DSP技术及应用 教学课件 ppt 作者 江金龙 第5-8章_ 第8章

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1、第8章 DSP硬件系统设计,8.1 DSP应用领域 8.2 DSP系统设计流程 8.3 DSP硬件系统设计 8.4 键盘输入接口设计 8.5 液晶显示器接口设计 8.6 A/D接口设计 8.7 D/A接口设计,8.1 DSP应用领域 DSP不仅应用于信号处理领域， 还广泛应用于其他相关领域。 TI公司的用户指导(Users Guide)概括了DSP应用的11个方面， 部分摘录如下， 更多的应用指导请参阅TI公司网站。 (1) 信号处理等通用场合方面： 卷积、 相关、 数字滤波、 自适应滤波、 FFT、 希尔波特变换、 波形产生等。 (2) 仪器方面：函数产生、 数字滤波、 模式匹配、 锁相环、

2、 地震信号处理、 谱分析、 瞬态分析等。,(3) 通信方面： 调制解调、 自适应均衡、 ADPCM码变换、 蜂窝电话、 信道复用、 加密、 数字交换机、 语音插值、 回波抵消、 线路中继、 基站、 扩频、 x.25分组交换、 DTMF编/解码等。 (4) 语音处理方面： 语音识别、 语音增强、 语音合成、 语音声码器、 说话人检测、 文本/语音转换等。,(5) 图形/图像处理方面： 图像压缩/传输、 图像增强、 三维旋转、 动画/数字地图、 同态处理、 机器眼等。 (6) 医学方面： 设备诊断、 胎儿监护、 助听器、 病人监护、 超声设备等。 (7) 军事方面： 图像处理、 导弹控制、 导航、

3、 雷达信号处理、 射频调制解调、 声呐信号处理、 安全通信等。,8.2 DSP系统设计流程 一个基本的DSP系统由DSP芯片、 电源、 存储器、 A/D模块、 D/A模块、 键盘和显示器及通信模块组成， 如图8.1所示。 不同的应用可能有不同的取舍， 如信号发生器不需要A/D模块， 一个独立的DSP系统不需要通信模块。,图 8.1 一个基本的DSP系统框图,在设计DSP系统之前， 设计者必须清楚地知道应用的需要， 包括信号处理的精度、 实时性要求(速度要求)、 可靠性要求以及功耗、 成本、 体积等。 最常见的应用需要就是处理速度能否跟得上。 以信号处理为例， 若信号采样频率fs=100 kHz

4、， 每个采样周期的计算时间为1000个机器周期， 则DSP的主频fCPU至少为1000fs=100 MHz， 并适当留有余地, 否则实时性将有可能达不到要求。,基本的DSP系统设计流程如图8.2所示， 设计过程中的一些步骤可能会反复重叠。 如最后的实时性达不到要求， 就可能需要修改算法等， 但在总体设计中， 总是希望尽可能减少这类可能性。,图 8.2 基本的DSP系统设计流程,8.3 DSP硬件系统设计 如图8.1所示， 硬件系统的外围电路分为电源、 存储器、 键盘、 显示器、 A/D模块、 D/A模块及通信模块等， 各部分分述如下。,8.3.1 电源模块 C54x DSP芯片的内核电压有2.

5、5 V、 1.8 V和1.6 V等多种形式， 但片内外设接口的电压均为3.3 V。 如TPS73系列电源芯片为线性稳压芯片， 输入电压均为5 V， 输出电压有两组， 一组均为3.3 V， 另一组随芯片的不同而不同， 两组均提供200 ms的延迟复位信号， 供DSP芯片选用。 TPS73系列电源芯片的输出电压如表8.1所示。,TPS731HD301电源电路设计示例如图8.3所示， 模块输出电压为3.3 V和1.6 V， 可供5416等芯片使用。,图 8.3 电源电路设计示例,调整R1和R2的比值可改变第一组的输出电压。 R1和R2的比值按式8.1计算， 推荐值如表8.2所示。,(8.1),其中，

