一种便捷的DSP自举模块设计.doc

西安工程大学本科毕业设计（论文） 摘 要 tms320vc5416 处理器 因具有 快速运算能力 ，使得它在 消费类电 子产品的研制中发挥着越来越大的作用，但由于tms320vc5416 处 理器是 ram 型器件，掉电后不能保存任何用户程序，所以在应用过 程中一般对其 经行 自举设计。但是在现有的自举模块的实现非常 繁 琐，并且不利于产品的更新与升级。因此， 本文 提出 一种便捷的 dsp 自举 模块 设计 。 该模块利用 c8051f340 单片机实现 tms320vc5416 的自举方案， 既节省了资源又降低了设计成本，并且提高了系统的稳定性和集成度。本系统 包括上位机和下位机，上位机完成用户文件的从.out 到.dat 的格式转换并通过 usb 通信将更新代码移植；下位机 c8051f340 的片内 flash 用作 dsp 的片外 存储器，并通过 spi 接口实现对 dsp 自举代码的更新。该模块能够实现一键自 举功能。实验证明：本文设计的一种便捷 dsp 自举模块是合理可行的。 本文首先介绍了所要用到的一些基本原理及相关设计工具；其次是系 统的硬件设计及软件设计部分；最后详细介绍了系统的调试结果与分析 部分。 关键词：dsp，tms320vc5416，c8051f340，自举，flash 西安工程大学本科毕业设计（论文） abstract the tms320vc5416 processor has the fast computing ability, so it plays an important role in the research of consuming electronics products. the reason why the processor can not save any users program when it is power off is that it is ram type devices. so we commonly use the boot-strapped method to solve it. but the existing boot-strapped method is complicated and difficult to update and upgrade，we present a simple boot-strapped dsp method in this paper. in the paper we use the c8051f340 mcu to achieve the boot-strapped method, which has a low cost and gets the stability and high integration level. the system includes upper and lower machine: pc of the upper machine transforms users files from .out to .dat and usb communication will update the code automatically; lower machine c8051f340 chip flash for dsp chip memory, and dsp through the spi interface on the bootstrap code updates. this module can achieve the boot-strapped method in one key. experimental results show that the design of this kind of convenient bootstrap dsp module is reasonable and feasible. this paper firstly introduces the basic principle and designing tool, then the hardware and software design of the system. we do a detailed analysis of debugging results in the end of paper. . key words：dsp, tms320vc5416, c8051f340, boot, flash 西安工程大学本科毕业设计（论文） 目 录 前 言.1 第 1 章基本原理与系统方案2 1.1 基本原理2 1.1.1 自举的基本原理2 1.1.2 spi 通信的基本原理.3 1.2 系统方案设计4 1.2.1 系统功能4 1.2.2 系统方案4 1.2.2.1 系统硬件构架 5 1.2.2.2 器件介绍6 1.2.2.3 软件环境10 1.2.2.4 系统测试12 1.3 论文章节安排12 第 2 章硬件设计 .13 2.1 系统硬件功能描述13 2.2 硬件总体设计13 2.3 硬件详细设计14 2.3.1 单片机系统设计.14 2.3.2 dsp 系统设计17 2.3.3 dsp 与单片机之间的互连设计20 2.4 系统硬件原理图设计20 2.5 系统硬件 pcb 图设计21 西安工程大学本科毕业设计（论文） 第 3 章软件设计 .23 3.1 软件设计的功能23 3.2 