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DSP课程设计报告
DSP课程设计报告
摘要
本次课程设计介绍了数字信号处理的最小系统的整个设计过程，该最小系统的硬件由主控芯片TWS320VC5402、电源电路、时钟电路、复位电路、JTAG接口、外部存储器构成。
DSP芯片是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件，其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。
再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式，而且具有可编程性。
所以本次课程设计的过程是ADC0809完成数据的采样及A/D转换后,数字信号通过TMS320VC5402处理后,由DAC0832完成D/A转换并输出;外部存储器采用通用EPROM,TMS320VC5402采用8位并行EPROM引导方式;并加入了标准的14针JTAG接口,便于系统的调试与仿真。
Abstract
ThecoursedesignintroducesthesmallestsystemofDSPanditsdesignprocess.ThesmallestsystemconsistsofmaincontrolchipthatisTMS320VC5402,powercircuit,clockcircuit,resetcircuit,JTAGinterfacecircuitandexternalmemoryconstitute.
ThechipofDSPisauniquemicroprocessorwhichismainlydealingwithdigitalsignal,soittransformsanalogsignaltodigitalsignalincluding0and1.Andthenchipmodifies,deletesandstrengthsdigitalsignalthatitcanbetransformedintoanalogsignalthroughotherchips.ThechipofDSPcanbeprogrammed.Next,theprocessisfollowing.ThechipdealswithdigitalsignalafterADC0809chipfinishesdatacollectionandtransformation,andDAC0832transformsdigitalsignaltoanalogsignalandoutputstheanalogsignal.TheexternalmemoryadoptsEPROM.Inordertodebugandsimulate,itaddsthestandardJTAGinterfaceof14pins.
1绪论
在近20多年时间里，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、图形、图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等。
DSP主要应用市场为3C领域，占整个市场需求的90%。
数字蜂窝电话是DSP最为重要的应用领域之一。
由于DSP具有强大的计算能力，使得移动通信的蜂窝电话重新崛起，并创造了一批诸如GSM、CDMA等全数字蜂窝电话网。
在Modem器件中，DSP更是成效卓著，不仅大幅度提高了传输速率，且具有接收动态图像能力。
另外，可编程多媒体DSP是PC领域的主流产品。
以XDSLModem为代表的高速通信技术与MPEG图像技术相结合，使得高品位的音频和视频形式的计算机数据有可能实现实时交换。
目前的硬盘空间相当大，这主要得益于CDSP（可定制DSP）的巨大作用。
预计在今后的PC机中，一个DSP即可完成全部所需的多媒体处理功能。
DSP也是消费类电子产品中的关键器件。
由于DSP的广泛应用，数字音响设备的更新换代周期变得非常短暂。
用于图像处理的DSP，一种用于JPEG标准的静态图像数据处理；另一种用于动态图像数据处理。
2课题说明
2.1功能要求
完成基于TMS320VC5402的DSP最小系统设计；
（1）绘制系统框图（VISIO）；
（2）包括电源设计、复位电路设计、时钟电路设计、存储器设计、JTAG接口设计等，用Protel软件绘制原理图和PCB图；
（3）编写测试程序；
（4）从理论上分析，设计的系统要满足基本的信号处理要求；
2.2DSP的特点
DSP芯片是模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用微处理器，其处理速度比最快的CPU还快10-50倍，具有处理速度高、功能强、性能价格比好以及速度功耗比高等特点，被广泛应用于具有实时处理要求的场合。
DSP系统以DSP芯片为基础，具有以下优点。
（1）高速性，DSP运行速度高达1000MIPS以上
（2）编程方便，可编程DSP可使设计人员在开发过程中灵活方便的对软件进行修改和升级。
（3）稳定性好，DSP系统以数字处理为基础，受环境温度及噪声的影响比较小，可靠性高。
（4）可重复性好，数字系统的性能基本上不受元器件参数性能的影响，便于测试、调试和大规模生产。
（5）集成方便，DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。
（6）性价比高,常用的DSP价格在5美元以下。
2.3TMS320VC5402的硬件资源
