DSP硬件系统设计ppt课件.ppt

1,1、片内存储器 1）SRAM：共18k16bit（M0、M1、L0、L1、H0） 2）FLASH：128k16bit，分为10个扇区，5150MHz,第三讲 内容回顾,2、外设寄存器空间 1）外设帧0：支持16位或32位访问 2）外设帧1：仅支持32位访问 3）外设帧2：支持16位访问,3、外部扩展接口（XINTF） 1）分为5个独立的存储空间，提供3个片选信号； 2）每个空间可独立配置建立、有效、跟踪周期。(75-2.78MHz),2,4.1 DSP系统设计概述,DSP原理及其应用技术,DSP硬件系统设计,4.2 DSP最小系统设计,4.4 存储器接口设计,4.3 人机接口设计,4.5 实验系统简介,3,4.1 DSP系统设计概述,1、总体方案设计,5、程序固化,2、硬件电路设计,3、软件编程,4、系统调试,4,DSP系统设计流程,根据需求写出任务说明书,根据任务书确定技术指标,DSP芯片及外围芯片,总体设计确定软硬件分工,软件设计说明书,硬件设计说明书,软件编程与调试,硬件设计（.sch/ .pcb ）,系统集成,硬件调试,系统测试、样机完成、中试、产品测试与生产,5,硬件设计步骤,确定硬件方案,器件选型（查手册）,原理图设计,PCB图设计,硬件调试（结合软件）,系统分析,系统综合,6,DSP开发系统组成,XDS510 System,CCS IDE,JTAG,目标板,1）硬件开发工具；2）软件开发工具；3）DSP目标板。,7,DSP开发系统组成,CCS IDE,JTAG,目标板,仿真器,PC机,8,TI DSP 开发工具,软件开发工具: C Compiler Assembler / Linker C-Source Debugger: Code composer studio Simulator,Code Composer Studio IDE,硬件开发系统 XDS510/560 EVM F28x MCK28x DSK28x Flash programming tools,9,DSP硬件开发工具,TMS320的硬件开发工具，包括1）DSK（Develop Starter Kit）、2）EVM（Evaluate Module）；3）硬件仿真系统XDS-510/560。,XDS-510用于DSP硬件的开发仿真。同一般的单片机不同，XDS-510利用IEEE标准的JTAG接口，配合CCS软件完成对目标系统的调试和仿真。它的优点是不占用DSP的资源，真实时序，硬件通用等。,DSK提供基本的硬件平台，包括DSP、内存、A/D、D/A和标准并口，同时提供CCS软件，以及板上资源控制的示例程序。非常适合于学校教学使用，或者用于初学者参考设计。,EVM同样包括硬件平台和CCS软件平台。EVM提供了较完善的DSP开发平台，客户可以利用EVM的硬件平台测试DSP的算法，利用CCS软件编写和调试用户的程序，并且可以为客户的产品提供较好的参考设计.,10,XDS510 仿真器,并口型,USB型,ISA/PCI接口型,仿真器与目标板连接,TI公司的硬件仿真器具有标准ISA总线、PCI总线或者标准并口、USB接口。,11,TMS320F2812开发系统,CCS软件安装：Minimum Configuration 233 Mhz. or faster Pentium or compatible 600MB of free hard disk space Microsoft Windows 98SE, 2000, or XP 64MB of RAM SVGA (640 x480) color display Local CD-ROM Drive,12,TMS320F2812 DSK板,采用32位定点DSP TMS320F2812150HMz，方便实现电机控制 外扩SRAM，容量为64K x 16位（最大512K16位） 外扩RTC实时时钟 + 5128位EEPROM 外扩4通道、12位、0V+5V量程的DAC输出 1路标准RS232异步串口 1路CAN进行收发驱动，符合CAN2.0协议 2组电机控制接口,13,TMS320F2812评估板(EVM),应用：1）电机控制；2）DSP教学；3）嵌入式应用； 4）智能仪表；5）机器人控制.,JTAG,12bit, 4chs DAC,RTC5128,SRAM:64k16,USB2.0,2chsRS232/RS485/RS422,TMS320F2812,扩展总线,14,如何高效开始TI DSP的硬件开发,根据应用领域选择TI推荐的DSP类型,地址译码、IO扩展等用CPLD或者FPGA来做，将DSP的地址线、数据线、控制信号线都引进去有利于调试。