软件总体设计23 3.2.1 上位机 labview 总体程序设计.23 3.2.2 下位机 c8051f340 总体程序设计24 3.3 软件详细设计.27 3.3.1 上位机 labview 详细程序设计.27 3.3.2.1 上位机前面板详细程序设计.27 3.3.2.2 上位机后面板详细程序设计.28 3.3.2 下位机 c8051f340 详细程序设计29 3.3.2.1 主程序设计29 3.3.2.2 初始化程序设计31 3.3.2.3 通信程序设计32 3.3.2.4 自举程序设计34 3.3.3 dsp 测试程序设计36 3.4 系统软件代码37 第 4 章系统调试及分析 .38 4.1 调试内容38 4.1.1 usb 通信调试 .38 4.1.2 spi 通信调试.38 4.1.3 自举调试.39 4.2 调试方案39 4.2.1 usb 通信调试方案40 4.2.2 自举系统调试方案.40 西安工程大学本科毕业设计（论文） 4.2.3 spi 系统调试方案42 4.3 调试结果43 4.3.1 usb 通信调试结果 .43 4.3.2 自举系统调试结果.45 4.3.3spi 通信系统调试结果46 4.4 结果分析.47 第 5 章结论与展望 .50 5.1 结论50 5.2 展望50 参考文献.52 致 谢.54 附录 dsp 最小系统原理图.55 附录 单片机系统原理图.56 附录 软件程序代码.57 西安工程大学本科毕业设计（论文） 1 前 言 数字信号处理器（digital signal processor, dsp)，是20世纪80年代美国ti公 司推出的划时代产品。近30年来dsp芯片的诞生及发展对数字信号处理、军事、 通讯、声音图像处理、工业控制、仪器仪表、消费电子、医学等领域的技术发 展起到十分重要的作用。 tms320vc54系列数字信号处理器由于运算速度快、成本低、体积小、可 靠性高、接口灵活和可编程特性的特点，使得其在许多电子产品的研发与应用 过程中，发挥着越来越重要的作用。采用dsp芯片来经行数字信号处理更是当 前发展的必然趋势。对于一个dsp系统，当用户程序通过jtag仿真调试完毕后， 为使dsp目标系统成为可脱机运行的独立系统，这就要利用dsp自举功能了。 但是dsp在自举前首先需要将ccs编译的.out文件经行一系列的转换，然后将转 换后的文件导入外部的存储器经行移植，用户程序的更新非常不方便。因此本 文提出了一种便捷的、具有用户程序自动更新功能的dsp自举模块，模块包括 上位机部分和下位机部分，上位机能够实现文件的格式转换，并通过usb通信 将更新代码自动移植；下位机c8051f340的片内flash用作dsp的片外存储器， 通过spi接口对dsp进行代码更新。spi是一种高速的、同步的、全双工的通信 总线，并且占用芯片的管脚少，既节约了芯片的管脚，又为pcb的布局上节省 空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了 这种通信协议。为了最后调试工作和功能验证的需要，在本文中采用一个dsp 最小系统作为dsp目标板，用来检验spi通信是否正常和自举是否成功。 本论文共分为五章。第一章是设计中的一些基本原理和相关硬件、相关软 件的介绍。第二章是系统硬件设计的介绍，包括了硬件的功能描述和硬件的总 体设计和详细设计。第三章是系统软件的设计部分，在这章里将会对系统软件 的功能、总体设计和各个部分的具体设计实现作详细的介绍。第四章是系统的 调试与分析部分，这章主要对调试的过程作了详尽的描述，并对调试过程中产 生的问题进行了分析。第五章是系统设计的结论与展望，在这一章中，结论部 分是对系统的设计结果作了简单的总结，展望则是根据系统中存在的不足提出 了一些相应的改进的方法。 西安工程大学本科毕业设计（论文） 2 第 1 章 基本原理与系统方案 本章主要是对 dsp 串行自举及 spi 通信的具体实现方案进行分析，对设计 中采用的解决方案和所涉及到的相关器件和软件进行了简单的介绍。 1.1 基本原理 1.1.1 自举的基本原理 所谓“自举”是指 dsp 系统在满足一定工作条件下，dsp 芯片内的程序引 导装载器(bootloader) ，在 dsp 系统上电后,将自动的把存储在 dsp 芯片外部非 掉电易失存储器内的用户程序代码搬移到 dsp 芯片中高速的片内 ram 或系统 中的扩展存储器内，搬移成功后自动执行代码,完成 dsp 系统上电后的自启动1。 tms320vc5416 的数据手册上提供了 5 种自举引导方式，分别是 hpi 自举、 并行自举、串行 eeprom 自举、标准串行自举、i/o 自举2。dsp 系统在上电 复位后，首先检查 mp/mc 引脚，若该引脚为低电平，说明 dsp 被设置为微计 算机模式，即程序从片内 rom 的 0ff80h 起开始执行；若该引脚为高电平， 说明 dsp 被设置为微处理器工作方式，即用户程序从外部程序存储器 0ff80h 地址开始执行。因为 tms320vc5416 的片内 4krom 中掩膜了 ti 公司设计的 自举引导程序，故在使用 dsp 的自举引导功能时，必须使其 mp/mc 引脚为低 电平，即设置为微计算机工作方式。在 dsp 执行自举引导程序搬移之前，首先 对其进行初始化，主要内容包括： 1、关闭所有可屏蔽的中断； 2、 将片内darm映射成程序/数据存储空间； 3、 将程序/数据存储空间设置为7个等待状态； 4、将i/o存储空间设置为7个等待状态。 