数字信号处理幻灯片2-3

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1、1,硬件设计概述,DSP系统的硬件设计又称为目标板设计，是在考虑算法需求、成本、体积和功耗核算的基础上完成的，一个典型的DSP目标板主要包括：,DSP芯片及DSP基本系统 程序和数据存储器 数/模和模/数转换器 模拟控制与处理电路 各种控制口和通信口 电源处理电路和同步电路,2,硬件设计概述,一个典型的DSP目标板结构如下图。,3,硬件设计概述,系统硬件设计过程：,第一步：确定硬件实现方案；,在考虑系统性能指标、工期、成本、算法需求、体积和功耗核算等因素的基础上，选择系统的最优硬件实现方案。,第二步：器件的选择；,一个DSP硬件系统除了DSP芯片外，,还包括ADC、DAC、存储器、电源、逻辑控

2、制、通信、人机接口、总线等基本部件。,4,硬件设计概述,第二步：器件的选择；, DSP芯片的选择,选择DSP芯片要综合多种因素，折衷考虑。, 首先要根据系统对运算量的需求来选择； 其次要根据系统所应用领域来选择合适的DSP芯片； 最后要根据DSP的片上资源、价格、外设配置以及与其他元部件的配套性等因素来选择。, ADC和DAC的选择,A/D转换器的选择应根据采样频率、精度以及是否要求片上自带采样、多路选择器、基准电源等因素来选择； D/A转换器应根据信号频率、精度以及是否要求自带基准电源、多路选择器、输出运放等因素来选择。,5,硬件设计概述,第二步：器件的选择；, 存储器的选择,常用的存储器有

3、SRAM、EPROM、E2PROM和FLASH等。 可以根据工作频率、存储容量、位长(8/16/32位)、接口方式(串行还是并行)、工作电压(5V/3V)等来选择。, 逻辑控制器件的选择,系统的逻辑控制通常是用可编程逻辑器件来实现。 首先确定是采用CPLD还是FPGA； 其次根据自己的特长和公司芯片的特点选择哪家公司的哪个系列的产品； 最后还要根据DSP的频率来选择所使用的PLD器件。,6,硬件设计概述,第二步：器件的选择；, 通信器件的选择,通常系统都要求有通信接口。, 首先要根据系统对通信速率的要求来选择通信方式。,一般串行口只能达到19kb/s，而并行口可达到1Mb/s以上，若要求过高可

4、考虑通过总线进行通信；, 然后根据通信方式来选择通信器件。, 总线的选择,常用总线：PCI、ISA以及现场总线(包括CAN、3xbus等)。,可以根据使用的场合、数据传输要求、总线的宽度、传输频率和同步方式等来选择。,7,硬件设计概述,第二步：器件的选择；, 人机接口,常用的人机接口主要有键盘和显示器。, 通过与其他单片机的通信构成； 与DSP芯片直接构成。, 电源的选择,主要考虑电压的高低和电流的大小。,既要满足电压的匹配，又要满足电流容量的要求。,8,硬件设计概述,系统硬件设计过程：,第三步：原理图设计；,从第三步开始就进入系统的综合。在原理图设计阶段必须清楚地了解器件的特性、使用方法和系

5、统的开发，必要时可对单元电路进行功能仿真。,第一步：确定硬件实现方案；,第二步：器件的选择；,9,硬件设计概述,第三步：原理图设计；,原理图设计包括：, 系统结构设计 可分为单DSP结构和多DSP结构、并行结构和串行结构、全DSP结构和DSP/MCU混合结构等；, 模拟数字混合电路的设计 主要用来实现DSP与模拟混合产品的无逢连接。,包括信号的调理、A/D和D/A转换电路、数据缓冲等。,10,硬件设计概述,第三步：原理图设计；,原理图设计包括：, 存储器的设计 是利用DSP的扩展接口进行数据存储器、程序存储器和I/O空间的配置。, 通信接口的设计 电源和时钟电路的设计 控制电路的设计 包括状态

