本科畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書題目 基于DSP的帶阻濾波器設(shè)計(jì) 專業(yè) 電子信息工程 學(xué)號(hào) 姓名 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：一 主要內(nèi)容工頻干擾是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的常見干擾源，它的存在對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)小信號(hào)的提取造成了較大的困難，課題要求采用DSP設(shè)計(jì)一個(gè)通用，濾波參數(shù)可以調(diào)節(jié)的帶阻式濾波器，以滿足對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)小信號(hào)提取的要求。二 基本要求1 學(xué)習(xí)濾波器的工作原理。2 學(xué)習(xí)DSP的相關(guān)知識(shí)。3 選取適合的DSP處理器，設(shè)計(jì)硬件電路。4 編寫程序?qū)崿F(xiàn)帶阻濾波器。5 設(shè)計(jì)人機(jī)交互接口。6 要求能夠方便地修改濾波參數(shù)。7 要求設(shè)計(jì)硬件原理圖。8 編寫相關(guān)程序編譯仿真通過。9 如果進(jìn)度可行，試制實(shí)際電路系統(tǒng)。10 畢業(yè)設(shè)計(jì)完成后，要求提交論文，包括詳細(xì)的設(shè)計(jì)說明、圖紙等技術(shù)資料。11 翻譯英文資料一份。三 主要參考資料1 DSP處理器及應(yīng)用，鄒彥2 數(shù)字信號(hào)處理，（美）海因斯（Hayes，M.H.），20023 有源濾波器精確設(shè)計(jì)手冊(cè)，（美）D.E.約翰遜 ，19844 高性能數(shù)字信號(hào)處理器與高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理，蘇濤等編著 ，1999完 成 期 限： 2012.02.132012.06.01 指導(dǎo)教師簽章： 專業(yè)負(fù)責(zé)人簽章： 2012 年 2 月 13 日基于DSP的帶阻濾波器設(shè)計(jì)基于DSP的帶阻濾波器設(shè)計(jì)摘 要在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)處理的過程中，有來自外界的各種噪聲干擾，其中尤以工頻干擾是最常見的干擾源。當(dāng)被檢測(cè)的信號(hào)比較弱，并且頻率也比較接近50Hz時(shí)，工頻對(duì)被測(cè)信號(hào)的干擾就越加突出，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)小信號(hào)的提取造成了很大的困難。課題擬利用數(shù)字濾波器去除工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)小信號(hào)中工頻干擾的影響。 首先依據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的特點(diǎn)，采用MATLAB仿真計(jì)算帶阻濾波器的性能指標(biāo)，得到能滿足現(xiàn)場(chǎng)提取信號(hào)要求的濾波器系數(shù)表。之后依據(jù)估計(jì)運(yùn)算量選擇相應(yīng)的DSP處理器芯片，并根據(jù)轉(zhuǎn)換精度來選擇A/D與D/A轉(zhuǎn)換器芯片，以及由于處理器內(nèi)存不足進(jìn)行FLASH、SRAM與PRAM的外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展來設(shè)計(jì)一個(gè)DSP應(yīng)用系統(tǒng)，并設(shè)定其中參數(shù)。最后在CCS開發(fā)環(huán)境下用軟件編寫程序來實(shí)現(xiàn)本課題中所需設(shè)計(jì)的帶阻濾波器。關(guān)鍵詞 帶阻濾波器 工頻干擾 DSP TMS320VC5402BASED-ON DSP DESIGN OF BAND-STOP FILTER ABSTRACTIn the industrial field of signal processing, there are all kinds of noise from outside, especially in the frequency interference is the most common sources of interference. When the detection signal is relatively weak, and the frequency close to 50Hz, the frequency the more prominent of the measured signal interference and caused great difficulties to the small-signal extraction of the industrial field. The subject intends to take advantage of the digital filter to remove the impact of the industrial field signal frequency interference.Firstly, on the basis of industry scene signal characteristics, using MATLAB simulation of the band-stop filter performance index can meet the requirements of the scene of the signal filter coefficient table. Then, based on the estimated operation corresponding to the selected DSP processor chip, and according to the conversion accuracy to choose A/D and D/A converter chip, and because the processor memory for FLASH, SRAM and PRAM external memory expansion to design a DSP application system, and set the parameters of them. Finally, in the CCS development environment to use software programming to achieve the required design of band-stop filter.KEY WORDS Band-stop filters Frequency interference DSP TMS320VC540246基于DSP的帶阻濾波器設(shè)計(jì)目 錄摘要IABSTRACTII1 緒論11.1 課題背景11.2 研究意義21.3 主要研究?jī)?nèi)容22 DSP數(shù)字濾波器關(guān)鍵指標(biāo)分析與方案設(shè)計(jì)43 DSP系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)73.1 DSP與A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的接口73.1.1 DSP與A/D轉(zhuǎn)換器的接口73.1.2 DSP與D/A轉(zhuǎn)換器的接口93.2 DSP存儲(chǔ)器的擴(kuò)展113.2.1 FLASH的擴(kuò)展113.2.2 SRAM的擴(kuò)展123.2.3 PRAM的擴(kuò)展133.3 DSP系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計(jì)143.3.1 電源電路的設(shè)計(jì)143.3.