DSP5509液晶显示和动态音乐喷泉.doc

电气信息工程学院DSP技术与综合训练大作业班 级 姓 名 学 号 指导老师 2012年 09月 目 录引 言-2 第一章 DSP技术概述-4 1.1 DSP系统总体设计-4 1.2 DSP硬件设计-4 1.3 DSP软件设计-6 1.4 课程设计的意义和目的-6第二章 DSP硬件部分设计-7 2.1 硬件设计任务概述-7 2.2 硬件总体方案设计-7 2.3 基于protel的模块原理图设计-8 2.4 硬件成果描述与分析-12第三章 DSP软件部分设计-13 3.1 软件设计任务概述-13 3.2 软件设计思路-13 3.3 软件编写流程图-13 3.4 源程序的编写及分析-14 3.5 软件成果描述与分析-31第四章 课程设计体会与心得-32参考文献-33附录 pcb板图-34引 言 数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来，数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的桥梁。数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如，在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。数字信号处理的实现方法一般有以下几种： (1)在通用的计算机（如PC机）上用软件（如Fortran、C语言）实现； (2) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现； (3)用通用的单片机（如MCS-51、96系列等）实现，这种方法可用于一些不太复杂的 数字信号处理，如数字控制等； (4)用通用的可编程DSP芯片实现。与单片机相比，DSP芯片具有更加适合于数字信号 处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法； (5)用专用的DSP芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高，用通用 DSP芯片很难实现，例如专用于FFT、数字滤波、卷积、相关等算法的DSP芯片，这 种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无需进行编程。 在上述几种方法中，第1种方法的缺点是速度较慢，一般可用于DSP算法的模拟；第2种和第5种方法专用性强，应用受到很大的限制，第2种方法也不便于系统的独立运行；第3种方法只适用于实现简单的DSP算法；只有第4种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。虽然数字信号处理的理论发展迅速，但在20世纪80年代以前，由于实现方法的限制，数字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到20世纪70年代末80年代初世界上第一片单片可编程DSP芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地说，DSP芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。 DSP系统可以有各种各样的形式。例如，它可以是麦克风输出的语音信号或是电话线来的已调数据信号，可以是编码后在数字链路上传输或存储在计算机里的摄像机图像信号等。输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行A/D（Analog to Digital）变换将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息不丢失，抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2倍。DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作（MAC）。数字处理是DSP的关键，这与其他系统（如电话交换系统）有很大的不同，在交换系统中，处理器的作用是进行路由选择，它并不对输入数据进行修改。因此虽然两者都是实时系统，但两者的实时约束条件却有很大的不同。最后，经过处理后的数字样值再经D/A（Digital to Analog）变换转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。必须指出的是，上面给出的DSP系统模型是一个典型模型，但并不是所有的DSP系统都必须具有模型中的所有部件。如语音识别系统在输出端并不是连续的波形，而是识别结果，如数字、文字等；有些输入信号本身就是数字信号（如CD：Compact Disk），因此就不必进行模数变换了。