研究生DSP開放型綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

摘要：為加強(qiáng)研究生工程應(yīng)用與科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)，針對(duì)DSP在控制領(lǐng)域的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)、開發(fā)了一種開放式綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用可插拔DSP核心板和模塊化外設(shè)擴(kuò)展板的開放架構(gòu)，實(shí)驗(yàn)者可根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計(jì)和選擇相應(yīng)模塊，通過簡(jiǎn)單的連線構(gòu)建所需DSP應(yīng)用系統(tǒng)硬件，在此基礎(chǔ)上通過軟件開發(fā)完成相應(yīng)DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；谠搶?shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并支持進(jìn)行開放性創(chuàng)新設(shè)計(jì)，有助于研究生由淺入深、循序漸進(jìn)地掌握DSP原理與開發(fā)、應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞：DSP；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；實(shí)驗(yàn)開發(fā)；工程應(yīng)用；科技創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）29-0065-03

研究生教育擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)高素質(zhì)人才和發(fā)展科學(xué)技術(shù)的雙重任務(wù)，是培養(yǎng)高層次創(chuàng)新人才的主渠道。[1]隨著國家新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家戰(zhàn)略的實(shí)施，社會(huì)對(duì)人力資源要素提出了更高要求，尤其是對(duì)現(xiàn)代研究型卓越工程師的需求不斷增加，要求越來越高。

數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，簡(jiǎn)稱DSP）具有計(jì)算速度快、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的強(qiáng)大工具。[2]近30年來，DSP的應(yīng)用已從軍事、航空航天擴(kuò)大到數(shù)字通信、信號(hào)處理、工業(yè)控制、儀器儀表、家用電器等領(lǐng)域。[3]IT產(chǎn)業(yè)及其相關(guān)工程領(lǐng)域?qū)κ煜?、了解DSP技術(shù)人才的需求量越來越大。

目前，國內(nèi)許多高校相繼為研究生開設(shè)了DSP技術(shù)及應(yīng)用課程，但大部分以理論教學(xué)為主、實(shí)驗(yàn)教學(xué)為輔，不利于研究生工程應(yīng)用與科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。且實(shí)驗(yàn)平臺(tái)多采用市場(chǎng)上現(xiàn)成的開發(fā)板或?qū)嶒?yàn)箱，雖提供代碼和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，但功能單一、靈活性較差[4]，往往只能根據(jù)既定步驟做實(shí)驗(yàn)、觀察結(jié)果或修改參數(shù)，進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；很難根據(jù)需要修改外圍接口電路，進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。為此，我們針對(duì)DSP在控制領(lǐng)域的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)、開發(fā)了一種開放式綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了相應(yīng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)專題，以滿足研究生對(duì)DSP技術(shù)的工程應(yīng)用與創(chuàng)新設(shè)計(jì)需求。

一、綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由主要由兩部分構(gòu)成：一部分是可插拔的DSP控制核心板，另一部分是模塊化的外設(shè)擴(kuò)展板，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中核心板和擴(kuò)展板在電路上各自獨(dú)立，通過標(biāo)準(zhǔn)接插件連接；外設(shè)擴(kuò)展板中各模塊內(nèi)部電路連接也相互獨(dú)立，以免互相影響。為了實(shí)現(xiàn)外設(shè)擴(kuò)展板的一板多用和便于核心板的升級(jí)換代，核心板和擴(kuò)展板連接的接插件中核心板的信號(hào)定義固定。核心板和外設(shè)擴(kuò)展板中各關(guān)鍵引腳和信號(hào)以均通過測(cè)試孔引出，方便連線。

1.核心板設(shè)計(jì)

目前，在控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的是美國德州儀器（TI）的C2000系列DSP控制器。該控制器主要包括定點(diǎn)系列、浮點(diǎn)系列和精簡(jiǎn)版的小封裝系列。在設(shè)計(jì)中分別選擇這三個(gè)系列中的典型芯片TMS320F2812、F28335和F28027開發(fā)了獨(dú)立的核心控制板，即最小硬件系統(tǒng)。它們均可作為開發(fā)板獨(dú)立使用，也可插入外設(shè)擴(kuò)展板中構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱。