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)163.3.3 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)173.4 JTAG仿真接口電路的設(shè)計(jì)194 帶阻濾波器的DSP實(shí)現(xiàn)224.1 FFT/IFFT算法程序及應(yīng)用22基于DSP的帶阻濾波器設(shè)計(jì)4.1.1 FFT設(shè)計(jì)方法224.1.2 FFT算法的實(shí)現(xiàn)234.2 CCS開發(fā)環(huán)境244.3 帶阻濾波器的軟件設(shè)計(jì)264.3.1 帶阻濾波器的程序流程264.3.2 帶阻濾波器的實(shí)現(xiàn)28結(jié)束語(yǔ)30致謝31參考文獻(xiàn)32附錄33基于DSP的帶阻濾波器設(shè)計(jì)1 緒論1.1 課題背景目前，各種干擾在各類工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中均存在，所以儀表及控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。并且工頻干擾廣泛存在各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，其產(chǎn)生的途徑主要包括輸電饋線、照明設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)以及各種電子儀器設(shè)備等，工頻干擾的存在對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中小信號(hào)的提取造成了較大的困難。也就是說當(dāng)我們?cè)诠I(yè)現(xiàn)場(chǎng)中提取有用信號(hào)時(shí)，如果此信號(hào)比較弱，頻率比較接近50Hz時(shí)，工頻干擾就越加突出，那么它對(duì)于我們提取有用信號(hào)就會(huì)造成很大困難，致使我們可能很艱難地做一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中與此有關(guān)的操作，這也會(huì)給我們?cè)斐珊艽蟮穆闊┖蛽p失。因此，我們要設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器來濾除此工頻干擾，來解決它在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中造成的困難。并且數(shù)字濾波技術(shù)也是進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的最基本手段之一，它是對(duì)數(shù)字輸人信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)，以改善信號(hào)品質(zhì)、提取有用信息、或者把組合在一起的多個(gè)信號(hào)分量分離開來為目的。在信號(hào)處理領(lǐng)域中，對(duì)于信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性、快速性的要求越來越高。因此，在許多信息處理過程中，如對(duì)信號(hào)的過濾、檢測(cè)、預(yù)測(cè)等，都要廣泛地用到濾波器。其中數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性高、精度高、設(shè)計(jì)靈活、實(shí)現(xiàn)方便等許多突出的優(yōu)點(diǎn)，避免了模擬濾波器所無法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題。因而隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)濾波器的功能越來越受到人們的注意和廣泛的應(yīng)用。數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法大致可以分為三種：利用單片通用數(shù)字濾波器集成電路、DSP器件和可編程邏輯器件來實(shí)現(xiàn)。單片通用數(shù)字濾波器使用方便，但是由于字長(zhǎng)和階數(shù)的規(guī)格較少，不能完全滿足實(shí)際需要。使用以串行運(yùn)算為主的通用DSP芯片實(shí)現(xiàn)要簡(jiǎn)單，它是一種實(shí)時(shí)、快速、適合于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，借助于通用數(shù)字計(jì)算機(jī)，按濾波器的設(shè)計(jì)算法編出程序進(jìn)行數(shù)字濾波。由于它具有豐富的硬件資源、改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)、高速數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，使得它在通信、航空、航天、雷達(dá)、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。用可編程DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波時(shí)，可通過修改濾波器的參數(shù)十分方便地改變?yōu)V波器的特性。因此，我們有必要對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，理解其工作原理，優(yōu)化其設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)開發(fā)出穩(wěn)定性好的濾波器系統(tǒng)。我們將通過DSP設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)較為重要的數(shù)字濾波器系統(tǒng)，從而通過本課題的研究，掌握濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)，為通信、信號(hào)處理等領(lǐng)域?qū)嵱没瘮?shù)字濾波器的設(shè)計(jì)提供技術(shù)基礎(chǔ)。本課題的研究，也將為今后設(shè)計(jì)以DSP芯片為核心部件的嵌入式系統(tǒng)提供技術(shù)基礎(chǔ)，這不僅具有重要的理論意義，同時(shí)還具有重要的實(shí)際意義。1.2 研究意義隨著信息時(shí)代和數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)成為當(dāng)今一門極其重要的學(xué)科。數(shù)字信號(hào)處理(DSP)包括兩重含義：數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(Digital Signal Processing)和數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor)。數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、濾波、增強(qiáng)、壓縮、估值和識(shí)別等加工處理，借以達(dá)到提取信息和便于應(yīng)用的目的，數(shù)字信號(hào)處理主要是研究有關(guān)數(shù)字濾波技術(shù)、離散變換快速算法和譜分析方法。作為數(shù)字信息處理分支之一的數(shù)字濾波器，也受到了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，它是通信、語(yǔ)言、圖像、自動(dòng)控制、雷達(dá)、航空航天、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理等領(lǐng)域中的一種基本處理部件，具有穩(wěn)定性好、精度高、靈活性大等突出優(yōu)點(diǎn)。在數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用中，數(shù)字濾波器很重要并且得到了廣泛的應(yīng)用。按照數(shù)字濾波器的特性，它可以被分為線性與非線性、時(shí)變與時(shí)不變、因果與非因果、無限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)(IIR)與有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)(FIR)等等。