数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点： (1)接口方便。DSP系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的， 与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得多； (2)编程方便。DSP系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对 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，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性 高； (4) 精度高。16位数字系统可以达到 的精度； (5)可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本不受 影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； (6)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。 当然，数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理任务，如与模拟交换线的电话接口，若采用DSP则使成本增加。DSP系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且DSP系统消耗的功率也较大。此外，DSP技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。 虽然DSP系统存在着一些缺点，但其突出的优点已经使之在通信、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。第一章 DSP技术概述1.1 DSP系统总体设计设计DSP系统之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标、信号处理的要求，通常可用数据流程框图、数学运算序列、正式的符号或自然语言来描述。第二步是根据系统的要求进行高级语言的模拟。一般来说，为了实现系统的最终目标，需要对输入的信号进行适当的处理，而处理方法的不同会导致不同的系统性能，要得到最佳的系统性能，就必须在这一步确定最佳的处理方法，即数字信号处理的算法，因此这一步也称算法模拟阶段。 (1)具体技术指标主要包括以下内容：1）由信号的频率决定的系统的采样频率。2）由采样频率确定完成任务书中最复杂的算法所需的最大时间以及系统对实时程度的要求，判断新帖是否能完成这项工作。3）由数量及程序的长短决定片内RAM的容量，是否需要扩展片外RAM及片外RAM的容量。4）由系统所要求的精度决定是16位还是32位，是定点还是浮点运算。5）根据系统是用于计算机还是用于控制，以此决定对输入输出端口的要求。(2)DSP应用系统设计的一般步骤：DSP应用定义系统性能指标选择DSP芯片软件编辑硬件设计软件调试硬件调试系统测试和调试系统集成 图1 DSP系统设计流程图1.2 DSP硬件设计DSP硬件设计包括：硬件方案设计、DSP及周边器件选型、原理图设计、PCB设计及仿真、硬件调试等。（1）、系统框图规划硬件设计的前提需要做的一件事是对整个系统的资源进行规划，最终得到系统的资源分配表，通过资源分配表我们可以清晰地看到程序空间、数据空间、图像输入口等资源的地址。经过对系统资源的规划，我们的硬件设计才能够有整体的规划，不然设计出来的原理图就是非常盲目的“无源之水”。（2）、DSP及周边器件选型 除选择DSP芯片外，一般还要考虑选择A/D、D/A、内存、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等基本部件。（3）、器件的选型原则DSP芯片：根据是用于控制目的还是用于计算目的，选择不同厂家、不同系列、不同工作频率、不同工作电压、不同工作温度以及是采用定点型芯片还是浮点型芯片。A/D转换：根据采样频率、精度确定A/D型号，以及是否要求片上自带采样保持器、多路器、基准电源等。D/A变换：信号频率、精度、是否要求基准电源、多路器、输出运放等。内存：内存包括RAM、EPROM，在TMS320C6000等产品中还有SDRAM、SBSRAM。主要考虑工作频率、内存容量位长、接口方式、工作电压。通信接口：一般DSP系统都要求能与其他系统通信。根据通信的速率决定采用的通信方式，采用串口只能达到19.2Kbit/s，并口可达到达1Mbit/s以上，如果速率更高，则应采用总线通信。总线选择：有PCI、ISA、现场总线、3Xbus等。根据使用场合、数据传输速率的高低选择。 电源选取：电压高低要匹配，电流容量要足够。