Ti公司DSP技术发展历程和现状及其应用实例分析.docx

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Ti公司DSP技术发展历程和现状及其应用实例分析

一、TI公司发展历史：

德州仪器（Texas Instruments），简称TI，是全球领先的半导体公司，为现实世界的信号处理提供创新的数字信号处理（DSP）及模拟器件技术。

除半导体业务外，还提供包括教育产品和数字光源处理解决方案（DLP）。

其模拟、嵌入式处理以及无线技术不断深入至生活的方方面面，从数字通信娱乐到医疗服务、汽车系统以及各种广泛的应用，无所不在。

1938年12月，Geophysical Service在特拉华州创立名为Geophysical

Service Inc.（GSI）的子公司。

1939年1月，母公司Geophysical Service更名为Coronado Corporation。

1941年，特拉华州子公司GSI被GSI的三位职员H.Bates Peacock、J.ErikJonsson和Cecil H.Green以及Geophysical Service的两个创始人之一EugeneMcDermott收购。

1945年，Coronado Corporation倒闭了，但GSI仍然存在。

1951年12月，GSI更名为Texas Instruments Incorporated（德州仪器）。

1953年10月，公司首次进入纽约证券交易所（New York Stock Exchange），代号TXN。

1954年生产首枚商用晶体管；

1958年TI工程师Jack Kilby发明首块集成电路（IC）；

1967年发明手持式电子计算器；

1971年发明单芯片微型计算机；

1973年获得单芯片微处理器专利；

1978年推出首个单芯片语言合成器，首次实现低成本语言合成技术；1982年推出单芯片商用数字信号处理器（DSP）；

1990年推出用于成像设备的数字微镜器件，为数字家庭影院带来曙光；1992年推出microSPARC单芯片处理器，集成工程工作站所需的全部系统逻辑；

1995年启用Online DSP LabTM电子实验室，实现因特网上TI DSP应用的监测；

1996年宣布推出0.18微米工艺的Timeline技术，可在单芯片上集成1.25亿个晶体管；

1997年推出每秒执行16亿条指令的TMS320C6x DSP，以全新架构创造DSP性能记录；

1999年售出的数字蜂窝电话中，超过半数使用的是TI的DSP解决方案。

其中，诺基亚、爱立信、摩托罗拉、索尼等世界主要手机生产厂商均采用TI的DSP芯片；

2000年推出每秒执行近90亿个指令的TMS320C64xDSP芯片，刷新DSP性能记录，

推出业界上功耗最低的芯片TMS320C55x DSP，推进DSP的便携式应用；2003年推出业界首款ADSL片上调制解调器——AR7；

二、DSP处理系统的发展现状：

在近20多年的时间里，DSP芯片的应用已经从军事、航空航天领域扩大到信号处理、通信、雷达、消费等许多领域。

主要应用有：

信号处理、通信、语音、图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等。

DSP的应用广泛，使其占整个市场需求的90%。

DSP市场正处于高速成长的阶段。

在数字化、个人化和网络化的推动下，1997年世界DSP市场营销额超过32亿美元，预计未来的年均增长率高达40%，按照这一增长速度，至2007年，世界DSP市场营销额将突破500亿美元。

