DSP硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、題 目：DSP應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 電氣工程學(xué)院 學(xué) 號(hào)： 年級(jí)專業(yè)： 11級(jí)通信工程 姓 名： 指導(dǎo)老師： 目 錄1、系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介22、硬件組成33、軟件組成44、信號(hào)采集與數(shù)據(jù)分析的電路設(shè)計(jì)54.1、TMS320C5409簡(jiǎn)介55、前置放大電路的設(shè)計(jì)75.1概述75.2、MAX4094簡(jiǎn)介76、電源電路的設(shè)計(jì)86.1、MAX68096.2、MAX603097、ADC的選用118、數(shù)據(jù)處理電路的設(shè)計(jì)128.1、概述128.2、FLASH和電源芯片的選取138.2.1、TPS767D318138.2.2、SST39VF400A149、基于DSP的數(shù)據(jù)處理電路設(shè)計(jì)149.1、時(shí)鐘電路和復(fù)

2、位電路149. 2、電源控制電路1610、C5409與AD芯片數(shù)據(jù)通訊的電路設(shè)計(jì)1711、DSP定點(diǎn)運(yùn)算的基本原理和FLASH程序的燒寫(xiě)20總 結(jié)211、 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介課題的研究對(duì)象為地面車(chē)輛的地震動(dòng)信號(hào)，由前面介紹的三軸地震動(dòng)檢波器進(jìn)行采集。采集到的目標(biāo)信號(hào)很微弱，通常只有幾個(gè)至幾十個(gè)微伏。如此小的信號(hào)必須先經(jīng)過(guò)前置放大和預(yù)處理后才能進(jìn)行后續(xù)處理。另外由于原始信號(hào)的這種微弱性，很容易被噪聲淹沒(méi)，所以一種低噪聲、高增益放大電路也是本系統(tǒng)的重要組成部分之一。為了能有效抑制干擾，對(duì)此測(cè)量電路應(yīng)滿足以下基本要求：（1）高輸入阻抗，以減輕信號(hào)源的負(fù)載效應(yīng)和抑制傳輸網(wǎng)絡(luò)電阻不對(duì)稱引入的誤差；（2）高共模

3、抑制比，以抑制各種共模干擾引入的誤差；（3）零點(diǎn)的時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性要高，零位可調(diào)，或者能自動(dòng)較零；（4）具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性?；谝陨弦螅M足三路信號(hào)的同時(shí)采集，本系統(tǒng)中采用的電路為三個(gè)單片的MAX4094組成多運(yùn)放儀用放大電路，增益約為104，可單電源+2.7V+6.0V工作，功能可靠，性能穩(wěn)定，達(dá)到了系統(tǒng)期望的要求。在信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大和預(yù)處理以后，就可以進(jìn)行分析處理了。本系統(tǒng)中采用DSP進(jìn)行信號(hào)的分析與識(shí)別，由于DSP所能處理的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，所以在分析處理之前，必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，也就是A/D轉(zhuǎn)換。針對(duì)于DSP芯片的數(shù)據(jù)接收特點(diǎn)，采用串行SPI方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并要求三

4、通道同時(shí)采集。本系統(tǒng)采用MAX1246，該芯片為四通道串行數(shù)據(jù)傳輸、12位精度、低功耗ADC。采用尾對(duì)尾連接方式，完全能夠和DSP不加附加電路直接連接，從而簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)?？紤]到本系統(tǒng)的可調(diào)試方便，系統(tǒng)的電源使用獨(dú)立變壓器的+5V直流電源，它能夠提供給系統(tǒng)穩(wěn)定的電源保證，由于DSP有兩種工作電壓要求，一個(gè)是+1.8V，一個(gè)是+3.3V。所以本系統(tǒng)采用電源芯片為T(mén)I公司的TPS767D318。同時(shí)考慮到模擬器件（主要是信號(hào)放大電路部分）和數(shù)字器件（主要是DSP和DSP周邊器件）的干擾問(wèn)題，采用電源芯片MAX860以及電壓參考芯片MAX6030和斷續(xù)放大器ICL7652，為系統(tǒng)提供雙向電源V。最后

5、一部分是系統(tǒng)的終端微型計(jì)算機(jī)處理。采用仿真器將DSP系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，可以完成DSP的程序燒寫(xiě)以及與計(jì)算機(jī)通訊的功能。數(shù)據(jù)的后期分析與處理可以用計(jì)算機(jī)來(lái)完成。三軸地震動(dòng)檢波器信號(hào)調(diào)理電路DSP信號(hào)分析與目標(biāo)跟蹤電路DSP仿真器+5V電源微型計(jì)算機(jī)圖1.1系統(tǒng)原理框圖基于以上分析，基于三軸地震動(dòng)檢波器的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)有以下幾部分組成：三軸地震動(dòng)檢波器、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)分析與目標(biāo)跟蹤電路、DSP仿真器、微型計(jì)算機(jī)。如圖1.1所示，2、硬件組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分是由硬件組成的。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有了飛躍性的進(jìn)步。大量集成芯片的出現(xiàn)使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，而可編程技術(shù)的廣泛應(yīng)用則給數(shù)