（4）、硬件原理图设计 原理图的设计是关键的一步，在原理图的设计时必须清楚的了解器件的使用和系统的开发，对于些关键的环节有必要做一定的仿真。原理图设计的成功与否，是DSP系统能否正常工作的最重要的一个因素。 原理图设计时，应重点注意以下几点： (1)时钟电路。DSP时钟可由外部提供，也可由板上的晶振提供。因为使用外部时钟时，时钟的精度高、稳定性好、使用方便。因此，若采用外部时钟，选择晶振时应对其稳定性做全面的检验，以便DSP系统可靠地工作。 (2)复位电路。对于复位电路，应确保复位低电平时间足够长并且稳定性良好，防止DSP误复位。 (3)在DSP电路中，对所有的输入信号必须有明确的处理，不能悬浮或置之不理。（5）、PCB板的设计 PCB图的设计，可用protel实现。PCB即印刷电路板，PCB的设计要求设计人员清楚 布线工艺和系统原理图。 （6）、硬件调试。1.3 DSP软件设计 TMS320VC5509是TI推出的高性能的定点的DSP，最高可以运行在144MHz的主频，它基于TMS320C55x DSP的核，因而具有高效且低功耗的特点，适合便携设备使用。C5509采用统一编址的方式来划分存贮空间，程序与数据总线均能对其访问。从而使C5509便于大量数据的处理与程序的优化。C5509片内集成了128K 16Bits的SRAM，并具有EMIF接口，可以与SDRAM无缝连接。 (1)、用汇编语言、c语言或汇编语言和c语言的混合编程来编写程序，然 后把它们分别转化成TMS320的汇编语言并送到汇编语言编译器进行编译，生成 目标文件。 (2)、将目标文件送入链接器进行链接，得到可执行文件。 (3)、将可执行文件调入到调试器进行调试，检查运行结果是否正确，如果 正确进入第四步，如果不正确则返回第一步。 (4)、进行代码转换，将代码写入EEPROM，并脱离仿真环境运行程序，检 查结果是否正确。 （5)、软件测试，如果测试结果合格，则软件调试完毕，如果不合格，返回 第一步。1.4 课程设计的意义和目的 DSP应用系统设计是一门以实践为主的技术类专业选修课，课程的教学目的是使学生了解DSP及DSP控制器的发展过程及其特点，使学生较熟练地在硬件上掌握DSP及DSP硬件器的结构、各部件基本工作原理，在软件上掌握DSP的指令系统、程序设计方法，学会TMS320系列中1至2种DSP芯片的基本使用方法，并能重点利用DSP及DSP控制器设计典型的应用系统, 为今后从事相关设计与研究打下基础。作为通信专业的毕业生，我们需要认真对待DSP课程，数字化的时代已经来临,对DSP专业人才的需求也越来越大,如今DSP技术和DSP应用已经成为当今嵌入式系统应用领域中最热门的技术,是高校、科研院所和高新技术企业的DSP软件、硬件开发人员的新的课题.很多高校开设了DSP专业,很多相关专业也增设了DSP课程,更有许多业内人士在准备给自己充电的时候选择了学习DSP。所以，我们要努力学好DSP。第二章 DSP硬件部分设计2.1 硬件设计任务概述DSP 最小系统是由满足DSP运行的最小硬件组成，包括电源电路，复位电路，时钟电路，JTAG 接口电路，电平转换电路等。请选一55系列DSP芯片设计最小系统。要求：1、DSP芯片选择TMS320VC5509 ，VC5507，VC5502中的一种。外设扩展部分:(1)液晶LCD1602 （TMS320VC5509）(2)一片4位数码管 （TMS320VC5509）(3)D/A:TLV5639 （TMS320VC5507） (4)键盘和LED,设计一2X4键盘控制8个LED灯 (TMS320VC5507）(5)SRAM:IS61LV6416 （TMS320VC5502）(6)FLASH:AM29LV400B （TMS320VC5502）2、提高部分：在必选题的基础上，可多加其它选题的外设功能。3、请运用protel完成最小系统的sch原理图。4、设计完成，根据规范格式撰写设计报告，并附上网络表，器件物料表等。2.2 硬件总体方案设计图2 DSP最小系统组成框图 图3 液晶LCD1602 DSP系统框图 2.3 基于protel的模块原理图设计 一、所用芯片TMS320VC5509A如下： 图4 TMS320VC5509引脚图 二、各模块电路及分析如下：(1) 电源管理电路电源管理电路为系统中DSP芯片及其它元器件提高电源。设计时主要从电源电压结构、电流要求及加电次序等三个方面考虑。5409采用低电压工作，其内核电压（CVdd）为1.8V，I/O引脚电压(DVdd)为3.3V。同时，考虑到常用电子元器件工作电压为5V，因此，电源管理电路需要提供三种电压：5V、3.3V、1.8V。实际常用的直流电压一般为5V或者更高，因此必须采用电压转换芯片，将高电压转换成3.3V和1.8V，供5409使用。基于以上设计要求，选用TI公司配合C5000系列DSP专门设计的电压转换芯片TPS73HD318，它将5V电压转变为3.3V和1.8V，最大电流750MA。其构成的电源管理电路如图所示。 