基于DSP的微型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

李慧慧，范文兵

（1.河南廣播電視大學(xué)；2.鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450000）

一、DSP芯片的選型

數(shù)字信號處理器（DSP）是電子信息領(lǐng)域的新型高科技產(chǎn)品，已成為傳統(tǒng)微控制單元和昂貴的多片MCU設(shè)計(jì)的一種廉價(jià)替代品。TMS320C54x系列是隸屬于TMS320家族的定點(diǎn)數(shù)字信號處理芯片，具有低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于傳真、個(gè)人通信和語音編碼等無線通信系統(tǒng)中。考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用性和性價(jià)比，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選擇TMS320VC5410（簡稱VC5410）作為處理器芯片。本文主要介紹基于VC5410的微型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件電路各模塊設(shè)計(jì)方案及在軟件調(diào)試過程中遇到的若干問題及其解決方案。

二、系統(tǒng)模塊

微型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要為滿足DSP教學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)而開發(fā)的。該系統(tǒng)以VC5410芯片為核心，外圍電路由時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路和片外程序/數(shù)據(jù)存儲器等部分構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。在設(shè)計(jì)中選用了以下芯片：

處理器芯片VC5410：具有3.3VI/O電壓和2.5V核電壓。

電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS73HD325：主要為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的＋3.3V和＋2.5V電源。

存儲芯片SST39VF400（VF400）：系統(tǒng)中的FLASH芯片，用于存放BOOT表和提供外擴(kuò)的存儲空間。

外部 RAM芯片 IDT71V016SA15PH：64K×16bit的高速SRAM，主要用來存儲大量數(shù)據(jù)。

1.時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)。

DSP系統(tǒng)中，時(shí)鐘電路占有至關(guān)重要的地位，其性能好壞直接影響到系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)原則如下：

（1）系統(tǒng)中要求多個(gè)不同頻率的時(shí)鐘信號時(shí)，首選可編程時(shí)鐘芯片，這樣有利于時(shí)鐘信號的同步。

（2）單一時(shí)鐘信號時(shí)，一般的應(yīng)用建議選擇晶體時(shí)鐘電路。

（3）多個(gè)同頻時(shí)鐘信號時(shí)，可選擇有源的晶振作為時(shí)鐘電路。

（4）盡量使用DSP片內(nèi)的PLL，降低片外時(shí)鐘頻率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（5）C6000、C5510、C5409A、C5416、C5420、C5421 和 C5441等DSP片內(nèi)無振蕩電路，不能用晶體時(shí)鐘電路。

（6）VC5401、VC5402、VC5409 和 F281x 等 DSP 時(shí)鐘信號的電平為1.8V，建議采用晶體時(shí)鐘電路。

依據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，在筆者設(shè)計(jì)的微型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，采用的是晶振電路，它與內(nèi)部振蕩器一起產(chǎn)生參考時(shí)鐘信號。其電路簡單、體積小、頻率范圍寬（1Hz～400MHz）、驅(qū)動能力強(qiáng)，可為多個(gè)器件使用。系統(tǒng)中所使用晶振的頻率為10MHz，經(jīng)DSP倍頻后工作頻率可以達(dá)到100MHz。需要注意的是，在使用晶振時(shí)，輸出信號電平一般為5V或3.3V。VC5410的CPU有三個(gè)時(shí)鐘模式選擇引腳CLKMD1、CLKMD2、CLKMD3，為了操作方便，可將這三個(gè)引腳的值由DIP開關(guān)控制，這樣增強(qiáng)了時(shí)鐘晶振選擇的靈活性。

2.電源電路設(shè)計(jì)。

直流穩(wěn)壓電源供電為標(biāo)準(zhǔn)的5V直流電，而VC5410要求3.3V的I/O電壓和2.5V核電壓，因此必須進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。常用的電源解決方案有以下兩種：（1）單電源輸出；（2）雙電源輸出。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于采用的是雙電源輸出方案，選用TPS73HD325作為電壓轉(zhuǎn)換器，典型輸入電壓為＋5V，輸出為3.3V和2.5V，設(shè)計(jì)原理圖略。

