尚秋峰,李 灏,谢秋金,陈于扬

(华北电力大学电子与通信工程系,河北保定 071003）

基于TMS320VC5409的多功能DSP实验系统

尚秋峰,李 灏,谢秋金,陈于扬

(华北电力大学电子与通信工程系,河北保定 071003）

为满足电子信息及其相关专业本科生和研究生的“DSP系统设计”课程教学需要,本文设计了基于TMS320VC5409的实验系统。该系统具有信号采集、键盘控制、液晶显示、串行通信、并行通信、语音信号处理和脱机运行等多项功能。文中还介绍了该系统的特点及硬件组成,描述了实验系统的功能和可开设的实验内容,并给出了综合性实验示例。该系统除了可应用到DSP课程的实践教学以外,也可以作为DSP系统设计项目的开发平台。

DSP;TMS320VC5409;实验项目

近年来,随着数字信号处理技术的快速发展和广泛应用,对高校的DSP教学提出了新的要求。本文研制的基于高性能定点型DSP芯片TM S320VC5409的实验系统,由于其外围设备齐全,功能强大,不仅可用于DSP课程的实践教学,也适合DSP的应用开发。该实验系统可以为提高学生提供一个良好的设计平台。该实验系统具有如下特点。

(1)以16位定点型DSP芯片TMS320VC5409为处理核心。该芯片速度快、运算精度高、功耗小、价格低,很适合定点应用的开发;

(2)系统的逻辑控制和译码等功能由一片CPLD芯片实现,具有设计灵活和结构紧凑的特点;

(3)具有丰富的通信接口,包括主机接口(HPI),多通道缓冲串行口(McBSP);

(4)具有256K×16比特内存,32K×16比特双口RAM,256K×16比特闪存(FLASH);

(5)可以实现自启动,即系统在脱机方式下,自动运行被烧写在Flash里的程序。

1 系统的硬件组成

本系统由TMS320VC5409、39VF400A、CY7C1041、AD7656、TLC320AD50、EPM 7128AET100(CPLD)和LCM 128645ZK等芯片组成。硬件结构如图1所示。

图1 基于TMS320VC5409的多功能实验系统

(1)TMS320VC5409DSP芯片[1,2]是整个多功能实验系统的处理核心,用以控制对模拟信号的采样,进行片内RAM、片外SRAM和片外Flash的程序管理及数据调度,并通过RS232串口与PC机进行通信,在其他外设上实现相关控制与显示。

(2)AD7656是AD公司的高速高精度的模数转换芯片,它使用了AD公司专利的iCMOS工艺,拥有6个单独的16位ADC,双极性模拟输入,高达每秒250k个采样值的快速吞吐率。在本系统中,AD7656主要完成对信号的采集工作。

(3)TLC320AD50是TI公司生产的∑-Δ型单片音频接口芯片。它集成了16位A/D和D/A转换器,采样速率最高可达22.05kb/s,其采样速率可通过 TMS320VC5409编程来设置,可完成语音信号的采集回放和相关的滤波算法的实验。

(4)LCM 128645ZK作为本实验系统中的显示终端,其分辨率为128×64,并包含 64×256点的绘图区域GDRAM,内置CGRAM提供4组软件可编程的16×16点阵造字功能。该芯片具有并行与串行两种接口。本系统采用串行方式来控制其运行。

(5)39VF400A是SST公司采用CMOS工艺制成的256K×16位快闪存储器。它在系统中用于装载用户程序,可供硬件仿真和脱机运行。

整个实验系统的外部控制逻辑如片选信号、读写信号及时钟同步信号等可由一片可编程逻辑器件EPM 7128AET100完成。

2 系统各设计模块的功能

1)信号采集功能

(1)模拟信号的采集

由于TMS320VC5409和AD7656的优异特性,本系统可以非常方便快捷地完成对模拟信号的采集工作。AD7656与DSP之间采用并行接口,利用DSP的IO空间和CPLD可控制AD7656的片选信号与读写信号,来完成对AD7656的启动与配置。而数据线通过一片74245与DSP相连。当转换完成后,触发DSP的中断INT0,由中断子程序来完成对采样数据的读取。

(2)语音信号的采集与回放

语音信号的采集与回放功能由 TLC320AD50来完成,它与TM S320VC5409之间通过将多通道缓冲串口2(McBSP2)配置为SPI模式来完成二者之间的通信。AD50的时钟信号由DSP的定时器0提供,通过修改定时器0的设置就能方便地改变AD50的时钟信号。

