尚秋峰,李 灝,謝秋金,陳于揚

(華北電力大學電子與通信工程系,河北保定 071003）

基于TMS320VC5409的多功能DSP實驗系統(tǒng)

尚秋峰,李 灝,謝秋金,陳于揚

(華北電力大學電子與通信工程系,河北保定 071003）

為滿足電子信息及其相關專業(yè)本科生和研究生的“DSP系統(tǒng)設計”課程教學需要,本文設計了基于TMS320VC5409的實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有信號采集、鍵盤控制、液晶顯示、串行通信、并行通信、語音信號處理和脫機運行等多項功能。文中還介紹了該系統(tǒng)的特點及硬件組成,描述了實驗系統(tǒng)的功能和可開設的實驗內(nèi)容,并給出了綜合性實驗示例。該系統(tǒng)除了可應用到DSP課程的實踐教學以外,也可以作為DSP系統(tǒng)設計項目的開發(fā)平臺。

DSP;TMS320VC5409;實驗項目

近年來,隨著數(shù)字信號處理技術的快速發(fā)展和廣泛應用,對高校的DSP教學提出了新的要求。本文研制的基于高性能定點型DSP芯片TM S320VC5409的實驗系統(tǒng),由于其外圍設備齊全,功能強大,不僅可用于DSP課程的實踐教學,也適合DSP的應用開發(fā)。該實驗系統(tǒng)可以為提高學生提供一個良好的設計平臺。該實驗系統(tǒng)具有如下特點。

(1)以16位定點型DSP芯片TMS320VC5409為處理核心。該芯片速度快、運算精度高、功耗小、價格低,很適合定點應用的開發(fā);

(2)系統(tǒng)的邏輯控制和譯碼等功能由一片CPLD芯片實現(xiàn),具有設計靈活和結構緊湊的特點;

(3)具有豐富的通信接口,包括主機接口(HPI),多通道緩沖串行口(McBSP);

(4)具有256K×16比特內(nèi)存,32K×16比特雙口RAM,256K×16比特閃存(FLASH);

(5)可以實現(xiàn)自啟動,即系統(tǒng)在脫機方式下,自動運行被燒寫在Flash里的程序。

1 系統(tǒng)的硬件組成

本系統(tǒng)由TMS320VC5409、39VF400A、CY7C1041、AD7656、TLC320AD50、EPM 7128AET100(CPLD)和LCM 128645ZK等芯片組成。硬件結構如圖1所示。

圖1 基于TMS320VC5409的多功能實驗系統(tǒng)

(1)TMS320VC5409DSP芯片[1,2]是整個多功能實驗系統(tǒng)的處理核心,用以控制對模擬信號的采樣,進行片內(nèi)RAM、片外SRAM和片外Flash的程序管理及數(shù)據(jù)調度,并通過RS232串口與PC機進行通信,在其他外設上實現(xiàn)相關控制與顯示。

(2)AD7656是AD公司的高速高精度的模數(shù)轉換芯片,它使用了AD公司專利的iCMOS工藝,擁有6個單獨的16位ADC,雙極性模擬輸入,高達每秒250k個采樣值的快速吞吐率。在本系統(tǒng)中,AD7656主要完成對信號的采集工作。

(3)TLC320AD50是TI公司生產(chǎn)的∑-Δ型單片音頻接口芯片。它集成了16位A/D和D/A轉換器,采樣速率最高可達22.05kb/s,其采樣速率可通過 TMS320VC5409編程來設置,可完成語音信號的采集回放和相關的濾波算法的實驗。

(4)LCM 128645ZK作為本實驗系統(tǒng)中的顯示終端,其分辨率為128×64,并包含 64×256點的繪圖區(qū)域GDRAM,內(nèi)置CGRAM提供4組軟件可編程的16×16點陣造字功能。該芯片具有并行與串行兩種接口。本系統(tǒng)采用串行方式來控制其運行。

