DSP課程設(shè)計報告書基于TMS320VC5402與單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計

1、湖湖 北北 民民 族族 學(xué)學(xué) 院院 科科 技技 學(xué)學(xué) 院院 信信 息息 工工 程程 系系 dsp 課課 程程 設(shè)設(shè) 計計 報報 告告 書書 題目: tms320vc5402 與單片機(jī)接口的設(shè)計 專 業(yè)： 電氣工程 班 級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2010 年 6 月 25 日 信息工程系課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)（班級） 設(shè)計題目基于 tms320vc5402 與單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計 設(shè) 計 技 術(shù) 參 數(shù) hpi 口可用 8 bit 數(shù)據(jù)線傳輸 16 bit 的數(shù)據(jù) 電源電壓 3.8v 設(shè) 計 要 求 （1）繪制系統(tǒng)框圖(visio)，采用 c5402+51 單片機(jī)方

2、案； （2）包括電源設(shè)計、復(fù)位電路設(shè)計、時鐘電路設(shè)計、存儲器設(shè)計、人機(jī) 交互接口電路設(shè)計、jtag 接口設(shè)計等，用 protel 軟件繪制原理圖和 pcb 圖； （3）實現(xiàn) dsp 與 pc 通信、dsp 與 51 單片機(jī)通信； （4）給出程序流程圖，編寫部分程序。 工 作 量 字?jǐn)?shù)：4434 圖片：7 張 工 作 計 劃 14 周先完成電源設(shè)計， 15 周完成時鐘電路及復(fù)位電路， 16 周完成程序設(shè)計 參 考 資 料 1 孟菊,王金海,趙雷新,張麗麗.基于 arm 和 dsp 的嵌入式智能儀器系 統(tǒng)設(shè)計j.微計算機(jī)信息,2006,22(6-2):198-200. 2 侯麗華.基于電力載波的電

3、能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)j.微計算機(jī)信息, 2006,22(12-1):120-122. 3 王彬,王冰峰.arm 與 dsp 的通信接口研究和設(shè)計要點j.工業(yè)控制 計算機(jī),2007,20(2):23-24. 4 戴明楨,周建江.tms320c54x dsp 結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用m.北京:北京 航空航天大學(xué)出版社,2001. 指導(dǎo)教師簽字 2010 年 6 月 25 日 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 專業(yè)（班級）：電氣 11 班 課程設(shè)計題目： tms320vc5402 與單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計 指導(dǎo)教師評語： 成績： 指導(dǎo)教師： 年 月 日 基于基于 tms320vc5402tms320vc5402 與單片機(jī)的數(shù)

4、據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計與單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計 摘要摘要：通過分析了 tms320vc5402 的特點以及 dsp 設(shè)計原則，實現(xiàn)了 tms320vc5402 與 c51 單片機(jī)的串行通訊方法。利用單片機(jī)作為 dsp 的主機(jī)實現(xiàn)快速 hpi 接口的數(shù)據(jù)交換和 dps 系統(tǒng)程序的主接線口引導(dǎo)的設(shè)計過程。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：dsp，單片機(jī)，hpi 主機(jī)接口 abstractabstract: this paper presents a method applied in serial communication between a tms320vc5402 dsp and a c51 single-chip

5、 microprocessor. the hardware circuit and software programming are discussed in detail. keykey wordswords: serial-communication; dsp; single-chip microprocessor 目目 錄錄 引言引言.5 5 1 1、最小應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成、最小應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成.7 7 1. 1 電源 .7 1. 2 時鐘電路 .8 1. 3 復(fù)位電路 .8 2 2 、tms320vc5402tms320vc5402 的主機(jī)接口的主機(jī)接口(hpi)(hpi) .1010 2.1

6、hpi 結(jié)構(gòu) .10 2. 2 單片機(jī)與 dsp 的數(shù)據(jù)交換.11 2. 3 單片機(jī)實現(xiàn)外部接口電路 .11 3 3 、 系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計.1212 3. 1 hpi 引導(dǎo)程序設(shè)計 .12 3.2 89c51 的部分程序設(shè)計.13 3.3 系統(tǒng)實現(xiàn)功能主程序 .14 4 4、結(jié)束語、結(jié)束語.1515 5 5、參考文獻(xiàn)、參考文獻(xiàn).1616 引言引言 tms320vc5402 ( 以下簡稱 vc5402) 是 tms 家族的定點數(shù)字信號處理芯片 ,是為實現(xiàn)低 功耗、高性能而設(shè)計的 ,它主要應(yīng)用于傳真、個人通信、語音編碼等無線通信系統(tǒng)中。它 的主要優(yōu)點有:1.優(yōu)化的 cpu 結(jié)構(gòu) ,內(nèi)部

