第13章 DSP应用系统硬件设计

第13章

DSP应用系统硬件设计

13.1DSP系统设计概述13.2基于TMS320F2812的最小系统及外围电路设计13.2.1电源电路设计13.2.2时钟电路设计13.2.3复位电路设计13.2.4JTAG仿真接口电路设计13.2.5外部扩展存储器接口电路设计13.2.6GPIOx的扩展设计13.3ADC电路设计

13.3.1模拟信号与DSP片上AD模块接口设计13.3.2AD7674与TMS320F2812的接口设计13.4DAC电路设计13.5硬件PCB板设计时的注意问题周鹏安徽工程大学电气工程学院

DSP系统的硬件设计又称为目标板设计，是在考虑算法需求、成本、体积和功耗核算的基础上完成的，一个典型的DSP目标板主要包括：

DSP芯片及DSP基本系统程序和数据存储器数/模和模/数转换器模拟控制与处理电路各种控制口和通信口电源处理电路和同步电路

13.1DSP系统设计概述周鹏安徽工程大学电气工程学院

DSP系统的一般设计流程图周鹏安徽工程大学电气工程学院一个典型的DSP目标板结构如图。

防混叠滤波器防混叠滤波器平滑滤波器平滑滤波器ADCADCDACDACTMS320C28x通信口控制口RAMEPROM信号预处理、MUX、程控放大等周鹏安徽工程大学电气工程学院总体设计方案DSP系统设计前：明确设计任务给出设计任务书

功能描述准确功能描述清楚描述的方式

人工语言流程图算法描述

将设计任务书转化为量化的技术指标。

DSP应用定义系统性能指标选择DSP芯片软件编程硬件设计软件调试硬件调试系统集成系统调试周鹏安徽工程大学电气工程学院技术指标的确定系统采样频率

信号频率

最复杂的算法所需最大时间

对实时程度的要求

片内、外RAM的容量

数据量及程序的长短16、32位定点、浮点运算系统所要求的精度输入输出端口要求计算、控制选定DSP芯片型号

周鹏安徽工程大学电气工程学院系统硬件设计过程：

确定硬件方案器件选型原理图设计PCB图设计硬件调试第一步：确定硬件实现方案；

在考虑系统性能指标、工期、成本、算法需求、体积和功耗核算等因素的基础上，选择系统的最优硬件实现方案。

第二步：器件的选择；一个DSP硬件系统除了DSP芯片外，

还包括ADC、DAC、存储器、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等基本部件。

周鹏安徽工程大学电气工程学院第二步：器件的选择；①

DSP芯片的选择

选择DSP芯片要综合多种因素，折衷考虑。

首先要根据系统对运算量的需求来选择；

其次要根据系统所应用领域来选择合适的DSP芯片；

最后要根据DSP的片上资源、价格、外设配置以及与其他元部件的配套性等因素来选择。

②

ADC和DAC的选择

A/D转换器的选择应根据采样频率、精度以及是否要求片上自带采样、多路选择器、基准电源等因素来选择；

D/A转换器应根据信号频率、精度以及是否要求自带基准电源、多路选择器、输出运放等因素来选择。

周鹏安徽工程大学电气工程学院第二步：器件的选择；③

存储器的选择

常用的存储器有SRAM、EPROM、E2PROM和FLASH等。可以根据工作频率、存储容量、位长(8/16/32位)、接口方式(串行还是并行)、工作电压(5V/3V)等来选择。