(5)39VF400A是SST公司采用CMOS工藝制成的256K×16位快閃存儲器。它在系統(tǒng)中用于裝載用戶程序,可供硬件仿真和脫機運行。

整個實驗系統(tǒng)的外部控制邏輯如片選信號、讀寫信號及時鐘同步信號等可由一片可編程邏輯器件EPM 7128AET100完成。

2 系統(tǒng)各設計模塊的功能

1)信號采集功能

(1)模擬信號的采集

由于TMS320VC5409和AD7656的優(yōu)異特性,本系統(tǒng)可以非常方便快捷地完成對模擬信號的采集工作。AD7656與DSP之間采用并行接口,利用DSP的IO空間和CPLD可控制AD7656的片選信號與讀寫信號,來完成對AD7656的啟動與配置。而數(shù)據(jù)線通過一片74245與DSP相連。當轉換完成后,觸發(fā)DSP的中斷INT0,由中斷子程序來完成對采樣數(shù)據(jù)的讀取。

(2)語音信號的采集與回放

語音信號的采集與回放功能由 TLC320AD50來完成,它與TM S320VC5409之間通過將多通道緩沖串口2(McBSP2)配置為SPI模式來完成二者之間的通信。AD50的時鐘信號由DSP的定時器0提供,通過修改定時器0的設置就能方便地改變AD50的時鐘信號。

2)通信功能

本系統(tǒng)具有完美的通信功能,這體現(xiàn)在DSP、其他微處理器及微控單元和PC機之間可以進行信息的傳遞。DSP與其他微處理器的通信主要通過HPI,只要將相應引腳按要求相連即可。而通過設置M cBSP則可實現(xiàn)與有串行接口的微控單元的通信。另外,由于 HPI接口與 McBSP都可配置為GPIO模式,只要有相應的底層協(xié)議與頂層協(xié)議的支持,就可完成與相應器件的通信工作。

3)信號的實時分析

系統(tǒng)以VC5409為主控和處理核心,可實時地完成信號的快速傅里葉變換,VC5409再將變換結果通過串口傳送到顯示模塊并以圖形的方式顯示出來。通過對信號進行頻譜分析,可以了解采集到的信號的頻率結構。

4)擴展IO功能

由于DSP自身只有BIO和XF兩個通用的IO引腳,在具體應用時需要進行IO的擴展。本系統(tǒng)主要使用兩種方式來擴展其IO引腳:①功能接口配置為GPIO。DSP中的M cBSP接口和HPI接口都可通過對相應的寄存器配置來作為GPIO使用;②IO映射技術。由于DSP所獨有的IO空間,可將地址線、RW引腳、IOSTRB引腳通過CPLD來完成對IO的擴展。

5)仿真/脫機運行

(1)軟仿真

軟仿真可用CCS(Code Com poser Studio),—種完全的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)來實現(xiàn)[3]。用戶可從菜單欄中選用TI的工具,對源程序進行編輯、調試和編譯,并可從窗口直接看到編譯的結果;既可以選擇編譯單個文件,也可以將所有的文件合建到一個項目中;可將C表達式和GEL函數(shù)添加到可視窗口,在每個斷點處執(zhí)行;也可用探針觀察信號的狀態(tài)或在算法上加入數(shù)據(jù)或提取數(shù)據(jù)等。

(2)硬仿真

TMS320VC5409具有符合 IEEE1149標準的片內(nèi)掃描仿真接口JTAG,因而在系統(tǒng)外部配有硬件仿真器—XDS-PCI。這種仿真器仿真速度很高,具有標準的PCI總線接口,支持多片DSP并行調試、多種計算機操作系統(tǒng)和DSP片上Flash燒錄。通過硬仿真,可以控制系統(tǒng)中每一個處理器的運行,測試每一塊芯片,甚至觀察每一個寄存器的狀態(tài),實現(xiàn)真正的在線仿真。

(3)脫機運行

系統(tǒng)利用外部Flash來實現(xiàn) VC5409的自舉,在脫機運行前通過格式轉換工具把鏈接生成的.out文件轉化成可用來燒制 EEPROM格式的數(shù)據(jù)文件,整理以后寫入Flash中。將Flash的0x8000—0xFFFFH地址空間映射到DSP的數(shù)據(jù)空間地址0x8000—0xFFFFH。系統(tǒng)上電復位后如檢測到MP/MC=0,則內(nèi)部4K×16bit ROM 有效,程序自動跳轉到FF80執(zhí)行,并進行DSP的初始化設置。因此,燒寫Flash時,要向FLASH 的FFFF單元中寫入8000。這個8000是EEPROM 或Flash映射到DSP的數(shù)據(jù)空間的地址且程序代碼裝入的起始地址。