6、字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的靈活性。本系統(tǒng)的硬件有中央處理芯片DSP、運(yùn)算放大電路、信號(hào)調(diào)理電路以及外圍電路組成。硬件電路原理圖如圖1.2所示。MAX4094MAX1246TMS320C5409MAX680TPS767D318三軸地震動(dòng)檢波器+5V圖2.1硬件電路原理框圖3、軟件組成整個(gè)系統(tǒng)的正常工作是建立在硬件體系與軟件體系相互配合的基礎(chǔ)上的。軟件部分可以完成設(shè)計(jì)的算法部分，它有相當(dāng)?shù)撵`活性，補(bǔ)充完成硬件無(wú)法解決的問(wèn)題。算法的數(shù)學(xué)模型以由MATLAB完成，為完成算法向DSP的移植，算法體系中的各個(gè)模塊要用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。為了縮短DSP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)MATLAB算法并向DSP移植，利用C

7、CS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境將C語(yǔ)言轉(zhuǎn)化成匯編語(yǔ)言。使之能在目標(biāo)板上運(yùn)行。在編寫(xiě)C語(yǔ)言程序時(shí)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)方法是一種軟件編程方法，是將各個(gè)模塊程序分別編寫(xiě)、編譯和調(diào)試，最后一起連接定位。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，編寫(xiě)軟件所需要的工作量隨軟件代碼行數(shù)大大的增加。因此，將一個(gè)軟件分成若干獨(dú)立模塊不但能減少軟件工作量、提高效率。例如，兩個(gè)數(shù)據(jù)傳的相關(guān)和希爾伯特變換，可用獨(dú)立的模塊完成。當(dāng)使用時(shí)，連接在主程序中就可以了。在編制軟件時(shí)，按照以下步驟進(jìn)行：1.規(guī)劃整個(gè)項(xiàng)目，包括使用哪些硬件并規(guī)劃軟件怎樣分工；2.編寫(xiě)主函數(shù)，并分別規(guī)劃各子函數(shù)的功能；3.分別編寫(xiě)子函數(shù)，并進(jìn)行編譯、調(diào)試；4.整個(gè)源程序聯(lián)調(diào)；5.

8、在CCS環(huán)境下編譯、調(diào)試，產(chǎn)生目標(biāo)文件；6.利用仿真器將目標(biāo)文件寫(xiě)入DSP。流程圖如圖3.1所示。開(kāi)始判斷目標(biāo)出現(xiàn)？采集數(shù)據(jù)采集完否？分段進(jìn)行車(chē)輛方位角判定結(jié)束否是否是圖3.1軟件工作流程圖4、信號(hào)采集與數(shù)據(jù)分析的電路設(shè)計(jì)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的構(gòu)成是有若干集成芯片所組成的，它們各自實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的處理功能。其中有放大芯片MAX4094、ADC芯片MAX1246、電源芯片MAX680和TPS767D31、FLASH芯片SST39VF400A、四路非門(mén)芯片74HCT04、電壓參考芯片MAX6030、斷續(xù)放大器ICL7652。4.1、TMS320C5409簡(jiǎn)介DSP（Digital Signal Proce

9、ssor）作為可編程數(shù)字信號(hào)處理專用芯片是微型計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支，也是數(shù)字信號(hào)處理理論實(shí)用化過(guò)程的重要技術(shù)工具。DSP芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點(diǎn)：1、 在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；2、 程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)3、 片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中間同時(shí)訪問(wèn)；4、 具有低開(kāi)銷(xiāo)或無(wú)開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；5、 快速的中間處理和硬件I/O支持；6、 具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；7、

10、 可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；8、 支持流水線操作，使取址、譯碼等操作可以重疊執(zhí)行。但是，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對(duì)較弱，比如同單片機(jī)相比較它的控制功能較弱。本系統(tǒng)采用美國(guó)德州儀器公司（Texas Instruments,簡(jiǎn)稱TI）的TMS320C54x系列中的TMS320C5409芯片。TI公司是世界上應(yīng)用最廣、品種最多的DSP芯片生產(chǎn)廠家之一，其C54x系列芯片的制造工藝為CMOS，它是為實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能而專門(mén)設(shè)計(jì)的定點(diǎn)DSP芯片。它有如下主要特點(diǎn)：1、運(yùn)算速度快。指令周期為25/20/15/12.5/10ns，運(yùn)算能力為40/50/66/80/100MIPS；2、優(yōu)化的

11、CPU結(jié)構(gòu)。內(nèi)部有1個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元，2個(gè)40位加法器，1個(gè)的乘法器和1個(gè)40位的桶型移位器。有4條內(nèi)部總線和2個(gè)地址產(chǎn)生器。3、低功耗方式。TMS320C54x可以在3.3V或2.7V電壓下工作，三個(gè)低功耗方式（IDLE1、IDLE2和IDLE3）可以節(jié)省DSP的功耗。4、智能外設(shè)。除了標(biāo)準(zhǔn)的串行口和時(shí)分復(fù)用（TDM）串行口外，TMS320C54x還提供了自動(dòng)緩沖串行口BSP（auto-Buffered Serial Port）和與外部處理器通信的HPI（Host Port Interface）接口。圖4.1TMS320C54xDSP的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)圖圖4.1所示是TMS320C54x的