当初始化完成后，根据设定的外部条件，判断条件是否有先后顺序，选择 西安工程大学本科毕业设计（论文） 3 不同的自举引导方式。 1.1.2 spi 通信的基本原理 spi 接口是 motorola 首先提出的一种高速，全双工，同步通信总线，采用 主从工作模式（master slave）工作；支持多 slave 模式应用，一般仅支持单 master。spi 的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设 备和一个或多个从设备，需要至少 4 根线，事实上 3 根也可以（单向传输时） 。 也是所有基于 spi 的设备共有的，它们是 sdi（数据输入） ，sdo（数据输出） ， sck（时钟） ，cs（片选）3。具体如图 1-1 所示： masterslave blckx bdx bdr bfsx sclk mosi moso /ss 图 1-1 spi 通信原理 （1）mosi 主设备数据输出，从设备数据输入（主发从收） 。 （2）moso 主设备数据输入，从设备数据输出（主收从发） 。 （3）sclk 时钟信号，由主设备产生（时钟线） 。 （4）/ss 从设备使能信号，由主设备控制。 在通信过程中，主模式为（master/slave=1）: 1、spi 在 sclk 引脚为整个串行通信网络提供时钟。 2、 数据从 mosi 引脚输出，并锁存 miso 引脚上输入的数据。 从模式为 （master/slave=0）: 1、sclk 引脚为串行移位时钟的输入，该时钟由网络主控制器提供。 2、miso 引脚为数据输出引脚，mosi 引脚为数据输入引脚4。 spi 总线的优点： （1）总线速度：时钟速度很快，范围可从几兆赫兹到几十兆赫兹，目前应 西安工程大学本科毕业设计（论文） 4 用中的数据速率可达几 mbps 的水平，且没有系统开销。目前应用中的数据速 率可达几 mbps 的水平。 （2）可实现全双工通信 5: spi 芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片 的管脚，同时为 pcb 的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的 特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。 1.2 系统方案设计 1.2.1 系统功能 在本文中需要能够实现功能如下： 1、上位机能够自动完成 dsp 用户程序的格式转换并能够将转换后的新代码 通过 usb 通信自动移植； 2、下位机 c8051f340 单片机能够实现与上位机的 usb 通信，片内的 flash 作为 dsp 外部存储器； 3、dsp 处理器 tms320vc5416 和 c8051f340 单片机之间实现 spi 方式通信； 4、dsp 最小系统能够实现掉电后自动加载程序，实现脱机运行。 1.2.2 系统方案 为实现以上的系统功能而提出以下的系统方案，本系统主要由上位机部分 和下位机部分组成，本文主要实现框图如图 1-2 的虚线框部分。其中上位机用 来完成用户程序代码的格式转换并通过 usb 通信将转换后的代码自动移植到下 位机 c8051f340 单片机的 flash 中；下位机包括硬件部分和软件部分，用来 完成与上位机的 usb 通信、与 dsp 目标板的 spi 通信，此外下位机本身的 flash 作为 dsp 的外部存储器。下面将对系统的硬件构架和软件开发环境作 已简单介绍。 西安工程大学本科毕业设计（论文） 5 自举模块 测试模块 l la ab bv vi ie ew w 应应用用程程序序 单单片片机机 应应用用程程序序 u us sb b 设设备备u us sb b 主主机机 s sp pi i f fl la as sh h p pc cc c8 80 05 51 1f f3 34 40 0 u us sb bs sp pi i m mc cb bs s p p0 0 r rs s t tm ms s3 32 20 0v vc c5 54 41 16 6 a ap pi i 驱驱动动程程序序 图 1-2 系统结构框图 1.2.2.1 系统硬件构架 在系统硬件设计上主要分为三大部分： 1、单片机应用系统的总体设计； 2、dsp 最小系统的总体设计； 3、自举模块与测试模块的互联设计。 单片机应用系统的总体设计如图 1-3 所示： 西安工程大学本科毕业设计（论文） 6 确定单片机应用系统的性能指标 单片机及其外围器件的选择 单片机应用系统总体设计 单片机硬件设计及制作 硬件测试软件代码编译连接与仿真 单片机软件设计及代码 软硬件联合在线方针调试 单片机应用系统整体测试与验证 图 1-3 单片机应用系统的总体设计 其中 dsp 最小系统的总体设计框图如图 1-4 所示： dsp及其外围器件的选择 dsp应用系统总体设计 dsp硬件设计及制作 硬件测试软件代码编译连接与仿真 dsp软件设计及代码 软硬件联合在线方针调试 dsp应用系统整体测试与验证 确定dsp应用系统的性能指标 图 1-4 dsp 应用系统的总体设计 最小系统的设计是整个硬件设计的前提，本文是从最小系统开始，逐步向 西安工程大学本科毕业设计（论文） 7 应用系统扩展，最终完成以单片机的外围扩展功能为核心的整个系统的设计。 