以TMS320F28335為例，其核心板包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、JTAG仿真電路、12路LED顯示電路。電源電路采用TPS767D301雙路低壓差電源調(diào)節(jié)器分別產(chǎn)生3.3V和1.9V的電壓。模擬3.3V和1.9V由數(shù)字3.3V與1.9V通過加上電感、電容進(jìn)一步濾波得到，模擬地和數(shù)字地通過電感隔離。采用TPS3305芯片作為復(fù)位電路，可通過按鍵手動(dòng)復(fù)位，也可對(duì)系統(tǒng)電源電壓進(jìn)行監(jiān)控。時(shí)鐘電路采用片內(nèi)時(shí)鐘電路外加30M晶體和2個(gè)負(fù)載電容組成。該核心板原理圖和實(shí)物圖分別如圖2（a）、（b）所示。

2.外設(shè)擴(kuò)展板設(shè)計(jì)

外設(shè)擴(kuò)展板包括各DSP片內(nèi)外設(shè)的擴(kuò)展接口和其他常用標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口。片內(nèi)基本外設(shè)接口包括用于通用數(shù)字量輸入輸出（GPIO）模塊的8×8發(fā)光二極管（LED）點(diǎn)陣和8路數(shù)字量輸入用撥碼開關(guān)，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）輸入通道接口和0～3V可調(diào)模擬電壓輸出，增強(qiáng)脈沖寬度調(diào)制EPWM輸出接口，捕獲輸入ECAP接口、異步串行通信SCI接口等。通過這些基本外設(shè)的擴(kuò)展接口可以方便研究生對(duì)DSP片內(nèi)各外設(shè)模塊進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。為了進(jìn)一步培養(yǎng)研究生的工程實(shí)踐和DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，在擴(kuò)展板上設(shè)計(jì)了串行和并行數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換（DAC）接口、8位數(shù)碼管顯示電路、液晶顯示模塊、音頻輸入輸出模塊、PS2鍵盤接口、USB模塊、SD卡模塊、以太網(wǎng)模塊等。擴(kuò)展板實(shí)物圖如圖2（c）所示（其中核心板位置插的是F28335核心板），部分?jǐn)U展接口原理電路如下：

（1）USB通信接口。USB是由COMPAQ、INTEL、MICROSOFT和NEC等公司共同開發(fā)的一種新型快速、雙向、同步、可熱插拔的通用串行數(shù)據(jù)傳輸總線，具有帶寬同步、靈活穩(wěn)定、易于與PC機(jī)接口、成本低廉和易于升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。我們采用USB接口芯片CH375設(shè)計(jì)了USB通信接口，如圖3（a）所示。該器件內(nèi)置USB通信傳輸協(xié)議，可配置為從機(jī)和主機(jī)工作模式，使用方便，能減少控制器代碼量，也免去從0開始實(shí)現(xiàn)USB傳輸協(xié)議的煩惱。

（2）AIC23音頻解碼接口。為方便研究生掌握DSP的多通道緩沖McBSP接口、集成電路總線I2C接口的應(yīng)用開發(fā)方法，以及設(shè)計(jì)DSP音頻解碼系統(tǒng)，采用音頻芯片AIC23設(shè)計(jì)了音頻解碼接口電路，如圖3（b）所示。AIC23是TI公司生產(chǎn)的音頻Codec芯片，它內(nèi)置耳機(jī)輸出放大器，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式。AIC23芯片內(nèi)部集成了ADC和DAC，并采用了Sigma-delta過采樣技術(shù)，可在8K到96K的頻率范圍內(nèi)提供16bit、20bit、24bit和32bit的采樣，具有高保真音質(zhì)。它有左判斷、右判斷、I2S和DSP四種音頻接口模式；DSP模式下，能夠與DSP實(shí)現(xiàn)無縫連接。圖3（b）中，DSP通過I2C接口向AIC23發(fā)送控制命令，通過McBSP接口與AIC23進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

二、綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件開發(fā)

1.開發(fā)環(huán)境

對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行軟件開發(fā)時(shí)，使用SEED-XDS510硬件仿真器將DSP控制器通過JTAG標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口與PC機(jī)相連，如圖4所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)，分別用C、C和匯編混合編程的方法設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的主控制模塊和各功能模塊的設(shè)計(jì)范例，可以方便地在CCS集成開發(fā)環(huán)境下調(diào)試，并編寫了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。