在全球DSP产品市场中，TI公司独占鳌头，占世界市场45%的份额，其次是朗讯（28%）、ADI（12%）、摩托罗拉（12%）、其他公司（3%）。

TI公司是DSP业界公认的龙头老大。

TI产品遍及全球,每2个数字蜂窝电话中就有1个采用TI产品,全世界90%的硬盘和33%的Modem均采用TI DSP技术。

1997年,TI公司的两项重大投资项目夯实了其地位不可动摇。

一是设立1亿美元的风险基金,支持那些需要启动资金的DSP应用企业,为掀起DSP的应用高潮打下坚实的基础。

二是启动500万美元的全球大学科研基金,用于支持各高校的DSP教育。

TI已在国内十余所大学建立了DSP实验室和技术中心。

国外的商业化信号处理设备一直保持着快速的发展势头。

欧美等科技大国保持着国际领先的地位。

例如美国DSP research公司，Pentek公司，Motorola公司，加拿大Dy4公司等，他们很多已经发展到相当大的规模，竞争也愈发激烈。

我们从国际知名DSP技术公司发布的产品中就可以了解一些当今世界先进的数字信号处理系统的情况。

三、实例分析：

1、需求分析

DSP是近年来发展起来的一种新型微电子器件，是一种具有殊结构的微处理器。

DSP芯片建立在数字处理的各种理论算法的基础上，专门成各种数字信息的处理，DSP器件的出现使得各种数字信号处理算法得以实，简化了信息处理的程序以及速度，大大地促进了现代电子技术及信息技术的展。

使用DSP技术来实现对音频信号的处理，通过对比已有的不同的数字音频系统，选择更加合适技术和功能更加强大的芯片，进而优化设计音频电路。

硬件部分将详细给出芯片的选择依据以及参数的对比情况，进而给出相应的电路设计。

完成硬件设计之后，利用MATLAB实现数字滤波器的设计和仿真，在CCS中编写C语言源代码实现FIR滤波，最后将程序烧写在DSP芯片中，验证电路和功能的正确性。

信号的数字化就是将连续变化的模拟信号转换成离散的数字信号，一般需要完成采样、量化和编码三个步骤，如图所示。

在本实例中选择TMS320VC5509A作为本设计的主芯片。

2、基本硬件电路设计

系统的研究技术路线已经在本章的第一节做了具体介绍，在本设计中硬件部分主要由两部分组成，一部分是前端原始模拟信号的音频调理部分，另一部分是以DSP为核心处理器的数字电路部分，以下对系统的硬件部分做详细介绍。

模拟部分由ADC和DAC前端的滤波、采样/保持、去毛刺和差分放大电路等组成，在下一节内容中给出具体方案，数字部分就是围绕DSP最小系统展开，下面就各部分模块给出具体设计方法，系统框图如下图所示。

由上图可知，DSP作为核心芯片，是整个系统的大脑，其它模块可以分为组成DSP最小系统的电路部分，以及实现本设计功能的外围电路两大部分组成。

其中复位、电源、时钟、仿真电路等构成了最小系统，而AD/DA转换和存储器扩展等构成外围电路，下面对各部分硬件电路做详细介绍。

2.1复位电路

自动复位电路的原理如下：

在系统运行时，电路提供一个监视线，用来监视系统是否正常运行，在正常运行的时候，在规定时间里有一个高低电平变化的信号提供给监视线，在这个时间内信号不变化了，那么就说明系统运行故障或死机了，自动复位电路就认为系统不正常了，然后对其进行系统复位。

2.2电源电路

TMS320VC5509A芯片采用低电压双电源供电方式，在本设计中使用TI公司的两路输出的TPS73HD301芯片作为电源芯片，从外部电源提供的+5V电压中得到一个3.3V和一个1.6V的电压，也就是采用内核电压和I/O电压分开的供电。

TMS320VC5509A的电源分为内核电源和I/O电源，内核电源需要1.6V或者1.8V电压，本设计中使用1.6V电压，其降低内核电压的主要目的是为了降低功耗，3.3V供给I/O接口使用

2.3时钟电路

给DSP TMS320VC5509A芯片提供时钟有两种办法，一种是利用芯片自身内部的晶振电路，一种是将外部时钟源接到DSP芯片上。

利用DSP芯片内部提供的晶振电路时，在X1脚和X2/CLKIN脚之间连接晶振就可以启动内部振荡器；利用外部时钟源时，将X1脚悬空，外部时钟源直接接入X2/CLKIN脚即可。