此外，在硬件设计中还连接一个将程序载入主芯片的 jtag 下载端口。在再设 计过程中将单片机的引脚用插针引出，以便于今后的扩展与使用。 最后，按照从局部到整体的思想经行系统调试，即先对系统中各个模块进 行调试，包括硬件调试和软件调试；再级联系统中相近模块进行联机调试，主 要是软件之间的级联，最后进行整体调试，主要是验证系统的整体设计要求。 1.2.2.2 器件介绍 1、dsp 器件介绍 当前业界中应用得最广泛的是 ti 的 tms320 系列 dsp，其中 tms320vc5416 是 ti 公司于近年推出的性价比极高的数字信号处理器 dsp6。 如图 1-5： 图 1-5 tms320vc5416 的内部结构 其主要特点如下： （1）144 引脚，操作速率达 160mips； （2）内置可编程等待状态发生器，三个多通道缓冲串行口(mcbsp),锁相环 （pll）时钟产生器，一个 16 位定时器以及 6 通道直接存取（dma）控制器， 一个 8 位16 位并行与外部处理器通信的 hpi 口； （3）40 位算术逻辑单元（alu）,包括一个 40 位桶形移位器和两个 40 位累 西安工程大学本科毕业设计（论文） 8 加器； （4）一个 1717 乘法器和一个 40 位专用加法器，允许 16 位带不带符号的 乘法； （5）先进的多总线结构，一条程序存储器总线和三条 16 位数据存储器总线； （6）8 个辅助寄存器及一个软件栈，允许使用业界最先进的定点 dsp c 语言 编译器； （7）单周期正规化及指数化译码； （9）低功耗，工作电源为 3.3v（io）和 1.6v（core） ，特别适合电池供电 设备。 tms320vc5416 的管脚图如图 1-6 所示： 图 1-6 tms320vc5416 管脚 2、单片机器件介绍 c8051f3307是 silicon laboratories 公司生产的完全集成的混合信号片上系 统型单片机，是真正能独立工作的片上系统。如图 1-7： 西安工程大学本科毕业设计（论文） 9 图 1-7 c8051f330 的内部结构 其主要特点如下： （1）采用与 8051 兼容的高速、流水线结构的微控制器内核，速度可达 48mips；全速、非侵入式的片内在线系统调试接口； （2）带模拟多路器的真正 10 位 200 ksps 的单端/差分 adc； （3）精确校准的12mhz内部振荡器和4倍时钟乘法器； （4）64kb 可在系统编程的 flash 存储器，flash 存储器还具有在系统重 新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051 固件；4352 字 节片内 ram； （5）具有 5 个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵 列（pca） ；4 个通用的 16 位定时器；片内上电复位、vdd 监视器和温度传感 器；片内电压比较器； （6）硬件实现的 smbus/ i2c、增强型 uart 和增强型 spi 串行接口； （7）40 个可容许 5v 输入的 i/o 端口； （8）可在工业温度范围（-45到+85）内用 2.7v-5.25v 的电压工作。 （9）片内 silicon labs 二线（c2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上 的产品 mcu 进行非侵入式（不占用片内资源） 、全速、在系统调试。调试逻辑 支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用 c2 进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个 c2 接口引脚可 西安工程大学本科毕业设计（论文） 10 以与用户功能共享，以使在系统调试功能不占用封装引脚。 端口i/o和/rst引脚都容许5v的输入信号电压，采用48脚dip封装其管脚图 如下图1-8所示： 图 1-8 c8051f340 管脚图 1.2.2.3 软件环境 1、code composer studio 3.3 ccs(code composer studio)是 ti 公司推出的用于开发 dsp 芯片的集成开 发环境，它采用 windows 风格界面，集编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调 试以及实时跟踪等功能于一体，能完成 dsp 系统开发过程的各个环节，极大地 方便了 dsp 芯片的开发与设计，是目前使用最为广泛的 dsp 开发软件之一。 ccs 有两种工作模式，即：软件仿真器模式和硬件在线编程模式；前者可以脱 离 dsp 芯片，在 pc 机上模拟 dsp 的指令集和工作机制，主要用于前期算法实 现和调试；后者可以实时运行在 dsp 芯片上，与硬件开发板相结合在线编程和 调试应用程序。 ccs 运行时的主窗口如图 1-9 所示： ccs 的功能十分强大，它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功 能，而且支持 cc+和汇编的混合编程，使用方便快捷8。 西安工程大学本科毕业设计（论文） 11 图 1-9 ccs 运行时的主窗口 2、电路设计软件 protel dxp 介绍 protel dxp 是 altium 公司于 2002 年 8 月推出的一套基于 windows2000/xp 环境下的桌面 eda 开发工具。