IIR濾波器的特征是具有無限持續(xù)時(shí)間沖激響應(yīng)，這種濾波器一般需要用遞歸模型來實(shí)現(xiàn)，因而有時(shí)也稱之為遞歸濾波器；而FIR濾波器的時(shí)間沖激響應(yīng)只能延續(xù)一定時(shí)間，在工程實(shí)際中可以采用遞歸的方式實(shí)現(xiàn)，也可以采用非遞歸的方式實(shí)現(xiàn)，但其結(jié)構(gòu)主要還是非遞歸結(jié)構(gòu)，并且FIR濾波器很容易獲得嚴(yán)格的線性相位特性，避免被處理信號(hào)產(chǎn)生相位失真，而其線性相位體現(xiàn)在時(shí)域中僅僅是在時(shí)間上的延遲，這個(gè)特點(diǎn)在圖像信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔ㄐ蝹鬟f系統(tǒng)中是非常重要的。相對(duì)于IIR濾波器，F(xiàn)IR濾波器有著易于實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)絕對(duì)穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。 1.3 主要研究?jī)?nèi)容由于在上節(jié)已說過，工頻干擾是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的常見干擾源，它的存在對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中小信號(hào)的提取造成了較大的困難，那么本課題需采用TMS320VC5402 DSP芯片設(shè)計(jì)一個(gè)通用且濾波參數(shù)可以調(diào)節(jié)的帶阻式濾波器系統(tǒng)，如有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器，以滿足對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中小信號(hào)提取的要求。本次課題的主要任務(wù)，就是用MATLAB中的窗函數(shù)設(shè)計(jì)法來確定所要設(shè)計(jì)的帶阻濾波器的指標(biāo)和性能以及掌握DSP芯片的開發(fā)技術(shù)，需要完成如下工作。(1) 用MATLAB中的窗函數(shù)設(shè)計(jì)法來實(shí)現(xiàn)FIR帶阻濾波器：通過調(diào)用MATLAB中的窗口函數(shù)，來截取帶阻濾波器原型，以此來確定所要設(shè)計(jì)的帶阻濾波器的性能指標(biāo)，其性能指標(biāo)如下：帶阻濾波器：下通帶邊緣：，上通帶邊緣：，；下阻帶邊緣：，上阻帶邊緣：，。(2) 用時(shí)間抽取法實(shí)現(xiàn)FFT/IFFT算法：通過此算法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析、頻域處理。(3) 研究DSP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：了解TI公司的TMS320VC5402 DSP芯片，掌握DSP系統(tǒng)的構(gòu)成及軟硬件的設(shè)計(jì)方法和CCS軟件的調(diào)試方法；并以TI公司的TMS320VC5402 DSP芯片為核心處理器，在DSK上實(shí)現(xiàn)所要設(shè)計(jì)的FIR帶阻濾波器系統(tǒng)。本論文共分為四個(gè)部分，第一章為緒論部分，介紹了課題背景、DSP及其濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀；第二章介紹了DSP系統(tǒng)的框圖設(shè)計(jì)以及DSP芯片的選擇；第三章詳細(xì)介紹了DSP系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，說明了DSP系統(tǒng)有哪幾部分組成；第四章詳細(xì)介紹了課題中所要設(shè)計(jì)的帶阻濾波器的軟件實(shí)現(xiàn)方法。其中，三、四章是本論文的核心部分。2 DSP數(shù)字濾波器關(guān)鍵指標(biāo)分析與方案設(shè)計(jì)一個(gè)典型的 DSP 系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。由于DSP芯片是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的，所以應(yīng)先對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，之后再讓輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D變換后變成DSP芯片可以處理的數(shù)字信號(hào)，然后輸入DSP芯片，DSP芯片根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，處理得到的結(jié)果仍然是數(shù)字信號(hào)，可以直接通過相應(yīng)的通信接口將它傳輸出去，或者對(duì)它進(jìn)行D/A變換將其轉(zhuǎn)換為模擬采樣值，最后再經(jīng)過內(nèi)插和平滑濾波就得到了連續(xù)的模擬信號(hào)。當(dāng)然，圖中的有些環(huán)節(jié)并不是必需的，如A/D轉(zhuǎn)換，如果輸入的就是數(shù)字信號(hào)，那么就可以直接交給DSP芯片進(jìn)行處理。防混疊濾波A/D轉(zhuǎn)換DSP芯片D/A轉(zhuǎn)換平滑濾波輸入輸出圖2-1 典型的DSP系統(tǒng)框圖由于DSP系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理理論為基礎(chǔ)的，所以其具有數(shù)字信號(hào)處理器的優(yōu)點(diǎn)：l 接口方便，DSP 系統(tǒng)與其它以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容的，比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易的多。l 編程方便，DSP 系統(tǒng)中的可編程DSP芯片可以使設(shè)計(jì)人員在開發(fā)過程中靈活方便的進(jìn)行修改和升級(jí)，并且還可以將C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言結(jié)合使用。l 具有高速性，DSP系統(tǒng)的運(yùn)行速度較高，最新的DSP芯片運(yùn)行速度高達(dá)10GMIPS以上。l 穩(wěn)定性好，DSP 系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受周圍環(huán)境如噪聲、溫度等的影響小，所以其可靠性高、穩(wěn)定性好。l 精度高，如16位數(shù)字系統(tǒng)可以達(dá)到10-5的精度。l 可重復(fù)性好，模擬系統(tǒng)的性能受元件參數(shù)性能的變化影響大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不受影響，更便于測(cè)試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)。l 集成方便，DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模生產(chǎn)。當(dāng)然，DSP系統(tǒng)也存在一些缺點(diǎn)，例如對(duì)于一些簡(jiǎn)單的信號(hào)處理任務(wù)，若采用DSP芯片則使成本增加；另外，DSP 系統(tǒng)中的高速時(shí)鐘通常在幾十兆赫，可能帶來高頻干擾和電磁泄漏等問題；此外，DSP技術(shù)發(fā)展得很快，但是開發(fā)和調(diào)試工具還很不完善。雖然DSP系統(tǒng)存在這些缺點(diǎn)，但是隨著近兩年來 DSP 技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，很多問題都得到了緩解。一般來說，DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程應(yīng)遵循一定的設(shè)計(jì)流程如圖2-2所示。