2.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)、開發(fā)了相應(yīng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括CCS的使用及C程序設(shè)計(jì)、GPIO輸入輸出實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器中斷實(shí)驗(yàn)、外部中斷實(shí)驗(yàn)、AD采集及數(shù)碼管顯示實(shí)驗(yàn)、PWM輸出實(shí)驗(yàn)、串行和并行DA實(shí)驗(yàn)、通信模塊實(shí)驗(yàn)（包括SCI串行通信實(shí)驗(yàn)、SPI串行外設(shè)接口通信實(shí)驗(yàn)、CAN總線實(shí)驗(yàn)、I2C總線實(shí)驗(yàn)）、液晶顯示實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)。通過這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴炀氄莆誄CS開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用、匯編和C語言程序的開發(fā)方法以及DSP的編程思想，熟悉DSP的各片內(nèi)外設(shè)模塊的工作原理和應(yīng)用、開發(fā)方法，為下一步利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目打下基礎(chǔ)。

3.綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

綜合性實(shí)驗(yàn)要求研究生綜合應(yīng)用本學(xué)科知識(shí)和相應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件完成系統(tǒng)級(jí)的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)。為了進(jìn)一步訓(xùn)練和培養(yǎng)研究生的工程實(shí)踐能力和DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，開發(fā)了音頻實(shí)驗(yàn)、PS2鼠標(biāo)和鍵盤實(shí)驗(yàn)、USB主機(jī)從機(jī)實(shí)驗(yàn)、SD卡文件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)卡實(shí)驗(yàn)、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)等系統(tǒng)性綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)提供了標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的代碼，通過綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)研究生進(jìn)行DSP應(yīng)用系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)和開發(fā)的能力。

4.開放式創(chuàng)新設(shè)計(jì)專題

為提高研究生的創(chuàng)新素質(zhì)和工程實(shí)踐能力，我們支持各位研究生根據(jù)自身情況與研究需要選擇設(shè)計(jì)開放式創(chuàng)新設(shè)計(jì)專題內(nèi)容?？紤]到實(shí)驗(yàn)條件、完成設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的時(shí)間需要等因素，建議選題方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字控制系統(tǒng)、自動(dòng)化儀表、機(jī)電測(cè)控系統(tǒng)等。設(shè)計(jì)任務(wù)完成并驗(yàn)證后，要求研究生提交完整的設(shè)計(jì)報(bào)同時(shí)，內(nèi)容包括：對(duì)象的具體描述或算法分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與方法、系統(tǒng)組成和硬件電路原理圖、DSP源程序、實(shí)驗(yàn)或仿真方法與手段（含制作的樣機(jī)照片）、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析、實(shí)驗(yàn)總結(jié)或者收獲/建議等。

三、結(jié)語

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的DSP核心板可根據(jù)需要進(jìn)行更換，外設(shè)擴(kuò)展板采用工程化觀點(diǎn)設(shè)計(jì)，不僅包含了各種常用接口和外設(shè)，而且所有模塊的內(nèi)部電路獨(dú)立，外部接口以連接孔的方式開放，實(shí)驗(yàn)者可根據(jù)任務(wù)需求自行設(shè)計(jì)和選擇相應(yīng)模塊，通過簡(jiǎn)單的連線構(gòu)建所需的DSP應(yīng)用系統(tǒng)硬件，在此基礎(chǔ)上通過軟件開發(fā)完成完整的DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可完成相關(guān)課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和各種創(chuàng)新設(shè)計(jì)專題。在同一平臺(tái)上，可完成從最基本的GPIO操作到復(fù)雜的EPWM波輸出等對(duì)單個(gè)外設(shè)模塊進(jìn)行操作的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，到綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)和多個(gè)外設(shè)模塊進(jìn)行的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，再到自行選題完成開放性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)專題，獨(dú)立進(jìn)行DSP應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，循序漸進(jìn)地培養(yǎng)研究生對(duì)DSP技術(shù)的工程實(shí)踐能力，并以此為契機(jī)，提高其創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可直接用于電氣工程、電子信息、控制科學(xué)與工程、儀器科學(xué)與技術(shù)、機(jī)電自動(dòng)化工程等相關(guān)學(xué)科研究生DSP技術(shù)與應(yīng)用課程教學(xué)中，也可用于高年級(jí)本科生、?？粕嚓P(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有效提高DSP設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用水平，增強(qiáng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐能力，解決普遍存在的理論教學(xué)與工程實(shí)際需求相脫節(jié)的矛盾。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）