基于DSP开发系统设计与实现

摘要：为了设计一个性能稳定的DSP开发系统，利用TI公司最新推出的TMS320F28335作为微处理器，该芯片为32位浮点型DSP。在采用浮点DSP设计系统时，不需要考虑处理的动态范围和精度，比定点DSP在软件编写方面更容易，更适合采用高级语言编程。外围电路主要包含电源电路、RAM扩展电路、晶振电路和复位电路，用来辅助DSP的工作。利用电源管理芯片设计电源电路，可以有效解决其他型号的DSP对上电顺序的要求；扩展的外部RAM可以使程序的调试与下载更加方便。利用外部时钟源作为时钟输入，使其输入时钟更加稳定的同时，也可为具有相同时钟的多个DSP使用。利用三端监控芯片来实现系统的手动复位和自动复位，使系统的稳定性大大提高。
关键词：TMS320F28335；浮点型；动态范围；数字信号处理器

    TMS320F28335是TI公司最新推出的32位浮点型DSP，可直接参与浮点型数据的运算，无需Q格式的转换，其主要特点为：高性能的静态CMOS技术，在最高为150 MHz振荡频率下，指令周期为6．67 ns；高性能的32位CPU，单精度浮点运算单元(FPU)，采用哈佛总线结构，能快速中断响应和处理，并有统一的存储器规划，可用C／C++语言实现复杂的算法；控制时钟系统具有片内振荡器和看门狗定时器模块，支持动态改变锁相环(PLL)的参数值以改变CPU的输入时钟频率；8个外部中断，相对于TMS320F281x系列DSP，无专门的中断引脚；支持58个外设中断的外设中断扩展寄存器(PIE)，管理片上外设和外部引脚引起的中断请求；增强型的外设模块；12位A／D转换器，可实现16通道的数据转换；88个可编程的分时复用GPIO引脚；低功耗模式，1．9 V或1．8 V内核，3．3 V I／O供电。设计一个集这些优点于一身的DSP开发系统，对于初学者和开发人员有着重要的意义。本文首先分析和对比DSP电源设计方案，选择合适的设计方案并详细介绍；然后设计存储器扩展电路，并给出其存储范围；通过对比时钟电路的各种实现方案，择优选择适合于该系统的时钟电路并详细介绍；最后给出复位电路的设计方法和提高硬件抗干扰能力的措施。

1 系统电源设计
    TI公司的DSP系列一般都有独立的内核和I／O电源。因为在DSP在系统中要承担大量的数据计算，在CPU内部，部件的高频率的转换会使系统功耗大大增加。所以采用双电源的供电方式，F28335一路为I／O提供3．3 V电压，另一路为CPU内核提供1．8 V或1．9 V电压，这样可大大降低系统的功耗。
    电源设计方案一：两路电源独立没计，其优点是调试方便且互不干扰，缺点是不能适合某些对上电次序有要求的DSP，成本较高。
    电源设计方案二：采用TI公司的双路低压差电压调整器。TPS767D3xx系列电压调整器是TI公司为DSP开发的电源管理芯片，通过简单的设计，可以适合某些系列DSP内核与I／O电压的上电顺序问题。
    本设计采用方案二，利用TI公司的双路低压差电压调整器TPS767D301。它的特点是：带有可独立供电的双路输出，一路固定输出为3．3 V，另一路可以在1．5～5．5 V调整，每路输出电流范围为0～1 A；电压差大小与输出电流成正比，且在最大输出电流为1 A时，最大电压差仅为350 mA；超低的静态电流85μA，器件无状态时，静态电流仅为1μA。
    TMS320F28335对内核和I／O的上电顺序没有要求，可以同时上电，使得电源电路大大简化。具体电路如图1所示。

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    TPS767D301的输出端1OUT的电压由式(1)确定：
    Vo=Vref(1+R1／R2)      (1)
    式中：Vref=1．183 4 V为电压调整器的内部参考电压；R1和R2的取值应保证驱动电流近似为50μA。如果电阻过小，会使电流过大，消耗电力；如果电阻过大，FB引脚会出现电流脉冲尖峰，会使输出电压波动。典型电压输出时，R1和R2的取值如表1所示。