3.復(fù)位電路設(shè)計(jì)。

對于TMS320C54x而言，復(fù)位是不可屏蔽的外部中斷，也是優(yōu)先級別最高的中斷。一般在加電后芯片處于未知狀態(tài)時(shí)對其復(fù)位。每次復(fù)位后系統(tǒng)重新運(yùn)行初始化程序。根據(jù)對復(fù)位源的不同操作，TMS320C54x的復(fù)位方式可分為三種，即上電復(fù)位、手動復(fù)位和軟件復(fù)位。前兩種是通過硬件電路來實(shí)現(xiàn)復(fù)位，后一種則通過軟件編程實(shí)現(xiàn)。上電復(fù)位即復(fù)位引腳RS產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖信號，使芯片復(fù)位。芯片完成對硬件的初始化并從0000H單元開始執(zhí)行第一條指令，通常這里是一條分支到系統(tǒng)初始化程序的跳轉(zhuǎn)指令。為使芯片初始化正確，一般應(yīng)保證復(fù)位端（RS）低電平至少持續(xù)6個(gè)時(shí)鐘周期，即當(dāng)時(shí)鐘為20MHz時(shí)為300ns。在該微型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了調(diào)試電路方便，特意在電路板設(shè)置手動復(fù)位鍵（如圖2）。手動復(fù)位時(shí)，SW1按鈕按下，以后過程同上電復(fù)位過程是一樣的。

4.JTAG接口設(shè)計(jì)。

VC5410含有一個(gè)專用仿真口來支持由IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的JTAG仿真，該端口由仿真器直接訪問，以實(shí)現(xiàn)在線仿真、程序下載等軟件調(diào)試，它可實(shí)時(shí)地訪問目標(biāo)板上CPU的存儲器、寄存器以及I/O口等內(nèi)容。當(dāng)仿真頭和JTAG目標(biāo)芯片之間的距離超過6英寸時(shí)，仿真信號需要緩沖，若小于6英寸，不必加緩沖。圖3是一個(gè)不加緩沖的仿真器連接圖，也即是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的連接方案，其中的EMU0和EMU1信號必須通過上拉電阻連接高電平，提供少于10us的信號上升時(shí)間，推薦的上拉電阻為4.7或10。

5.存儲器擴(kuò)展設(shè)計(jì)。

VC5410片上具有 16KW 的 ROM，8KW 的 DARAM，56KW的SARAM，但在需要大容量存儲器時(shí)，就需進(jìn)行片外擴(kuò)展。片外存儲器的擴(kuò)展有多種方式，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器可以分開設(shè)計(jì)，也可以混合設(shè)計(jì)。為了不增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提高存儲器利用率和可擴(kuò)展性，微型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，存儲器的擴(kuò)展方式為：FLASH用作程序存儲器，SRAM用作數(shù)據(jù)存儲器。

（1）該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用VF400作為FLASH，用于存放BOOT表和提供外擴(kuò)的存儲空間；該芯片是一個(gè)低功耗FLASH，工作在2.7～3.6V下，存儲容量為256KW （1KW=16bit），可重復(fù)編程次數(shù)達(dá)10萬次。VF400在讀模式時(shí)，/CE和/OE是邏輯低電平，并且/WE是邏輯高電平；在編程/擦除模式時(shí)，/CE和/WE是邏輯低電平，而/OE是邏輯高電平。

（2）該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，VC5410工作在100MIPS下，所以外部RAM可以考慮選擇15ns的IDT71V016SA15PH。設(shè)計(jì)中將DSP設(shè)置為微機(jī)工作方式 （MP/MC=0），8000～0BFFFh映射到外部存儲器上，故而SRAM的地址線A15必須邏輯置1。FLASH和SRAM的讀寫信號邏輯關(guān)系如圖4所示。