12、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圍繞8條總線由10大部分組成，包括中應(yīng)處理器CPU、內(nèi)部總線控制、特殊功能寄存器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM、I/O口擴(kuò)展功能、串口、并口HPI、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)等。5、前置放大電路的設(shè)計(jì)5.1概述三軸地震動(dòng)檢波器可以檢測(cè)到微弱的地震動(dòng)信號(hào)，但它輸出的電壓信號(hào)也很微弱，只有幾十到幾百個(gè)毫伏。信號(hào)處理電路中不能對(duì)如此微弱的信號(hào)直接處理，所以要對(duì)原始采集到的信號(hào)進(jìn)行放大處理。對(duì)于地震動(dòng)傳感器輸出的電壓信號(hào)我們選用二級(jí)放大的儀放電路，圖5.1是常見(jiàn)的同相并聯(lián)式測(cè)量放大器的電路圖，它的第一級(jí)由兩個(gè)同相放大器構(gòu)成，第二級(jí)是一個(gè)差動(dòng)放大器。圖中電阻的選取要使上下阻值一致，這樣才能保證電

13、路的抗共模干擾能力，具體要使R1=R2；R3=R4；R5=R6；整個(gè)電路的閉環(huán)放大倍數(shù)為：圖5.1同相并聯(lián)式測(cè)量放大器 為提高電路的可靠性和節(jié)省PCB板的空間，系統(tǒng)選用美國(guó)美信公司的可變?cè)鲆娴木艿膬x器放大電路MAX4094專用芯片。圖5.2MAX4094內(nèi)部結(jié)構(gòu)5.2、MAX4094簡(jiǎn)介MAX4094為美信公司生產(chǎn)的低功耗、四運(yùn)放的集成放大芯片。芯片的結(jié)構(gòu)功能圖以及引腳圖，如圖5.2。芯片特性：u 低功耗，單電源供電（+2.7V+6V），雙電源供電（VV）u 低于30毫伏的輸入失調(diào)電壓u 無(wú)信號(hào)輸入的相位移動(dòng)u 500KHz的帶寬u 尾對(duì)尾輸出u 高電壓輸出增益u 芯片工作范圍（-）u 芯片

14、封裝為14引腳的TSSOPu 芯片大小為從芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中我們可以看出，MAX4094中含有四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器，并且芯片的外形尺寸比較小。在PCB板的設(shè)計(jì)過(guò)程中有很大的方便性，一個(gè)獨(dú)立的MAX4094芯片可以組成一個(gè)三級(jí)放大的放大電路，它是在前面介紹的兩級(jí)差動(dòng)放大的基礎(chǔ)上再加上一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)圖5.3，按照左邊的原理圖，我們可以用一塊MAX4094搭起一路放大電路，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是三路信號(hào)同時(shí)采集，需要使用三片MAX4094構(gòu)成三通道采集電路。MAX4094體積小，滿足了我們系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，增加了系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性，并且可以提供約為的增益。為了保持原始信號(hào)采集的不失真，考慮到地震動(dòng)信

15、號(hào)的正負(fù)電壓極性，放大電路系統(tǒng)采用雙電源供電。圖5.3三級(jí)運(yùn)放電路原理圖6、電源電路的設(shè)計(jì)為了保持地震動(dòng)信號(hào)的原貌，放大電路系統(tǒng)采用雙電源供電?？紤]到后續(xù)部分的ADC電路的輸入要求，采用V供電。前面已經(jīng)討論這個(gè)系統(tǒng)的供電電源為+5V，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)電源電路將+5V電壓轉(zhuǎn)化為V。這一部分共由三個(gè)集成模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，+5V到V電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX680，電壓參考芯片MAX6030和斷續(xù)放大器ICL7652。6.1、MAX680MAX680是美信公司生產(chǎn)的CMOS工藝單片集成芯片，它只要輸入為+5V的電源就可提供雙倍的V的電壓。芯片的引腳圖如圖6.1。芯片特性：u 95%的電壓轉(zhuǎn)化率u 85%的電源能量

16、轉(zhuǎn)化率圖6.1MAX680引腳圖u 電壓范圍為+2V+6Vu 僅需要四片外接電容u 500豪安輸入電流u 封裝為8-DIPu CMOS工藝制造的單片集成電路芯片u 芯片尺寸為7.310.4由一片MAX680完全能夠滿足三片集成放大芯片MAX4094的電壓要求。為使電壓達(dá)到系統(tǒng)要求的，我們引入電源參考芯片MAX6030。6.2、MAX6030圖6.2MAX6030 引腳圖MAX6030是美信公司生產(chǎn)的高精度、低功耗微型電壓參考芯片。它只要輸入為+3.2+12.6V的電壓，就可輸出高精度的參考電壓+3V。芯片的外部特性與引腳圖如圖6.2。芯片特性：u 輸出精度為0.2%u 35毫安靜態(tài)電流u 工作