7、有一個 40 位的算術(shù)邏輯單元(alu),兩個 40 位的 累加器一個 40 位的桶形移位寄存器 ,一個 1717 的并行乘法器和一個專用 40 位加法器, 一條程序總線 ,三條數(shù)據(jù)總線和四條地址總線。此外 ,還采用六級流水線深度進(jìn)行數(shù)據(jù)傳 輸和指令運算。 2.運算速度高。指令周期為 10/12. 5/15/20/25ns ,運算數(shù)度達(dá)到 100mhz.3.高效的指令集,可快速的執(zhí)行特殊算法。4.低功耗方式 ,采用 3. 3v 和 1. 8v 雙電源供電,有三種功耗方式.5 片內(nèi)外設(shè)有可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、可編程邊界切換開關(guān)、 含有鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器,可編程定時器.6.有兩個多通道緩沖串口 m

8、cbsp 、一個數(shù)據(jù)交換 主機(jī)接口 hpi 接口。 方便系統(tǒng)設(shè)計,我們把習(xí)慣把系統(tǒng)進(jìn)行模塊化 ,本文設(shè)計一種基于單片機(jī)的最小系統(tǒng) ,開 放所有的硬件端口 ,在系統(tǒng)設(shè)計時作為基本模塊使用 ,從而實現(xiàn)不同的應(yīng)用功能。 1 1、最小應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成、最小應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成 在進(jìn)行 dsp 系統(tǒng)設(shè)計時,我們把硬件系統(tǒng)分為硬件應(yīng)用系統(tǒng)和硬件仿真系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng) 和仿真系統(tǒng)的最根本區(qū)別是系統(tǒng)能否獨立運行。應(yīng)用系統(tǒng)采用外部存儲器保存系統(tǒng)運行需 要的程序,在啟動時能夠把程序引導(dǎo)到內(nèi)部存儲器中,使系統(tǒng)能夠獨立運行。而仿真系統(tǒng)只 是能夠通過 jtag 仿真接口連接計算機(jī)進(jìn)行程序下載,使 dsp 在仿真條件下運行,這種系統(tǒng) 不

9、能單獨使用,但對程序仿真,以及設(shè)計的初始階段都大量使用。 不管是 dsp 應(yīng)用系統(tǒng)或是仿真系統(tǒng)同樣都必須包含電源、時鐘和復(fù)位電路,除此之外最 小仿真系統(tǒng)還包括有 jtag 仿真接口、仿真器,最小應(yīng)用系統(tǒng)包括有擴(kuò)展程序存儲器、 bootloader 引導(dǎo)方式。系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。 dsp vc5402 電源 時鐘、復(fù)位 顯顯示示及及按按鍵鍵 單片機(jī)89c51 圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 1.1. 1 1 電源電源 vc5402 采用雙電源供電,以獲得更好的電源性能,工作電壓為 3. 3v 和 1. 8v。其中,1. 8v 主要為該器件內(nèi)部邏輯提供電壓,包括 cpu 和其他所有的外設(shè)邏輯。與 3.

10、3v 供電相比, 1. 8v 供電可以大大降低功耗。外部接口引腳仍然采用 3. 3v 電壓,便于直接與外部低壓 器件連接,應(yīng)該注意電壓的轉(zhuǎn)換,在本設(shè)計中跟外部 5v 電壓的 ttl 的器件正常連接,而無需 額外的電平轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī) 89c51 采用的是 5v 電源供電,不影響其于 vc5402 的連接以 及數(shù)據(jù)交換。 vc5402 由于有兩個電源,需考慮內(nèi)部電源的上電次序,在理想的情況下,dsp 芯片上的電 源同時加電,但基本上很難實現(xiàn)這點,因此應(yīng)先對外部接口加上 3. 3v 的電源,然后加 1. 8v 的內(nèi)核電源1 。為了能夠讓電源設(shè)計方便 ti 公司也生產(chǎn)為方便 dsp 設(shè)計的電源芯片。

