《DSP处理器原理与应用 教学课件 ppt 作者 鲍安平 全书 第9章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《DSP处理器原理与应用 教学课件 ppt 作者 鲍安平 全书 第9章（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第9章 DSP系统硬件设计,9.1 DSP系统的设计过程 9.2 DSP系统中信号的流程 9.3 DSP系统硬件设计 习题与思考题,在第3章中，我们介绍了DSP软件开发的一般流程。而对于整体的DSP系统设计来说应该同时包括硬件设计和软件设计，图9-1所示是DSP系统设计的一般流程。,9.1 DSP系统的设计过程,图9-1 DSP系统设计的一般流程,在设计DSP系统之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标、信号处理的要求，通常可用数据流程图、数学运算序列、正式的符号或自然语言来描述。 第二步是根据系统的要求进行高级语言的模拟。一般来说，为了实现系统的最终目标，需要对输入的信号进行适当
2、的处理，而处理方法的不同会导致不同的系统性能。要得到最佳的系统性能，就必须在这一步确定最佳的处理方法，即数字信号处理的算法(Algorithm)，因此这一步也称算法模拟阶段。例如，语音压缩编码算法就是要在确定的压缩比条件下，获得最佳的合成语音。算法模拟所用的输入数据是实际信号经采集而获得的，通常以计算机文件的形式存储为数据文件。,如语音压缩编码算法模拟时所用的语音信号就是实际采集而获得并存储为计算机文件形式的语音数据文件。有些算法模拟时所用的输入数据并不一定要是实际采集的信号数据，只要能够验证算法的可行性，输入假设的数据也是可以的。,第三步是设计实时DSP系统。实时DSP系统的设计包括硬件设计
3、和软件设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成本限制以及体积、功耗等要求选择合适的DSP芯片，然后设计DSP芯片的外围电路及其他电路。软件设计和编程主要根据系统要求和所选的DSP芯片编写相应的DSP汇编程序，若系统运算量不大且有高级语言编译器支持，也可用高级语言(如C语言)编程。由于现有的高级语言编译器的效率还比不上手工编写汇编语言的效率，因此在实际应用系统中常常采用高级语言和汇编语言的混合编程方法，,即在算法运算量大的地方，用手工编写的方法编写汇编语言，而运算量不大的地方则采用高级语言。采用这种方法，既可缩短软件开发的周期，提高程序的可读性和可移植性，又能满
4、足系统实时运算的要求。 第四步是进行硬件和软件的调试。软件的调试一般借助于DSP开发工具，如软件模拟器、DSP开发系统或仿真器等。调试DSP算法时一般采用比较实时结果与模拟结果的方法，如果实时程序和模拟程序的输入相同，则两者的输出应该一致。应用系统的其他软件可以根据实际情况进行调试。硬件调试一般采用硬件仿真器进行调试，如果没有相应的硬件仿真器，且硬件系统不是十分复杂，也可以借助于一般的工具进行调试。,第五步是将软件脱离开发系统而直接在应用系统上运行。当然，DSP系统的开发，特别是软件开发是一个需要反复进行的过程，虽然通过算法模拟基本上可以知道实时系统的性能，但实际上模拟环境不可能做到与实时系统
5、环境完全一致，而且将模拟算法移植到实时系统时必须考虑算法是否能够实时运行的问题。如果算法运算量太大不能在硬件上实时运行，则必须重新修改或简化算法。,在DSP系统中信号的流程如图9-2所示。图中的输入信号可以有各种各样的形式，例如，它可以是麦克风输出的语音信号或是电话线来的已调数据信号，也可以是编码后在数字链路上传输或存储在计算机里的摄像机图像信号等。,9.2 DSP系统中信号的流程,图9-2 典型的DSP系统中信号的流程,输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行A/D变换将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息不丢失，抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2倍。 DSP芯片的