6、 内部参考电压Vref=1.182 V。,8.3.2 复位电路 在经常需要复位的场合， 利用TPS73系列芯片的复位电路可能不是很方便， 因此可以使用MAX706S等芯片提供的复位电路， 如图8.4所示， 其工作电压为3.3 V， 延迟时间约为200 ms， 且与DSP芯片兼容。 该电路还有“看门狗”功能， 如果编程输出到WDI引脚的脉冲频率低于10 Hz，可自动复位。,图 8.4 复位电路,8.3.3 存储器 存储器用于存放程序， 以便上电并加载程序。 不同存储器的存储原理、 速度、 位数以及时序均可能不同， 这里介绍Am29LV800DT(简称LV800， 以下同)存储器以及其与DSP的连

7、接方式。 LV800有8位和16位两种存储模式， 为了与DSP兼容， 这里选用16位存储模式， 设置47脚(BYTE)为H电平即可， 如图8.5所示。,图 8.5 LV800存储器,LV800除地址线和数据线外， 还需要CE(片选信号)、 OE(输出使能)和WE(写使能)信号。 这些控制信号均可由DSP的存储器控制信号DS、 R/W和MSTRB直接产生或组合而成， 如图8.6所示。,图 8.6 DSP芯片提供给存储器的控制信号,8.3.4 A/D和D/A模块 A/D和D/A模块有串行接口和并行接口两种， 它们的接口电压、 通信协议各不相同。 当DSP的McBSP工作在时钟停止模式时， 可设置其

8、在SPI协议下传输数据。 在SPI传输协议下， A/D芯片TLV1572和D/A芯片TLV5617可直接与DSP相连， 如图8.7所示。 如果McBSP接口不够用或传输速度不够， 可使用并口的A/D、 D/A芯片。,图 8.7 A/D芯片和D/A芯片,8.3.5 键盘和液晶显示器 在简单情况下， JP2可采用44的键盘作输入， 它需要8条可双向传输的I/O线。 如果主机接口没有使用， 可设置它的8位数据线为通用I/O口并接入键盘， 如图8.8所示， 也可以利用其他I/O口。 如果I/O数量有限， 可接入PS/2标准键盘或自制一个键盘的串行接口。,图 8.8 键盘输入电路,多数显示器都使用并口或

9、串口与主机通信。 如果使用并口， 只需加少许控制信号即可与DSP通信; 如果使用串口， 多数使用SPI传输协议， 利用DSP的McBSP口与之通信。 如果显示器的接口电压与DSP兼容， 则设置PSB0(串行模式)， CS引脚与McBSP口的FSX(帧同步)相连， SID引脚与DX(数据发送)相连， SCLK引脚与CLKX(发送时钟)相连, 如图8.9所示。 如果接口电压不兼容， 则需将3.3 V转换为5 V的接口芯片。,图 8.9 显示器与DSP的串行连接,8.3.6 仿真接口 DSP需通过仿真接口与安装在计算机上的CCS软件相连， 接口电路如图8.10所示。,图 8.10 仿真接口电路,8.

10、4 键盘输入接口设计 当DSP系统的处理时间较宽松时， 可以将键盘输入和显示器输出等人机对话部分接入DSP板， 下面介绍键盘输入及其处理过程。 DSP的基本数据单元是16位， 对键盘输入可以灵活地处理， 可接入行列式键盘、 独立式键盘或标准PS/2键盘。 下面逐一介绍这三种接入方式。,8.4.1 行列式键盘工作原理 行列式键盘由按键开关、 行线及列线组成， 4行4列(44)的键盘如图8.11所示， 适合于按键数较多的场合。 它需要的I/O端口数也较多， 为行线(Row)数和列线(Col)数之和。,图 8.11 44行列式键盘结构,在正常情况下， 行线通过上拉电阻R接至3.3 V电压(H电平)，

11、 其上拉电阻在3.3 kJP4.7 k之间, 而列线被置为0电位(L电平)。 若按下某一按键， 如按下3号键， 则Row1变为L， 但根据Row1=L仅可推出行线Row1上有键按下， 具体是哪个按键还需要用软件进一步识别。 按键的识别方法有扫描法和线反转法两种。 下面介绍简单的线反转法， 它只需两步即可获得按键的矩阵值。,第一步， 将列线Col1Col4编程置为输出为0状态(L)， 而行线Row1Row4编程置为输入线， 用于检测行线电位的变化。 若行线均为H电位， 则无按键按下; 若其中某一位为0， 则该行有键按下。 暂存行线Row1Row4的值， 作为下一步判断的依据， 然后进入第二步。,