17、溫度范圍+u 封裝為SOT23-3u 芯片尺寸為2.6671.149MAX6030的外圍電路非常簡(jiǎn)單，它只需要兩個(gè)電容。并且引腳數(shù)目少，便于設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)化電路。SOT23-3的封裝使得MAX6030的外型尺寸非常的小，在PCB板上是以貼片的形式焊接，大大減少了PCB板的空間。同時(shí)也保證了電路工作的穩(wěn)定性。MAX6030使用解決了+3V電壓的提供問(wèn)題，系統(tǒng)還缺少-3V電壓的提供。我們使用斷續(xù)放大器ICL7652來(lái)解決這一問(wèn)題。一、 ICL7652ICL7652是MAXIM公司生產(chǎn)的斷續(xù)放大器，它可應(yīng)用于低信號(hào)放大與信號(hào)調(diào)節(jié)等，芯片的結(jié)構(gòu)功能圖如圖6.3。芯片特性：圖6.3ICL7652的結(jié)構(gòu)功能圖u

18、 低功耗u CMOS工藝制造的單片集成電路芯片u 長(zhǎng)時(shí)期保持偏置電壓的穩(wěn)定性（）u 可補(bǔ)償?shù)膯我环糯笤鲆鎢 可靠工作溫度范圍u 高增益，共態(tài)抑制比110dBu 芯片封裝為DIP-8u 芯片尺寸為我們使用ICL7652的目的是轉(zhuǎn)換+3V電壓為-3V電壓。由圖6.3，ICL7652的外圍電路較為簡(jiǎn)單，可以按照通常的放大器電路來(lái)設(shè)計(jì)，并能夠取得更為理想的效果。圖6.4為電源芯片MAX680、電壓參考芯片MAX6030和斷續(xù)放大器ICL7652組成的電源電路的原理圖。圖6.4電源電路的原理圖7、ADC的選用地震動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)前期放大電路的處理，電壓信號(hào)已經(jīng)放大致V的范圍內(nèi)。此時(shí)我們需要一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)化電路將模

19、擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，讓后續(xù)的DSP電路進(jìn)行處理?？紤]到要三通道信號(hào)的同時(shí)采集，并且需要可編程控制（方便DSP的編程處理），ADC芯片選用美信公司的MAX1246。它是+2.7V供電、低功耗、四通道、串行12位模數(shù)轉(zhuǎn)換集成芯片。芯片引腳如圖7.1。芯片特性：圖7.1MAX1246引腳圖u 四通道單獨(dú)輸入或者兩通道微分輸入u 使用單電源供電2.7V+3.6Vu 提供內(nèi)部+2.5V電壓參考u 低功耗：1.2毫安（133ksps，+3V）54微安（1ksps，+3V）1微安（節(jié)電模式）u SPI/QSPI/MICROWIRE模式下四線串行連接u 軟件配置單級(jí)或雙級(jí)輸入u DIP-8封裝u 芯片尺寸2

20、2.487.62圖7.2MAX1246內(nèi)部時(shí)鐘工作圖MAX1246采用連續(xù)數(shù)值逼近、采樣保持電路等技術(shù)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為12位數(shù)字信號(hào)串行輸出。它可以工作于外部時(shí)鐘模式和內(nèi)部時(shí)鐘模式，對(duì)于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由于MAX1246可以很方便的和DSP芯片相連，所以我們采用DSP的分頻后的工作時(shí)鐘作為MAX1246的工作時(shí)鐘，也就是讓其工作于內(nèi)部時(shí)鐘模式。圖7.2是它的內(nèi)部時(shí)鐘工作模式：另外MAX1246有很好的軟件可操作性，DSP芯片可以很方便地通過(guò)輸入控制字的方式對(duì)MAX1246進(jìn)行操作。下表是對(duì)八位控制字的描述：最高位第八位要保持為1；第五六七位，即SEL0、1、2是選擇通道控制位，例如001表示選擇

21、的是第一通道，101表示選測(cè)的是第二通道；第四位UNI/BIP是選擇單級(jí)還是雙極性輸入，1表示選擇單極性，0表示選擇雙極性；第三位SGL/DIF是選擇單獨(dú)輸入還是微分輸入，1表示單輸入，0表示微分輸入；第一而位表示工作在什么電源模式下，10表示工作中內(nèi)部時(shí)鐘模式，00表示為掉電模式。MAX1246的工作流程為：1、確保內(nèi)部時(shí)鐘為100KHz2MHz，設(shè)定控制字TB1為，其中的代表選擇哪個(gè)通道以及單級(jí)雙級(jí)輸入等。2、選擇DSP的一根I/O線連接到MAX1246的片選引腳，并保持片選引腳始終為低。3、由DSP發(fā)送TB1到MAX1246，同時(shí)DSP接收到一個(gè)字節(jié)，稱為RB1，RB1不是有效字節(jié)。4、