protel dxp 不但兼容了以前所有版本的 protel 软 件，而且集成了更多的工具，从而在电路原理图设计、pcb 布局布线、电路仿 真测试和 fpga/cpld 设计等方面较以前的版本有了极大的加强9。 protel dxp 作为一款功能强大的电路设计软件，它具有以下基本特点： （1）protel dxp 包含电路原理设计、电路原理图仿真测试、印刷电路板设 计、自动布线器和 fpga/cpld 设计，覆盖了以 pcb 为核心的整个物理设计10。 因此，protel dxp 是真正意义上的 eda 软件，它的智能化、自动化较以前的版 本有了极大的提高。 （2）protel dxp 提供了进行层次原理图设计的环境，支持“自上而下”和 “自下而上”的层次设计思想，从而使得多名电路设计人员进行并行开发成为 可能。 （3）protel dxp 提供丰富的元件原理图库和 pcb 封装库，并且库的管理和 编辑功能更加完善，操作更加简便。电路设计人员通过 protel dxp 提供的编辑 工具，可方便地实现库中没有包含的元件原理图以及 pcb 封装地设计制作11。 （4）protel dxp 提供了元件集成库的 spice 仿真模型和信号完整性分析， 这使得设计人员调用元件时能够同时调用元件的原理图符号和 pcb 封装符号。 西安工程大学本科毕业设计（论文） 12 （5）protel dxp 提供了丰富的设计检查功能。它的设计检查功能主要包括 电路原理图设计中的 erc 和 pcb 设计中的 drc，它们能够使电路设计人员快 速地查证错误，最大限度地减少设计差错。 （6）protel dxp 提供了全新的 fpga/cpld 设计功能，并且支持 vhdl 设 计和混合设计模式12 。 3、单片机开发软件 keil c51 简介 keil c51 是美国 keil software 公司出品的 51 系列兼容单片机 c 语言软件 开发系统。与汇编相比，c 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上都有 明显的优势，易学易用。用过汇编语言后再使用 c 来开发，体会更加深刻。 keil c51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 windows 界面。另外重要的一点是 keil c51 生成的目标代码效率非常之高，多 数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。基于 keil c51 的所有这些优点，在 本文中选用其作为软件设计环境。 4、软件configandconfig2instal简介 交叉开关是一个多路选择器，它用于为器件内部的硬件外设分配i/o端口。 例如，它可以决定uart的rxd和txd连到哪一个端口引脚13。 交叉开关负责 smbus、spi、uart、定时器捕捉模块、外部pca输入、比较器输出、定时器 外部输入、/sysclk以及a/d转换启动输入的引脚分配14。 5、labview 简介 labview（laboratory virtual instrument engineering workbench,实验室虚拟 仪器开发平台）是美国 ni（national instrument company）公司推出的一种基于 g 语言的虚拟软件开发工具，虚拟仪器是有用户定义，这种“软件即仪器”的 思想增强了虚拟仪器的灵活性和可扩展性15。labview 编程主要是用简单、直 观、易懂的框图来代替传统的程序代码，并且其编程过程和思维过程很相似。 如今 labview 已应用到航空、电子、通信、工业、医学等领域。 1.2.2.4 系统测试 本次毕业设计的主要任务是完成 dsp 处理器 tms320vc5416 便捷的标准 串行自举。系统调试的主要内容有以下几点： 西安工程大学本科毕业设计（论文） 13 1、上位机格式转换模块的软件调试； 2、上位机与下位机 usb 通信的测试； 3、spi 通信系统的软硬件调试。 1.3 论文章节安排 本论文共分为五章：第一章是绪论，介绍了设计中的一些基本原理和相关 软件的介绍。第二章是系统硬件设计的介绍，包括了硬件的功能描述和硬件的 总体设计和详细设计。第三章是系统软件的设计，在这章里将会对系统软件的 功能、总体设计和各个部分的具体设计实现作详细的介绍。第四章是系统的调 试与分析，这章主要对调试的过程作了详尽的描述，并对调试过程中产生的问 题进行了分析。第五章是系统设计的结论与展望，在这一章中，结论对系统的 设计结果作了简单的总结，展望则根据系统中存在的不足提出了一些相应的改 进的方法。 第 2 章 硬件设计 在设计过程中，将系统功能分为硬件和软件两部分来分别实现。本章主要 对测试系统硬件的功能、测试系统硬件总体设计、测试系统硬件详细设计进行 介绍。其中测试系统硬件的详细设计包括对 tms320vc5416 最小系统和 c8051f340 单片机系统及其外设扩展方案的硬件设计进行详细介绍。 2.1 系统硬件功能描述 该系统主要由上位机和下位机构成。由于上位机完全由软件来实现，故硬 西安工程大学本科毕业设计（论文） 14 件部分只有下位机部分，下位机设计是本次硬件设计的核心，也是系统实现的 基础。实现过程如图 2-1。其中虚线框部分为本文的重要部分。 