,参考选定的DSP之EVM板、DSK等原理图，完成DSP最小系统的搭建 包括1）外扩内存空间；2）时钟和电源复位；3）各控制信号管脚的 连接；4）JTAG 接口的连接等;,根据具体应用需要，选择外围电路的扩展 1）一般如语音/视频、 控制等领域均有成熟的电路可以从TI网站得到； 2）外围电路与DSP的接口可参看EVM或DSK，以及所选外围电路芯片 的典型接口设计原理图； 3）最好外围电路芯片也选择TI的，这样的话硬件接口有现成原理图、 很多连DSP与其接口的基本控制源码都有。,15,4.2 TMS320F2812最小系统,76mm100mm,TMS320F2812,晶体,复位按钮,JTAG,输入：5V输出：3.3V 1.8V,电源芯片,提示：DSP最小系统板只配置了最基本的硬件。,16,4.2.1 DSP芯片的信号,控制总线： 1）片选信号：XZCS0AND1n， XZCS2n， XZCS6AND7n 2）读写信号：XWEn，XRDn，XR/Wn 3）模式选择：XMP/MC 4）DMA控制：HOLDn，HOLDAn 5）时钟信号：X1/XCLKIN，X2，XCLKOUT，XPLLDISn 6）复位与等待：XREADY，XRSn 7）外部中断信号：XINT1，XINT2，XNMI_XINT13 8）JTAG仿真信号。,F2812采用176脚的LQFP封装； 所有信号与TTL电平和3.3VCMOS电平兼容； DSP芯片的信号分类如下：,TMS320F2812,17,4.2.1 DSP芯片的信号,外设信号 1）ADC模块（23） 2）事件管理器（218） 3）SPI（4） 4）SCI（22） 5）McBSP（6） 6）CAN（2） 这些外设信号将在随后结合各个外设接口及其应用介绍。,16位数据线：XD0.15 19位地址线：XA0.18,电源（3.3V/1.8V、GND，共41个引脚）,18,F2812芯片原理图,1,2,3,4,5,5,5,6,TMS320F2812,19,4.2.2 时钟电路,石英晶体与晶体振荡器,与F2812的典型电路,晶体振荡器,石英晶体,无源的石英晶体没有电压的问题，而且价格较低。但需要用DSP片内的振荡器，信号质量略差。,有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，连接方式相对简单。缺点是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。,20,4.2.3 复位与电源电路,TMS320F2812芯片的电源电压与工作电流（非低功耗模式）: VDDIO3.3V5，IDDIO15mA VDDA 3.3V5 ，IDDA40mA VDD3VFL 3.3V5 ，IDD3VF40mA VDD1.8V5 ，IDD195mA,1,2,3,4,电源与复位电路框图,推荐的上电顺序,21,4.2.3 复位与电源电路,TPS73HD318: 双输出LDO线性调压芯片 两路固定电压输出：3.3V和1.8V； 输入电压范围410V； 每路输出电流可达750mA； 复位脉冲持续时间200ms。,1.06V,类似芯片：TPS70151（500/250mA),22,4.2.3 复位与电源电路,类似芯片：TPS70151（500/250mA),23,4.2.3 复位与电源电路,LDO(low dropout regulator)低压差调压电路框图,24,4.2.3 复位与电源电路,LDO低压差调压电路框图,25,4.2.3 复位与电源电路,LDO低压差调压电路框图,26,4.2.3 复位与电源电路,LDO低压差调压电路框图,27,4.2.3 复位与电源电路,LDO低压差调压电路框图,28,4.2.3 复位与电源电路,LDO低压差调压电路框图,29,4.2.3 复位与电源电路,30,4.2.3 复位与电源电路,31,4.2.4 JTAG仿真接口,DSP芯片上有专门用于仿真调试的信号引脚，用户只需按JTAG标准，在DSP目标板上作一接口（14芯双排插针），二者相连即可对DSP进行仿真调试。,DSP仿真器与MCU仿真器相比优点有：硬件时序即为目标系统硬件时序；仿真器不占用DSP任何资源；仿真接口与DSP引脚数和封装无关；仿真接口与DSP主频无关；仿真器硬件与DSP无关，不同系列DSP仿真器硬件相同，所不同的只是编译软件和调试软件，节省用户的开发投资。,32,JTAG仿真接口定义,F2812支持符合IEEE1149.1标准的JTAG接口来实现对DSP运行过程的实时调试。,JTAG接口信号描述,14针JTAG仿真插头,33,连接仿真器和目标板,无缓冲方式,DSP的JTAG仿真接口,3.3或5V,34,4.3 人机接口,输入设备：键盘，开关，鼠标,输出设备：显示器，指示灯，打印机,按键/按钮,拨盘开关,LED显示,LCD显示,35,通用I/O接口,使用发光二极管必须外接串连电阻，或由恒流源供电。在大多数场合，电流在225mA时，可获得足够的光输出。 发光二极管可以串联使用，但各发光二极管不带限流电阻时，不能并联使用。 正向导通电压：红色1.72.0V，橙色2.0V，绿色2.2V，黄色2.1V，蓝色和白色3.33.6V。