11、 ti 公司生產(chǎn)的 tps73xx 系列芯片是滿足 dsp 而設(shè)計的,電源輸出電壓穩(wěn)定,輸出電壓可調(diào) 等特性。如 tps73hd301、tps73hd325、tps73hd318 以及 tps73hd318 等。電源設(shè)計如圖 2 所示。 ret se nce vout 1 vout 2 gnd en 1in 2in ret se nce vout 1 vout 2 gnd en 1in 2invcc vcc c2 cap c1 cap r1 res2 r2 res2 r3 res2 r4 res2 dvdd c3 reset c4 圖 2 電源設(shè)計 1.1. 2 2 時鐘電路時鐘電路 時鐘是一

12、個系統(tǒng)的核心,時鐘信號的好壞直接決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,vc5402 提供了內(nèi)部 和外部兩種方式的時鐘發(fā)生模式。芯片的主頻為 100mhz ,如果直接用外頻輸入,使得外部 頻率高,電路復(fù)雜,實現(xiàn)較困難。使用內(nèi)部 pll ,外部時鐘頻率只需要 1020mhz ,設(shè)計電路 簡單,只需在時鐘引腳 x1 和 x2pclkin 連接一個無源晶振,如圖 3 所示。 cap cap cry sta l x 1 x 2 圖 3 時鐘電路 對于晶振的大小沒有特別要求,dsp 有一組引腳 clkmd1clkmd3 可以用來調(diào)整工作頻 率的高低。倍頻系數(shù)如表 1。 表 1 倍頻系數(shù) clkmd1 clkmd2 clkm

13、d3 clkmd(復(fù)位值) 時鐘模式 0 0 0 e007h pll 15 0 0 1 9007h pll 10 0 1 0 4007h pll 5 1 0 0 1007h pll 2 1 1 0 f007h pll 1 1 1 1 0000h 1p2 (pll 禁止) 1 0 1 f000h 1p4 (pll 禁止) 0 1 1 預(yù)留 1.1. 3 3 復(fù)位電路復(fù)位電路 復(fù)位電路對微處理器的系統(tǒng)設(shè)計是必須的,復(fù)位電路也非常簡單,需要上電復(fù)位、手動復(fù) 位以及自動復(fù)位三部分。系統(tǒng)中單片機(jī)和 dsp 都需要連接復(fù)位電路,復(fù)位就是讓微處理器 上電后保持 2 個 clockout 時間周期以上的低電平

14、,使系統(tǒng)內(nèi)部的寄存器初始化。自動復(fù)位 電路在電源部分給予提供,圖 4 簡單提供上電復(fù)位和手動復(fù)位的實現(xiàn)。 res2 res2 cap sw-pb v cc t o rese t 圖 4 手動復(fù)位電路 2 2 、tms320vc5402tms320vc5402 的主機(jī)接口的主機(jī)接口(hpi)(hpi) 2.12.1 hpihpi 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) hpi(主機(jī)接口)在 tms320vc5402 芯片上，內(nèi)部有數(shù)據(jù)寄存器(hpid)，控制寄存器(hpic) 及地址寄存器(hpia)。hpi 口可用 8 bit 數(shù)據(jù)線傳輸 16 bit 的數(shù)據(jù)，并可通過設(shè)置控制寄 存器的相關(guān)位來控制高 8 位和低 8 位傳

15、輸。hpi 有兩種工作方式：一種是主機(jī)獨占模式 (hom)； 另一種是主機(jī)和 tms320vc5402 共享模式(sam)。其中 sam 是通用方式，二者都可 尋址 hpi 存儲器(daram)。當(dāng)二者產(chǎn)生沖突時，主機(jī)具有較高的優(yōu)先權(quán)，而在 tms320vc5402 插人一個等周期。通過 hpi 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率是每 5 個 clkout 時鐘周期傳輸 1 字節(jié)。hms320vc5402 芯片中 hpi8 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)邏輯如圖 5 所示。 hpi c_regi ster hpi -8 hpi d _regi ster hpi d _regi ster hpi control logi c 54x o

