便攜式DSP 教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙燕　王江華　李昆

摘要：便攜式DSP教學(xué)平臺是一種綜合的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，平臺采用基板+CPU板兩層架構(gòu)，基板中各功能模塊相互獨(dú)立，且所有接口均對外開放，用戶在使用時(shí)可對各模塊靈活組合以實(shí)現(xiàn)不同的功能，可方便的實(shí)現(xiàn)平臺功能的擴(kuò)展，對平臺的二次開發(fā)提供保障。平臺兼容TMS320F2000和TMS320C5000兩種系列的CPU板，在不需要改變?nèi)魏闻渲玫那闆r下，更換CPU板即可做TI公司的不同類型的DSP的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。該教學(xué)平臺適用于電子信息、通信、信號處理、計(jì)算機(jī)、測控等相關(guān)專業(yè)的理論教學(xué)，為教師做相關(guān)專業(yè)的科研課題提供幫助，同時(shí)也為大學(xué)生的電子設(shè)計(jì)競賽提供平臺。

關(guān)鍵詞：便攜；DSP；教學(xué)平臺

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）04-0030-03

隨著當(dāng)今社會的發(fā)展，DSP的應(yīng)用越來越廣泛，其重要性不可小覷。為了提高DSP原理及應(yīng)用理論教學(xué)的質(zhì)量，特設(shè)計(jì)一便攜式DSP教學(xué)平臺，該平臺小巧輕便、便于攜帶，且可脫離市電運(yùn)行，非常適合于DSP理論教學(xué)的隨堂演示，將大大增添課堂趣味性，學(xué)生們學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識時(shí)將會更加積極主動，同時(shí)還能培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力，符合國家培養(yǎng)應(yīng)用型人才的計(jì)劃要求。

1 平臺總體框圖

平臺總體框圖如圖1所示，該平臺由CPU板和基板兩部分構(gòu)成，其中CPU板包括電源單元、CPU單元、RAM單元、FLASH單元、USB/URAT接口、LED指示單元以及下載接口；基板包括CPU接口單元、電源單元、DDS信號源單元、TFT液晶屏單元、LED顯示單元、8位數(shù)字量輸入輸出單元、矩陣按鍵單元、D/A轉(zhuǎn)換單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、射頻卡識別單元、RS232串口單元、CAN/RS485總線單元和功放單元。

2 平臺硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU板單元

平臺采用的DSP芯片為TMS320F2812，該芯片是TI公司推出的32位定點(diǎn)DSP芯片，既具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力，又具有較為完善的事件管理能力和嵌入式控制能力，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，特別是應(yīng)用在處理速度、處理精度方面要求較高的領(lǐng)域。

CPU板單元具有獨(dú)立的電源，可脫離基板獨(dú)立運(yùn)行。設(shè)計(jì)采用PS767D301芯片產(chǎn)生DSP工作所需的3.3V和1.8V電壓。平臺設(shè)有串口控制開關(guān)，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，CPU板通過橋接芯片CP2102與電腦相連，用來實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的串行通信；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，DSP可與其他TTL接口設(shè)備進(jìn)行串口通信。

DSP核心板內(nèi)置了RAM芯片IS61LV51216，用來擴(kuò)展RAM的容量；由于DSP內(nèi)部Flash不能滿足大容量程序的需求，設(shè)計(jì)中亦擴(kuò)展了外部Flash—SST39VF160，用于對大容量程序的固化。電路中設(shè)計(jì)了四個(gè)獨(dú)立的LED指示燈，用于指示程序調(diào)試時(shí)的狀態(tài)，且指示燈接在CAN和URAT口，也可以方便用戶觀察通信時(shí)數(shù)據(jù)的變化情況。[2]

2.2 CPU接口單元

該單元主要用于插接不同的CPU模塊。平臺兼容TMS320F2000和TMS320C5000兩種系列的CPU板，在不需要改變?nèi)魏闻渲玫那闆r下，更換CPU板即可做TI公司的不同類型的DSP的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)平臺使用TMS320F2000系列的CPU板時(shí)，可以利用CPU的事件管理器模塊（EVM）產(chǎn)生PWM波，控制各種類型的電機(jī)，完成以三相異步電機(jī)為主的各種電機(jī)的PWM調(diào)速控制實(shí)驗(yàn)。CPU板接口單元外置兩路完整的三相電機(jī)控制接口，用來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制。