DSP應(yīng)用定義系統(tǒng)性能指標(biāo)硬件調(diào)試選擇DSP芯片軟件編程硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成軟件調(diào)試系統(tǒng)測(cè)試和調(diào)試圖2-2 DSP系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)流程基于第一章所述，工頻干擾是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的常見干擾源，它的存在對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中小信號(hào)的提取造成了較大的困難，因此課題要求采用DSP芯片設(shè)計(jì)一個(gè)通用且濾波參數(shù)可以調(diào)節(jié)的帶阻式濾波器，以滿足對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中小信號(hào)提取的要求。并且所設(shè)計(jì)的帶阻濾波器的性能指標(biāo)為下通帶邊緣：，上通帶邊緣：，；下阻帶邊緣：，上阻帶邊緣：，；采樣頻率：；點(diǎn)數(shù)：。TI公司的2000系列和5000系列的DSP芯片都是通用型的芯片，但考慮到2000系列的DSP芯片大多用于控制方面，5000系列的DSP芯片較2000系列的DSP芯片具有更高的時(shí)鐘頻率、更加強(qiáng)大的運(yùn)算功能和更低的價(jià)格。并且5000系列的DSP芯片具有靈活的指令系統(tǒng)和操作性能，又采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，計(jì)算和處理速度很高，系統(tǒng)單指令周期可達(dá)到10ns。并且TMS320VC5402 DSP芯片是一種特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，為了快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算，采用了流水線指令執(zhí)行結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的并行處理結(jié)構(gòu)，可在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，TMS320VC5402 DSP芯片還提供了McBSP串口和DAM數(shù)據(jù)傳送方式極大地方便了它在通信領(lǐng)域的應(yīng)用和開發(fā)。所以在數(shù)字濾波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了TI公司的這款高性能、低功耗的定點(diǎn)DSP芯片: TMS320VC5402 DSP芯片。該DSP芯片具有較快的運(yùn)行速度，并且采用了低功耗的設(shè)計(jì)方式：內(nèi)核電壓為1.8V，I/O電壓為3.3 V。數(shù)字濾波器系統(tǒng)的具體框圖如圖2-3所示。TMS320VC5402FLASHSRAMPRAMJTAGADCDAC復(fù)位時(shí)鐘電源圖2-3 數(shù)字濾波器系統(tǒng)的框圖通常的設(shè)計(jì)中會(huì)采用5V供電且并行的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)和DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)芯片與DSP芯片連接，那么傳輸數(shù)據(jù)過程中會(huì)占用總線的時(shí)間，并且需要采用多片電平轉(zhuǎn)換器件將5V電平轉(zhuǎn)換為3.3V的邏輯電平。但考慮到TMS320VC5402 DSP芯片的片上包含兩個(gè)McBSP(多通道緩沖串行口)接口，可以將這兩個(gè)通道模仿實(shí)現(xiàn)SPI的時(shí)序，那么ADC芯片可采用TLV2544，實(shí)現(xiàn)將需要的濾波信號(hào)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號(hào)；DAC芯片可采用TLV5608，實(shí)現(xiàn)濾波后的信號(hào)從數(shù)字信號(hào)恢復(fù)為所需要的模擬信號(hào)；JTAG接口供DSP芯片下載程序進(jìn)行調(diào)試。 3 DSP系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)基于第一章和第二章所述，可知所要設(shè)計(jì)的帶阻濾波器的性能指標(biāo)為下通帶邊緣：，上通帶邊緣：，；下阻帶邊緣：，上阻帶邊緣：，；采樣頻率：。指標(biāo)已確定，以下應(yīng)該先設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)的硬件電路，DSP系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)又稱為目標(biāo)板設(shè)計(jì)，是在考慮算法需求、成本、體積和功耗核算的基礎(chǔ)上完成的，主要包括DSP芯片及DSP基本系統(tǒng)、存儲(chǔ)器、數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制接口和電源處理等。那么我們就基于此來設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)。3.1 DSP與A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的接口在由DSP芯片組成的信號(hào)處理系統(tǒng)中，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器是非常重要的器件。首先輸入信號(hào)經(jīng)過濾波，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，再由DSP芯片對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行某種形式的處理，如進(jìn)行一系列的乘法-累加運(yùn)算。經(jīng)過處理后的數(shù)字信號(hào)由D/A轉(zhuǎn)換器變換成模擬信號(hào)，之后再進(jìn)行平滑濾波，得到連續(xù)的模擬波形。從上述的信號(hào)處理過程可以看出A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的作用。本節(jié)主要介紹DSP與A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的接口電路。3.1.1 DSP與A/D轉(zhuǎn)換器的接口模擬信號(hào)的采集過程是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的處理。這要用到A/D轉(zhuǎn)換器，它對(duì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和技術(shù)指標(biāo)的保證起著重要作用?；诓煌膽?yīng)用，可選用不同性能指標(biāo)和價(jià)位的芯片。對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器的選擇，主要考慮以下幾方面的因素。l 采樣頻率。一般系統(tǒng)處理的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，而輸入的信號(hào)大多是模擬信號(hào)，那么就要對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，來轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這就要先確定采樣頻率，之后根據(jù)此采樣頻率來選擇所要用到的A/D轉(zhuǎn)換器。l 轉(zhuǎn)換精度。一般系統(tǒng)要求對(duì)信號(hào)做一些處理，如FFT變換。因?yàn)镈SP芯片的數(shù)據(jù)是16位，所以最理想的精度為12位，留出四位做算法的溢出保護(hù)位。l 轉(zhuǎn)換時(shí)間。DSP的指令周期為ns級(jí)，運(yùn)算速度極快，能進(jìn)行信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。為了體現(xiàn)它的優(yōu)勢(shì)，其外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)處理速度就要滿足DSP的要求。同時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間也決定了它對(duì)信號(hào)的處理能力。l 器件價(jià)格。