TMS320VC5402是TI的第七代DSP产品之一，它具有优化的CPU结构，内部有1个40位的算术逻辑单元（包括一个40位的桶式移位寄存器和2个独立的40位累加器），一个17×17的乘法器和一个40位专用加法器，16K字RAM空间和4K×16bitROM空间。
共20根地址线，可寻址64K字数据区和1M字程序区，具有64KI/O空间。
处理速度为l00MIPS，速度高、功耗低。
TMS320VC5402采用修正的哈佛结构和8总线结构（4条程序/数据总线和4条地址总线），以提高运算速度和灵活性。
在严格的哈佛结构中，程序存储器和数据存储器分别设在两个存储空间，这样，就允许取址和执行操作完全重叠。
修正的哈佛结构中，允许在程序和数据空间之间传送数据，从而使处理器具有在单个周期内同时执行算术运算、逻辑运算、位操作、乘法累加运算以及访问程序和数据存储器的强大功能。
与修正的哈佛结构相配合，TMS320VC5402还采用了一个6级深度的指令流水线，每条流水线之间彼此独立，在任何一个机器周期内可以有1至6条不同的指令在同时工作，每条指令工作在不同的流水线上，使指令的执行时间减小到最小和增大处理器的吞吐量。
TMS320VC5402的硬件结构具有硬件乘法器、8总线结构、功能强大的片内存储器配置和低功耗设计的特点。
因此，可以进行高速并行处理，同时，集成度高可节省硬件开销，提高系统抗干扰性。
它除了完成数字信号处理任务外，还可以兼顾通用单片机的操作任务，因此，它是集数字信号处理与通用控制电路于一体的多功能低功耗微处理器。
综上所述VC5402的CPU结构特征如下。
（1）具有高性能的改进的哈佛总线结构，即具有三条独立的16bit数据存储器
总线和一条16bit的程序存储器总线。
（2）具有一个40bit的算术逻辑单元，包括一个40bit的筒形移位器和两个独立的加法器。
（3）17×17bit的并行乘法器与专用的40bit加法器相结合。
（4）具有专用于Viterbi蝶形算法的比较、选择、和存储单元（CSSU）。
（5）指数译码器可以在一个指令周期内求一个40bit累加数的指数值，这里的指数定义为累加器中没有数据占用的位数的个数减去8。
（6）两个地址发生器、八个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术单元（ARAU）。
3电路设计
3.1电路设计框图
整个系统的硬件电路主要包含电源控制电路、时钟电路、复位电路、译码电路、输入接口电路、输出接口电路、存储器扩展电路和JTAG仿真接口电路8部分。
3.2系统硬件概述
（1）电源控制
我们国家的电压电路标准是220V，而TPS73HD318芯片所需的输入电压是5V。
所以首先必须得将220V的电压经过变压器或相关芯片转化为5V电压。
如图所示的一种转化方式：
TMS320VC5402采用了双电源供电机制，以获得更好的电源性能，其工作电压为3.3V和1.8V。
其中，1.8V主要为该器件的内部逻辑提供电压，包括CPU和其他所有的外设逻辑。
与3.3V供电相比，1.8V供电大大降低功耗。
外部接口引脚仍然采用3.3V电压，便于直接与外部低压器件接口，而无需额外的电平变换电路。
为TPS73HD318提供5V输入，就可以得到输出电压分别为3.3V，1.8V，每路的最大输出电流为750mA，并且提供两个宽度为200ms的低电平复位脉冲。
如图所示双电源电路：
（2）时钟电路
时钟电路就是像产生时钟一样准确的振荡电路，任何工作都按时间顺序，用于产生这个时间的电路。
时钟电路一般由晶体振荡器、晶振控制芯片和电容组成。
利用DSP芯片内部的振荡器构成时钟电路，在芯片的Xl和X2/CLKIN引脚之间接入一个晶体和两个电容，用于启动内部振荡器。
（3）复位电路
为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。
一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。
由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。
VCC上电时，C充电，在10K电阻上出现电压，使得微机复位；几个毫秒后，C充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。
工作期间，按下S，C放电。
S松手，C又充电，在10K电阻上出现电压，使得微机复位。
（4）存储器设计
5402片内提供了16k×16bit的RAM和4k×16bit的ROM,片内的ROM不可用。
本系统程序容量比较小,一般不超过16kB,考虑充分利用芯片的内部资源,采用引导装载的方式,以降低系统的设计难度和设计成本,缩短产品研制周期。
这里使用一片通用的64k×8bit的EPROM27C512。
当程序编制好后转换成二进制文件,通过通用编程器烧到27C512中即可。
（5）JTAG接口设计
JTAG也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4线：
TMS、TCK、TDI、TDO,分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。
相关JTAG引脚的定义为：
TCK为测试时钟输入；TDI为测试数据输入，数据通过TDI引脚输入JTAG接口；TDO为测试数据输出，数据通过TDO引脚从JTAG接口输出；TMS为测试模式选择，TMS用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式；TRST为测试复位，输入引脚，低电平有效。