2.3 電源單元

電源單元采用外置交流轉(zhuǎn)+5V電源模塊和內(nèi)置鋰電池DC/DC轉(zhuǎn)換雙電源供電。交流電源開關(guān)為外置AC/DC模塊供電總開關(guān)，用于控制交流市電的開合，教學(xué)平臺側(cè)面為交流市電接線端，并設(shè)有1A保險(xiǎn)絲接口。

平臺內(nèi)置了5000mA的鋰聚合物電池，并在電源單元設(shè)置了DC/DC轉(zhuǎn)換電路，用于將電池輸出的+3.7V電壓升壓轉(zhuǎn)換成教學(xué)平臺使用的+5V工作電源。DC/DC轉(zhuǎn)換采用G5177芯片完成，該芯片升壓轉(zhuǎn)換效率高，輸出電流2A，足夠滿足教學(xué)平臺所有模塊的供電使用。

當(dāng)電池供電總開關(guān)閉合時(shí)，教學(xué)平臺所需的5V電源由鋰離子充電電池升壓提供。平臺通過單刀雙擲開關(guān)來切換供電方式：即采用交流市電供電還是采用內(nèi)置電池供電。

電源模塊設(shè)計(jì)了鋰離子充電電路，當(dāng)平臺處于交流供電模式時(shí)，交流市電電源除了為教學(xué)平臺供電之外，還可以為內(nèi)置鋰離子電池充電。設(shè)置了兩個(gè)充電狀態(tài)指示燈，其中紅色燈為充電狀態(tài)指示，綠色燈為充滿自動停止?fàn)顟B(tài)指示。

交流市電和電池兩種供電方式下輸出的電壓為5V，而平臺需要5V和3.3V兩種電源，設(shè)計(jì)中采用LT1585電源轉(zhuǎn)換芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓。

2.4 DDS信號源單元

平臺設(shè)計(jì)了一個(gè)由DDS芯片AD9850組成的高精度數(shù)字信號源，可以輸出正弦波和矩形波兩種信號波形。波形頻率可以從0～40MHz精確設(shè)置，輸出的信號峰值可以由電位器R27調(diào)整，矩形波占空比可以通過電位器R19設(shè)置。

為了便于電源的控制，該部分電路采用TPS70033芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，供控制單片機(jī)STM32和OLED液晶屏使用。信號輸出狀態(tài)以及頻率等信息可以通過內(nèi)置的OLED液晶屏實(shí)時(shí)顯示。8位撥碼開關(guān)用來使能平臺的矩陣按鍵對DDS信號源的控制，當(dāng)撥碼開關(guān)閉合時(shí)，可通過矩陣按鍵對輸出信號的頻率進(jìn)行設(shè)置；當(dāng)撥碼開關(guān)斷開時(shí)，矩陣按鍵可供其他設(shè)備使用。

設(shè)計(jì)中采用3個(gè)LED燈來指示信號的輸出狀態(tài)，當(dāng)輸出信號頻率為Hz時(shí)，O_D4指示燈點(diǎn)亮，當(dāng)輸出信號頻率為KHz時(shí)，O_D5指示燈點(diǎn)亮，當(dāng)輸出信號頻率為MHz時(shí)，O_D6指示燈點(diǎn)亮。

板載SWD接口用于對STM32F103T8U6單片機(jī)的編程使用。另外教學(xué)平臺內(nèi)置電池的電量信息也是通過該單片機(jī)采集，并實(shí)時(shí)顯示到OLED液晶屏的右上角，便于用戶及時(shí)監(jiān)測內(nèi)置電池的電量信息。

2.5 LED顯示單元

該單元由8個(gè)米字管構(gòu)成，除了可以顯示0～9的數(shù)字外，還可以顯示A～Z所有英文字母在內(nèi)的多種符號，使用范圍較廣。設(shè)計(jì)采用4個(gè)2位一體的共陰極高亮紅色米字管，每個(gè)米字管均由a～n和dp共15段LED構(gòu)成，對應(yīng)段輸入為高電平時(shí)，米字管被點(diǎn)亮。設(shè)計(jì)采用兩片74LS373芯片用于米字管15位數(shù)據(jù)的鎖存，采用74LS138芯片用于米字管的位掃描。

