TMS320VC5402最小系统原理图设计

1.DSP简介1.1DSP的应用领域在近20多年时间里，DSP芯片的应用已经从军事、航空航天领域扩大到信号处理、通信、雷达、消费等许多领域。主要应用有信号处理、通信、语音、图形、图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等。DSP主要应用市场为3C领域，占整个市场需求的90%。数字蜂窝电话是DSP最为重要的应用领域之一。由于DSP具有强大的计算能力，使得移动通信的蜂窝电话重新崛起，并创造了一批诸如GSM、CDMA等全数字蜂窝电话网。在Modem器件中，DSP更是成效卓著，不仅大幅度提高了传输速率，且具有接收动态图像能力。另外，可编程多媒体DSP是PC领域的主流产品。以XDSLModem为代表的高速通信技术与MPEG图像技术相结合，使得高品位的音频和视频形式的计算机数据有可能实现实时交换。目前的硬盘空间相当大，这主要得益于CDSP（可定制DSP）的巨大作用。预计在今后的PC机中，一个DSP即可完成全部所需的多媒体处理功能。DSP也是消费类电子产品中的关键器件。由于DSP的广泛应用，数字音响设备的更新换代周期变得非常短暂。用于图像处理的DSP，一种用于JPEG标准的静态图像数据处理；另一种用于动态图像数据处理。1.2DSP的特点DSP芯片是模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用微处理器，其处理速度比最快的CPU还快10-50倍，具有处理速度高、功能强、性能价格比好以及速度功耗比高等特点，被广泛应用于具有实时处理要求的场合。DSP系统以DSP芯片为基础，具有以下优点。1．高速性，DSP运行速度高达1000MIPS以上2．编程方便，可编程DSP可使设计人员在开发过程中灵活方便的对软件进行修改和升级。3．稳定性好，DSP系统以数字处理为基础，受环境温度及噪声的影响比较小，可靠性高。4．可重复性好，数字系统的性能基本上不受元器件参数性能的影响，便于测试、调试和大规模生产。5．集成方便，DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。6．性价比高,常用的DSP价格在5美元以下。2.TMS320VC5402的硬件资源TMS320VC5402是TI的第七代DSP产品之一，它具有优化的CPU结构，内部有1个40位的算术逻辑单元(包括一个40位的桶式移位寄存器和2个独立的40位累加器)，一个17×17的乘法器和一个40位专用加法器，16K字RAM空间和4K×16bitROM空间。共20根地址线，可寻址64K字数据区和1M字程序区，具有64KI/O空间。处理速度为l00MIPS，速度高、功耗低。TMS320VC5402采用修正的哈佛结构和8总线结构(4条程序/数据总线和4条地址总线)，以提高运算速度和灵活性。在严格的哈佛结构中，程序存储器和数据存储器分别设在两个存储空间，这样，就允许取址和执行操作完全重叠。修正的哈佛结构中，允许在程序和数据空间之间传送数据，从而使处理器具有在单个周期内同时执行算术运算、逻辑运算、位操作、乘法累加运算以及访问程序和数据存储器的强大功能。与修正的哈佛结构相配合，TMS320VC5402还采用了一个6级深度的指令流水线，每条流水线之间彼此独立，在任何一个机器周期内可以有1至6条不同的指令在同时工作，每条指令工作在不同的流水线上，使指令的执行时间减小到最小和增大处理器的吞吐量。TMS320VC5402的硬件结构具有硬件乘法器、8总线结构、功能强大的片内存储器配置和低功耗设计的特点。因此，可以进行高速并行处理，同时，集成度高可节省硬件开销，提高系统抗干扰性。它除了完成数字信号处理任务外，还可以兼顾通用单片机的操作任务，因此，它是集数字信号处理与通用控制电路于一体的多功能低功耗微处理器。综上所述VC5402的CPU结构特征如下。(1)具有高性能的改进的哈佛总线结构，即具有三条独立的16bit数据存储器总线和一条16bit的程序存储器总线。(2)具有一个40bit的算术逻辑单元，包括一个40bit的筒形移位器和两个独立的加法器。(3)17×17bit的并行乘法器与专用的40bit加法器相结合。(4)具有专用于Viterbi蝶形算法的比较、选择、和存储单元(CSSU)。(5)指数译码器可以在一个指令周期内求一个40bit累加数的指数值，这里的指数定义为累加器中没有数据占用的位数的个数减去8。(6)两个地址发生器、八个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术单元(ARAU)。3.TMS320VC5402最小系统设计3.1系统硬件组成基于TMS320C5402最小系统系统框图。此最小系统主要由时钟及复位电路、JTAG仿真调试接口电路以及供电系统，外加WATCHDOG电路等模块构成。系统框图如下：图3.1最小系统框图3.2各功能模块设计3.2.15V电源产生电路设计此电路主要功能是将220V的市电经变压器降成9V交流电，通过整流桥整流、电容滤波、再通过三端集成稳压器78L05输出稳5V电压，为TPS73HD318提供5V输入。