④

逻辑控制器件的选择

系统的逻辑控制通常是用可编程逻辑器件来实现。

首先确定是采用CPLD还是FPGA；

其次根据自己的特长和公司芯片的特点选择哪家公司的哪个系列的产品；

最后还要根据DSP的频率来选择所使用的PLD器件。周鹏安徽工程大学电气工程学院第二步：器件的选择；⑤

通信器件的选择

通常系统都要求有通信接口。

首先要根据系统对通信速率的要求来选择通信方式。

一般串行口只能达到19kb/s，而并行口可达到1Mb/s以上，若要求过高可考虑通过总线进行通信；

然后根据通信方式来选择通信器件。

⑥

总线的选择

常用总线：PCI、ISA以及现场总线(包括CAN、3xbus等)。

可以根据使用的场合、数据传输要求、总线的宽度、传输频率和同步方式等来选择。

周鹏安徽工程大学电气工程学院第二步：器件的选择；⑦

人机接口

常用的人机接口主要有键盘和显示器。

通过与其他单片机的通信构成；

与DSP芯片直接构成。

⑧

电源的选择

主要考虑电压的高低和电流的大小。

既要满足电压的匹配，又要满足电流容量的要求。

周鹏安徽工程大学电气工程学院系统硬件设计过程：

确定硬件方案器件选型原理图设计PCB图设计硬件调试第三步：原理图设计；

从第三步开始就进入系统的综合。在原理图设计阶段必须清楚地了解器件的特性、使用方法和系统的开发，必要时可对单元电路进行功能仿真。第一步：确定硬件实现方案；

第二步：器件的选择；周鹏安徽工程大学电气工程学院第三步：原理图设计；

原理图设计包括：

系统结构设计

可分为单DSP结构和多DSP结构、并行结构和串行结构、全DSP结构和DSP/MCU混合结构等；

模拟数字混合电路的设计

主要用来实现DSP与模拟混合产品的无逢连接。

包括信号的调理、A/D和D/A转换电路、数据缓冲等。

周鹏安徽工程大学电气工程学院第三步：原理图设计；

原理图设计包括：

存储器的设计

是利用DSP的扩展接口进行数据存储器、程序存储器和I/O空间的配置。

通信接口的设计

电源和时钟电路的设计

控制电路的设计

包括状态控制、同步控制等。

在设计时要考虑存储器映射地址、存储器容量和存储器速度等。

周鹏安徽工程大学电气工程学院系统硬件设计过程：

确定硬件方案器件选型原理图设计PCB图设计硬件调试第三步：原理图设计；

PCB图的设计要求设计人员既要熟悉系统的工作原理，还要清楚布线工艺和系统结构设计。第一步：确定硬件实现方案；

第二步：器件的选择；第四步：PCB设计；

第五步：硬件调试；

周鹏安徽工程大学电气工程学院其它因素的考虑成本供货能力技术支持开发系统体积功耗工作环境温度DSPA/DD/ARAM性能指标周鹏安徽工程大学电气工程学院数据格式数据宽度速度存储器的安排开发工具支持多处理器功耗和电源管理成本周鹏安徽工程大学电气工程学院

一个完整的DSP系统通常是由DSP芯片和其他相应的外围器件构成。

本节主要以TMS320F2812系列芯片为例，介绍DSP硬件系统的基本设计，包括:

电源电路复位电路时钟电路调试接口存储器13.2基于TMS320F2812的最小系统

及外围电路设计周鹏安徽工程大学电气工程学院周鹏安徽工程大学电气工程学院电源为整个系统提供能量，是整个应用系统良好工作的基础，具有极其重要的地位。

为了降低芯片功耗，’C28x系列芯片大部分都采用低电压设计，并且采用双电源供电，即内核电源CVDDI/O电源DVDD

——采用3.3V、2.5V，或1.8V电源；——采用3.3V供电。13.2.1电源电路设计周鹏安徽工程大学电气工程学院内核电源CVDD：采用1.8V。

主要为芯片的内部逻辑提供电压。

包括CPU、时钟电路和所有的外设逻辑。

I/O电源DVDD：采用3.3V。

主要供I/O接口使用。1.电源电压和电流要求

可直接与外部低压器件接口，而无需额外的电平变换电路。

周鹏安徽工程大学电气工程学院2.电源解决方案

产生电源的芯片:

Maxim公司：MAX604、MAX748；

TI公司：TPS71xx、TPS72xx、TPS73xx等系列。

这些芯片可分为:线性稳压芯片开关电源芯片

——

使用方法简单，电源纹波电压较低，对系统的干扰较小，但功耗高。

——

电源效率高，但电源所产生的纹波电压较高，容易对系统产生干扰。周鹏安徽工程大学电气工程学院3.使用DSP的电源芯片

☆单3.3V电压输出。可以选用TI公司的TPS7133、TPS7233、TPS7333，或其他公司的芯片，如Maxim的MAX604等；

☆单电源可调电压输出。TI公司的TPS7101、TPS7201等芯片提供可调节的输出电压(1.2V～9.75V)。电压调节通过改变外接的两个电阻阻值实现；

☆双电源输出。TI公司也提供有两路输出的电源芯片，如TPS73HD301、TPS73HD325、TPs73HD318。其中，TPS73HD301的输出电压为一路3.3V、一路可调输出(1.2V～9.75V)。TPS73HD325的输出电压为一路3.3V、一路2.5V，TPS73HD318的输出电压为一路3.3V、一路1.8V。图5.4-10是TPS73HD318的一种应用电路。周鹏安徽工程大学电气工程学院采用TPS73HD301双电源电路周鹏安徽工程大学电气工程学院4.电源滤波电路周鹏安徽工程大学电气工程学院5.DSP的电平转换电路设计

TMS320VC5402I/O的工作电压是3.3V，因此，其I/O电平也是3.3V逻辑电平。在设计DSP芯片与其它外围芯片的接口时，如果外围芯片的工作电压也是3.3V，那么就可以直接连接。但是，现有很多外围芯片的工作电压都是5V，如EPROM、SARAM、模数转换芯片等，就存在如何将3.3VDSP芯片与这些5V供电芯片可靠接口的问题。

（1）、各种电平的转换标准图5.4-11所示为5VCMOS、5VTTL和3.3VTTL电平的转换标准。其中VOH表示输出高电平的最低电压，VIH表示输入高电平的最低电压，VIL表示输入低电平的最高电压，VOL表示输出低电平的最高电压。可以看出，3.3V系统与5V系统接口时，必须考虑到两者的不同。周鹏安徽工程大学电气工程学院图5.4－11各种电平的转换周鹏安徽工程大学电气工程学院（2）、3.3V与5V电平转换的四种情形

☆

5VTTL器件驱动3.3VTTL器件(LVC)。由于5VTTL和3.3VTTL的电平转换标准是一样的，因此，如果3.3V器件能够承受5V电压，从电平上来说直接相接是完全可以的；

☆

3.3VTTL器件(LVC)驱动5VTTL器件。由于两者的电平转换标准是一样的，因此不需要额外器件就可以将两者直接相接。只要3.3V器件的VOH和VOL电平分别是2.4V和0.4V，5V器件就可以将输入读为有效电平，因为它的VIH和VIL电平分别是2V和0.8V；周鹏安徽工程大学电气工程学院

☆

5VCMOS驱动3.3VTTL器件(LVC)。虽然两者的转换电平是不一样的，但进一步分析5VCMOS的VOH和VOL以及3.3VLVC的VIH和VIL的转换电平可以看出，虽然两者存在一定的差别，但是能够承受5V电压的3.3V器件能够正确识别5V器件送来的电平值。采用能够承受5V电压的LVC器件，5V器件的输出是可以直接与3.3V器件的输入端接口的；周鹏安徽工程大学电气工程学院

☆3.3VTTL器件(LVC)驱动5VCMOS。两者的电平转换标准化是不一样的，3.3VLVC输出的高电平的最低电压值是2．4V（可以高到3.3V），而5VCMOS器件要求的高电平的最低电压值是3.5V，因此3.3V器件(LVC)的输出不能直接与5VCMOS器件的输入相接。在这种情况下，可以采用双电压供电(一边是3.3V，另一边是5V)的驱动器，如TI的SN74ALVCl64245、SN74LVC4245等。周鹏安徽工程大学电气工程学院