3 系統(tǒng)在教學中的應用

在DSP實驗教學中,實驗內(nèi)容分為基礎實驗和擴展實驗?；A實驗都有事先給定的演示(demo)程序,學生只需將程序添加到所創(chuàng)建的工程中編譯、加載并運行即可通過實驗板上的LED或LCD情況判斷程序是否運行完好。其中涉及到數(shù)據(jù)存儲或信號發(fā)送的實驗都要配合CCS的單步運行來觀察寄存器及存儲器變化。在程序全速運行時可觀察示波器波形,同時也可使用CCS的圖形顯示功能和動畫運行方式觀察波形或頻譜等?；A實驗除了最基本的要求外還帶有擴展要求,一般是對demo程序進行適當?shù)男薷?或是改變 LED閃爍頻率,或是在LCD上顯示更復雜的內(nèi)容,或是運行一個與截然不同的濾波算法,或是調整串口通信波特率,或是增加輸出子程序將結果在PC機上顯示等等。而擴展實驗則作為選做內(nèi)容。整套實驗結束,學生不僅從實踐中鞏固和加深了對DSP理論課程的學習,而且學會了不同芯片的使用、掌握了DSP基本系統(tǒng)的設計與開發(fā),從而拓寬了他們在DSP系統(tǒng)及其外圍的知識面。

此外,為了進一步加強學生的硬件設計和軟件編程能力,在硬件方面,向所有學生開放了CPLD的VHDL源代碼,并鼓勵學生通過自己設計電路和修改VHDL源代碼來擴展實驗內(nèi)容;在軟件方面,使用目前國際流行的CCS V 3.3版本來取代CCS V 2版本,并鼓勵學生應用 DSP/BIOS、CSL及 RTDX等CCS組件編程[4],提高軟件編程效率。

4 綜合實驗典型示例

學生可以自擬或結合教師的科研項目和工程實際開設綜合設計型實驗項目。作為一例,本文給出一個實用性較強的綜合性實驗:將電網(wǎng)中三相共六路的電壓電流信號經(jīng)過信號調理電路后,使用AD7656進行模數(shù)轉換,然后并行送入DSP中存儲和處理運算;將采集結果送至 LCD顯示,并通過RS232將結果送至PC機。我們采用了如下過程。

(1)將輸入的模擬信號轉換成為后面信號處理部分能夠識別的信號形式。一般包括放大、整形、信號參量變換等。

(2)啟動AD7656,采用硬件同步采樣方法來采集數(shù)據(jù),這樣即可提高測量速度,也減小軟件運算量[5]。在數(shù)據(jù)采集中斷子程序中,當完成5周期采樣計算之后,需要將其計算所得的電力參數(shù)數(shù)據(jù)通過累加平均計算后存入到一個計算緩沖區(qū)中,每經(jīng)過50周期采樣后,在計算緩沖區(qū)中得到的是此50次電網(wǎng)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)要求能夠測量三相六路信號,因此采樣通道最好不少于6路,此外要求六路信號能在同一時刻被采樣,以保證各路電壓和電流的采樣數(shù)據(jù)間沒有相位延遲。對AD7656所采集數(shù)據(jù)的讀取主要通過程序對 IO空間的訪問完成。在本例中,地址為4800的IO空間被用來讀取所采集的數(shù)據(jù),A 14引腳、A 11引腳與IS引腳在CPLD中通過一定的邏輯與AD7656的片選引腳ADCS相連。當程序讀取數(shù)據(jù)時,ADCS引腳被拉低,采集到的數(shù)據(jù)通過D 15-DO引腳被送至DSP。通過訪問IO空間6次來得到AD7656所采集的六路電網(wǎng)信號數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集中斷子程序流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集中斷子程序流程圖

