我們在教學(xué)實踐中成功地研制出一個電子測量與信號系統(tǒng)綜合實驗平臺。該平臺采用通用化、標準化與可互換的設(shè)計思想，融入了先進的電子線路仿真設(shè)計方法、FPGA、單片機技術(shù)、DSP 技術(shù)和總線技術(shù)。平臺分為EDA 實驗系統(tǒng)、單片機實驗系統(tǒng)及DSP 實驗系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)，可廣泛用于EDA 、單片機、DSP、電子測量與信號系統(tǒng)的課程教學(xué)、綜合實驗教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計及電子大賽等。本文討論了綜合實驗平臺的一個子系統(tǒng)—DSP 實驗系統(tǒng)的設(shè)計。采用TMS320 F2812作為主控芯片設(shè)計一個DSP 應(yīng)用系統(tǒng)。

　　一個典型的DSP 系統(tǒng)包括DSP 芯片、電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路及JTAG接口電路。考慮到與PC 通信的需要，系統(tǒng)一般還需增添串口通信電路。

　　TMS320F2812是美國TI公司推出的新一代32位定點數(shù)字信號處理器，該芯片每秒可執(zhí)行1.5億次指令，具有單周期32 bit×32 bit的乘和累加操作功能，片內(nèi)集成了豐富的外圍設(shè)備，如16路A/D轉(zhuǎn)換器、面向電機控制的事件管理器以及多種標準串口通信外設(shè)等?？梢?，其不僅具有數(shù)字信號處理器卓越的數(shù)據(jù)處理能力，又像單片機那樣具有適于控制的片內(nèi)外設(shè)及接口；它在數(shù)字控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是在運動控制領(lǐng)域以及嵌入式開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計中，常常成為微處理器的。該器件集成了豐富而又先進的外設(shè)， 如128kB 的Flash 存儲器、4kB 的引導(dǎo)ROM、數(shù)學(xué)運算表、電機控制外設(shè)、串口通信外設(shè)、2kB 的OTP ROM 以及16 通道高性能12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，提供了兩個采樣保持電路可以實現(xiàn)雙通道信號同步采樣，同時具有很高的運算（32 位） 和系統(tǒng)處理能力（達到150MIPS） ,可廣泛應(yīng)用于電力自動化、電機控制和變頻家電等領(lǐng)域。

　　DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計一般包括硬件設(shè)計和調(diào)試部分。硬件設(shè)計部分一般包括電源、復(fù)位電路、時鐘電路、JTAG電路和外部接口電路的設(shè)計；系統(tǒng)板作為DSP控制系統(tǒng)的部件，在其外圍接入擴展板，能夠使系統(tǒng)實現(xiàn)相應(yīng)的功能。本文基于TMS320F2812設(shè)計的DSP應(yīng)用系統(tǒng)，不僅可以作為學(xué)習(xí)DSP系統(tǒng)的基礎(chǔ)，同時對與DSP有關(guān)的科研實驗以及工業(yè)控制領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用價值。

　　1  系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　DSP系統(tǒng)平臺的構(gòu)建采用模塊化設(shè)計，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　1.1 電源電路

　　一個穩(wěn)定可靠的電源是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)?？紤]到DSP的內(nèi)核工作電壓為1.8 V,其I/O的工作電壓為3.3 V，再者一般的外圍器件工作電壓為5 V，所以需要提供這三種工作電壓。首先，通過外部電源適配器獲得+5 V電壓，考慮到電源工作的穩(wěn)定性和可靠性，采用市場上現(xiàn)成的電源適配器；然后再通過LDO（低壓差線性穩(wěn)壓電源）將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V和1.8 V,采用的是Sipex公司的SPX1117系列LDO芯片[3]來進行電壓的轉(zhuǎn)換。該系列LDO芯片輸出電壓的在±1％以內(nèi)，具有電流限制和熱保護功能，價格低廉，廣泛應(yīng)用于手持儀表、數(shù)字家電和工業(yè)控制領(lǐng)域。使用時，輸出端常接一個10 ?滋F 或者47 ?滋F 的電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。具體的連接如圖2所示。