轉(zhuǎn)換器的價(jià)格也是選擇A/D的一個(gè)重要因素。鑒于以上因素，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的采樣頻率為10KHz，用到的DSP芯片為TMS320VC5402，為16位數(shù)據(jù)。而TI公司生產(chǎn)的TLV2544芯片，它是一種高性能、低功耗、高速(3.6s)、12位四通道串行CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并且最高采樣速率為200KSPS，采用2.75.5V單電源工作，能夠進(jìn)行信號(hào)的實(shí)時(shí)抽樣處理，其滿足系統(tǒng)的要求，所以在DSP與A/D轉(zhuǎn)換器的接口電路中選擇了TI公司的TLV2544芯片。并且該芯片為用戶提供了三個(gè)輸入端(片選、串行時(shí)鐘SCLK和串行數(shù)據(jù)輸入SDI)和一個(gè)三態(tài)輸出端(串行數(shù)據(jù)輸出SDO)的串行端口，可為流行的微處理器SPI串行端口提供了方便的4線接口。當(dāng)與DSP芯片連接時(shí)，可用一個(gè)幀同步信號(hào)FS來控制一個(gè)串行數(shù)據(jù)幀的開始。TLV2544器件除了具有高速模數(shù)轉(zhuǎn)換和多種控制功能外，還具有片內(nèi)模數(shù)多路選擇器，可選擇任意通道模擬電壓作為外部模擬輸入，也可從三個(gè)內(nèi)部自測(cè)試電壓中任選一個(gè)作為輸入。TLV2544設(shè)有內(nèi)置轉(zhuǎn)換時(shí)鐘 (OSC)和電壓基準(zhǔn)，可以采用外部SCLK作為轉(zhuǎn)換時(shí)鐘源以獲得更高的轉(zhuǎn)換速度，并有兩種不同的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓可供選擇。TLV2544工作周期的開始有兩種模式：一種是不使用FS模式(在的下降沿，F(xiàn)S=1)。在這種模式下，的下降沿為周期的開始，輸入數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿移入，輸出數(shù)據(jù)在其下降沿改變。這種模式可用于DSP系統(tǒng)，但一般用于SPI。另一種模式是使用FS模式(FS來自DSP的有效信號(hào)),常用于TMS320系列的DSP。FS 的下降沿為周期的開始，輸入數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿移入，輸出數(shù)據(jù)在其上升沿改變。TMS320VC5402芯片提供的高速、雙向、多通道帶緩沖串行端口McBSP，可用來與串行A/D轉(zhuǎn)換器直接連接。每個(gè)BSP口可工作在SPI方式和I/O方式。在I/O方式下，通過位操作可以實(shí)現(xiàn)任何串行操作，但操作過程始終占用CPU且編程較復(fù)雜。在SPI方式下，BSP口可方便地與滿足SPI/TM協(xié)議的串行設(shè)備相連。與TLV2544接口時(shí)，TMS320VC5402芯片作為SPI主設(shè)備向TLV2544提供串行時(shí)鐘、命令和片選信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無縫連接，不需要附加邏輯電路。圖3-1為TMS320VC5402與TLV2544連接示意圖。在模擬信號(hào)輸入A/D轉(zhuǎn)換器之前，要把此信號(hào)先經(jīng)過防混疊濾波器，防止輸入的模擬信號(hào)混疊?；谇懊嫠O(shè)計(jì)的帶阻濾波器，我們來確定此防混疊濾波器的截止頻率，并且我們用RC濾波器來實(shí)現(xiàn)此濾波器，假定RC濾波器中的電容，又RC濾波器的截止頻率，進(jìn)而可以得出RC濾波器中的電阻。然后將經(jīng)過防混疊濾波器的模擬信號(hào)從A1送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。圖3-1 TMS320VC5402與A/D TLV2544的接口電路TLV2544采用正常的采樣方式，通過軟件啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，和接電源電壓。該電路使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，REFP和REFM之間接入C17和C18兩個(gè)去耦電容。A/D轉(zhuǎn)換電路的工作是由DSP芯片的多通道緩沖串口BSP0來控制，BSP0通過串行輸出口BDX0發(fā)送控制字到TLV2544的SDI口，來決定其工作發(fā)送。TLV2544按DSP發(fā)出的控制字進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生后(如FIFO堆棧滿)，發(fā)出信號(hào)通知DSP接收。DSP接收到信號(hào)后，經(jīng)BDR0口讀入已轉(zhuǎn)換好的串行數(shù)據(jù)。3.1.2 DSP與D/A轉(zhuǎn)換器的接口模數(shù)接口是DSP處理系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，主要完成模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，這要用到D/A轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)根據(jù)信號(hào)頻率、精度以及是否要求自帶基準(zhǔn)電源、多路選擇器、輸出運(yùn)放等因素來選擇?；谝陨弦蛩?，由于TI公司生產(chǎn)的TLV5608芯片，其在2.75.5V單電源工作條件下是低功耗、10位串行數(shù)據(jù)D/A轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部參考電源可編程設(shè)定，設(shè)定時(shí)間在快速模式下為1s，在慢速模式下為3s，并且SPI接口與C54x系列DSP芯片兼容。所以在DSP與D/A轉(zhuǎn)換器的接口電路中選擇了TI公司的TLV5608芯片。圖3-2為TMS320VC5402與TLV5608連接示意圖。在信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)從OUTA輸出之后，此信號(hào)還需要再經(jīng)過平滑濾波器使其波形平滑，才可輸出到其他設(shè)備?；谇懊嬉笥肈SP芯片來設(shè)計(jì)帶阻濾波器，并且用到的采樣頻率，那么平滑濾波器的截止頻率，并且我們用RC濾波器來實(shí)現(xiàn)此濾波器，假定RC濾波器中的電容，又RC濾波器的截止頻率，進(jìn)而可以得出RC濾波器中的電阻。然后將經(jīng)過平滑濾波器的平滑模擬信號(hào)輸出到其他設(shè)備。圖3-2 TMS320VC5402與D / A TLV5608的接口電路通過軟件啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換，DVDD和AVDD引腳接電源電壓。該電路使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，MODE引腳接地。D/A轉(zhuǎn)換電路的工作是由DSP芯片的多通道緩沖串口BSP1來控制，BSP1通過串行輸出口BDX1發(fā)送控制字到TLV5608的DIN口，來決定其工作接收。TLV5608按DSP發(fā)出的控制字進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生后(如FIFO堆棧滿)，發(fā)出DOUT信號(hào)通知DSP轉(zhuǎn)換結(jié)束。DSP接收到DOUT信號(hào)后，經(jīng)BDR1口讀出需要轉(zhuǎn)換的串行數(shù)據(jù)。3.2 DSP存儲(chǔ)器的擴(kuò)展隨著電子技術(shù)的發(fā)展，使得大容量、低成本、小體積、低功耗、高速存取的存儲(chǔ)器得到了廣泛地應(yīng)用。對(duì)于數(shù)據(jù)運(yùn)算量和存儲(chǔ)容量要求較高的系統(tǒng)，在應(yīng)用DSP芯片作為核心器件時(shí)，由于芯片自身的內(nèi)存資源有限，往往需要存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。在進(jìn)行DSP外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展之前，必須了解DSP片上存儲(chǔ)資源，并根據(jù)應(yīng)用需求來擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。