第六章DSP应用系统设计

DSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌1第六章DSP应用系统设计一、时钟1．基础知识晶体(Crystal)晶体谐振器的简称，是一种压电石英晶体器件，具有一个固有的谐振频率，在恰当的激励作用下，以其固有频率振荡。DSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌2振荡电路(Oscillator)为晶体提供激励和检测的电路晶振(CrystalOscillator)将晶体、振荡器和负载电容集成在一起，其输出直接为一方波时钟信号。锁相环电路PLL（Phase-LockedLoops）用于对输入时钟信号进行分频或倍频的电路晶体2．哪些器件需要时钟DSPCPU时钟EMIF时钟（仅C55x和C6000系列DSP）串行通信器件UARTUSB……音频／视频器件AudioCodec器件VideoDecoder和Encoder器件……3．器件的时钟选项大多数器件片内均包含振荡电路，只需外加晶体和2个负载电容即可产生所需的时钟信号。也可禁止片内振荡电路，直接由外部提供时钟信号TIDSP更提供多种灵活的时钟选项：DSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌3片内／片外振荡器片内PLLPLL分频／倍频系数可由硬件／软件配置不同的DSP时钟可配置的能力可能不同，使用前应参考各自的数据手册4．时钟电路a．由晶体＋内部振荡器产生InternalOscillator优点：电路简单：只需晶体＋2个电容价格便宜，占地小时钟信号电平自然满足要求缺点：驱动能力差，不能同时供给其他器件使用频率范围小：20KHz～60MHz注意事项：负载电容：配置正确的负载电容C6000、C5510等DSP无OSCb．由晶振(Oscillator)产生优点：电路简单占地小频率范围宽：1MHz～400MHzDSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌4驱动能力强：可提供多个器件使用缺点：成本较高频率生产时已确定，多个独立的时钟需要多个晶振注意事项：使用时要注意时钟信号电平，一般为5V或3.3V，要求1.8V电平的时钟不能选用，如VC5401、VC5402、VC5409和F281xc．由可编程时钟芯片产生优点：电路简单、占地小：可编程时钟芯片＋晶体＋2个外部电容多个时钟输出，可产生特殊的频率值，适合于多时钟源的系统驱动能力强：可提供多个器件使用频率范围宽：最大可达200MHz缺点：成本较高，但对于多时钟源系统来说，总体成本较低注意事项：输出时钟信号电平一般为5V或3.3V常用器件：CY22381（3个独立的PLL、3个时钟输出引脚）$1.4CY2071A（1个PLL、3个时钟输出引脚）DSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌55、时钟信号电气指标频率信号电平时钟上升时间和下降时间高／低电平脉冲宽度占空比驱动能力6．时钟电路选择原则系统中要求多个不同频率的时钟信号时，首选可编程时钟芯片单一时钟信号时，选择晶体时钟电路多个同频时钟信号时，选择晶振尽量使用DSP片内的PLL，降低片外时钟频率，提高系统的稳定性C6000、C5510、C5409A、C5416、C5420、C5421和C5441等DSP片内无振荡电路，不能用晶体时钟电路DSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌6VC5401、VC5402、VC5409和F281x等DSP时钟信号的电平为1.8V，建议采用晶体时钟电路7．时钟电路设计注意事项用被动元件滤波方式给时钟电路供电，供电电源加10～100μF钽电容旁路，每个电源引脚加0.01～0.1μF瓷片电容去耦晶振、负载电容、PLL滤波器等应尽可能靠近时钟器件在靠近时钟源的地方串接10–50Ω端接电阻，以提高时钟波形的质量二、复位电路1.复位信号的作用2.需要复位信号的电路DSP存储器外围接口芯片可编程逻辑芯片……3.典型DSP复位电路简单的RC电路复位芯片：如TPS3305,TPS3308,IMP811/812三、电源设计1．DSP系统需要的电源种类TIDSP上有5类典型电源引脚：①CPU内核（CORE）电源引脚V=1.2—1.9V②I/O电源引脚DSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌7③PLL电路电源引脚④Flash编程电源引脚（仅C2000系列DSP有）⑤模拟电路电源引脚（仅C2000、C55系列DSP有）2．数字电源和模拟电源3．电源滤波旁路电容起电荷池的作用，以减少电源上的噪声大容量电容用电解电容或陶瓷电容，小旁路电容一般采用陶瓷电容通常每个电源引脚加一个旁路电容，以平滑电源的波动滤波电容器引脚越短越好DSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌84．供电方案及器件选型5．上电次序a．CPU内核先于I/O上电，后于I/O掉电b．CPU内核与I/O供电应尽可能同时，二者时间相差不能太长（一般不能＞1s，否则会影响器件的寿命或损坏器件）。C．为了保护DSP器件，应在CPU内核电源与I/O电源之间加一肖特基二极管6．电源监视与系统监视a．SVS：电源电压监视器件b．主要功能：监测电源电压，当不满足要求时，产生复位信号c．辅助功能：上电复位、手动复位、看门狗电路DSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌97．常用的SVS器件TPS3823-33：具有电压监测、上电复位、手动复位和看门狗电路TPS3809K33：仅有电压监测和上电复位功能8．电源电路实例F2812DSK四、存储器设计1．异步存储器接口SRAM、Flash、NvRAM……许多模拟／数字I/O也采用异步存储器接口形式2．