图4 电平转换电路（2） 时钟电路C55x系列DSP内部具有锁相环电路，锁相环可以对输入时钟信号进行倍频和分频，并将所产生的信号作为DSP的工作时钟。C55x的时钟输入信号可以采用两种方式产生：第一种是采用外部晶体，利用内部振荡器产生时钟信号，图示给出了采用内部振荡器的原理图；第二种时钟输入方式是从X2/CLKIN引脚输入时钟信号，采用这种方式X1引脚必须悬空，不接任何信号。注意当DSP采用的是模拟锁相环时，必须保证输入时钟信号的信号过冲不能超过数据手册所给的范围，否则锁相环将可能运行不正常，通过在线路中串联电阻可以防止信号过冲。比较两种方法，选用外部晶体易简单实现我们所需要的要求，因此采用如图所示电路。 图5 时钟电路（3）复位电路上电复位在上电过程中，如果电源电压还没有稳定，这是DSP容易出现死机现象，甚至引起硬件损坏，因此，实用的硬件复位电路设计时应考虑操作方便、工作可靠等因素。因此设计了一个实用的上电手动复位电路如图所示图6 人工复位电路（3）JATG仿真接口电路JATG用来连接DSP系统板和仿真器，实现仿真器对DSP的访问。JATG的借口必须和仿真器上的一致，否则无法连接上仿真器。满足IEEE 1149.1标准的14针JATG仿真接口如图所示。图7 JTAG仿真接口电路图示为系统板和仿真器之间的链接电缆长度不超过6英寸时，5409与JATG接口连接图。其中EMU0和EMU1是仿真信号引脚，为了在仿真器和JATG目标系统之间提供高质量的信号，必须提供正确的信号缓冲，为此EMU0和EMU1必须由上拉电阻连接到VCC，以提供小于10us的信号上升时间。（4） LCD1602液晶电路   所谓1602是指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符。 字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，电路和引脚定义如下面所示：图8 液晶LCD1602电路 表1 LCD1602引脚图（5） 状态指示电路为了观察电路中电源的状态，可以设置电源指示电路，如图所示。另外5509的通用I/O引脚XF设计测试指示灯，可通过软件设置用来适时观察系统的状态，如图所示。 图9 电源指示电路 图10 测试指示电路（6） 滤波电容电路模块滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。滤波的方法一般采用无源元件电容或电感,利用其对电压,电流的储能特性达到滤波的目的. 由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。 图11、12 电容滤波电路（7）Protel软件的PCB图、板生成 利用prtel软件生成PCB图样，并进行适当布局，保证器件清晰无误后布线，生成PCB板。2.4 硬件成果描述与分析（1）硬件成果根据各个模块的硬件原理图，利用Protel分别完成了电源电路，复位电路等外设电路的绘制，完成了最小系统的schematic原理图，绘制过程结束后进行ERC检测，确保绘制无错。并生成了PCB图、板。（2）硬件分析 最小系统模块是使得DSP芯片能够工作的最精简模块。在绘制原理图之前须明白各个模块的原理及作用，然后将所需要的所有元器件和芯片罗列清楚，并且封装到protel的元件库中，以方便画原理图调用，实际操作中，需要参阅大量资料来确保实际电路的实用性，保证电路符合要求。并且进行erc检测，确保无误。 第三章 DSP软件部分设计3.1软件设计任务概述简易音乐喷泉设计 设计内容与要求：选择一首音乐，利用蜂鸣器，进行播放，同时利用液晶设计喷泉，显示音乐的频率变化。通过按键1，作为开始/停止键，另外七个键，作为七个音调（选用C调）。提高部分：1.能运用LED灯，根据音乐的演奏显示LED的变化。2.根据相关内容自由发挥设计。3.2 软件设计思路 选择一首音乐(茉莉花)，利用蜂鸣器，进行播放，同时利用液晶设计喷泉，显示音乐的频率变化。通过按键K8，作为开始/停止键，另外七个键，作为七个音调（选用A调）。音乐喷泉控制系统以ICETEK-VC5509-A为核心，通过I/O口实现的按键的控制，led灯的闪烁以及液晶屏的显示和音乐的播放，其系统原理框图如下图所示：CCS 仿真LCD液晶屏 Kn按键蜂鸣器LED灯 图13 简易音乐喷泉设计框图 主要用到的器件有：ICETEK-VC5509-A、LCD液晶显示屏、键盘按键、蜂鸣器、计算机CCS开发软件，字模软件等。3.3 软件程序流程图 图17 程序编写流程图3.4源程序的编写及分析#include "myapp.h"#include "ICETEK-VC5509-EDU.h"#include "scancode.h"#include "LCD.h"#include <stdlib.h>#include <cstdlib>/#include <sys/types.h>/#include <sys/wait.