时钟电路用来为’C28x芯片提供时钟信号，由一个内部振荡器和一个锁相环PLL组成，可通过芯片内部的晶体振荡器或外部的时钟电路驱动。

1.时钟信号的产生

’C28x时钟信号的产生有两种方法：

使用外部时钟源；

使用芯片内部的振荡器和外部的一个无源晶振。13.2.2时钟电路设计周鹏安徽工程大学电气工程学院1.时钟信号的产生(1)

使用外部时钟源

将外部时钟信号直接加到DSP芯片的X2/CLKIN引脚，而X1引脚悬空。VDD外部晶振

X2/CLKINX1

外部时钟源可以采用频率稳定的晶体振荡器，具有使用方便，价格便宜，因而得到广泛应用。周鹏安徽工程大学电气工程学院(2)使用芯片内部的振荡器在芯片的X1和X2/CLKIN引脚之间接入一个晶体,用于启动内部振荡器。C1C2晶体

X1

X2/CLKINC1=C2=10pF周鹏安徽工程大学电气工程学院2.锁相环PLL

锁相环PLL具有频率放大和时钟信号提纯的作用，利用PLL的锁定特性可以对时钟频率进行锁定,为芯片提供高稳定频率的时钟信号。

锁相环还可以对外部时钟频率进行倍频，使外部时钟源的频率低于CPU的机器周期，以降低因高速开关时钟所引起的高频噪声。周鹏安徽工程大学电气工程学院周鹏安徽工程大学电气工程学院

’C28x的复位分为软件复位和硬件复位。

软件复位：是通过执行指令实现芯片的复位。

硬件复位：是通过硬件电路实现复位。

硬件复位有以下几种方法:

上电复位

手动复位

自动复位

13.2.3复位电路设计周鹏安徽工程大学电气工程学院1.

上电复位电路上电复位电路是利用RC电路的延迟特性来产生复位所需要的低电平时间。

由RC电路和施密特触发器组成。TMS320C28xRS11C

RVCC74HC14周鹏安徽工程大学电气工程学院2.手动复位电路手动复位电路是通过上电或按钮两种方式对芯片进行复位。TMS320C28xRSCRVCCR1

电路参数与上电复位电路相同。

当按钮闭合时，电容C通过按钮和R1进行放电，使电容C上的电压降为0；

当按钮断开时，电容C的充电过程与上电复位相同，从而实现手动复位。

周鹏安徽工程大学电气工程学院3.自动复位电路

采用专用的自动复位集成电路如TI公司的TPS3823。

周鹏安徽工程大学电气工程学院周鹏安徽工程大学电气工程学院现代电路系统越来越强调系统的可调试性，因此调试测试接口的设计也越来越受到重视。对于F2812系统来说，在开发时就需要设计一个JTAG接口来为芯片下载、调试和测试程序。

13.2.4JTAG仿真接口电路设计周鹏安徽工程大学电气工程学院

IS61LV25616是256K×16高速CMOS工艺3.3V单电源供电电压的静态随机存储器。SST39VF800A是512K×16的3.0～3.6V单电源供电的FLASH。IDT70V27S/L是32K×16高速3.3V单电源供电的双端口静态随机存储器。外部扩展存储器空间及映射地址范围参见表所示。13.2.5外部扩展存储器接口电路设计周鹏安徽工程大学电气工程学院周鹏安徽工程大学电气工程学院周鹏安徽工程大学电气工程学院F2812处理器所有的GPIO引脚都与特殊功能引脚共用，但是DSPs应用系统中特殊功能引脚并没有全部使用，因此，可以在没有用做特殊功能的GPIO引脚上扩展外围设备。按键LED灯与数码管蜂鸣器液晶模块接口13.2.6GPIOx的扩展设计周鹏安徽工程大学电气工程学院周鹏安徽工程大学电气工程学院周鹏安徽工程大学电气工程学院本节介绍两种ADC电路的设计，一种是使用TMS320F2812芯片自身带有的16路12位的A/D转换器，一种使用ADC转换芯片进行A/D转换，然后将数字信号送至TMS320F2812芯片进行相应处理。13.3ADC电路