2)通信功能

本系统具有完美的通信功能,这体现在DSP、其他微处理器及微控单元和PC机之间可以进行信息的传递。DSP与其他微处理器的通信主要通过HPI,只要将相应引脚按要求相连即可。而通过设置M cBSP则可实现与有串行接口的微控单元的通信。另外,由于 HPI接口与 McBSP都可配置为GPIO模式,只要有相应的底层协议与顶层协议的支持,就可完成与相应器件的通信工作。

3)信号的实时分析

系统以VC5409为主控和处理核心,可实时地完成信号的快速傅里叶变换,VC5409再将变换结果通过串口传送到显示模块并以图形的方式显示出来。通过对信号进行频谱分析,可以了解采集到的信号的频率结构。

4)扩展IO功能

由于DSP自身只有BIO和XF两个通用的IO引脚,在具体应用时需要进行IO的扩展。本系统主要使用两种方式来扩展其IO引脚:①功能接口配置为GPIO。DSP中的M cBSP接口和HPI接口都可通过对相应的寄存器配置来作为GPIO使用;②IO映射技术。由于DSP所独有的IO空间,可将地址线、RW引脚、IOSTRB引脚通过CPLD来完成对IO的扩展。

5)仿真/脱机运行

(1)软仿真

软仿真可用CCS(Code Com poser Studio),—种完全的集成开发环境(IDE)来实现[3]。用户可从菜单栏中选用TI的工具,对源程序进行编辑、调试和编译,并可从窗口直接看到编译的结果;既可以选择编译单个文件,也可以将所有的文件合建到一个项目中;可将C表达式和GEL函数添加到可视窗口,在每个断点处执行;也可用探针观察信号的状态或在算法上加入数据或提取数据等。

(2)硬仿真

TMS320VC5409具有符合 IEEE1149标准的片内扫描仿真接口JTAG,因而在系统外部配有硬件仿真器—XDS-PCI。这种仿真器仿真速度很高,具有标准的PCI总线接口,支持多片DSP并行调试、多种计算机操作系统和DSP片上Flash烧录。通过硬仿真,可以控制系统中每一个处理器的运行,测试每一块芯片,甚至观察每一个寄存器的状态,实现真正的在线仿真。

(3)脱机运行

系统利用外部Flash来实现 VC5409的自举,在脱机运行前通过格式转换工具把链接生成的.out文件转化成可用来烧制 EEPROM格式的数据文件,整理以后写入Flash中。将Flash的0x8000—0xFFFFH地址空间映射到DSP的数据空间地址0x8000—0xFFFFH。系统上电复位后如检测到MP/MC=0,则内部4K×16bit ROM 有效,程序自动跳转到FF80执行,并进行DSP的初始化设置。因此,烧写Flash时,要向FLASH 的FFFF单元中写入8000。这个8000是EEPROM 或Flash映射到DSP的数据空间的地址且程序代码装入的起始地址。

3 系统在教学中的应用

在DSP实验教学中,实验内容分为基础实验和扩展实验。基础实验都有事先给定的演示(demo)程序,学生只需将程序添加到所创建的工程中编译、加载并运行即可通过实验板上的LED或LCD情况判断程序是否运行完好。其中涉及到数据存储或信号发送的实验都要配合CCS的单步运行来观察寄存器及存储器变化。在程序全速运行时可观察示波器波形,同时也可使用CCS的图形显示功能和动画运行方式观察波形或频谱等。基础实验除了最基本的要求外还带有扩展要求,一般是对demo程序进行适当的修改,或是改变 LED闪烁频率,或是在LCD上显示更复杂的内容,或是运行一个与截然不同的滤波算法,或是调整串口通信波特率,或是增加输出子程序将结果在PC机上显示等等。而扩展实验则作为选做内容。整套实验结束,学生不仅从实践中巩固和加深了对DSP理论课程的学习,而且学会了不同芯片的使用、掌握了DSP基本系统的设计与开发,从而拓宽了他们在DSP系统及其外围的知识面。

此外,为了进一步加强学生的硬件设计和软件编程能力,在硬件方面,向所有学生开放了CPLD的VHDL源代码,并鼓励学生通过自己设计电路和修改VHDL源代码来扩展实验内容;在软件方面,使用目前国际流行的CCS V 3.3版本来取代CCS V 2版本,并鼓励学生应用 DSP/BIOS、CSL及 RTDX等CCS组件编程[4],提高软件编程效率。