當(dāng)片上存儲(chǔ)資源不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求時(shí)，就需要進(jìn)行外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展。本節(jié)主要介紹下FLSAH、SRAM和PRAM的外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展。3.2.1 FLASH的擴(kuò)展大部分的DSP芯片程序存儲(chǔ)器空間都采用了分頁(yè)擴(kuò)展存儲(chǔ)器的方式，這樣允許訪問多達(dá)1M的程序存儲(chǔ)器空間。XPC是程序計(jì)數(shù)器擴(kuò)展寄存器，映射到數(shù)據(jù)空間的001E地址，它的值決定頁(yè)號(hào)。在硬件復(fù)位時(shí)，XPC被初始設(shè)置為0，TMS320VC5402芯片的程序存儲(chǔ)器被設(shè)置為128頁(yè)，每一頁(yè)為64K字。當(dāng)片內(nèi)RAM映射到程序空間時(shí)(OVLY=1)，程序存儲(chǔ)器的每一頁(yè)由兩部分組成，為最多32K字的公共塊和32K字的私有塊，公共塊被所有的頁(yè)共享，私有塊只能通過它所在的頁(yè)來訪問。目前，市場(chǎng)上的EPROM工作電壓一般為5V，與3.3V的DSP芯片連接時(shí)需要考慮電平轉(zhuǎn)換的問題，而且體積都很大。FLASH存儲(chǔ)器與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、使用方便，并且3.3V的FLASH可以直接與DSP芯片連接。因此，采用FLASH作為程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和固定數(shù)據(jù)是一種比較好的選擇。并且TMS320VC5402芯片為ROM型DSP芯片，用戶的運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)在掉電后不能保存，因此，DSP芯片需要擴(kuò)展FLASH存儲(chǔ)器來保存系統(tǒng)運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)?；谝陨显?，并且AM29LV400B芯片支持單電源工作，可以直接與3.3V的DSP芯片連接，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)地接口電路。因此，本課題設(shè)計(jì)中采用的FLASH存儲(chǔ)芯片是AM29LV400B芯片。圖3-3為TMS320VC5402與AM29LV400B的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路。AM29LV400B作為DSP芯片的外部程序存儲(chǔ)器，地址總線和數(shù)據(jù)總線接至DSP芯片的外部總線，片選信號(hào)接至DSP芯片的外部程序存儲(chǔ)器的片選信號(hào)，編程寫信號(hào)接至DSP芯片的讀/寫信號(hào)，復(fù)位信號(hào)接至DSP芯片的復(fù)位信號(hào)，而輸出使能信號(hào)接至DSP芯片的外部存儲(chǔ)器選通信號(hào)。圖3-3 FLASH AM29LV400B與DSP的連接當(dāng)=0時(shí)，=0、=0，選中FLASH存儲(chǔ)器，可進(jìn)行讀操作；當(dāng)=1時(shí)，=1， FLASH存儲(chǔ)器掛起，地址線和數(shù)據(jù)線呈現(xiàn)高阻。3.2.2 SRAM的擴(kuò)展C54x系列的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器最多包含64K字，除了雙存取RAM(DARAM)和單存取RAM(SARAM)以外，C54x系列器件片內(nèi)ROM還可以用軟件映射成數(shù)據(jù)ROM(DROM)。但是，這樣DSP芯片中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器還是不夠用，因此我們要擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。當(dāng)訪問的地址屬于片內(nèi)存儲(chǔ)器時(shí)，就可以進(jìn)行RAM或者數(shù)據(jù)ROM(在其有效地情況下)的訪問。當(dāng)數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)超出片內(nèi)存儲(chǔ)器范圍的地址時(shí)，器件會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)外部訪問?；谝陨纤鲈?，并且IS61LV6416芯片是一種高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其容量為64K16，分別有16位地址線和數(shù)據(jù)線，控制線包括片選信號(hào)、寫允許信號(hào)、讀選通信號(hào)、高位字節(jié)選通信號(hào)和低位字節(jié)選通信號(hào)，電源電壓為3.3V，與C54x系列外設(shè)電壓相同。因此，本課題設(shè)計(jì)中采用的SRAM存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片是IS61LV6416芯片。TMS320VC5402與IS61LV6416擴(kuò)展的SRAM連接如圖3-4所示。地址線和數(shù)據(jù)線對(duì)應(yīng)相連，由于是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展，存儲(chǔ)器的片選信號(hào)與DSP芯片的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的片選信號(hào)連接，以選通外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，而存儲(chǔ)器的寫允許端與DSP芯片的讀/寫控制端相連，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀/寫操作，并且讀選通信號(hào)、高位字節(jié)選通信號(hào)和低位字節(jié)選通信號(hào)引腳接地。圖3-4 SRAM IS61LV6416與DSP的連接3.2.3 PRAM的擴(kuò)展雖然前面已經(jīng)擴(kuò)展了FLASH外部存儲(chǔ)器作為外部程序存儲(chǔ)器，但是由于前面擴(kuò)展的FLASH外部存儲(chǔ)器的運(yùn)行速度較慢，有可能跟不上DSP 芯片的處理速度，而擴(kuò)展的PRAM外部存儲(chǔ)器的運(yùn)行速度卻能跟上DSP 芯片的處理速度，因此我們要在DSP系統(tǒng)中擴(kuò)展一個(gè)PRAM外部存儲(chǔ)器，使得擴(kuò)展的FLASH 外部存儲(chǔ)器跟上DSP芯片的處理速度?；诖?，我們選擇IS61LV6416芯片作為我們擴(kuò)展PRAM外部存儲(chǔ)器的芯片。TMS320VC5402與IS61LV6416擴(kuò)展的PRAM連接如圖3-5所示。地址線和數(shù)據(jù)線對(duì)應(yīng)相連，由于是程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展，存儲(chǔ)器的片選信號(hào)與DSP芯片的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的片選信號(hào)連接，以選通外部程序存儲(chǔ)器，而存儲(chǔ)器的寫允許端與DSP芯片的讀/寫控制端相連，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀操作，并且讀選通信號(hào)、高位字節(jié)選通信號(hào)和低位字節(jié)選通信號(hào)引腳接地。圖3-5 PRAM IS61LV6416與DSP的連接3.3 DSP系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計(jì)一個(gè)完整的DSP系統(tǒng)通常是由DSP芯片和其他相應(yīng)的外圍器件構(gòu)成的。