将控制信号通过JTAG接口送到DSP以控制程序的运行，而DSP亦通过该接口将采样信号、运算结果或运行状态送到CCS2进行显示以便观察调试。DSP最小系统的测试步骤如下。1系统连接。进行DSP实验之前，先必须连接好仿真器、DSP最小系统板卡及计算机。2电复位。在硬件安装完成后，确认安装正确、各个实验部件及电源连接正常后，接通仿真器电源并启动计算机，此时，仿真盒上的“红色小灯”应 点 亮 ，否则DSP 开发系统与计算机连接有问题。3运行CCS2程序。实验板上电，启动CCS 2，CCS2正常启动，表明系统连接正常，否则仿真器的连接、JTAG 接口或者CCS2相关设置存在问题，断开电源，检查仿真器的连接、JTAG接口连接，或检查CCS2相关设置是否正确。成功运行程序后，在CCS2环境下程序编写、调试、编译、装载、使用观察窗口等。4.2 测试程序（1）应用程序是要在硬件板上独立运行的源程序,为了叙述方便,编写一个简单的发光二极管(LED)闪烁测试程序。使用CCS汇编语言编写的测试程序如下：.mmregs.def start，_c_int00，END1.text_c_int00： B startNOPNOPdelay：start: SSBX XF CALL delay RSBX XF CALL delay B start delay；延时程序略 END1 RET .end （2）中断向量表sect “vectors”rcf _c_int00def resetreset：BD _c_int00 NOP NOP . end（3）引导程序.mmregs.def boot,jump,END2.sect “bootprg”boot： SSBX INTMSTM #prog_des，AR IRPT #(prog_endprog_sre-1、MVPD #prog_src，*ARI+/将代码从源地址搬移到日标地址/STM #00E0hPMSTLD #run addressABACC A/跳转到程序开始运行地址，运行用户程序/sect “jump”jump： B boot/跳转到引导程序/END2： RET.end4.3 测试的注意事项1软件在按照要求编写完后，通常在下载到系统前，用纯软件方法单步跟踪程序的执行，以确保每一步的结果都是所预料的。这样不仅利于及早发现程序的错误，也可以在这一步对程序进行优化。 TI公司的DSP编译软件功能强大，提供了许多工具，可以更好地对软件进行调试。这也是在芯片选型中所要考虑的因素之一。2为了测试整个系统的特性，特别为其编写了测试程序，整个测试过程都是在JTAG协议下通过仿真完成的。在加载程序前，要在系统板上设置好相应的跳线和拨码开关。 总结 作为一个通信本科生，掌握DSP系统的设计技术是非常重要的，通过对本课题的学习，了解了DSP系统的设计及应用，锻炼独立设计电路的能力和动手能力。本设计主要选用合适的DSP、