4 综合实验典型示例

学生可以自拟或结合教师的科研项目和工程实际开设综合设计型实验项目。作为一例,本文给出一个实用性较强的综合性实验:将电网中三相共六路的电压电流信号经过信号调理电路后,使用AD7656进行模数转换,然后并行送入DSP中存储和处理运算;将采集结果送至 LCD显示,并通过RS232将结果送至PC机。我们采用了如下过程。

(1)将输入的模拟信号转换成为后面信号处理部分能够识别的信号形式。一般包括放大、整形、信号参量变换等。

(2)启动AD7656,采用硬件同步采样方法来采集数据,这样即可提高测量速度,也减小软件运算量[5]。在数据采集中断子程序中,当完成5周期采样计算之后,需要将其计算所得的电力参数数据通过累加平均计算后存入到一个计算缓冲区中,每经过50周期采样后,在计算缓冲区中得到的是此50次电网周期内的数据。由于系统要求能够测量三相六路信号,因此采样通道最好不少于6路,此外要求六路信号能在同一时刻被采样,以保证各路电压和电流的采样数据间没有相位延迟。对AD7656所采集数据的读取主要通过程序对 IO空间的访问完成。在本例中,地址为4800的IO空间被用来读取所采集的数据,A 14引脚、A 11引脚与IS引脚在CPLD中通过一定的逻辑与AD7656的片选引脚ADCS相连。当程序读取数据时,ADCS引脚被拉低,采集到的数据通过D 15-DO引脚被送至DSP。通过访问IO空间6次来得到AD7656所采集的六路电网信号数据。数据采集中断子程序流程图如图2所示。

图2 数据采集中断子程序流程图

(3)将多通道缓冲串口 1配置为GPIO模式。将SPCR[1,2]寄存器中的(R/X)RST位配置为0和PCR寄存器中的(R/X)IOEN位配置为1,则可将多通道缓冲串口的7个相关引脚配置为GPIO。液晶模块LCM 1286645ZK的数据通信有并行与串行两种模式,这里选用串行方式。通过编程使BDX1引脚输出做为液晶模块的时钟信号。所要发送的数据根据时序被拆分为两个8bit数据,即“数据高四位+0000”与“数据低四位+0000”,由字节发送子程序控制BFSX 1引脚传送至液晶模块。字节发送子程序如图3所示。

图3 字节发送子程序流程图

(4)使用多通道缓冲串口 0的两个信号BDR0,BDX0,它们和 T1OUT,T1IN在 CPLD中相连,再通过MAX232连接到PC机串口。DSP在发送数据前先通过软件编程将数据进行编码:先把每个待发送数据的每一位按照由低到高的顺序扩展成 16 位字 ,如“0”扩展为“0000h” ,“1”扩展为“FFFFh”。这样一个8位字符就扩展为8个16位字,再在这组数据的前面增加一个 16位数据“0000h”作为起始标志,在结尾加上一个16位数据“FFFFh”作为结束标志。设置DSP发送数据格式为每帧10字,每字16位,在发送数据时将每组10个数据作为一帧信号。

(5)本DSP实验系统不仅可以支持定点型DSP开发项目,而且还可以用作信号发生器、数据采集器等。目前,该系统已成功应用到我校本科生和研究生DSP实践教学中。

[1] Texas Instruments.TM S320VC5409 Digital Signal Processor[K].2004

[2] 戴明祯,周建江.TMS320C54X DSP结构、原理及应用[M].北京:航空航天大学出版社,2001

[3] 尹勇.DSP集成开发环境CCS使用指南[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003

[4] 张勇.C/C++语言硬件程序设计—基于TMS320C5000系列DSP[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006

[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

华北电力大学重点教改项目“突出实践特色的电子信息课程立体化教学平台建设”(2010011);河北省研究生教育创新的探索与实践项目:“DSP与实时信号处理”课程突出实践特色的“三结合”教学模式研究(13301004);河北省教改项目“面向卓越工程师培养计划的电子技术创新实践体系研究与实践”(103051)

尚秋峰(1968-),女,博士,教授,主要从事现代传感与测量技术,实时信号处理的研究,E-mail:Lindashqf@126.com

李 灏(1984-),男,硕士研究生,研究方向为现代传感与测量技术,E-m ail:lightmanlee@gmail.com

谢秋金(1986-),男,硕士研究生,研究方向为现代传感与测量技术,E-m ail:autum n.king@163.com

陈于扬(1986-),男,硕士研究生,研究方向为现代传感与测量技术,E-m ail:team osj2008@163.com