参考基于dsp（数字信号处理器）的智能串口屏设计

江西理工大学应用科学学院毕业设计摘 要 自20世纪60年代以来，数字信号处理日渐成为一项成熟技术，并在多项应用领域逐渐取代模拟信号处理系统。DSP技术设备具有灵活、精确、抗干扰能力强、设备尺寸小、速度快、性能稳定和易于升级等优点。以DSP为核心的控制器在控制过程中需要将许多参数显示给客户，同时有的参数针对可编程控制器需要在线修改，因此可以选着具有人机交互能力的人机界面触摸屏解决这一问题。接触屏一般是针对可编程控制器（PLC）所设计的，不能与DSP直接通信，触摸屏要与DSP通信需要开发相应的应用程序。本文论述了基于 DSP 的嵌入式系统中智能串口和 1553 总线扩展的研究与实现。在硬件设计方面，首先研究了 TMS320C6713 DSP 处理器的芯片架构及应用开发实例，详细地论述了DSP扩展模块的硬件电路设计。然后通过研究通用UART芯片 SC16C654 的 FIFO 功能，围绕 DSP 和单片机进行了智能串口的硬件设计。最后，在研究 EP-H31580 1553 总线芯片的基本功能和读写时序的基础上，完成了1553 总线模块的硬件设计。在软件设计方面，首先进行了智能串口的数据通信协议设计，并围绕协议进行了软件设计。然后设计了 DSP 初始化模块的相关程序，并完成了扩展存储器的软件测试。最后进行了 1553 总线的联机调试。关键词：数字信号处理；人机界面触摸屏；数字信号处理器（DSP） 串口AbstractSince the nineteen sixties, digital signal processing has become a mature technology, and in a number of application areas gradually replacing the analog signal processing system.DSP device having a flexible, accurate, strong anti-interference capability, small device size, speed, stable performance and easy to upgrade etc.With DSP as the core controller in control process needs many parameters displayed to the customer, at the same time some parameters for programmable controller on-line modification, thus can choose a human-machine interaction interface touch screen to solve this problem.The touch screen is generally directed to the programmable controller (PLC) are designed, not with the DSP direct communication, touch screen and DSP communication requires the development of the corresponding application. The research and implementation about intelligent serial and 1553 bus expansion,which is on the basis of DSP embedded system, is presented in this thesis. Hardware:The architecture and application of TMS320C6713 is studied and the hardware designof DSP expansion is discussed. According to doing some research on the FIFOfunction of SC16C654, hardware has been designed based on DSP and SCM. At last,1553 bus circuit design has been finished on the basis of studying the basic functionand timing of 1553 chip EP-H31580.Software: The protocol of intelligent serial wasdesigned at first, on which software design has been finished. The work which is aboutthe programming of DSP initialization and testing of memory expansion also has beenfinished. At last, the task is to debug the 1553 bus circuit which can be communicatedwith PC.Keywords: digital signal processing; man-machine interface touch screen; UniversalAsynchronous Receiver /Transmitter (UART)目 录摘 要2Abstract3前 言6第一章 绪论71.1 触摸屏原理71.2 触摸屏的分类71.3 触摸屏显示器技术简介9第二章 数字信号控制器112.1 DSP的特点及基本结构112.3TMS320C6713 概述122.4 DSP系统的软硬件开发流程122.5 CCSv4概述14第三章 系统硬件电路设计163.1 DSP扩展模块硬件电路设计163.1.1 DSP扩展总体结构163.1.2MS320C6713内部结构173.1.3 DSP复位电路设计173.1.4. 