JTAG最初是用来对芯片进行测试的,基本原理是在器件内部定义一个TAP（TestAccessPort测试访问口）通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。
JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。
现在，JTAG接口还常用于实现ISP（In-SystemProgrammable;在线编程），对FLASH等器件进行编程。
JTAG编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程后再装到板上因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。
JTAG接口可对PSD芯片内部的所有部件进行编程。
4软件设计
4.1引导程序
TMS320VC5402的引导程序Bootloader用于在芯片通电复位时将存储于外部的用户代码传输到内部或外部程序存储器中,用户代码可存储在外部速度较慢的非易失性存储器内,使5402能外扩普通低速的EPROM。
经引导后,用户代码可装载到高速的片内RAM或片外RAM中执行,以充分发挥5402指令高速运行的特点。
由本系统的硬件结构可知,易采用8位并行EPROM引导方式。
把引导表的起始地址4000h放在数据空间的最高位地址FFFEH和FFFFH中,这样根据流程图可知,将会从数据空间FFFFH和FFFFEH读取引导表起始地址的低8位和高8位,发现是08AAH,于是便进入了数据空间的8位并行引导模式,将EPROM中的程序装载到片内RAM中,装载完毕后便开始执行用户程序。
TMS320VC5402并行引导方式流程
为使5402能有效地把外扩EPROM中的程序引导到芯片内RAM,需要编制一个引导表。
引导表定位于数据空间的4000H～FFFFH段。
引导表的内容包括:
引导方式的标识;程序存放的目标首地址;程序执行的入口地址;用户程序代码;用户程序块长度。
根据8位并行EPROM引导方式的特点,编制如下的命令文件程序。
（1）链接命令程序文件（MiniSys_lj.cmd）
MiniSys.obj //输入汇编后的文件名
-oMiniSys.out //设定输出文件名
-mMiniSys.map //内部存储器分配
MEMORY:
{
PAGE0:
ROM:
origin=0x0080,length=0x3780
VECT:
origin=0x3F80,length=0x0080 //程序引导后首地址和块长度
PAGE1:
RAM:
origin=0x3800,length=0x0780 //定义数据块首地址和块长度
}
SECTIONS:
{
.text:
>ROMPAGE0 //将text段定义的程序放入程序页
.bss:
>RAMPAGE1 //将bss段定义的数据块放在数据页
中断向量
.vectors:
>VECTPAGE0//
}
（2）二进制转换命令程序（MiniSys_h.cmd）
MiniSys.out //输入链接后的文件名
-oMiniSys.hex //设定输出文件名
-i //转换为intel格式的二进制文件
-memwidth8 //定义8位EPROM
-romwidth8 //输出文件是字节
-boot //所有块/区（SECTIONS）都引导
-bootorg0x4000 //外扩EPROM存放代码的首地址
-e0x0100 //定义引导后程序的入口地址
4.2用户程序
用户程序首先要进行如下初始化设置:
（1）将芯片的MP/MC脚接地,使5402工作在微计算机方式。
（2）设置寄存器PMST中OVLY=1,使片内RAM0080H～3FFFH既映射在程序区,又映射在数据区。
（3）设置寄存器PMST中DROM=0,使F000H～FFFFH映射在外部数据区。
（4）程序和数据空间设置成7个等待状态。
信号流程图
5总结
随着科学技术的发展，DSP在3G领域和各类电子产品占有重要地位，而作为一个通信专业的本科生，掌握数字信号处理系统的设计技术是相当重要的。
但之前只是学习了相关的理论知识，对那些抽象的概念和设计思路没有透彻的理解。
在实际的操作中我们组也遇到很多困难，特别是在ProtelDXP中画DSP的最小系统板时，元件库中没有所需的器件及封装。
于是我们就参考相关资料，自己创建元器件和封装。
经过一番摸索，我们可以成功的画出所需的元器件。
虽然过程很辛苦，但是让我们更加熟练的运用Protel软件和各个芯片的功能和引脚。
通过本次课程设计的学习，我了解到真正的数字信号处理最小系统的设计思想和外围电路的构成，也让我们能够理解理论知识而不是死记硬背。
虽然我们现在并不能独立设计一个实际的DSP系统，但我想这次的课程设计也让我们积累了一定的经验，为我们以后的学习奠定了基础。
6参考文献
[1]邹彦，DSP原理及应用，第1版，电子工业出版社，2006；
[2]张雄伟，DSP集成开发与应用实例，第1版，电子工业出版社，2002；
[3]张洪涛等，数字信号处理，第一版，华中科技大学出版社，2007
[4]彭启琮等，DSP技术的发展与应用，第二版，高等教育出版社，2007
[5]杨述斌等，数字信号处理实践教程，第一版，华中科技大学出版社，2007
7答辩记录
答辩意见及答辩成绩
答辩小组教师（签字）：
2011年月日
成绩评定：
指导教师评语：
指导教师签字：
2011年月日
项目
评价
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调查论证
工作量、工作态度
实践能力
分析、解决问题能力
质量
创新
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