本節(jié)主要說明了DSP硬件系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計(jì)，包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路等。3.3.1 電源電路的設(shè)計(jì)為了降低芯片功耗，TMS320C54x系列芯片大部分都采用低電壓設(shè)計(jì)，并且采用雙電源供電，即內(nèi)核電源CVDD和I/O電源DVDD。通常I/O電源采用3.3V供電，而內(nèi)核電源采用3.3V、2.5V或更低的1.8V電源。TMS320VC5402芯片的內(nèi)核電壓為1.8V。下面介紹TMS320VC5402芯片的電源電路設(shè)計(jì)。TMS320VC5402芯片采用了雙電源供電機(jī)制，以獲得更好的電源性能，其工作電壓分別為3.3V和1.8V。其中3.3V為I/O電源DVDD，主要供I/O接口使用，通常情況下可直接與外部低壓器件進(jìn)行接口，而不需要額外的電平變換電路。1.8V為內(nèi)核電源CVDD，主要為芯片的內(nèi)部邏輯提供電壓，包括CPU、時(shí)鐘電路和其他所有的外設(shè)邏輯。與3.3V電源相比，1.8V電源可以大大降低芯片功耗。由于TMS320VC5402芯片采用雙電源供電，使用時(shí)需要考慮它們的加電次序。理想情況下，DSP芯片上的兩個(gè)電源應(yīng)同時(shí)加電，但在有些場(chǎng)合很難做到。若不能做到同時(shí)加電，應(yīng)先對(duì)DVDD加電，然后再對(duì)CVDD加電，同時(shí)要求DVDD電壓不超過CVDD電壓2V。這個(gè)加電次序主要依賴于芯片內(nèi)部的靜電保護(hù)電路。TMS320VC5402芯片的電流消耗主要取決于器件的激活度，而內(nèi)核電源CVDD所消耗的電流主要取決于CPU的激活度，外設(shè)消耗的電流取決于正在工作的外設(shè)及其運(yùn)行速度。與CPU相比，外設(shè)消耗的電流通常是比較小的。時(shí)鐘電路也需要消耗一小部分電流，且這部分電流是恒定的，與CPU和外設(shè)的激活程度無關(guān)。內(nèi)核電源CVDD為器件的所有內(nèi)部邏輯提供電流，包括CPU、時(shí)鐘電路和所有外設(shè)。I/O電源DVDD只為外設(shè)接口引腳提供電壓，消耗的電流取決于外部輸出的速度，數(shù)量以及在這些輸出口上的負(fù)載電容。DSP芯片采用哪種供電機(jī)制，主要取決于應(yīng)用系統(tǒng)中提供的電源。目前，生產(chǎn)電源的芯片很多，如Maxim公司的MAX604,TI公司的TPS73xx系列等。這些芯片可分為線性芯片和開關(guān)芯片兩種，在設(shè)計(jì)中要根據(jù)實(shí)際的需要來選擇。如果系統(tǒng)對(duì)功耗要求不高時(shí)，可使用線性穩(wěn)壓芯片，其特點(diǎn)是使用方法簡(jiǎn)單，電源紋波電壓較低，對(duì)系統(tǒng)的干擾較小。若系統(tǒng)對(duì)功耗要求較苛刻時(shí)，應(yīng)使用開關(guān)電源芯片。通常情況下開關(guān)電源芯片的效率可以達(dá)到90%以上，但開關(guān)電源所產(chǎn)生的紋波電壓較高，且開關(guān)振蕩頻率在幾千赫茲到幾百千赫茲的范圍，易對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾?；谝陨显?，在電源電路的設(shè)計(jì)中選擇了TI公司的TPS73HD318芯片，此芯片提供了兩路輸出電源，輸出電壓分別為3.3V和1.8V，每路電源的最大輸出電流為750mA，并且提供兩個(gè)寬度為200ms的低電平復(fù)位脈沖，可以滿足TMS320VC5402 DSP系統(tǒng)的需要。電源電路如圖3-6所示。圖3-6 雙電源電路3.3.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)TMS320VC5402芯片的復(fù)位輸入引腳()為處理器提供了硬件初始化的方法，它是一種不可屏蔽的外部中斷，可在任何時(shí)候?qū)MS320VC5402芯片進(jìn)行復(fù)位。這個(gè)引腳上電平后可以使程序從指定的存儲(chǔ)地址FF80H開始運(yùn)行。當(dāng)時(shí)鐘電路工作后，只要在引腳上出現(xiàn)兩個(gè)外部時(shí)鐘周期以上的低電平，則芯片始終處于復(fù)位狀態(tài)。對(duì)于一個(gè)DSP系統(tǒng)而言，上電復(fù)位電路雖然只占很小的一部分，但它的好壞將直接影響整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。由于實(shí)際的DSP系統(tǒng)需要較高頻率的時(shí)鐘信號(hào)，在運(yùn)行過程中極容易發(fā)生干擾現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成系統(tǒng)死機(jī)，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。為了解決這種問題，除了在軟件設(shè)計(jì)中加入一些保護(hù)措施外，硬件設(shè)計(jì)也必須做出相應(yīng)的處理。目前，最有效的硬件保護(hù)措施是采用具有監(jiān)視功能的自動(dòng)復(fù)位電路。自動(dòng)復(fù)位電路除了具有上電復(fù)位功能外，還能監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或死機(jī)時(shí)可通過該電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位。根據(jù)以上所述，可以使用與常用的器件設(shè)計(jì)相應(yīng)的自動(dòng)復(fù)位電路，如用555定時(shí)器和計(jì)數(shù)器組成。除此之外，也可以采用專用的自動(dòng)復(fù)位集成電路，如Maxim公司的MAX706、MAX706S芯片。其中，MAX706S是一種能與具有3.3V工作電壓的DSP芯片相匹配的自動(dòng)復(fù)位電路。因此在復(fù)位電路的設(shè)計(jì)中選擇了Maxim公司的MAX706S芯片。又由于DSP芯片要求在復(fù)位信號(hào)從低到高之前，時(shí)鐘必須已經(jīng)穩(wěn)定工作了若干時(shí)間(毫秒級(jí))，同時(shí)對(duì)復(fù)位信號(hào)低電平的寬度也有要求，而且復(fù)位信號(hào)上不應(yīng)有毛刺出現(xiàn)，因此采用了圖3-7所示的復(fù)位電路。引腳6為系統(tǒng)提供的監(jiān)視信號(hào)，來自DSP芯片的輸出端TOUT0，是一個(gè)通過程序產(chǎn)生的周期不小于10Hz的脈沖信號(hào)。引腳7為低電平復(fù)位輸出信號(hào)，是一個(gè)不小于1.6s的復(fù)位脈沖，用來對(duì)DSP芯片復(fù)位。圖3-7 復(fù)位電路當(dāng)DSP處于不正常工作時(shí)，由程序所產(chǎn)生的周期脈沖將會(huì)消失，自動(dòng)復(fù)位電路將無法接收到監(jiān)視信號(hào)，MAX706S芯片將通過引腳7產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)復(fù)位，程序重新開始運(yùn)行，強(qiáng)迫系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。3.3.3 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路用來為TMS320VC5402芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，由一個(gè)內(nèi)部振蕩器和一個(gè)鎖相環(huán)PLL組成，可通過晶振或者外部的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。TMS320VC5402芯片提供了兩個(gè)時(shí)鐘管腳X2和X1。其中，X2又稱CLKIN，是一個(gè)輸入管腳，而X1是一個(gè)輸出管腳，其時(shí)鐘發(fā)生器允許設(shè)計(jì)者選擇時(shí)鐘源。為DSP芯片提供的時(shí)鐘一般有兩種方法：一種是使用外部時(shí)鐘源的時(shí)鐘信號(hào)，將外部時(shí)鐘信號(hào)直接加到DSP芯片的X2/CLKIN引腳，而X1引腳懸空。外部時(shí)鐘源可以采用頻率穩(wěn)定的晶體振蕩器，具有使用方便，價(jià)格便宜，因而得到廣泛應(yīng)用。