6、输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作(MAC)。数字处理是DSP的关键，这与其他系统(如电话交换系统)有很大的不同。在交换系统中，处理器的作用是进行路由选择，它并不对输入数据进行修改，因此虽然两者都是实时系统，但两者的实时约束条件却有很大的不同。最后，经过处理后的数字样值再经D/A变换转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。,必须指出的是，上面给出的DSP系统模型只是一个典型模型，并不是所有的DSP系统都必须具有模型中的所有部件。例如，语音识别系统在输出端并不是连续的波形，而是识别结果，
7、如数字、文字等；有些输入信号本身就是数字信号，因此就不必进行模数变换了。,9.3.1 典型DSP系统的硬件组成 一个典型的DSP系统硬件组成如图9-3所示。,9.3 DSP系统硬件设计,图9-3 典型的DSP系统硬件组成,由图中可以看出典型的DSP系统由下列几个组成部分： (1) 电源：为DSP及其他器件供电。与电源相关的有电源监视和系统监视。电源监视是指监测电源电压值，看是否符合要求，当不符合要求时，产生复位信号；系统监视是监测系统是否正常工作，不正常时产生复位信号，一般有手动复位和看门狗电路复位等。这些均能提高整个系统的可靠性。 (2) 时钟：为需要时钟的器件提供满足要求的时钟信号。,(3
8、) 存储器：用于存放程序、数据。存储器有两种接口类型，一种为异步存储器接口，如常见的SRAM、Flash、NvRAM等，MCU系统中均为这种存储器接口；另一种是同步存储器接口，同步存储器接口又可细分为同步静态存储器(如SBSRAM、ZBTSRAM)和同步动态存储器(如SDRAM，同步FIFO等)，这样分类的原因是不同类型的存储器控制信号不同。同步存储器接口主要应用于C55X、C6000系列DSP中，实现高速、大容量存储。,(4) 模拟I/O：有通用A/D、D/A、音频Codec、视频编码器和解码器等。DSP与它们之间的接口，可以是并行方式，也可以是串行方式，根据实际情况而定。 (5) 数字I/
9、O：有开关量的输入/输出、串口通信接口，如UART、CAN总线、USB等。DSP与它们之间的接口，也可以是并行方式或串行方式，视实际情况而定。 (6) 多处理器接口：当系统不仅有DSP还有其他处理器时，二者之间需要通信，一般采用双口RAM进行，但现在新型的DSP器件中，一般都集成了HPI接口，即主处理器接口。通过HPI接口，主处理器可以访问DSP的所有存储空间，比采用双口RAM的方式速度更高、更方便，而且更便宜。某些DSP为了方便和PC机接口，还集成了PCI接口。,(7) 总线扩展：将DSP外部总线扩展至板外，实现模块化开发。但它会带来总线驱动、电平匹配和信号复用等问题。 其中模拟I/O以及数
10、字I/O在前面的章节中已经讲述，下面就其他部分来介绍DSP硬件设计中的注意事项和器件的选型。,9.3.2 电源 对于一个系统来说，电源是非常重要的一个环节，就好比人的心脏，其性能的优劣决定了系统的成败，很大程度上决定了一个系统的寿命和工作的稳定。 下面将从以下几个方面分析、介绍DSP系统电源的特点以及如何正确设计DSP系统的电源和器件的选型。,1. DSP系统需要的电源种类 TI DSP上有5类电源引脚(如图9-4所示)，分别为： 核电源引脚； I/O电源引脚； PLL电源引脚； Flash电源引脚(仅C2000系列DSP有)； 模拟电源引脚(仅C2000系列DSP有)。,图9-4 TI DS
11、P电源引脚,为了使DSP正确工作，其上的所有电源引脚都必须接到相应的电源上。大多数DSP有多个核电源引脚和多个I/O电源引脚，而且核电源电压与I/O电源电压不同。这些引脚都必须接到相应的电源上，不能悬空不接。 另外，C2000系列DSP上集成了Flash存储器，对应有对Flash进行编程的电源引脚。设计时往往没有将Flash电源引脚接到正确的电源上，导致Flash无法编程。,2. 数字电源和模拟电源 有些型号的DSP，如C55X、C2000系列，片上包含有A/D转换器，其他的DSP可能需要外扩A/D、D/A、运放、codec等模拟器件。 为了使转换器正确工作，模拟电源应避免噪声干扰，模拟电源上