>/ :- Define Timer 0 's Registers -/ ioport unsigned int *tim0; ioport unsigned int *prd0; ioport unsigned int *tcr0; ioport unsigned int *prsc0; / :- End of Define -/unsigned int str116=/ 0xffff,0xffff,0xffff,0xffff,0xffff,0xffff,0xffff,0xffff,0xffff,0xffff,0xffff,0xffff,0xffff,0xffff,0xffff,0xffff ; unsigned int str264=/倪 0x0000,0x0000,0x8000,0x4000,0x3000,0x1c00,0xff00,0xfde0,0x007c,0x0018,0x0008,0x0000,0xffe0,0xffe0,0x0820,0x0810,0x0808,0x080c,0x000c,0x0008,0x0020,0x0020,0x0820,0x0820,0x0820,0x0820,0xffe0,0xfff0,0x0020,0x0000,0x0000,0x00000x0000,0x0002,0x0001,0x0000,0x0000,0x0000,0x7fff,0x3fff,0x0000,0x0000,0x4000,0x2000,0x3007,0x1007,0x0801,0x0601,0x03e1,0x00ff,0x0007,0x0001,0x0001,0x0fff,0x3fff,0x3001,0x3001,0x3001,0x3007,0x3003,0x3800,0x1c00,0x1000,0x0000 ; unsigned int str432=/老0x0000,0x0000,0x2000,0x2000,0x2000,0x2000,0x2100,0x2100,0x2100,0x2100,0x2100,0x2100,0x2100,0x2100,0x3ffc,0x3ffc,0x2108,0xa100,0xe100,0x6100,0x3080,0x3cc0,0x2e80,0x2780,0x21e0,0x20f0,0x2060,0x2000,0x3000,0x2000,0x0000,0x0000 0x0000,0x0400,0x0400,0x0200,0x0200,0x0100,0x0100,0x0080,0x00c0,0x0040,0x0060,0x1ffc,0x3ff8,0x3098,0x308c,0x30c6,0x3043,0x3041,0x3020,0x3030,0x3030,0x3018,0x301c,0x300c,0x3000,0x3000,0x3fc0,0x1800,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000 ; unsigned int str664=/师 0x0000,0x0000,0x0000,0x0040,0xffc0,0x0080,0x0000,0x0000,0x8004,0xfff8,0x0008,0x0000,0x0000,0xfc20,0xfc20,0x0820,0x0820,0x0820,0x0820,0x0820,0xffe0,0x0820,0x0820,0x0820,0x0820,0x0820,0x0810,0xfc18,0x0c18,0x0010,0x0000,0x00000x0000,0x0000,0x4000,0x2080,0x107f,0x0800,0x0600,0x03c0,0x00ff,0x000f,0x0000,0x0000,0x0000,0x03ff,0x03ff,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000,0x7fff,0x7800,0x0000,0x0080,0x0080,0x0180,0x0380,0x01ff,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000 ; unsigned int str816=/欢0x2014,0x1024,0x4c44,0x4384,0x4363,0x2c1c,0x2020,0x1018,0x0c0f,0x03e8,0x0608,0x1808,0x3028,0x6018,0x2008,0x0000 ; unsigned int str916=/迎0x4040,0x2041,0x1fce,0x2004,0x4000,0x47fc,0x4204,0x4102,0x4002,0x5ffc,0x4004,0x4204,0x4404,0x43fc,0x4000,0x0000 ; unsigned int str1016=/您 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