    为了提高输出电压的稳定性，模拟电源与数字电源之间通过铁氧体磁珠和电容进行滤波，铁氧体磁珠具有可以忽略的寄生电容，电气特性和一般的电感相似，这样可以减少来自模拟电源或其他并联电路所产生的噪声生干扰。

2 系统RAM扩展
    在TMS320F28335的片上已经集成了34 K×16 b的RAM，且内部RAM的访问速度可达150 MIPS，通常用于放置系统对运算速度要求较高的程序。F28335的片上还集成了256 K×16 b的FLASH，但由于FLASH烧写次数有限，而且烧写速度慢，操作麻烦。使用外扩RAM后，仿真时程序可以放入外扩RAM中运行，程序长度不受限制，这样程序的设计和调试就非常方便。在调试完成后通过修改．cmd文件等方法将程序烧进FLASH中运行。同时，外扩RAM还可以开放给其他任务。外扩RAM选用ISSI公司的IS61LV25616，存储容量为256 K×16 b，3．3 V的供电电压。使用区间6作为外扩存储区间，存储地址范围为0x100000～0x13FFFF。由于IS61LV25616的访问速度有8 ns，10 ns，12 ns，15 ns可选择，而当CPU运行在150 MHz时，地址和数据的最小有效时间为3个时钟周期，即20 ns，所以不用考虑时序问题。存储器的地址线和数据线分别对应DSP的地址线和数据线，片选端CS和DSP的GPIO28连接，存储器的读／写端口分和DSP的读／写端口连接，具体电路图如2所示。

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3 时钟电路设计
    TI的DSP时钟电路分为三类：晶体电路、晶振电路和可编程时钟电路。其中时钟电路如图3所示。

    其特点是：结构简单，但频率范围较小，一般为20 kHz～60 MHz，驱动能力较弱。晶振电路利用外部独立的时钟源给系统提供时钟。其特点是：频率范围较大，一般为1 Hz～400MHz，驱动能力强，可为具有相同时钟的多DSP系统使用。可编程时钟电路可以为外设提供不同的时钟，适用于不同时钟源的系统使用，频带宽度可达 200 MHz。F28335的外部时钟可以有两种输入方法，如图4～图5所示。

    该设计使用1．9 V的外部时钟源晶振电路，如图6所示。其中，100Ω电阻用来衰减外部杂波的干扰，提高时钟波形的质量，SN74LVC1G14是单路施密特反向触发器。

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4 复位电路设计
    复位电路是在系统上电或程序跑飞时对系统自动或手动的初始化。该设计采用TI公司推出的三端监控芯片TPS3307系列来实现系统初始化和电源监控功能。TMS320F28335采用1．8 V或1．9 V内核电压，3．3 V I／O电压。利用TPS3307-18来实现对系统的自动和手动复位。SEN SE1，SENSE2和SENSE3管脚分别对3．3V I／O电压、1．8 V内核电压和3．3 V模拟电压监控。手动复位引脚接至复位键，当按下时变为低有效，实现手动复位的功能。具体电路如图7所示。在上电期间，当电源电压高于1．1 V时，开始有效，然后开始监控SESEN输入管脚的电压。当SENSE1，SENSE2和SENSE3分别低于门限电压2．93 V，1．68 V和2．5 V时，TPS3307-18的向F28335发出低电平复位信号，实现自动复位的功能。

5 结语
    基于DSP开发系统的PCB设计对最终系统的性能有着重要的影响。特别是对于DSP，管脚多且管脚间的间距小，导致布线时线间距受到限制，容易受到干扰。为了有效抑制干扰，在布局时输入时钟应尽可能靠近DSP，使其输入线路尽可能短，并使晶振外壳接地；为了减小芯片上的电源电压瞬时过冲，在电源的输入端使用去耦电容；电源是系统的主要干扰源，使用旁路电容及去耦电容来尽量减小电源对系统的影响。在设计中，可以利用0．1μF的电容来避免内在的振动和高频噪声，利用10～100μF的旁路电容减小电压输出的脉动。基于以上考虑，DSP开发系统才能够稳定可靠地运行。