22、由DSP發(fā)送全零字節(jié)（$00hex）給MAX1246，同時(shí)DSP接收到一個(gè)字節(jié)，稱為RB2，RB2為有效字節(jié)。5、由DSP發(fā)送全零字節(jié)（$00hex）給MAX1246，同時(shí)DSP接收到一個(gè)字節(jié)，稱為RB3，RB3為有效字節(jié)。6、兩個(gè)有效字節(jié)接收完畢，由DSP發(fā)送高電平拉高M(jìn)AX1246的片選腳。8、數(shù)據(jù)處理電路的設(shè)計(jì)8.1、概述三路地震動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)前期的放大和AD轉(zhuǎn)換后，然后由中央處理單元DSP進(jìn)行計(jì)算和處理。上面已經(jīng)對(duì)信號(hào)的前期處理電路作了介紹，而后面的數(shù)據(jù)處理電路主要是DSP及其周邊電路的設(shè)計(jì)。主要包括DSP芯片，晶震，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器，電源芯片，以及通過(guò)仿真器與微機(jī)連接的JTAG口。TMS

23、320C5409要求+3.3V和+1.8V供電，對(duì)電源的要求較高。還有必需的裝載算法程序的存儲(chǔ)器FLASH。FLASH與EPROM相比，具有更高的性能價(jià)格比，而且體積小，功耗低，可電擦寫(xiě)，使用比較方便，+3.3V的FLASH可直接與DSP相接。因此，采用FLASH存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和固定數(shù)據(jù)是一種比較好的選擇。對(duì)于前期放大后的模擬信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換前，還需要進(jìn)行電位拉高。本系統(tǒng)選擇的AD方式是MAX1246的單級(jí)輸入方式，而放大電路部分是雙電源供電，放大后信號(hào)為正負(fù)電平的，所以要進(jìn)行電位的拉高?？紤]到放大后的信號(hào)在V的范圍內(nèi)，我們選用參考電壓芯片MAX6021，將電壓拉高約為+2.1V。MAX6021

24、與MAX6030同屬于一個(gè)系列，具有相同的芯片特性。其引腳結(jié)構(gòu)圖如圖6.1所示。硬件電路完成后，需要軟件的設(shè)計(jì)支持。通過(guò)CCS（Code Composer Studio）DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，將算法C程序編譯為目標(biāo)文件，再目標(biāo)文件經(jīng)過(guò)仿真器和DSP系統(tǒng)的JTAG口寫(xiě)入到程序存儲(chǔ)器FLASH中去。軟硬件相配合完成整個(gè)系統(tǒng)的全部功能。8.2、FLASH和電源芯片的選取8.2.1、TPS767D318TMS320C5409要求的電源分為兩種，即內(nèi)核電源（CVdd）和I/O電源（DVdd）。其中，I/O電源+3.3V電壓，而內(nèi)核電壓為+1.8V。降低內(nèi)核電壓的目的是為了降低功耗。電源芯片選用TI公司的T

25、P3767D318，它可以由5V產(chǎn)生3.3V和1.8V的電壓輸出，最大輸出電流為1000mA,可以滿足系統(tǒng)需要。圖8.1為電源芯片引腳圖。芯片特性： u 雙電壓輸出提供分離電源u 電流輸出范圍0mA1000mA圖8.1 TPS767D318引腳圖u 調(diào)整輸出模式為3.3V/2.5V、3.3V/1.8V和3.3Vu 響應(yīng)速度快u 隨溫度和負(fù)載變化誤差只有2%u 過(guò)熱保護(hù)u 28引腳TSSOP封裝由于電源芯片TPS767D318和DSP芯片TMS320C5409同屬于TI公司的產(chǎn)品，它們有較好的匹配性。同時(shí)對(duì)于DSP周邊器件采用同一電源供電，F(xiàn)LASH芯片SST39VF400A和ADC芯片MAX1

26、246都采用+3.3V供電，電源芯片TPS767D318極大地方便了電路的設(shè)計(jì)，并且可靠性高。為防止模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的相互干擾，我們使用電源濾波芯片ACF-153進(jìn)行電源濾波隔離。8.2.2、SST39VF400A圖8.2 SST39VF400A引腳圖本系統(tǒng)選用SST公司的SST39VF400A作為FLASH芯片。FLASH的主要作用是在DSP上電復(fù)位后，將程序從FLASH中讀取到DSP的RAM中去，它是用來(lái)存放系統(tǒng)程序的。SST39VF400A的存儲(chǔ)空間為2Mbit（），也即128K字節(jié)。圖8.2為其外部引腳圖。芯片特性： u 單電壓供電2.7V3.6Vu 高可靠性：可反復(fù)擦寫(xiě)10萬(wàn)次可保