usb 通信 spi 通信 图 2-1 系统硬件总体功能流程图 系统硬件设计实现的功能为： 1、搭建能使 c8051f340 单片机系统独立工作的最小系统电路； 2、提供与上位机通信的 usb 通信接口； 3、提供与 dsp 自举时与 dsp 通信的 spi 接口。 2.2 硬件总体设计 依据系统的功能要求，系统的总体设计流程图如图 2-2 所示，本文主要解 决自举模块部分。 硬件设计包括单片机 c8051f340 部分和 dsp 处理器 tms320vc5416 部分。 其中 c8051f340 单片机部分包括供电电路、时钟电路、复位电路、jtag 电路。 tms320vc5416 部分包括：供电电路、复位电路、工作模式选择电路、时钟电 路、jtag 电路16。dsp 处理器 tms320vc5416 部分和 c8051f340 单片机部分 采用 spi 通信方式互联。在 dsp 与单片机互连设计中介绍了如何用这两个最小 系统搭建需要实现的自举电路。 测试模块 自举模块 自举接口自举接口 c8051f340 单片机 tms320vc5 416 最小系统 pc tms320vc54 16 最小系统最小系统 供电电路供电电路c8051f340 单片机单片机 工作模式选择工作模式选择 供电电路供电电路 jtag 接口电路接口电路 西安工程大学本科毕业设计（论文） 15 图 2-2 系统的整体设计的流程图 2.3 硬件详细设计 这一部分主要介绍硬件电路中各自包含的模块的具体电路、电路中元器件 的选择以及其工作条件等。 2.3.1 单片机系统设计 c8051f340 单片机系统是本次硬件设计的核心，它即作为自举的的控制部 分，同时 c8051f340 单片机的 flash 又作为 dsp 的外部存储器，在本设计中 有极为重要的地位。c8051f340 单片机系统部分包括供电电路、复位电路、 jtag 电路、dsp 扩展电路、液晶显示电路等。下面依次对其进行介绍： 1、供电电路 该系统采用 5v 的 usb 供电电源，给整个系统提供正常工作的电压。 ，温 度范围：-40c - +85c。设计中用红色 led1 作为显示电源的开关。其原理图 如图 2-3 所示： dsp 扩展电路扩展电路 复位电路复位电路 时钟电路时钟电路jtag 接口电路接口电路 复位电路复位电路 西安工程大学本科毕业设计（论文） 16 led 1 2 3 4 p2 usb33pf c7 15pf c8 15pf c9 340_vcc +5v d- d+ gnd 1.5k r12 27 r1127 r10 1k r9 gnd vbus d+ d- 图 2-3 单片机供电电路原理图 2、复位电路 本系统设计复位键一个，单片机在启动时都需要复位，以使 cpu 及系统各 部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。其原理图如图 2-4 所示： 0.1uf c13 1uf c12 340_vcc reset sw-pb 1k r13 1k r14 rst/c2ck 图 2-4 单片机复位电路原理图 3、jtag 接口电路 电路中设计一个 52 针 jtag 接口，jtag（joint test action group）接口 用于连接最小系统板和仿真器，实现仿真器对 dsp 的访问，jtag 接口的连接 需要和仿真器上的接口一致。其原理图如图 2-5 所示： 西安工程大学本科毕业设计（论文） 17 12 34 56 78 910 340_jtag gnd gndnc rst/c2ck c2d 340_vcc gnd +3.3v nc nc 1k r14 rst/c2ck 图 2-5 单片机 jtag 接口电路原理图 4、dsp5416 扩展电路 在设计中设计一个 dsp5416 扩展电路，用来接入 dsp 目标板，完成 dsp 自举的验证试验，在 dsp 目标板与单片机系统接入过程中，采用直插式连接。 其原理图如图 2-6 所示： dsp5416上上上上 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 1718 1920 2122 2324 2526 2728 2930 3132 3334 3536 j1 header 18x2 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 1718 1920 2122 2324 2526 2728 2930 3132 3334 3536 j2 header 18x2 6 7 12 5 1112 13 34 8 1718 1920 2122 2324 2526 dsp_2728 2930 3132 3334 3536 3738 3940 dsp_4142 dsp_4344 dsp_4546 47dsp_48 4950 5152 dsp_5354 5556 5758 dsp_5960 6162 6364 6566 6768 6970 7172 910 15 14 16 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 1718 1920 2122 2324 2526 2728 2930 3132 3334 3536 j3 header 18x2 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99 