(3)將多通道緩沖串口 1配置為GPIO模式。將SPCR[1,2]寄存器中的(R/X)RST位配置為0和PCR寄存器中的(R/X)IOEN位配置為1,則可將多通道緩沖串口的7個相關引腳配置為GPIO。液晶模塊LCM 1286645ZK的數(shù)據(jù)通信有并行與串行兩種模式,這里選用串行方式。通過編程使BDX1引腳輸出做為液晶模塊的時鐘信號。所要發(fā)送的數(shù)據(jù)根據(jù)時序被拆分為兩個8bit數(shù)據(jù),即“數(shù)據(jù)高四位+0000”與“數(shù)據(jù)低四位+0000”,由字節(jié)發(fā)送子程序控制BFSX 1引腳傳送至液晶模塊。字節(jié)發(fā)送子程序如圖3所示。

圖3 字節(jié)發(fā)送子程序流程圖

(4)使用多通道緩沖串口 0的兩個信號BDR0,BDX0,它們和 T1OUT,T1IN在 CPLD中相連,再通過MAX232連接到PC機串口。DSP在發(fā)送數(shù)據(jù)前先通過軟件編程將數(shù)據(jù)進行編碼:先把每個待發(fā)送數(shù)據(jù)的每一位按照由低到高的順序擴展成 16 位字 ,如“0”擴展為“0000h” ,“1”擴展為“FFFFh”。這樣一個8位字符就擴展為8個16位字,再在這組數(shù)據(jù)的前面增加一個 16位數(shù)據(jù)“0000h”作為起始標志,在結尾加上一個16位數(shù)據(jù)“FFFFh”作為結束標志。設置DSP發(fā)送數(shù)據(jù)格式為每幀10字,每字16位,在發(fā)送數(shù)據(jù)時將每組10個數(shù)據(jù)作為一幀信號。

(5)本DSP實驗系統(tǒng)不僅可以支持定點型DSP開發(fā)項目,而且還可以用作信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集器等。目前,該系統(tǒng)已成功應用到我校本科生和研究生DSP實踐教學中。

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[5] Qiu-Feng Shang,Chong-Gao Du.A Novel Measu rement System of Electric Power Parameters Based on DSP and ARM..2009 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Au tomation.2009,356-353

Multifunction Experiment System for DSP Based on TMS320VC5409

SHANG Qiu-feng,LIHao,XIE Qiu-jin,CHEN Yu-yang

(North China E lectric Power University,Electronicsand Commun ication Eng ineering,Baoding 071003,China)

Tomeet the DSPSystem Design course requirement of graduate and undergraduate studentwho majored in electronic information and related majors,a experiment system based on TMS320VC5409 has been designed in this paper.The system has signal acquisition,keyboard control,LCD disp lay,serial communication,parallel communications,signal processing,offline operation and many other functions.Its characteristic of the system and hardware are introduced and the experimental system functionality and experiments contentare described,tw o comprehensiveexperiment samp les aregiven at last.In an addition to app ly to the practice of DSP teaching courses,this system can be use asa project development p latform.

DSP;TM S320VC5409;experiment content

TP15

B

1008-0686(2011)02-0057-04

2010-08-20;

2010-12-03

華北電力大學重點教改項目“突出實踐特色的電子信息課程立體化教學平臺建設”(2010011);河北省研究生教育創(chuàng)新的探索與實踐項目:“DSP與實時信號處理”課程突出實踐特色的“三結合”教學模式研究(13301004);河北省教改項目“面向卓越工程師培養(yǎng)計劃的電子技術創(chuàng)新實踐體系研究與實踐”(103051)

尚秋峰(1968-),女,博士,教授,主要從事現(xiàn)代傳感與測量技術,實時信號處理的研究,E-mail:Lindashqf@126.com

李 灝(1984-),男,碩士研究生,研究方向為現(xiàn)代傳感與測量技術,E-m ail:lightmanlee@gmail.com

謝秋金(1986-),男,碩士研究生,研究方向為現(xiàn)代傳感與測量技術,E-m ail:autum n.king@163.com

陳于揚(1986-),男,碩士研究生,研究方向為現(xiàn)代傳感與測量技術,E-m ail:team osj2008@163.com