　　1.2 復(fù)位電路

　　TMS320F2812的復(fù)位管腳為/RESET，低電平有效。為了保證DSP芯片在電源未達到要求的電平時，不會產(chǎn)生不受控制的狀態(tài)，在系統(tǒng)中加入電源監(jiān)測電路，在這里選用了TI公司的電源監(jiān)測芯片TPS3307-18來實現(xiàn)DSP的電源監(jiān)測[4]。圖3所示為DSP系統(tǒng)的復(fù)位電路。

　　電路中提供了手動復(fù)位開關(guān)S1。當S1接通后，輸出電壓將呈現(xiàn)欠電壓狀態(tài)，TPS3307監(jiān)測到這一變化后將在/RESET端輸出一個寬度大于200 ms的低電平，迫使DSP復(fù)位。

　　1.3 時鐘電路

　　鎖向環(huán)（PLL）模塊主要用來控制DSP 內(nèi)核的工作頻率，外部提供一個參考時鐘輸入，經(jīng)過PLL倍頻或分頻后提供給DSP 內(nèi)核。本系統(tǒng)采用基于PLL的晶體工作模式，通過外部無源晶體為芯片提供時鐘基準，本文所選用的外部晶振是30 MHz。具體電路如圖4所示。

　　1.4 JTAG接口電路

　　JTAG接口提供對DSP內(nèi)部Flash的燒寫和仿真調(diào)試，它所具備的這些能力需要軟件的配合，具體實現(xiàn)功能則由具體的軟件決定。JTAG接口是一個業(yè)界標準，這部分的引腳定義不要隨意改變。本設(shè)計中將其設(shè)計成一個標準的14針插座，可以供仿真器調(diào)試目標板。具體的連接如圖5所示。

　　1.5 外部接口電路

　　為了方便擴展及二次開發(fā)，將TMS320F2812的4個方向的各個主要引腳全部引出。采用4個30針的雙排針腳式接口將120個重要的引腳引出，可以分配給地址線、數(shù)據(jù)線、AD模塊和時鐘電源等。在這里，具體的引腳外接就不再詳述了，只介紹幾個常用的外擴模塊電路。當然，在對系統(tǒng)的利用時，可以增加相應(yīng)的模塊來完成特定的功能，例如可以增加RS-485通信電路，在擴展的同時要注意用DC-DC進行物理隔離，尤其在工業(yè)應(yīng)用場合。

　　1.5.1 外擴RAM電路和外擴Flash電路

　　為了增加系統(tǒng)的程序存儲空間，提高系統(tǒng)的工作效率，根據(jù)設(shè)計要求外擴了Flash電路和RAM電路。選用的RAM 型號為IS61LV25616AL，256 KB×16 bit大小。這里用了A0~A17共18根地址線，為256 KB；D0~D15 共16 根數(shù)據(jù)線。片選CS6和讀寫WR、RD 信號都由DSP引出。外擴的Flash型號為SST39VF800，512 KB×16 bit，方便用戶燒寫較大程序。本文比SRAM多了1根地址線，所以可以達到512 KB，片選信號用CS2。具體連接如圖6所示。

　　1.5.2 SCI串口通信電路

　　在許多DSP的應(yīng)用中都會使用到串行口與電腦的串行口相連接，進行數(shù)據(jù)的傳輸或控制命令的發(fā)送與接收。DSP內(nèi)置有SCI通信模塊，在設(shè)計串口通信電路時要考慮電平之間的轉(zhuǎn)換。DSP的串口一般是使用TTL電平標準，它的邏輯1電平是5 V，邏輯0電平是0 V，而電腦串行口所使用的是RS232C的電平標準，它的邏輯1電平是-3 V~-12 V,邏輯0電平是+3 V~+12 V。兩者的電平范圍相差很遠，所以連接時需要進行電平轉(zhuǎn)換，本文選用TI公司推出的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232來完成[6]。再者，設(shè)計時要注意串行通信的雙方的接收端和發(fā)送端必須反接，在原理圖電路中，PC的TX_232 輸出的是系統(tǒng)板的SCIRXD,而系統(tǒng)板的SCITXD經(jīng)MAX232上輸出的是PC的RX_232。具體連接如圖7所示。