101 103 105 107 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 dsp_98 74 100 102 104 106 108 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 1718 1920 2122 2324 2526 2728 2930 3132 3334 3536 j4 header 18x2 109110 111112 113114 115116 117118 119120 121122 123124 125126 127128 129130 131132 133134 135136 137138 139140 141142 143144 图 2-6 dsp5416 扩展电路原理图 5、液晶显示电路 在本系统中为了便于自举结果的直观显示，在设计的时候加入了一个液晶 显示电路，用来接入液晶显示屏直观的显示自举结果。其原理图如图 2-7 所示： 西安工程大学本科毕业设计（论文） 18 lcd_vcc 10k r15 20k r16 0.1uf c14 上上上上上上 d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 dsp_r/w a14 lcd_e gnd 1 vcc 2 v0 3 rs 4 rw 5 e 6 db0 7 db1 8 db2 9 db3 10 db4 11 db5 12 db6 13 db7 14 psb 15 nc 16 rst 17 vout 18 a 19 k 20 u5 hs12864-15c 图 2-7 液晶显示电路原理图 2.3.2 dsp 系统设计 tms320vc5416 部分包括：供电电路、复位电路、工作模式选择电路、时 钟电路、jtag 电路 1、电源供电电路 通过分析，本系统可以采用 3.3v 和 1.6v 两种电源供电。在实际操作过程 中由于这两种电源都不容易直接得到，而很容易得到 5v 的 usb 电源。因此在 电源供电电路的设计中，采用 5v 的 usb 电源对系统提供 5v 直流电压，通过 两个电压转换芯片分别产生 3.3v，1.6v 电压供给系统工作17。其原理图如图 2-8 所示： 1 2 3 4 gnd 5 j1 usb_b 1m r1 0.1uf c1 1 2 3 4 5 6 sw(上上上上) 10uh l1 10uf c2 1uf c3 0.1uf c4 gnd usb_5v gnd 5vnc 5vnc ncnc vinvout gnd u2 ams1117_adj vinvout gnd u3ams1117_3.3 270 r3 1k r2 22uf c5 1uf c6 0.1uf c8 0.11uf c7 0.1uf c9 0.1uf c30 gnd 1.6v 22uf c12 1uf c13 0.1uf c14 0.1uf c15 0.1uf c16 0.1uf c17 netlabel25 23 gnd 11 23 gnd 3.3v 图 2-8 电源供电原理图 西安工程大学本科毕业设计（论文） 19 2、时钟电路 本次设计中系统时钟采用信号质量好稳定性高的有源晶振，输出时钟直接 与 tms320vc5416 的 clkin 引脚相连，连接图如图 2-9 所示： cl kin 0.1u c21 nc 1 gnd 2 out 3 vcc 4 x1 16mhz 3.3v +3.3v 10uh l2 图 2-9 时钟电路原理图 3、复位电路 由于在实际应用过程和调试过程中需要对系统随时复位，以使程序可以重 新加载与运行。因此在设计过程中设计了复位电路模块，复位电路模块采用非 常方便的按键复位电路。电路中 s1 平时为断开状态，当按键闭合时，电容 c 放电，使电容 c 上的电压降为 0，即实现手动复位。其原理图如图 2-10 所示： 1uf c22 s1 sw-pb +3.3v rs1k r7 1k r6 图 2-10 系统复位电路 4、工作模式选择电路 dsp 的处理器有两种工作模式：微处理器模式和微型计算机模式，若 mp/mc 引脚为低电平，则 dsp 被设置为微计算机模式，即程序从片内 rom 的 0ff80h 起开始执行；若 mp/mc 引脚为高电平，则 dsp 被设置为微处理器 工作方式，即用户程序从外部程序存储器 0ff80h 地址开始执行。 西安工程大学本科毕业设计（论文） 20 tms320vc5416 内部有锁相环 pll 电路，我们可以利用 pll 的锁定特性对时 钟频率进行锁定，为芯片提供高稳定频率的时钟信号。tms320vc5416 的锁相 环有两种形式：软件可编程 pll 和硬件配置的 pll。所谓硬件配置的 pll，就 是通过设定 dsp 的三个引脚（clkmd1.clkmd2.clkmd3）的状态来选择时 钟方式。上电复位时，dsp 根据这三个引脚的电平，判定 pll 的工作状态，并 启动 pll 工作。具体的配置方式如表 2-1 所示18： 为了能方便选择选择 dsp 处理器的工作模式和配置 pll，设计工作模式选 择电路。