另一種方法是利用DSP芯片內(nèi)部的振蕩器構(gòu)成時(shí)鐘電路，也就是在X1和X2/CLKIN引腳之間接入一個(gè)晶體來啟動(dòng)DSP芯片內(nèi)部振蕩器，如圖3-8所示。選用的晶振Y為10MHz。圖3-8 時(shí)鐘電路DSP芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)的時(shí)鐘和分頻電路，可以直接對(duì)內(nèi)部和外部的時(shí)鐘進(jìn)行分頻，作為DSP芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘，這種模式稱為DIV模式。另外，DSP芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)具有鎖相環(huán)PLL電路，鎖相環(huán)PLL電路具有頻率放大和時(shí)鐘信號(hào)提純的作用，利用鎖相環(huán)PLL電路的鎖定特性可以對(duì)時(shí)鐘頻率進(jìn)行鎖定，為芯片提供高穩(wěn)定頻率的時(shí)鐘信號(hào)。除此之外，鎖相環(huán)還可以對(duì)外部時(shí)鐘頻率進(jìn)行倍頻，使外部時(shí)鐘源的頻率低于CPU的機(jī)器周期，以降低因高速開關(guān)時(shí)鐘所引起的高頻噪聲。當(dāng)外部時(shí)鐘輸入后，通過內(nèi)部鎖相環(huán)PLL電路可以倍頻到所需要的工作頻率。鎖相環(huán)PLL電路的啟動(dòng)有兩種方式：(1) 硬件控制，可以通過DSP芯片的CLKMD1、CLKMD2、CLKMD3三個(gè)引腳來設(shè)置，DSP芯片上電復(fù)位時(shí)，根據(jù)此三個(gè)引腳的電平來設(shè)定鎖相環(huán)PLL的工作狀態(tài)，并啟動(dòng)鎖相環(huán)PLL工作。(2) 軟件編程控制，通過讀寫DSP芯片內(nèi)部的時(shí)鐘模式寄存器(CLKMD)可以完成鎖相環(huán)PLL電路的設(shè)定。要改變鎖相環(huán)PLL的倍率，必須先把時(shí)鐘模式從PLL模式切換到DIV模式，然后再切換到新的倍率的PLL模式，不允許從一種PLL倍率直接切換到另一種PLL倍率。表3-1為TMS320VC5402芯片時(shí)鐘模式設(shè)定。表3-1 時(shí)鐘模式設(shè)定CLKMD1 CLKMD2 CLKMD3CLKMD RESETVALUECLOCK MODE0 0 00000H1/2 (PLL disabled)0 0 19007HPLL100 1 04007HPLL51 0 01007HPLL21 1 0F007HPLL11 1 10000H1/2 (PLL disabled)1 0 1F000H1/2 (PLL disabled)0 1 1-Rserved(Bypass mode)3.4 JTAG仿真接口電路的設(shè)計(jì)對(duì)于大部分處理器而言，JTAG接口共提供了7個(gè)信號(hào)，即TCK、TDI、TDO、TMS、TRST、EMU0和EMU1。其中，TCK是仿真器發(fā)向目標(biāo)板的時(shí)鐘信號(hào)；TDI為數(shù)據(jù)輸入，即數(shù)據(jù)由仿真器端傳向目標(biāo)板；TDO為數(shù)據(jù)輸出，其方向與TDI相反，即數(shù)據(jù)由目標(biāo)板傳向仿真器端；TMS為測(cè)試模式選擇，信號(hào)由仿真器發(fā)起，目標(biāo)板為接收端；TRST是仿真器發(fā)起的復(fù)位信號(hào)，用于JTAG仿真模式的復(fù)位；EMU0和EMU1用于對(duì)多處理器的目標(biāo)板進(jìn)行仿真。由于TMS320VC5402提供了片上JTAG接口，方便了仿真調(diào)試，只需將DSP芯片上的TCK、TDI、TDO、TMS、EMU0、EMU1共7個(gè)引腳接出，做成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的14針插座，就可以供仿真器調(diào)試目標(biāo)板。JTAG仿真接口電路如圖3-9所示。圖3-9 JTAG仿真接口電路我們所設(shè)計(jì)的DSP系統(tǒng)用到的DSP芯片為TMS320VC5402。為了保證該芯片能夠正常穩(wěn)定工作，需要對(duì)它的引腳進(jìn)行配置。所謂引腳的配置，是將相應(yīng)的引腳按照正確的邏輯狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，即用10K電阻上拉到高電位，使引腳置為邏輯1；或?qū)⒁_直接接地，置為邏輯0。TMS320VC5402引腳配置主要有：l 為了保證用戶編寫的程序能夠從外部FLASH引導(dǎo)到DSP芯片內(nèi)存儲(chǔ)器中，DSP芯片應(yīng)設(shè)置為計(jì)算機(jī)模式，引腳應(yīng)下拉接地，設(shè)置為邏輯0。l 為了避免DSP芯片在程序運(yùn)行中出現(xiàn)不正確的跳轉(zhuǎn)，應(yīng)將和上拉為1，設(shè)置為邏輯1。l 為了防止DSP芯片出現(xiàn)意外停止響應(yīng)和額外插入等待周期，應(yīng)將和READY引腳上拉為1，設(shè)置為邏輯1。l 時(shí)鐘電路采用內(nèi)部時(shí)鐘源，時(shí)鐘模式設(shè)置為2。時(shí)鐘模式引腳CLKMD1上拉為1，設(shè)置為邏輯1，CLKMD2和CLKMD3下拉為0，設(shè)置為邏輯0，而時(shí)鐘引腳X1和X2/CLKIN外接晶體。綜上所述，TMS320VC5402的基本引腳連接如圖3-10所示。圖3-10 TMS320VC5402的基本引腳連接4 帶阻濾波器的DSP實(shí)現(xiàn)基于前面幾章所述，我們所設(shè)計(jì)的帶阻濾波器的性能指標(biāo)為下通帶邊緣：，上通帶邊緣：，；下阻帶邊緣：，上阻帶邊緣：，；采樣頻率：。并且上一章已經(jīng)介紹了實(shí)現(xiàn)帶阻濾波器的DSP系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，進(jìn)而這一章我們來介紹實(shí)現(xiàn)帶阻濾波器的CCS軟件設(shè)計(jì)。4.1 FFT/IFFT算法程序及應(yīng)用FFT/IFFT在數(shù)字信號(hào)處理中是一種非常重要的算法，在很多的應(yīng)用領(lǐng)域，如xDSL調(diào)制器、數(shù)字電視、手持無線接收裝置中都有用到。它可以直接用來分析信號(hào)的頻譜；利用快速卷積求解FIR濾波器的輸出。正是由于FFT有著這些用途，并考慮到對(duì)濾波器參數(shù)的判定，以及今后繼續(xù)開發(fā)其他通訊軟件時(shí)的應(yīng)用，編寫了FFT子程序，這樣既可以直接演示信號(hào)頻譜，也可以把子程序嵌入到主程序之中，進(jìn)行頻譜分析與計(jì)算。4.1.1 FFT設(shè)計(jì)方法FFT是DFT的一個(gè)快速算法，是為了減少DFT計(jì)算次數(shù)的一種快速有效的算法。它是將DFT分解開來進(jìn)行運(yùn)算，理論上是一致的，只是通過分解DFT運(yùn)算來達(dá)到減少運(yùn)算量的目的。其突出的優(yōu)點(diǎn)在于能快速高效地和比較精確地完成DFT的計(jì)算。利用一定的運(yùn)算結(jié)構(gòu)變換，將N點(diǎn)的DFT 轉(zhuǎn)化成多個(gè)小的點(diǎn)數(shù) DFT 的運(yùn)算，再利用的周期性和對(duì)稱性，就能大大減少計(jì)算量。FFT 算法將長(zhǎng)序列的DFT分解為短序列的DFT，比如N點(diǎn)的DFT先分解為2個(gè)N/2點(diǎn)的DFT，每個(gè)N/2點(diǎn)的DFT又分解為N/4點(diǎn)的DFT，如此這般下去就可以了。這里最小的變換點(diǎn)數(shù)就是基數(shù)，因此，基數(shù)為2的FFT算法的最小變換或稱蝶形變換就是2點(diǎn)的DFT，是最基本的運(yùn)算單位。一般N點(diǎn)FFT對(duì)應(yīng)于N個(gè)輸入樣值，有N個(gè)頻域樣值與之對(duì)應(yīng)。DFT分解法基本上分為兩類：一類是將時(shí)間序列(n為時(shí)間標(biāo)號(hào))進(jìn)行逐次分解，由此得到的FFT算法稱為按時(shí)間抽取(Decimation-in-time)算法；另一類是將傅立葉變換序列(k為頻率標(biāo)號(hào))進(jìn)行分解，叫做按頻率抽取(Decimation-in