,2V,36,独立式按键接口,0 x80004,分类：编码型键盘和非编码型键盘。,非编码型键盘又分为：1）独立式按键 软件结构简单，I/O口利用率低，使用按键不多的情况。2）行列式键盘 适于按键较多的情况。,按键去抖动方法：硬件方法：RS触发器、单稳电路软件方法：软件延迟(10ms),37,数码管显示,共阴型,共阳型,38,数码管静态显示接口,段码表,XD7.0-dp,g,.,a,0 x80003,0 x80002,0 x80001,0 x80000,39,4.4 与存储器的接口,TSSOP44,特点： 3.3V电压（3.0-3.6V） 高速（10/12/15ns） 片选无效时自动降低功耗,CY7C1021V33,40,存储器接口原理图,1,2,3,4,41,确定SRAM的地址,XINTF Zone6地址范围：0 x1000000 x180000,XINTF的地址线XA15.0直接与SRAM的地址线A15.0相连，XA18.16悬空。,42,4.5 实验系统介绍,RS232/485串行通信接口 CAN总线接口 通过SPI扩展的4路D/A转换接口 A/D转换器接口 捕获单元接口 三相PWM电路接口,43,TMS320F2812实验板,MAX3160,44,PWM功率放大器,MAX3160,45,思考题,1、简述数码管动态显示的原理，并与静态显示方法进行比较。2、简述DSP最小系统的组成？最小系统是否具有工程应用价值？3、试结合自己选定的DSP系统设计，进行总体方案设计。,46,5.1 如何选择DSP芯片？,运算速度： DSP速度一般用MIPS或MFLOPS表示，即百万次/秒钟。一般选择处理速度不要过高，速度高的DSP系统开发难度也较大。 运算精度： 对于运算精度要求很高的处理，可选择浮点DSP。定点DSP也可完成浮点运算，但精度和速度会有影响。 寻址空间： 不同系列DSP程序、数据、I/O空间大小不一，与普通MCU不同，DSP在一个指令周期内能完成多个操作，所以DSP的指令效率很高，程序空间一般不会有问题，关键是数据空间是否满足。 成本： 一般定点DSP的成本会比浮点DSP的要低，速度也较快，功耗较低。要获得低成本的DSP系统，尽量用定点算法和定点DSP。 实现方便： 浮点DSP的结构实现DSP系统较容易，不用考虑寻址空间的问题，指令对C语言支持的效率也较高。 片内外设：根据应用要求，选择具有特殊部件的DSP。如：C2000适合于电机控制；OMAP（C55ARM9）适合于多媒体外设等。,47,DSP系统的常用芯片有哪些？,1)POWER: TPS73HD3183.3/1.8V,750mA; TPS701513.3/1.8V, 500/250mA2)Flash： SST39VF400-70-256K16, 70ns, 3.3V3)SRAM：CY7C1021V33-12-64K16, 3.3V; 4)FIFO: CY7C425，CY7C42x55)Dual port：IDT70V25-8K16, 3.3V6)CPLD： Altera，Xilinx，Lattice-5V/3.3V7)PCI： PCI9080PCI2.1, 33MHz, 32bit; FPGA8)USB： CY7C68001-USB2.0, 480Mbps, 3.3V9)A/D：AD7671-16bit, 1MSPS, 5/3.3V, 并口/SPI, 电压极性和范围10)D/A：MAX5253-12bit, 12s, SPI, 3.3V, 4ch, 输出范围03V,48,5V/3.3V如何混接？,新型DSP的I/O都是3.3V的，但目前还有许多外围电路是5V的，因此在DSP系统中，经常有5V和3.3V的DSP混接问题。在这些系统中，应注意： DSP输出给5V的电路（如TTL电平的D/A），无需加任何缓冲电路；而CMOS的外设芯片必须经过电平转换。 DSP输入5V的信号（如A/D），由于输入信号的电压4V，超过了DSP的电源电压，DSP的外部信号没有保护电路，需要加缓冲，如74LVC245等，将5V信号变换成3.3V的信号。 仿真器的JTAG信号也必须为3.3V，否则有可能损坏DSP。,49,5V/3.3V如何混接？,性能参数,3. 效率：越高越好 效率Io*Vo/(Io+Iq)*Vi) *100% 压差越小，效率越高 静态电流越小，效率越高,5种常用的调整管参数对比,性能参数,4. Line Regulation（线性调整率）：越小越好 Line Regulation指的是在相同负载，不同输入电压时，输出端电压的稳定能力。 物理公式：Vo/ Vi=(1+R2/R1)/(*ga*(Ro+Rce) :调整管的增益, ga:比较放大的增益 *ga:环路增益，提高环路增益，负载越小，调整管内阻越小，线性调整 性能越好。5. Load Regulation（负载调整率）：越小越好 Load Regulation指的是在不同负载，相同输入电压时，输出端电压的稳定能力。 