16、n-chi p ram i nterface control si gnal s hd （7-0） 16位 16位 dm a_bus 16位 54x data bus 54x address bus 圖 5 hpi8 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)邏輯 hpi 通信主要是通過對 hpia、hpic 和 hpid3 個寄存器賦值來實現(xiàn)的。簡單地說，host 通 過外部引腳 hcntl0 和 hcntll 選中不同的寄存器后，就將當(dāng)前 8 位數(shù)據(jù)發(fā)送到該寄存器中 了。由于 hpic 是 16 位寄存器，而 hpi 口總是傳送 8 位數(shù)據(jù)寬度，所以用 host 向 hpic 寫 數(shù)據(jù)時，需要發(fā)送兩個一樣的 8 位數(shù)據(jù)。

17、對 tms320vc5402 來說，僅低 8 位有意義。當(dāng)?shù)刂?寄存器 hpia 選擇后，直接向它寫數(shù)據(jù)就可以了，但是要注意 msb 和 lsb 的順序。另外， hpia 具有自動增長的特性，即在每寫入一個數(shù)據(jù)前和每讀一個數(shù)據(jù)后 hpia 都會自動加 1。 這樣，如果使用了該功能，只需設(shè)定一次 hpia 即可實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)塊的寫入和讀出，只是在 實現(xiàn)時，數(shù)據(jù)應(yīng)首先從主機(jī)發(fā)到 hpid 中，然后再根據(jù) hpia 指定的地址把 hpid 中的數(shù)據(jù)再 寫到片內(nèi) ram 的地址中。 2.2. 2 2 單片機(jī)與單片機(jī)與 dspdsp 的數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)交換 主機(jī)接口 hpi 是 dsp 的一種新型接口,vc

18、5402 提供了一個增強(qiáng)型的主機(jī)接口。主機(jī)接 口是一個 8bits 的并行端口,主機(jī)通過它可以直接讀寫 dsp 內(nèi)部的一段 ram,這段公用 ram 是一段 2k 字的雙口 ram,主機(jī)可以隨時訪問,dsp 訪問這段 ram 時和其它 ram 一 樣,當(dāng)同時訪問同一地址時,主機(jī)優(yōu)先。hpi 能夠快速的實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,共有兩種工作模式,當(dāng) hpi 工作在 sam(共享模式) 時,單片機(jī)和 dsp 同時訪問 hpiram;hom 為主機(jī)單獨訪問模 式,此時只有單片機(jī)能訪問 hpi ram。當(dāng)時鐘為 100mhz 時,sam 模式最高可提供 160mbps 的主機(jī)訪問速率,hom 模式最高可提供 40

19、0mbps 的主機(jī)訪問速率3 。單片機(jī) 與 hpi 接口的連接簡單,把單片機(jī)的 p0 跟 vc5402 的 hd0 相連接,單片機(jī)的 p2 (06) 分 別跟 vc5402 的 hcs 與 hds2、hrpw、hcntl0、hcntl1、hbil 、hrdy、rs 相連 接以及單片機(jī)的 int1 與 vc5402 的 int2 相連接,如圖 6 所示 p0(0-7) p2.0 p2.1 p2.2 p2.3 p2.4 p2.5 int 1 p2.6 v cc g nd 89c51 h d(0-7) h cs h ds2 h r/w h cn t l0 h cn t l1 h bil h rd y

20、 int 2 rs g nd v c5402 v cc 圖 6 單片機(jī)與 dsp 連接電路 2.2. 3 3 單片機(jī)實現(xiàn)外部接口電路單片機(jī)實現(xiàn)外部接口電路 對于一個完善的系統(tǒng),必須要有人機(jī)操作的界面,容易實現(xiàn)人機(jī)的交互。單片機(jī)是一個微控 制器,有大量的開放端口,能夠簡單實現(xiàn)外接鍵盤和 led 顯示。 3 3 、 系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計 該系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩部分即系統(tǒng)功能實現(xiàn)的主程序以及系統(tǒng)的引導(dǎo)程序。 3.3. 1 1 hpihpi 引導(dǎo)程序設(shè)計引導(dǎo)程序設(shè)計 由于 hpi 口只能訪問 2k 的內(nèi)部 ram,對于 dsp 小系統(tǒng)而言,主要程序若是嚴(yán)格按照匯編 格式編寫程序,這 2k