其中，DSP_MSTRB＃、DSP_R/W＃為 VC5410的/MSTRB和R/W管腳，/WE、/OE同時(shí)用作FLASH和 SRAM的/WE、/OE 邏 輯 ，VC5410 的/PS＋DSP_MSTRB＃、/DS+DSP_MSTRB＃邏輯分別用于FLASH和SRAM的/CE、/CS邏輯。

/WE＝DSP_MSTRB＃+DSP_R/W＃；

/OE＝DSP_MSTRB＃+！ DSP_R/W＃；

/CE＝/PS＋DSP_MSTRB＃；

/CS＝/DS+DSP_MSTRB＃。

三、抗干擾設(shè)計(jì)

1.電源和地的抗干擾設(shè)計(jì)。

電路板設(shè)計(jì)中，無論是否有專門的地層和電源層，都必須在電源和地之間加上足夠的并且分布合理的電容。一般在電源和地的接入端放一部分多種容值的電容，再將其余的大電容均勻地分布在電源和地的主干線上。可以在電源入口處接一個(gè)大容量的電解電容或鉭電容，一般10-100uF都可以，濾去低頻噪聲。另外，還應(yīng)該并聯(lián)一些小容量的高頻電容，一般在0.01-0.1pF范圍內(nèi)都可以，它們的值可以不同，以分別濾去不同頻率的高頻噪聲。

2.重要信號線設(shè)計(jì)。

時(shí)鐘信號頻率越高，其布線要求也就越高。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的是10MHz的晶體振蕩器，布線時(shí)應(yīng)該注意如下幾點(diǎn)：

（1）時(shí)鐘源和負(fù)載的連線應(yīng)盡量短，線應(yīng)較寬。

（2）在時(shí)鐘芯片的電源入口處放一個(gè)容量為10～100uF的鉭電容，具體可根據(jù)實(shí)際情況而定，為了防止高頻干擾，還應(yīng)在大容量電容后并聯(lián)一個(gè)0.1uF的小電容。

（3）不要在時(shí)鐘芯片的下面布線，以防時(shí)鐘芯片的輸出產(chǎn)生抖動。對于時(shí)鐘走線而言，最好都從內(nèi)層走，以減少干擾。

四、系統(tǒng)調(diào)試

處理器芯片VC5410的四個(gè)外部中斷引腳READY、/BIO、/NMI、/HOLD需通過4.7的上拉電阻接高電平。在對系統(tǒng)上電前要仔細(xì)檢查元件是否可靠地焊牢，管腳間、電源和地之間是否短路，元器件、電容的安裝方向是否正確。上電后，要先檢查10MHz的晶振是否正常工作，能否硬件復(fù)位。上電后可用示波器測量DSP的時(shí)鐘輸入和時(shí)鐘輸出波形。通常情況下，DSP內(nèi)部可以對不滿意的時(shí)鐘進(jìn)行整形，因此，只要輸出時(shí)鐘CLKOUT波形合格，就說明時(shí)鐘正常工作。如果仿真器不能啟動，原因可能是多方面的，具體可以參閱相應(yīng)的仿真器說明手冊。如果設(shè)計(jì)成功，接上電源后能夠順利進(jìn)入系統(tǒng)仿真環(huán)境?？删帉懸欢慰刂芚F管腳的測試程序，觀察到XF管腳上拉的發(fā)光管閃爍，也可以用示波器直接測試波形。部分測試程序代碼如下。

五、結(jié)束語

基于DSP的微型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)充分利用了數(shù)字信號處理功能，采用最簡潔可靠的硬件電路形式來滿足數(shù)字信號處理教學(xué)的基本要求。本系統(tǒng)具有良好的通用性和開放性，也可以直接作為一個(gè)多功能的DSP研發(fā)和調(diào)試平臺，以方便進(jìn)行功能的擴(kuò)展和二次開發(fā)，具有廣闊的前景。

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