物理公式：Vo/ Io=(1+R2/R1)/(*ga) :调整管的增益, ga:比较放大的增益 *ga:环路增益，提高环路增益，可以提高负载调整率。 附：Line/Load Regulation测试方法： 为了减小温度影响，保证结温恒定，测试时使用低占空比的测试信号。（ 60uS脉动周期，输入电压变化，输出负载变化）,性能参数,6. Thermal Regulation（热调整率）：越小越好 指在加固定输入电压，带固定负载后的t（通常几十mS）时间内，查看输出电压的变化率。测试结果扣除前60uS的Load/Line调整率。 如：测试输入6V，负载Io=100mA, t10mS7. Temperature Stability（温度稳定度）：越小越好 指在正常工作的温度范围内，在固定输入电压，带固定负载，输出电压的变化率 AMS1084：正常工作温度结温：0150度，稳定度0.5%8. Transient Response（瞬态反应）：越小越好 指在输出电流Io突变的时候，输出电压跳变的最大电压值。 物理公式： Vtr,max=(Io,max* t1)/(Co+Cb)+ Vesr t1:第一个脉冲宽度 Co：输出滤波电容 Vesr：Co的ESR产生的电压 Cb：退耦电容 减小滤波电容ESR，增大滤波电容，减短反应时间t1，提高瞬态反应性能,性能参数,9. Ripple Rejection（纹波抑制比）：越小越好 又称为电源抑制比，是指输入电压发生变化时，输出电压的变化率，用dB表示。这个和前面的线性调整率有点相似。但是纹波抑制比加入了对输入电压变化的频率的定义。因此，更详细说是输入电压在不同按照不同频率变化时，输出电压的变化率。也就是说，提到纹波抑制比参数需要带频率参数。如：AP1122：在输入电压变化为120Hz时，纹波抑制比是60dB。右下图是纹波抑制比曲线图和线性调整率一样提高环路增益可以提高纹波抑制性能，另外使用大容值，低ESR滤波电容也可以提高性能。 ESR Equivalent Series Resistance等效串连电阻,使用注意,输出电容ESR（Tunnel of Death)： 反馈：输出电压通过电阻分压采样后和内部的参考电压一起分别送入比较放大器的”-”,”+”端，比较放大器控制调整管，保证输出电压稳定。为了保证器件工作稳定通常都是采用负反馈，也就是反馈信号和输出信号在极性相差180度。而使用中由于有相位偏移存在，实际很难保证完整的180度。一个稳定的电路，需要有20度的相位余量。由频域波特图分析外部滤波电容ESR对相位影响比较大，太大，太小都会影响器件稳定性。厂商会根据器件给出输出滤波ESR的范围（如右图）ESR取值范围在0.29欧姆。此外，容值建议1000uF，容值太大容易造成上电瞬间损坏调整管。,使用注意,2. 反馈电阻网络精度的影响： Vo=( R1+ R2)/(R1 R1)*Vref R1的精度对稳定的精度影响较大。3. 热设计： a）Junction temperature：内部半导体温度 b）Case temperature：器件外壳温度 c）Ambient temperature:环境温度 d）Thermal Resistance：热阻，每1W功耗对应的温升，单位/W，温升有相对关系，比如相对于环境温度的温升。 e）Junction to Ambient thermal Resistance( ja)：结点到环境的热阻。和IC封装，材料，PCB layout，空气对流因数相关。 f）Junction to Case thermal Resistance( jc)：结点到外壳热阻，和IC封装，材料相关。 Regulator的消耗功率Pd(Vi-Vo)*Io 器件的结温Pd*ja+环境温度 (Vi-Vo)*Io* ja+环境温度,总结,1）稳压器正常工作时，调整管工作在饱和导通区。2）最小压差： a）达林顿NPN： Vdropout=Vce(sat)+2*Vbe1.62.5V b） PNPNPN： Vdropout=Vce(sat)+Vbe0.91.3V c） PNP： Vdropout=Vce(sat)0.150.4V d） PMOS，PMOSNMOS： Vdropout=Io*Ron35350mV2）静态电流，效率：特别是手持，使用电池的设备。3）输出电压精度： a） Line Regulation（线性调整率）：越小越好 b） Load Regulation（负载调整率）：越小越好 c） Thermal Regulation（热调整率）：越小越好 d） Temperature Stability（温度稳定度）：越小越好 e） Transient Response（瞬态反应）：越小越好 f） Ripple Rejection（纹波抑制比）：越小越好4）输出电容ESR注意避开死区5）热设计考虑,