同步存储器接口同步静态存储器：SBSRAM、ZBTSRAM同步动态存储器：SDRAM同步FIFODSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌10TIDSP外部存储器接口存储器类型C2000C3XC54C55C62/67C64异步存储器●●●●●●SBSRAM●●●ZBTSRAM●●SDRAM●●●同步FIFO●●●数据宽度1632168168163281632643．LF2407A存储器接口LF2407A的外部数据存储器空间为8000～FFFFH，共32KBDSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌11电路说明：a．2407A的外部程序存储器和数据存储器共用同一片SRAMb．外部程序存储器的地址空间为0000～FFFFHc．外部数据存储器的地址空间为8000～FFFFHd．SRAM必需用3.3V电压供电e．要注意SRAM的速度等级，一般选12ns为好。f．使用中要注意程序空间的重叠问题五、I/O口设计和电平转换1．利用DSP本身的I/O口资源特点：充分利用了系统资源例：LF2407ABIO，XFEVA,EVBSCICANSPIADC(用模拟输入判断数字电平)2．CPLD扩展I/O口特点：系统芯片少，保密性强DSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌123．利用小规模逻辑芯片扩展输入：74LVTH244,74LVC16244输出：74LVTH3734．可编程逻辑器件在DSP应用系统设计中的应用①为什么需要可编程逻辑电路？有许多复杂的时序逻辑用普通的门电路无法实现利用可编程逻辑电路设计可降低成本、减小体积和系统功耗可以提高系统设计的灵活性可有效提高产品的技术保密性②怎样使用可编程逻辑电路？功能设计：利用专门的工具软件如VHDL、VERILOJICHDL、ABEL等设计系统功能。性能仿真：利用逻辑仿真软件对输入/输出波形进行波形分析和仿真测试，测试精度可达0.1ns。芯片编程：利用专用工具将设计代码下载到可编程逻辑器件中。③怎样选择可编程逻辑电路？常用的可编程逻辑电路有如下几种类型：FPGA－现场可编程逻辑器件，可达100万门（gate）CPLD－复杂可变程器件，1000门～几万门GAL－通用阵列逻辑，1000门以下DSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌13PAL－可编程阵列逻辑，1000门以下④主要的供货厂商：XINLINXALTERAActelLatticeAtmelCYPRESS六、电平转换1.为什么需要电平变换DSP系统中难免存在5V/3.3V混合供电现象I/O为3.3V供电的DSP，其输入信号电平不允许超过电源电压3.3V5V器件输出信号高电平可达4.4V长时间超常工作会损坏DSP器件输出信号电平一般无需变换2.电平变换的方法：总线收发器（BusTransceiver）：常用器件：SN74LVTH245A（8位）、SN74LVTH16245A（16位）特点：3.3V供电，需进行方向控制，延迟：3.5ns，驱动：-32/64mA，输入容限：5V应用：数据、地址和控制总线的驱动总线开关（BusSwitch）常用器件：SN74CBTD3384（10位）、SN74CBTD16210（20位）特点：5V供电，无需方向控制，延迟：0.25ns，驱动能力不增加应用：适用于信号方向灵活、且负载单一的应用，如McBSP等外设信DSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌14号的电平变换2选1切换器（1of2Multiplexer）常用器件：SN74CBT3257（4位）、SN74CBT16292（12位）特点：实现2选1，5V供电，无需方向控制，延迟：0.25ns，驱动能力不增加应用：适用于多路切换信号、且要进行电平变换的应用，如双路复用的McBSPCPLD3.3V供电，但输入容限为5V，并且延迟较大：＞7ns，适用于少量的对延迟要求不高的输入信号电阻分压10KΩ和20KΩ串联分压，5V×20÷（10＋20）≈3.3V七、人机接口1．键盘设计简单按键行列式键盘2．显示器设计LED、LCD七段数码管点阵式液晶显示器图像显示器：CRTLCDELDVFD（荧光真空管显示器）DSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌15八、通信接口设计：SPI特点：I2CDSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌16CANUARTUSBC5509DSP片内集成有USB1.1功能外部扩展USB器件USB器件按传输速率分为：低速：1.5Mbps全速：12Mbps（USB1.1）高速：480Mbps（USB2.0）USB接口组成：USB发生器：实现USB的电气连接（物理层）USB串行接口引擎SIE：实现USB底层通信协议（链路层）微处理器：编程实现各种应用（应用层）新设计的DSP系统一般选用USB2.0Cypress公司是全球最大的USB接口器件的供应商，其产品系列最全，开发最方便Cypress公司USB2.0器件按实现的功能可分为USB收发器：链路层和应用层全由与之配合的处理器实现CY7C68000USB智能引擎：USB收发器＋SIE，与之配合的处理器只需实现应用层CY7C68001DSP应用系统设计华中科技大学光电子学院吴裕斌17USB控制器：USB收发器＋SIE＋MCU，与之配合的处理器只需与MCU进行数据交换CY7C68013DSP系统中一般选用USB智能引擎或USB控制器1394（firewire）：用于视频音频接口Ethernet（网络）九、A/DD/A1．通用A/D、D/ADSP应用系统中一般采用速度较高的A/D、D/A芯片，2．专用A/D、D/A视频编解码芯片：SAA7111A，SAA7121,ADV7177CCD/CIS专用数据采集芯片：AD9848十、功率接口设计电机驱动：主要是C2000系列十一、HPI接口1．HPI概念什么是HPIHost-PortInterface的缩写，即主机接口，是一种高速、异步并行接口（8／16／32位）外部主处理器通过HPI接口可以高速访问DSP的局部或全部存储空DSP应用