12、的噪声干扰将大大降低转换器的性能，甚至导致转换器工作不正常。数字电路，尤其是CMOS电路，在开关切换时会产生较大的电流波动。一个逻辑节点从一个逻辑电平转换为另一个逻辑电平时，与此节点相关的电容将被充电或放电，电容充/放电电流由电源提供。,换句话说，静态电路所需的电流相对很少，也比较平稳，而DSP这样复杂的数字电路，供电电流忽大忽小很不规则，这将导致电源线上产生很强的噪声干扰。 如果模拟部分与数字部分共用一个电源，则会大大降低模拟器件的性能，比如，A/D转换结果误差增加。为了避免这样的情况发生，应使模拟部分电源和数字部分电源分开供电，如图9-5所示。,图9-5 数字和模拟部分独立供电,将模拟电源
13、和数字电源分离开来一般有两种方法。 第1种方法是被动滤波电路法(见图9-6)：模拟电源由数字电源经无源滤波器件(如电感或磁珠)后产生，电感或磁珠相当于一个低通滤波器，直流电源可以通过，而高频噪声被滤除。模拟地和数字地在板上一点接地，同样可以通过电感或磁珠接地，这可以进一步滤除噪声。 被动滤波电路的优点是： 电路简单； 占地小； 成本低；, 对大多数应用已经可以满足要求。 第2种方法是多路稳压器法(见图9-7)：用多个稳压器分别产生模拟电源和数字电源。,图9-6 被动滤波电路法,图9-7 多路稳压器法,这种方法降噪效果更好，但要特别注意对地的处理，否则数字电路的噪声可以通过地线耦合到模拟电路中。
14、模拟地和数字地必须连在一起。 还可以采取一些其他的降噪措施，比如，给时钟电路的电源串接一个电感，并在其电源引脚处加旁路滤波电容等。所有数字电路的电源引脚必须加旁路滤波电容，对噪声进行去耦。,3. 电源滤波 DSP工作时，CPU和片上外设电路的开关切换，将引起电流的变化，从而使电源电压产生纹波。 大多数的数字电路对于电源电压的要求并不高，只要电压纹波控制在一定的范围内，数字电路总是可以正常工作。控制电压纹波的方法很简单，只需在数字电路的电源引脚旁加一个旁路滤波电容即可，如图9-8所示。 旁路滤波电容起电荷池的作用，以平滑电流变化引起的电源电压的波动。当DSP电流突然增大时，旁路滤波电容放电以降低
15、DSP上的电压波动。,图9-8 电源旁路滤波,旁路滤波电容通常选10100 nF的瓷片电容，瓷片电容的特点是：电感小，等效串联电阻(ESR)低，用作旁路滤波电容非常适合。 为了更好地对电源进行滤波，还可以在板的四周放一些大电容，电容值范围为4.710 F，选择电容种类时，同样也要求选择电感小、等效串联电阻低的电容，一般推荐使用钽电容。板上数字器件的电源引脚旁，一般均要放置1个10100 nF的旁路滤波电容，DSP的所有电源引脚，无论是数字还是模拟电源引脚，都要加旁路滤波电容。,4. 电源对PCB布局的影响 考虑电源因素，在设计PCB板时应注意：每块芯片的电源引脚附近放置旁路滤波电容，板的四周均
16、匀分布一些大电容，如图9-9所示。 在此我们要特别注意图9-9上标出的稳压器反馈线，稳压器根据反馈信号调整其电压输出值。由于电源走线上有一定的电阻，会产生一定的压降，这个压降可能使得远离稳压器的器件电源电压不能满足要求，因此如果从图中标注的原点处取电压反馈给稳压器，则稳压器根据该点处的电压进行调整，从而可避免电源压降产生的问题。,图9-9 电源旁路滤波,在布局PCB时，应该避免产生地环路，这是确保信号完整性的关键。 对于高速的DSP系统，考虑信号完整性，在设计PCB板时，强烈推荐采用多层板，为电源和地分别安排专用的层。当有多个电源和地时，可用隔离带将电源和地平面分成若干个专用的区域，这可使噪声很容易被控制在允许的范围内，同时也解决了电源电压沿传输方向产生压降的问题，使电压的压降最小。,5. 供电方案 如前所述，TI DSP有5类电源：核、I/O、PLL、Flash和模拟电源，其中I/O电源、Flash电源