2.6 D/A轉(zhuǎn)換單元

D/A轉(zhuǎn)換單元電路用于將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。設(shè)計(jì)采用的D/A轉(zhuǎn)換芯片為TLV5618A，該芯片為12位串行輸入、雙路輸出的D/A轉(zhuǎn)換器。采用ADR03芯片構(gòu)成D/A轉(zhuǎn)換參考電壓產(chǎn)生電路，其輸出的參考電壓為2.5V。若將ADR03_J1接口的兩端用短路環(huán)連接，則D/A轉(zhuǎn)換器TLV5618A的參考電壓由ADR03構(gòu)成的參考電壓產(chǎn)生電路提供；若ADR03_J1接口的兩端不用短路環(huán)連接，則其參考電壓由外部電路控制。[3]

2.7 A/D轉(zhuǎn)換單元

A/D轉(zhuǎn)換芯片選用TLV1549C，該芯片為10位A/D轉(zhuǎn)換芯片，單極性輸入，串行輸出，可應(yīng)用在數(shù)據(jù)采樣、DSP系統(tǒng)及移動通信等場合。在教學(xué)平臺中，A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓為+3.3V。模擬信號輸入由AD_J3接口控制，當(dāng)將AD_J3上方的兩個(gè)引腳通過短路環(huán)連接時(shí)，通過調(diào)節(jié)RW_AD電位器來得到待轉(zhuǎn)換的模擬信號，輸入模擬電壓范圍為0～5V；當(dāng)不用短路環(huán)連接時(shí)，模擬信號通過外部控制電路輸入。

3 教學(xué)平臺可完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

便攜式DSP教學(xué)平臺可提供多種DSP基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和控制對象實(shí)驗(yàn)，具體可完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：LED流水燈實(shí)驗(yàn)、LED閃爍實(shí)驗(yàn)、I/O口實(shí)驗(yàn)、矩陣按鍵實(shí)驗(yàn)、內(nèi)部定時(shí)器實(shí)驗(yàn)、外部中斷實(shí)驗(yàn)、15位米字管顯示實(shí)驗(yàn)、TFT液晶屏顯示實(shí)驗(yàn)、液晶屏觸控操作實(shí)驗(yàn)、Flash讀寫實(shí)驗(yàn)、存儲器讀寫實(shí)驗(yàn)、ID卡讀寫實(shí)驗(yàn)、A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、D/A轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、RS232串口通信實(shí)驗(yàn)、RS485總線通信實(shí)驗(yàn)、CAN總線通信實(shí)驗(yàn)、PWM波形產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)、MP3播放實(shí)驗(yàn)以及三相交流電機(jī)驅(qū)動及轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)等。

4 結(jié)論

便攜式DSP教學(xué)平臺如圖2所示。平臺具有如下特色：CPU板板載RAM和FlashROM，完整的電源模塊和USB/URAT接口單元，可以脫離教學(xué)平臺獨(dú)自運(yùn)行；設(shè)置了基于DDS芯片的信號源電路，可以輸出高精度的正弦波和矩形波，輸出信號頻率和矩形波占空比可以隨時(shí)調(diào)整；DDS信號源的CPU可以對內(nèi)置的電池電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示，采用交流市電供電時(shí)，平臺可以自動為內(nèi)置電池充電，充滿自動停止，并有相應(yīng)的狀態(tài)指示燈；采用“米”字型LED數(shù)碼管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“8”段數(shù)碼管，顯示內(nèi)容豐富，亮度高，操作簡單；平臺內(nèi)置高精度串行A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，并設(shè)計(jì)了高精度參考電壓，可供用戶調(diào)試高精度模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；內(nèi)置可充電聚合物鋰離子充電電池，可以采用市電和內(nèi)置電池雙重供電，滿足一些特殊場合便攜式的需要，且平臺內(nèi)各個(gè)功能模塊都設(shè)有獨(dú)立電源開關(guān)，方便電池供電時(shí)關(guān)閉不用的功能模塊以節(jié)省電量?？偟膩碚f，教學(xué)平臺將是一個(gè)便攜的、所有接口均對外開放的、可進(jìn)行二次開發(fā)的平臺，可應(yīng)用于相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為教師做相關(guān)專業(yè)的科研課題提供幫助，同時(shí)也為大學(xué)生的電子設(shè)計(jì)競賽提供平臺。

參考文獻(xiàn)：

[1] 范興明，張鑫.DSP嵌入式應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的研制[J].科技信息，2008（4）：88，64.

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[3] 菅睿.DSP教學(xué)平臺的開發(fā)與設(shè)計(jì)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2006.