电路连接图如下。图3.2.1电源产生电路原理图3.2.2复位和WATCHDOG电路设计通过按钮实现复位操作。当按钮按下时，将电容C12上的电荷通过按钮串接的电阻R3释放掉，使电容C12上的电压降为0。当按钮松开时，由于电容C12上的电压不能突变，所以通过电阻R2进行充电，充电时间由R2C12的乘积值决定，一般要求大于5个外部时钟周期，可根据具体情况选择。这样就可以实现手动按钮复位。看门狗电路起着监视DSP动作的作用。系统在运行过程中通过I/O输出给看门狗的输入端WDI脚正脉冲，两次脉冲时间间隔不大于1.6s，则引脚永远为高电平，说明DSP程序执行正常。但如果程序跑飞，就不可能按时通过I/O输出发出正脉冲。当两次发出正脉冲的时间间隔大于1.6s时，看门狗便使置为低电平，将使系统复位。两模块的连接方式如图所示。图3.2.2复位电路原理图3.2.3时钟电路和JTAG仿真调试接口电路设计TMS320VC5402提供了两个时钟管脚X2和Xl。X2又称CLKIN，是一个输入管脚，而X1是一个输出管脚，其时钟发生器允许设计者选择时钟源。一是在X1和X2/CLKIN之间接一晶振来启动DSP内部晶振，如下图所示，二是将外部时钟直接接到时钟管脚X2，X1悬空。本系统采用第一种时钟电路，选用的晶振M1为20MHz,利用DSP芯片内部的振荡器构成时钟电路，在芯片的Xl和X2/CLKIN引脚之间接入一个晶体，用于启动内部振荡器。图3.2.3.1典型时钟电路目前流行的DSP都备有标准的JTAG（JointTestActionGroup）接口，主要用于在线仿真调试。本设计中DSP和仿真器之间的连接电缆超过6in，将数据传输脚加上驱动，此上拉电阻取10K。两模块与TMS320C5402的连接方式如图所示。图3.2.3.2时钟电路和JTAG接口原理图3.2.4TMS320C5402的电源设计包括TMS320VC5402在内的TMS320C54X系列DSP大部分采用低电压供电方式，可以大大降低DSP芯片的功耗。TMS320C5402的电源分两种，即内核电源(CVDD)和I/O电源(DVDD)。其中I/O电源一般采用3.3V电压而内核电源分为2.5V或更低，降低内核电压的主要目的是降低功耗。TMS320VC5402的内核电压为1.8V。下面介绍TMS320VC5402的电源设计。1.电源电压结构及要求TMS320VC5402采用了双电源供电机制，以获得更好的电源性能，其工作电压为3.3V和1.8V。其中，1.8V主要为该器件的内部逻辑提供电压，包括CPU和其他所有的外设逻辑。与3.3V供电相比，1.8V供电大大降低功耗。外部接口引脚仍然采用3.3V电压，便于直接与外部低压器件接口，而无需额外的电平变换电路。TMS320VC5402的电流消耗主要取决于器件的激活度，CVDD消耗的电流主要决定于CPU的激活度。外设消耗的电流决定于正在工作的外设及其速度。与CPU相比，外设消耗的电流是比较小的。时钟电路也需要消耗一小部分电流，且这部分电流是恒定的，与CPU和外设的激活程度无关。CVDD为器件的所有内部逻辑提供电流，包括CPU、时钟电路和所有外设。DVDD只为外部接口引脚提供电压，消耗电流取决于外部输出的速度和数量，及在这些输出口上的负载电容。如图3-1所示，电压转换芯片TPS767D318属于线性降压型DC／DC变换芯片，可以由5V电源同时产生两种不同的电压(3.3V、1.8V或2.5V)，其最大输出电流为750mA，可以同时满足一片DSP芯片和少量外围电路的供电需要，可以满足TMS320VC5402最小系统的需要。2.其设计原理图如下图所示。图3.2.4TMS320C5402电源原理图4.系统设计原理图5.系统PCB图6.心得体会本次课程设计虽然结束了，但是它留给我的印象是不可磨灭的。无论我以后是否涉及到此方面的研究，我想，至少我掌握了一种系统的研究方法，学习的目的就在于运用。万事相通，本次课程设计必将为我以后的学习与工作奠定坚实的基础，课程设计中锻炼出来的能力是终身受益的。我真心的感谢本次课程设计，它教会我很多。作为一个电信本科生，掌握DSP系统的设计技术是非常重要的，通过对本课题的学习，了解了DSP系统的设计及应用，锻炼独立设计电路的能力和动手能力。这次课程设计我学到了很多东西，尤其是做好一件事实在是不容易，特别是在准备不足的情况下，更是难上加难。我学会了怎么在浩瀚如海的大堆资料里搜集自己所需要的东西，怎样与人沟通去完成一件事。然而我也看到了自身地不足，专业知识不是很过硬，缺乏对问题地分析能力,还有自己知识储备的不足,使得搞课程设计时,不知从何处下手.因此从现在开始我要认真地学好专业知识以及其他相关知识，充实自己。参考文献[1]汪安民．TMS320C54xxDSP实用技术．北京：清华大学出版社，2002张雄伟．DSP[2]芯片的原理与开发应用．北京：电子工业出版社，2003[3]张雄伟．DSP集成开发与应用实例．北京：电子工业出版社，2002[4]朱铭锆．DSP应用系统设计．北京：电子工业出版社，2002[5]李利．DSP原理及应用.北京：中国水利水电出版社，2004[6]邹理和．数字滤波器.北京：清华大学出版社，1995