6、控制、同步控制等。,在设计时要考虑存储器映射地址、存储器容量和存储器速度等。,11,硬件设计概述,系统硬件设计过程：,第三步：原理图设计；,PCB图的设计要求设计人员既要熟悉系统的工作原理，还要清楚布线工艺和系统结构设计。,第一步：确定硬件实现方案；,第二步：器件的选择；,第四步：PCB设计；,第五步：硬件调试；,12,DSP系统的基本设计,一个完整的DSP系统通常是由DSP芯片和其他相应的外围器件构成。,本节主要以TMS320C54x系列芯片为例，介绍DSP硬件系统的基本设计，包括:,电源电路 复位电路 时钟电路,13,DSP系统的基本设计,为了降低芯片功耗，C54x系列芯片大部分都采用低电

7、压设计，并且采用双电源供电，即,电源电路的设计,内核电源CVDD I/O电源DVDD,采用3.3V、2.5V，或1.8V电源； 采用3.3V供电。,14,电源电路的设计,内核电源CVDD：采用1.8V。 主要为芯片的内部逻辑提供电压。 包括CPU、时钟电路和所有的外设逻辑。,I/O电源DVDD：采用3.3V。 主要供I/O接口使用。,1.电源电压和电流要求,为了获得更好的电源性能，C5402芯片采用双电源供电方式。,可直接与外部低压器件接口，而无需额外的电平变换电路。,15,理想情况下，两电源应同时加电。 若不能做到同时加电，应先对DVDD加电，然后再对CVDD加电。,内部静电保护电路：,1.

8、电源电压和电流要求,C5402芯片的加电次序：,要求: DVDD电压不超过CVDD电压2V； CVDD电压不超过DVDD电压0.5V。,16,内核电源CVDD所消耗的电流主要取决于CPU的激活度。,1.电源电压和电流要求,C5402芯片的电流消耗主要取决于器件的激活度。,外设消耗的电流取决于正在工作的外设及其速度。,时钟电路消耗一小部分电流，而且是恒定的，与CPU和外设的激活程度无关。,I/O电源DVDD消耗的电流取决于外部输出的速度、数量以及输出端的负载电容。,17,电源电路的设计,2.电源电压的产生,DSP芯片采用的供电方式，主要取决于应用系统中提供什么样的电源。在实际中，大部分数字系统所

9、使用的电源可工作于5V或3.3V，因此有两种产生芯片电源电压的方案。,第一种方案：,5V电源通过两个电压调节器，分别产生3.3V和1.8V电压。,第二种方案：,使用一个电压调节器，产生1.8V电压，而DVDD直接取自3.3V电源。,18,电源电路的设计,3.电源解决方案,产生电源的芯片: Maxim公司：MAX604、MAX748； TI公司：TPS71xx、TPS72xx、TPS73xx等系列。,这些芯片可分为: 线性稳压芯片,开关电源芯片, 使用方法简单，电源纹波电压较低，对系统的干扰较小，但功耗高。, 电源效率高，但电源所产生的纹波电压较高，容易对系统产生干扰。,19,3.电源解决方案,

10、DSP系统电源方案有以下几种：, 采用3.3V单电源供电,可选用TI公司的TPS7133、TPS7233和TPS7333； Maxim公司的MAX604、MAX748。, 采用可调电压的单电源供电,可选用TI公司的TPS7101、TPS7201和TPS7301。, 采用双电源供电,可选用TI公司的TPS73HD301、TPS73HD325、TPS73HD318等芯片。,20, 采用3.3V单电源供电,由MAX748芯片构成的电源。,电源电压：3.3V 最大电流：2A,21, 采用可调电压的单电源供电,TI公司的TPS7101、TPS7201和TPS7301等芯片提供了可调节的输出电压，其调节范

11、围为1.2V9.75V，可通过改变两个外接电阻阻值来实现。,22, 采用可调电压的单电源供电,输出电压与外接电阻的关系式：,Vref为基准电压，典型值为1.182V。R1和R2为外接电阻，通常所选择的阻值使分压器电流近似为7A。,输出电压V0与外电阻R1和R2的编程表:,23, 采用双电源供电,TI公司提供的双电源芯片： TPS73HD301 TPS73HD325 TPS73HD318,固定的输出电压: 3.3V 可调的输出电压: 1.2V9.75V, 固定的输出电压: 3.3V和2.5V, 固定的输出电压: 3.3V和1.8V,每路电源的最大输出电流为750mA，并且提供两个宽度为200ms