2.4仿真电路

DSP系统的调试需要用到DSP仿真器，仿真器与DSP的接口就叫做JTAG口，只需要根据DSP芯片的接口类型按照相应的接口标准设计就可以了，十分方便。

JTAG是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。

现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA器件等。

标准的JTAG接口是四线：

 TMS、TCK、TDI和TDO,分别是模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。

3、外围硬件电路设计：

3.1音频信号编码解码模块电路设计

在本设计中为了设计方便，并且考虑到音频信号的特点，选用集AD和DA功能于一体的转换芯片。

因为本设计使用的是TI公司的TMS320VC5509A芯片，为了接口方便并且更好的配合DSP芯片使用，本文选用TI公司的AD和DA转换芯片。

TLV320AIC23的外围接口主要由数字音频接口、麦克风输入接口、LINE IN输入接口、耳机输出接口、配置接口组成。

利用TMS320VC5509A作为控制器，结合TLV320AIC23B的优点，可以设计出高性能音频信号处理系统，系统框图如下图所示。

TLV320AIC23的CS、SDIN、SCLK、MODE四个引脚组成控制接口，DSP传送的配置信号可以改变TLV320AIC23的工作方式。

在本设计中把MODE接高电平，配置成SPI方式。

在此方式下，SDIN为数据输入，CS为帧同步信号，SCLK为时钟同步信号。

TMS320VC5509A和TLV320AIC23B的接口电路如下图所示。

由上图可以看到，TLV320AIC23B的外围电路比较简单，只需要设计一些必要的滤波电路即可，由数据手册可以查到每个引脚的特性以及外围滤波电路的典型参数，这样对本文设计TLV320AIC23B的外围电路提供了方便。

使用TLV320AIC23B而不使用TLC320AD50C，除了AIC23芯片的性能优越以外，还有一个原因就是AD50需要设计专门的差分电路，而AIC23不需要，这就简化了设计也节省空间。

3.2存储器扩展电路的设计

TMS320VC5509A可以提供16M的存储空间，这全部16M的存储器均可作为数据空间或程序空间访问。

当CPU从程序空间读取程序代码时，使用24bit字节寻址；当程序访问数据空间时，则使用23bit字节寻址，这时需要在最低位添0，就使得在这两种情况下地址总线传送的都是24bit地址。

TMS320VC5509A的全部16M存储器空间中，片内有64KByte/s的DARAM和192KBytes的SARAM，此外，0CE、1CE、2CE、3CE为DSP的可扩展外部存储空间。

TMS320VC5509A提供EMIF接口，即外部存储器接口，可以方便的与外部存储器无缝连接，它控制DSP和外部存储器之前的所有数据传输。

外部存储器接口框图如下图所示。

在本设计中，主要利用DSP实现数字滤波等功能（将在第四章做详细介绍），故可暂不使用FLASH，如果需要完成更多的功能或者存储音频文件的话，也可以在现有基础上对存储空间继续扩展。

常用的FLASH本文选用AM29LV400/800B作为存储器扩展芯片，与DSP的连接也十分方便，因为EMIF外接FLASH异步存储器提供了无缝接口，所以只需将对应引脚相连即可。

FLASH比EPROM更具优势，FLASH可直接使用3.3V电压，而EPROM的电压一般都是5V，这就需要电平转换。

FLASH现在发展速度很快，是高密度、电可重复擦写、非易失性、低功耗、小尺寸、高性能的便携式存储器，在对系统编程是对FLASH烧写，无需专门设备，修改和升级方便，而且FLASH的寿命长，一般烧写的次数可以在十万次以上，几乎可以不考虑使用寿命的问题。

4、系统软件设计

可编程的DSP芯片的开发需要一整套的开发工具，分为代码生成工具和代码调试工具。

代码生成工具是将汇编语言或者C语言编写的程序进行编译，然后链接成可执行的DSP程序，代码调试工具是对程序及系统进行调试。

一个完整的软件开发流程如图4-13所示。

TI公司的CCS是一个基于Windows的完整的DSP开发平台，为提供了DSP软件部分提供了一个完整的解决方案。

5、结果分析

基于DSP技术的音频电路可以完成对音频信号的基本处理功能。

硬件电路的设计部分从构建DSP最小系统展开，经实际测试