12、第二步， 将行线Row1Row4编程置为输出为0状态(L)， 而列线Col1Col4编程置为输入线， 用于检测列线电位的变化。 若其中某一位为0， 则该列有键按下， 暂存列线Col1Col4的值， 并同Row1Row4进行比较， 可得按键所在行和所在列。,行列式键盘的工作方式有查询方式和中断方式两种。 若将行线Row1Row4输入到一个与门， 则与门输出可作为外中断的触发信号， 如图8.11(b)所示。 如果采用中断方式， 当中断调用按键识别程序时， 需关闭该中断， 以免识别时产生干扰， 待识别完成后再打开该中断。 VC5416有1个主机接口HPI， 其数据线HD0HD7可设置为I/O端口，

13、另外有3个McBSP接口， 每个McBSP的FSR、 FSX、 CLKR和CLKX也都可设置为I/O端口。,8.4.2 独立式键盘工作原理 如果I/O端口不够用， 可考虑将独立式键盘并行接入DSP。 独立式键盘的按键开关如图8.12(a)所示， 按键S0S15的状态通过三态缓冲器接入DSP的数据总线， 其上拉电阻在3.3 k4.7 k之间。,当采用查询方式读按键状态时， R/W和IS信号组合， 再加上I/O端口地址信息， 形成三态缓冲器的片选信号， 即可通过三态缓冲器读出S0S15的状态。 若采用中断方式读按键状态， 可将S0S15的状态都接入一个与门， 然后接入DSP的外中断INT0NT3中

14、的一个， 如图8.12(b)所示。,图 8.12 并行键盘接入,8.4.3 标准PS/2键盘工作原理 1. 物理特性 标准PS/2键盘共有6个引脚， 如图8.13所示， 其中实心表示插头， 空心表示插座， 各引脚的功能也标在图中。 从图8.13中可以看出， 标准PS/2键盘除+5 V电源线和地线外， 仅有数据线(DATA)和时钟线(CLOCK)两根线与DSP连接， 这两根线都是集电极开路， 需接10 k的上拉电阻。 这是一种典型的串行输入方式， 但在接入DSP时， 需加+5 V与+3.3V的电位转换器。,图 8.13 标准PS/2键盘的外形及引脚,2. 接口协议 PS/2键盘由主机供电， 采用

15、双向同步串行传输协议， 每次向时钟线上发送一位脉冲， 就在数据线上发送一位数据， 但由键盘提供时钟。 在相互传输过程中， 主机拥有总线控制权， 可以抑制键盘发送数据， 但键盘不能抑制主机发送数据。 主机发往键盘的数据在时钟的上升沿读取，而由键盘发往主机的数据则在时钟的下降沿读取。,一般情况下， 主机与键盘的最大时钟频率为33 kHz， 多数键盘工作在(1020)kHz之间。 每一帧数据包含1112比特， 即1个起始位(START， 总为0)、 8个数据位D0D7、 LSB在前、 1个奇校验位P、 1个停止位(STOP， 总为1)， 还有1个应答位仅用于主机与键盘的通信中。 标准PS/2键盘与D

16、SP通信的实现过程如下：,(1) 当主机发送数据时， 主机下拉时钟线至少需要0.1 ms来抑制通信， 然后下拉数据线来释放时钟线。 当键盘检测到这一状态时即表示需要接收数据， 就会产生时钟信号并记录数据线接下来的8个数据位、 1个校验位和1个停止位(1)， 而此时主机在时钟线变低的同时准备数据到数据线， 并在时钟的上升沿锁存数据， 而键盘则要配合主机才能读到准确的数据。 有关时序如图8.14所示。,图 8.14 主机发送数据时序图,(2) 当键盘等待发送数据时， 首先检测时钟线是否为高电位， 若为低电位， 则说明主机抑制了通信， 需将待发送数据放入缓冲区(一般PS/2键盘有16个字节的缓冲区), 直到重新获得总线控制权； 若时钟线为高电位， 则键盘开始发送数据到主机， 一般都是由键盘产生时钟信号， 在时钟的下降沿被主