如图 2-11 所示： 1 2 3 45 6 7 8 s2 sw-dip4 clkmd1 clkmd2 clkmd3 mp/mc 10k r8 10k r9 10k r10 10k r11 +3.3v 图 2-11 工作模式选择电路 表 2-1 时钟方式的配置方法 clkmd1clkmd2clkmd3 clkmd 复位值 时钟模式 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0000h 9007h 4007h 1007h f007h 0000h f007h 1/2(禁用 pll) pll10 pll5 pll2 pll1 1/2(禁用 pll) 1/4(禁用 pll) 保留 5、led 灯显示模块 led（light emitting diode） ，发光二极管，是一种固态的半导体器件， 西安工程大学本科毕业设计（论文） 21 它可以直接把电转化为光。 led 的心脏是一个半导体的晶片。 dsp 系统设 计中加入 led 灯的作用是在自举过程用 tms320vc5416 的 xf 引脚控制 led 灯的闪烁来显示自举的成功与否。 2.3.3 dsp 与单片机之间的互连设计 dsp 标准串行自举（standard serial boot）的硬件电路比较简单，只需 将 dsp 的 mcbsp0（dsp 片上第 2 个多通道带缓冲串行接口）接口与单片机 c8051f340 的 p10.p11.p12.p07、p13 互联，如图 2-12 所示，在本次毕 设的过程中发现 dsp 的 bio（控制分支转移输入信号，用来检测外设的工作 状态）引脚务必要上拉， 如果不上拉，就不能进入要实现的 standard serial boot 模式19。dsp 外部中断 2 输入引脚最好接上拉电阻以防止噪声或干 int2 扰的影响，因为当 dsp 系统进入自举过程时， dsp 会按照某种特定顺序依 次自动检测 dsp 系统所采用的自举方式，此时， dsp 会先检测引脚是否 int2 有 hpi 自举信号，而后再检测引脚是否有串行 eeprom 自举信号，如果 int2 此时干扰或噪声使得突然有效，则 dsp 自动进入 hpi 自举工作模式，但 int2 dsp 系统又没有 hpi 自举设计，从而会最终导致自举失败。 tms320vc5416 (主机) c8051f340（从机） b bf fs sr r0 0 b bd dr r0 0 b bl lc ck kr r0 0 x xf f d ds sp p r rs s p p1 1. .2 2 p p1 1. .1 1 p p1 1. .0 0 p p0 0. .7 7 p p1 1. .3 3 m mc cu u 图 2-12 dsp 与单片机 spi 端口连接图 2.4 系统硬件原理图设计 原理图设计是整个设计的基础，它决定了后面工作的进展。因此正确设计 西安工程大学本科毕业设计（论文） 22 原理图显得非常重要，为避免出错，在设计原理图的时候，主要应该注意以下 几个问题： 1、在画原理图之前，首先根据用到的元器件查看 protel 的元器件库是 否有，如没有，要先把这些元器件的原理图符号先画好。画器件原理图符号的 时候不必把所有的管脚都画出来，只需把用到的引脚画出来即可。这样可以节 约时间，也可以能让原理图看起来更加简洁。 2、在设计系统原理图时，最好把系统分成几个小模块，分开设计。例如把 dsp 最小系统分成时钟电路、jtag 电路、eeprom 电路、电源双路供电电路、 工作模式选择电路等等。分模块设计的最大好处就是简单明了，有错误一目了 然。 3、原理图画完之后要仔细检查，确认没有错误之后才能生成 pcb 图，在 检查过程中可以用软件自带的电气规则进行合理的配置检测。 系统硬件原理图分为两个主要部分：dsp 最小系统部分和单片机系统部分， 其中 dsp 最小系统部分硬件原理图见附录 i，单片机系统原理图详见附录。 2.5 系统硬件 pcb 图设计 整个系统是在 tms320vc5416 最小系统和 c8051f340 系统之上逐步展开， 用直插式实现的 dsp 自举系统与单片机系统的互联，因此，在设计的过程中， 需设计单片机系统的 pcb 原理图和 tms320vc5416 最小系统的 pcb 原理图。 单片机系统的 pcb 原理图如图 2-13： 图 2-13 单片机系统的 pcb 原理图 西安工程大学本科毕业设计（论文） 23 tms320vc5416 最小系统的 pcb 原理图如图 2-14： 图 2-14 tms320vc5416 最小系统的 pcb 原理图 西安工程大学本科毕业设计（论文） 24 第 3 章 软件设计 前面介绍了系统的硬件部分，本章是对系统软件部分的具体实现方案进行 详细介绍。 3.1 软件设计的功能 系统软件的功能设计可以分为两大部分：上位机 labview 程序设计和下 位机 c8051f340 程序设计。 1、上位机 labview 程序功能 （1）能够显示文件的输入路径和格式转换信息； （2）自动实现用户代码文件的格式转换； （3）能够通过 usb 通信自动将格式转换完毕的代码数据下载到作为 dsp 外部存储器的 c8051f340 片内 flash 中。 2、下位机 c8051f340 程序功能 （1）能够通过 usb 通信从上位机将代码移植到片内 flash 中； （2）能够利用 spi 接口将代码更新给 dsp（本文中的 tms320vc5416 最 小系统，即 dsp 目标板） 。 3.2 软件总体设计 软件设计是本次设计整个系统设计中非常重要的环节，软件设计的功能决 定这系统功能的实现，软件设计的效果也关系这系统功能的能否实现。本文的 软件总