27、持?jǐn)?shù)據(jù)100年u 低功耗u 可2K字節(jié)為一段分段擦除u 快速讀取7090毫秒u 封裝形式為48引腳TSOP封裝u 芯片尺寸為12SST39VF400A的外圍電路比較簡(jiǎn)單，采用單電源3.3V供電。地址總線和數(shù)據(jù)總線和DSP的外部總線直接連接。DSP的MSTRB腳控制SST39VF400A的片選，RW腳控制讀寫(xiě)。9、基于DSP的數(shù)據(jù)處理電路設(shè)計(jì)圖9.1時(shí)鐘發(fā)生電路9.1、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路時(shí)鐘電路為C5409提供時(shí)鐘信號(hào)。它有內(nèi)部振蕩器和鎖相環(huán)PLL兩部分組成。它有內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘兩種接法，我們選擇內(nèi)部時(shí)鐘接法。將振動(dòng)頻率為10MHz的晶體跨接到時(shí)鐘引腳X1和X2之間，與芯片內(nèi)部振蕩器構(gòu)成時(shí)鐘發(fā)

28、生器。此時(shí)，電路工作于基波方式。時(shí)鐘電路圖如圖9.1。另外，C5409內(nèi)部的鎖相環(huán)PLL具有頻率放大和時(shí)鐘信號(hào)提純的作用。使用高穩(wěn)定的參考振蕩器鎖定時(shí)鐘發(fā)生器的振蕩頻率，提供高穩(wěn)定特性的時(shí)鐘頻率源。C5409的PLL的配置方式分為硬件配置和軟件配置，本系統(tǒng)采用硬件配置，硬件配置是設(shè)定三個(gè)時(shí)鐘模式引腳CLKMD1、CLKMD2、CLKMD3。地震動(dòng)信號(hào)的頻率比較低，本系統(tǒng)的采樣率的設(shè)置不會(huì)超過(guò)1000Hz，所以選擇三個(gè)時(shí)鐘模式引腳110的方式，即系統(tǒng)的工作頻率為，10MHz*1=10MHz。一般在加電后目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)處于未知狀態(tài),應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行復(fù)位操作以使系統(tǒng)處于一種已知狀態(tài)。C5409的復(fù)位輸入腳

29、提供了硬件初始化的方法。這個(gè)引腳上電平的變化可以使程序從指定的存儲(chǔ)地址開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)時(shí)鐘電路工作后，只要在引腳上出現(xiàn)2個(gè)外部時(shí)鐘周期以上的低電平，芯片內(nèi)部所有電路寄存器都初始化復(fù)位。只要保持低電平，則芯片始終處于復(fù)位狀態(tài)。只有當(dāng)此引腳變?yōu)楦唠娖胶?，芯片?nèi)的程序才可以從指定的地址開(kāi)始運(yùn)行。C5409的復(fù)位有三種方式，即上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、軟件復(fù)位。前兩種是通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)位，后一種是通過(guò)指令方式實(shí)現(xiàn)的復(fù)位。為了調(diào)試方便，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了如圖9.2所示的復(fù)位電路，即可以分別通過(guò)上電或按鈕兩種方式復(fù)位的電路，利用RC電路的延遲特性給出復(fù)位需要的低電平時(shí)間。上電瞬間，由于電容C上的電壓不能突變

30、，所以通過(guò)電阻R進(jìn)行充電，充電時(shí)間由RC的乘積值決定。一般應(yīng)保證RESET為低至少3個(gè)CLKOUT周期。但是在上電后，系統(tǒng)的晶體振蕩器往往需要幾百毫秒的穩(wěn)定期，一般100200ms。圖9.2復(fù)位時(shí)間主要由R12和C8決定。設(shè)V11.5V為低電平和高電平的分界點(diǎn)，則復(fù)位時(shí)間t為 隨后的施密特觸發(fā)器保證了低電平的持續(xù)時(shí)間至少為t,從而滿足復(fù)位要求。圖9.2 復(fù)位電路9. 2、電源控制電路本系統(tǒng)采用的是TI公司的TPS767D318作為C5409及其周邊電路芯片F(xiàn)LASH和AD的電源芯片。因?yàn)門(mén)PS767D318可以提供+3.3V和+1.8V的電壓，這樣就滿足了C5409的內(nèi)核電壓（CVdd）1.8

31、V和I/O電源（DVdd）+3.3V。并且可以為FLASH芯片和AD芯片提供+3.3V的電壓。它的最大輸出電流為1000mA,完全可以滿足C5409及其周邊電路芯片的負(fù)荷需求。另外，數(shù)字電路的3.3V工作電源分別采用電源濾波芯片ACF-153進(jìn)行電源濾波隔離，以防止數(shù)字電路產(chǎn)生的數(shù)字開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)嚴(yán)重影響A/D的轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)電路板中數(shù)字地和模擬地要嚴(yán)格分開(kāi)，只在一點(diǎn)共地，以防止數(shù)字開(kāi)關(guān)噪聲通過(guò)電源影響A/D的轉(zhuǎn)換精度。如圖9.3。圖9.3電源控制電路10、C5409與AD芯片數(shù)據(jù)通訊的電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是三通道數(shù)據(jù)的采集和處理。為方便數(shù)據(jù)由MAX1246向DSP的傳輸，我們采用C5409提供的