12、的低电平复位脉冲。,24, 采用双电源供电,由TPS73HD318芯片组成的双电源电路。,25,DSP系统的基本设计,复位电路的设计,26,复位电路的设计,C54x的复位分为软件复位和硬件复位。 软件复位：是通过执行指令实现芯片的复位。 硬件复位：是通过硬件电路实现复位。 硬件复位有以下几种方法: 上电复位 手动复位 自动复位,27,复位电路的设计,1. 上电复位电路,上电复位电路是利用RC电路的延迟特性来产生复位所需要的低电平时间。,由RC电路和施密特触发器组成。,28,1. 上电复位电路,上电瞬间,由于电容C上的电压不能突变,使RS仍为低电平,芯片处于复位状态,同时通过电阻R对电容C进行充

13、电,充电时间常数由R和C的乘积确定。,为了使芯片正常初始化，通常应保证RS低电平的时间至少持续3个外部时钟周期。但在上电后,系统的晶体振荡器通常需要100200ms的稳定期,因此由RC决定的复位时间要大于晶体振荡器的稳定期。,为了防止复位不完全，RC参数可选择大一些。,29,1. 上电复位电路,复位时间可根据充电时间来计算。,电容电压：VC= VCC( 1-e-t/ ) 时间常数： = RC 复位时间：,设VC=1.5V为阈值电压,选择R = 100k,C = 4.7F,电源电压VCC = 5V，可得复位时间t = 167ms。,随后的施密特触发器保证了低电平的持续时间至少为167ms，从而满

14、足复位要求。,30,复位电路的设计,2.手动复位电路,手动复位电路是通过上电或按钮两种方式对芯片进行复位。,电路参数与上电复位电路相同。,当按钮闭合时，电容C通过按钮和R1进行放电，使电容C上的电压降为0； 当按钮断开时，电容C的充电过程与上电复位相同，从而实现手动复位。,31,复位电路的设计,3.自动复位电路,由于实际的DSP系统需要较高频率的时钟信号,在运行过程中极容易发生干扰现象，严重时可能会造成系统死机，导致系统无法正常工作。 为了解决这种问题，除了在软件设计中加入一些保护措施外，硬件设计还必须做出相应的处理。 目前，最有效的硬件保护措施是采用具有监视功能的自动复位电路，俗称“看门狗”

15、电路。,32,3.自动复位电路,自动复位电路除了具有上电复位功能外，还能监视系统运行。 当系统发生故障或死机时可通过该电路对系统进行自动复位。,基本原理：是通过电路提供的监视线来监视系统运行。当系统正常运行时，在规定的时间内给监视线提供一个变化的高低电平信号，若在规定的时间内这个信号不发生变化，自动复位电路就认为系统运行不正常，并对系统进行复位。,33,3.自动复位电路,自动复位电路的设计方案： 用555定时器和计数器组成； 采用专用的自动复位集成电路。 如Maxim公司的MAX706、MAX706R芯片。,MAX706R是一种能与具有3.3V工作电压的DSP芯片相匹配的自动复位电路。,34,

16、3.自动复位电路,由MAX706R组成的自动复位电路如图：,35,3.自动复位电路,引脚6为系统提供的监视信号CLK，来自DSP芯片某个输出端，是一个通过程序产生的周期不小于10Hz的脉冲信号。 引脚7为低电平复位输出信号，是一个不小于1.6s的复位脉冲，用来对DSP芯片复位。,当DSP处于不正常工作时，由程序所产生的周期脉冲CLK将会消失,自动复位电路将无法接收到监视信号，MAX706R芯片将通过引脚7产生复位信号，使系统复位，程序重新开始运行，强迫系统恢复正常工作。,36,DSP系统的基本设计,时钟电路的设计,时钟电路用来为C54x芯片提供时钟信号，由一个内部振荡器和一个锁相环PLL组成，可通过芯片内部的晶体振荡器或外部的时钟电路驱动。,1.时钟信号的产生,C54x时钟信号的产生有两种方法： 使用外部时钟源； 使用芯片内部的振荡器。,37,1.时钟信