21、的程序空間也是足夠的。當(dāng)系統(tǒng)的程序小于 2k 時,實現(xiàn)程序引導(dǎo)非常 方便,hpi ram 有 2k 字, 完全可以容納應(yīng)用程序。89c51 內(nèi)部有 8k 的程序存儲器空間,由于 89c51 中的存儲器的數(shù)據(jù)格式是 8 位的 rom 而 vc5402 內(nèi)部 rom 為十六位的數(shù)據(jù)格式,單片 機(jī)的數(shù)據(jù)經(jīng)過 8 位的主機(jī)接口的兩次分別傳送給一個內(nèi)部地址的高低 8 位,因此 2k 的 hpi ram 需要單片機(jī) 4k 的內(nèi)部 rom,89c51 有足夠的 rom 來滿足系統(tǒng)的需求。將設(shè)計好的程序?qū)?入 89c51 的存儲器中,首先將編寫好的程序進(jìn)行分段,分成四部分:程序引導(dǎo)部分、程序數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)移部分、系

22、統(tǒng)工作的主程序部分以及單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及接口部分程序;然后進(jìn)行編 譯,生成. obj 文件的;再通過鏈接器生成. out 文件,該文件為仿真應(yīng)用文件,單片機(jī)不能 識別不能直接下載; 最后將. out 文件生成. hex 文件,通過編程器寫到 89c51 中。 具體實現(xiàn)步驟如圖 6 所示,上電復(fù)位時,首先復(fù)位后主機(jī)將 vc5402 進(jìn)入微控制器狀態(tài), dsp 檢測 int2 (與 int 相連)是否有中斷的到來(即 ifr 的相應(yīng)位置位) ,判斷有無 hpi 引 導(dǎo);然后初始化主機(jī)接口寄存器 hpia、hpic 及 hpid ,規(guī)定傳輸格式和數(shù)據(jù)內(nèi)容;再向 vc5402 的 hpi ram 空

23、間寫程序,其中程序包括 dsp 的啟動程序和工作的主程序;最后 vc5402 進(jìn)入特定模式,轉(zhuǎn)移主程序,讓 hpiram 為數(shù)據(jù)交換用,引導(dǎo)程序結(jié)束。 上電復(fù)位 單片機(jī)發(fā)送中斷 是否為d sp主機(jī)引導(dǎo) 初始化hpi 寄存器檢測其他引導(dǎo)方式 發(fā)送數(shù)據(jù)至hpi ram 數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢 單片機(jī)執(zhí)行等待數(shù)據(jù) 交換d sp開始工作 是 否 是 否 圖 6 主機(jī)接口程序圖 3.23.2 89c5189c51 的部分程序設(shè)計的部分程序設(shè)計 at89c51 的部分匯編源程序所完成的功能包括初始化串口、初始化 hpi 接口、從串口接 收命令字(包括 16，bit 地址和 8，bit 數(shù)據(jù))、通過 hpi 接口

24、讀取 dsp 的相應(yīng)內(nèi)部存儲器， 并發(fā)送到串口、以及等待接收下一次的命令等，其具體匯編程序代碼如下： org 0000h ajmp main org 0003h;into 中斷子程序 reti org 0030h main: ；設(shè)置串口 mov scon ,#50h mov tmod, #20h mov th1, #0fdh mov tl1 ;初始化 bob，清 hint mov a, #08h mov dptr, #0000h movx dptr, a mov dptr, #0400h movx dptr, a setaddress： ；從串口讀高地址位 clr t1 jnb ri, $ m

25、ov a, sbuf clr ri ;寫 hpia 低地址 mov dptr, #0600h movx dptr, a ;從串口讀低地址位 jnb ri, $ mov a, sbuf clr ri ;寫 hpia 低地址 mov dptr, #0600h movx dptr, a ;從串口讀數(shù)據(jù)長度 jnb ri, $ mov a, sbuf clr ri mov ri,a ;讀 dsp 內(nèi)部存儲區(qū)并發(fā)送到串口 readhpi: ;讀高字節(jié)并發(fā)送 mov dptr.#1100h movx a,dptr mov sbuf,a jnb ti$ clr ti ;讀低字節(jié)并發(fā)送 mov dptr, #1500h movx acptr mov sbuf, a jnb ti, $ clr ti djnz ri , readhpt ;再次取地址