32、一種多通道緩沖串行口（McBSP）,和SPI方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。McBSP可以通過(guò)相關(guān)的控制和配置寄存器，支持多種串行通信的方式和協(xié)議，該串行口可根據(jù)用戶的不同需要進(jìn)行配置，使用方便靈活。它包括6個(gè)引腳，分別是串行數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)BDX、串行數(shù)據(jù)接收信號(hào)BDR、發(fā)送串行時(shí)鐘信號(hào)BCLKX、接收串行時(shí)鐘信號(hào)BCLKR、發(fā)送幀同步信號(hào)BFSX和接收幀同步信號(hào)BFSR。串行外設(shè)接口SPI是Motorola公司推出的一種同步串行接口，是目前使用比較多的串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)。SPI接口是一種主從式配置，包括一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或者多個(gè)從設(shè)備。對(duì)McBSP進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲?，可以使其工作于SPI方式。SPI接口有四個(gè)信號(hào)

33、：串行數(shù)據(jù)主入從出信號(hào)：MISO（Master-In, Slave-Out）串行數(shù)據(jù)主出從入信號(hào)：MOSI（Master-Out, Slave-In）串行時(shí)鐘信號(hào)：SCK從設(shè)備使能信號(hào)：SSMcBSP的時(shí)鐘停止方式與SPI協(xié)議兼容。當(dāng)McBSP設(shè)置為停止方式，發(fā)送和接收在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)同步，使McBSP可作為SPI的主設(shè)備或者從設(shè)備。McBSP的發(fā)送時(shí)鐘（BCLKX）對(duì)應(yīng)于SPI串行時(shí)鐘（SCK），發(fā)送幀同步信號(hào)（BFSX）對(duì)應(yīng)于SPI設(shè)能信號(hào)（SS）。接收時(shí)鐘信號(hào)（BCLKR）和接收幀同步信號(hào)（BFSR）沒(méi)有用，在內(nèi)部他們已經(jīng)分別與BCLKX相連。SPISlaveMcBSPBCLKXBDXBDRB

34、FSKSCKMOSIMISOSS圖10.1 McBSP作為主設(shè)備的SPI接口當(dāng)McBSP配置為主設(shè)備時(shí)，如圖10.1發(fā)送輸出信號(hào)BDX作為從設(shè)備SPI的MOSI信號(hào)，接收輸入信號(hào)BDR作為接收從設(shè)備MISO信號(hào)。McBSP通過(guò)提供串行時(shí)鐘來(lái)控制傳輸，BCLKX只在包傳輸器件有效，當(dāng)不進(jìn)行包傳輸時(shí)，它保持無(wú)效。BCLKX此時(shí)應(yīng)設(shè)為輸出，BCLKR在內(nèi)部與其相連。McBSP的BFSX引腳為從設(shè)備提供一個(gè)使能信號(hào)SS，此時(shí)BFSX設(shè)置為輸出，在每個(gè)包發(fā)送時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)幀信號(hào)。此時(shí)，數(shù)據(jù)延時(shí)參數(shù)必須設(shè)為1。本系統(tǒng)中，選擇C5409的BCLKX0作為時(shí)鐘發(fā)送引腳，BDX0串行數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)引腳，BDR0作為

35、串行數(shù)據(jù)接收信號(hào)引腳，BFSX0作為發(fā)送幀同步信號(hào)引腳；而MAX1246作為SPI Slave，提供SCLK作為串行時(shí)鐘輸入信號(hào)引腳，DIN作為串行數(shù)據(jù)接收引腳，DOUT作為串行數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)引腳，作為片選信號(hào)引腳。MAX1246與DSP的連接及其外部電路圖如圖10.2所示。圖10.2C5409與MAX1246連接電路 MAX1246向C5409傳輸數(shù)據(jù)的工作原理是：每次A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由C5409的時(shí)鐘發(fā)送引腳BLCKX0在MAX1246的SCLK腳輸入分頻后的串行時(shí)鐘1MHz（MAX1246要求2MHz），并通過(guò)串行數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)引腳BDX0輸入一個(gè)8位命令字來(lái)啟動(dòng)，有這個(gè)命令字選擇通道、單級(jí)采

36、樣和內(nèi)部時(shí)鐘方式。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)要求為三通道數(shù)據(jù)采集，BDX0會(huì)在第一通道數(shù)據(jù)采集完畢后，緊跟著發(fā)送第二通道和第三通道的8位命令字，例如命令字10011110B表示為0通道、單級(jí)輸入、內(nèi)部裝換時(shí)鐘。即在一個(gè)采樣周期中完成三通道數(shù)據(jù)的采集。地震動(dòng)信號(hào)的頻率較低，我們?cè)O(shè)定采樣周期為2ms，即500Hz。采樣率是通過(guò)設(shè)置定時(shí)中斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)的。分頻后的時(shí)鐘信號(hào)可以在C5409的寄存器SRGR1和SRGR2中設(shè)置，基本的時(shí)鐘信號(hào)是來(lái)自CPU的時(shí)鐘。串行時(shí)鐘的周期為1，采樣周期有2000個(gè)時(shí)鐘周期組成，一次三通道的數(shù)據(jù)采集可以在前70個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。在如此高的時(shí)鐘周期下，我們就可以認(rèn)為三通道的數(shù)據(jù)是同時(shí)采樣的