　　2  調(diào)試部分

　　調(diào)試部分包括硬件的調(diào)試和軟件測試。硬件調(diào)試就是要確保系統(tǒng)的各個模塊配置是正確的，首先仔細檢查電路板有沒有斷線和短路現(xiàn)象，其次檢查元器件是否正確焊接，確保沒有虛焊，然后通電檢測電源電路、時鐘電路和復(fù)位電路是否正常工作，電源指示燈亮表明正常；也可通過示波器測量晶振的周期和頻率，看其是否正常工作。

　　2.1 電路測試和目標板識別

　　檢測系統(tǒng)輸入和輸出工作電壓后，監(jiān)測上電復(fù)位及手動復(fù)位電路工作情況。利用DSP 仿真器進行硬件仿真，進入CCS 環(huán)境，識別目標器件，表明系統(tǒng)硬件基本正常。

　　2.2 事件管理器產(chǎn)生PWM 波功能測試

　　TMS320 F2812 內(nèi)核集成的兩個事件管理器（ EVA 和EVB） 提供了強大的控制功能，特別適合運動控制和電機控制等領(lǐng)域。F2812 的每個事件管理器模塊可以同時產(chǎn)生8 路脈寬調(diào)制（ PWM） 信號，包括3 對由完全比較單元產(chǎn)生的死區(qū)可編程PWM信號以及由通用定時器比較器產(chǎn)生的2 路獨立的PWM 信號。

　　2.3 基于串口通信的數(shù)據(jù)采集功能測試

　　F2812 串口支持16 級接收和發(fā)送FIFO ,有一個16 位波特率選擇寄存器，靈活性極大。此外，芯片上集成了一個12 位ADC ,具有16 通道復(fù)用輸入接口、兩個采樣保持電路，快轉(zhuǎn)換周期為60ns。本文對基于串口通信的數(shù)據(jù)采集功能測試 。分別對由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的方波、正弦波和三角波采樣，然后再將數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)絇C。

　　3　結(jié)語

　　本文設(shè)計的TMS320 F2812 DSP 系統(tǒng)經(jīng)過充分的實驗驗證表明具備了數(shù)據(jù)采集、與PC 通信及實時數(shù)據(jù)處理等功能，既可以滿足教學(xué)要求，又可用于簡單的工程研究，具有一定的實用價值。此外還可對該系統(tǒng)的功能開發(fā)驗證實驗進一步完善：如增加CAN 總線功能及數(shù)字信號處理功能等，盡可能結(jié)合信號系統(tǒng)、電子測量及電機控制等課程特點，形成較完善的典型教學(xué)。對于通用I/ O（如鍵盤、液晶） 及擴展外存的實現(xiàn)進一步深入研究，可將該系統(tǒng)功能升級成為通用DSP 系統(tǒng)，從而可更廣泛地滿足各類復(fù)雜工程需求。

　　參考文獻

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      [8]  PC  datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/PC+_2043275.html.

      [9]  TMS320F2812 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TMS320F2812_1116432.html.

      [10]  ROM datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/ROM_1188413.html.

      [11]  SPX1117 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/SPX1117_718665.html.

      [12]  TPS3307-18 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TPS3307-18_1075083.html.

      [13]  RS-485 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/RS-485_584821.html.

      [14]  IS61LV25616AL datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/IS61LV25616AL_1121069.html.

      [15]  A17 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/A17_1819429.html.

      [16]  D15  datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/D15+_1092218.html.

      [17]  SST39VF800 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/SST39VF800_887750.html.

      [18]  TTL datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TTL_1174409.html.

      [19]  MAX232 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/MAX232_1074207.html.