37、。下面簡(jiǎn)要介紹一下C5409定時(shí)器的設(shè)置。C5409含有一個(gè)預(yù)定標(biāo)的片內(nèi)定時(shí)器。這種定時(shí)器是一個(gè)倒數(shù)計(jì)數(shù)器，它可以被特定的狀態(tài)為實(shí)現(xiàn)停止、重啟動(dòng)、重設(shè)置或禁止。定時(shí)器在復(fù)位后處于運(yùn)行狀態(tài)，為了降低功耗可以禁止定時(shí)器工作。定時(shí)器由主計(jì)數(shù)器TIM，定時(shí)周期寄存器PRD，定時(shí)控制寄存器TCR（包括預(yù)標(biāo)定分頻系數(shù)TDDR，預(yù)標(biāo)定計(jì)數(shù)器PSC，控制位TRB和TSS等）及相應(yīng)的邏輯控制電路組成。圖10.3為定時(shí)器組成框圖定時(shí)器對(duì)CLKOUT信號(hào)計(jì)數(shù)，現(xiàn)將PSC（TCR中的D6D9位）減1，直到PSC減為0；然后把TDDR（TRC中的低4位）重新裝入PSC，同時(shí)將TIM減1，直到TIM減為0。這是CPU發(fā)出

38、TINT中斷，同時(shí)在TOUT引腳輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖寬度與CLKOUT一致。然后將PRD重新裝入TIM，重復(fù)下去直到系統(tǒng)或定時(shí)器復(fù)位。定時(shí)器由TIM，PRD，TCR三個(gè)寄存器組成。定時(shí)器的周期計(jì)算公式為，TINT的周期CLKOUT(TDDR1)(PRD+1)定時(shí)器初始化步驟如下：（1） TCR的TSS位置1，以停止定時(shí)器；（2） 裝載PRD；（3） 初始化TCR中的TDDR，且對(duì)TCR中的TSS置0，對(duì)TRB置1來(lái)重裝載定時(shí)器周期。定時(shí)控制寄存器（TCR），為一個(gè)映射到片內(nèi)的16位寄存器，它的位描述如圖10.4保留 soft free PSC TRB TSS TDDR1512 11 10 9

39、6 5 4 30圖10.4定時(shí)控制狀態(tài)寄存器第1512位：保留位，通常情況下讀成0。第1110位：free和soft為軟件調(diào)試組合控制位，用于控制調(diào)試程序斷電操作情況下的定時(shí)器工作狀態(tài)。第96位：CLKOUT的預(yù)標(biāo)定計(jì)數(shù)器PSC的預(yù)設(shè)置，其標(biāo)定范圍為116。第5位：TRB定時(shí)器重新加載控制位，用于復(fù)位片內(nèi)定時(shí)器。當(dāng)TRB1時(shí)，預(yù)標(biāo)定分頻系數(shù)TDDR和定時(shí)器周其寄存器PRD中的數(shù)據(jù)分別加載至定時(shí)器預(yù)標(biāo)定計(jì)數(shù)器和定時(shí)器TIM中。通常情況下TRB0。第4位：定時(shí)器停止控制位TSS，用于停止或啟動(dòng)定時(shí)器。當(dāng)TSS0時(shí)，定時(shí)器啟動(dòng)開(kāi)始工作。當(dāng)TSS1時(shí)，定時(shí)器停止工作。第30位：為定時(shí)器的預(yù)標(biāo)定分頻系數(shù)TDDR，最大的預(yù)標(biāo)定值為16，最小與標(biāo)定值為1。對(duì)于本系統(tǒng)，定時(shí)器的周期設(shè)置為2ms,根據(jù)定時(shí)長(zhǎng)度計(jì)算公式，設(shè)定TDDR9，PRD199，CLKOUT分頻后的主頻為1MHz，T1，所以有：11、DSP定點(diǎn)運(yùn)算的基本原理和FLASH程序的燒寫(xiě)在編寫(xiě)DSP模擬算法時(shí)，為了縮短開(kāi)發(fā)周期，采用了C語(yǔ)言和匯編相結(jié)合的方法來(lái)編寫(xiě)模擬程序。因?yàn)槌绦蛑兴玫淖兞考扔姓蛿?shù)，又有浮點(diǎn)數(shù)，所以在進(jìn)行定點(diǎn)DSP算法模擬時(shí)首先要將浮點(diǎn)算法轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)算法。而在浮點(diǎn)算法轉(zhuǎn)換為DSP定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算時(shí)，其基本原則是要在避免溢出的前提下保持運(yùn)算精度的一致以及準(zhǔn)確的移位。然而