上电复位183.1.5按键复位193.1.6 FLASH存储器扩展203.1.7 DSP的JTAG电路设计213.2 智能串口模块硬件电路设计223.2.1 智能串口总体结构233.2.2 单片机及硬件电路扩展243.2.4 SC16C654 及硬件电路设计253.2.5 串口光电隔离电路设计25第四章 系统的软件设计274.1智能串口模块协议设计及软件实现274.1.1 智能串口协议设计274.1.2 DSP发送数据流程284.1.3 单片机发送数据流程304.1.4 单片机接收数据流程324.1.5 DSP接收数据流程324.2 DSP扩展模块软件测试334.2.1 PLL倍频设计334.2.2 EMIF初始化设置344.2.3 FLASH存储器软件测试364.2.4 SDRAM存储器软件测试38第五章 串口屏的应用设计395.1 触控配置395.2 触控界面设计405.3 系统配置和外设425.4 产品设计43第六章 结论与展望45结 论46参考文献47致谢4875前 言随着信息时代的进步，信息技术的发展作为信息显示的液晶显示的应用领域，也在不断扩展。十几年前，液晶显示开始大规模从“笔段型显示”转向“点阵型显示”仪器，仪表产品中也只有那些号称智能仪表的产品才能使用。时至今日，液晶显示已经深入到了人类生存的各个领域。凡是需要使用显示的地方或产品，几乎没有不使用液晶显示的。虽然有些产品可能以前就使用液晶显示，但是今天使用的液晶显示产品无论从技术上还是从质量上或功能上都有了质的提高和飞跃。液晶显示应用技术的发展是和液晶显示应用领域的扩大密不可分。 由于计算机硬件成本的降低，HMI产品将以平板PC计算机为HMI硬件的高端产品为主，因为这种高端的产品在处理器速度、存储容量、通讯接口种类和数量、组网能力、软件资源共享上都有较大的优势，是未来HMI产品的发展方向。HMI是Human Machine Interface 的缩写，“人机接口”，也叫人机界面。人机界面（又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。第一章 绪论1.1 触摸屏原理触摸屏包含上下叠合的两个透明层，四线和八线触摸屏由两层具有相同表面电阻的透明阻性材料组成，五线和七线触摸屏由一个阻性层和一个导电层组成，通常还要用一种弹性材料来将两层隔开。当触摸屏表面受到的压力(如通过笔尖或手指进行按压)足够大时，顶层与底层之间会产生接触。所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表X坐标和Y坐标的电压。1.2 触摸屏的分类根据工作原理不同，触摸屏被分为不同种类，比较常见的包括电阻式触摸屏、电容式触摸屏和红外式触摸屏等等。电阻式触摸屏电阻式触摸屏是一种多层的复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，内表面涂有一层透明的ITO（氧化铟）导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层ITO，在两层导电层之间有许多细小的透明绝缘子把它们隔开。当手指接触屏幕使之凹陷时，两层ITO导电层之间出现一个接触点，传感器侦测到接通点后，由集成电路进行A/D转换，并得到触摸点的Y轴和X轴的坐标。根据引出线数多少，电阻式触摸屏分为四线式、五线式、八线式等种类，有的基层直接使用导电玻璃或者有机导电薄膜。电阻式触摸屏的价格比较低廉，能在较为恶劣的环境下工作，并且利于大规模生产，因此成为发展最早、用途最为广泛的触摸屏。目前全球生产的触摸屏中，电阻式触摸屏占90%以上。在手机领域，电阻式触摸屏也有应用，比如此前广受欢迎的HTC Touch Diamond等等。不过，电阻式触摸屏较大的缺点是不能实现多点同时触摸，这也限制了它在高端智能手机和游戏机中的应用2）电容式触摸屏电容式触摸屏又可以细分为表面式和投射式两种，表面式电容触摸屏多用于ATM机和街机等大型设备，而投射式电容触摸屏多用于手机。电容式触摸屏是在玻璃屏幕上镀有一层透明的薄膜导体层，在导体层外再附加了一块保护玻璃，由于在触摸屏四边镀有狭长的电极，因此在导电体内形成了一个低电压交流电场。当用户触摸屏幕时，由于人体电场的原因，手指与导体层间形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的处理器便会根据电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。投射式电容触摸屏则更进一步将表面分为许多个小的单元，每个单元都拥有独立的引线。当手指触摸屏幕时，根据电容的变化，传感器和处理芯片可以“绘制”出电容量的变化图，从而实现多点触控。电容式触摸屏的双层结构能保护导体及传感器，更有效地防止环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，依然可以准确算出触摸位置。台湾Higgstec公司曾展示了它的电容式触摸屏在沸水中煮过仍可正常工作。不过，电容式触摸屏的成本较高，而且不易实现手写输入。随着高端智能手机，特别是iPhone这样支持多点触摸的智能手机的流行，电容式触摸屏的出货量出现了飞速增长。仅仅在2007年，用于手机的电容式触摸屏就出货2350万片。据日本富士凯美莱总研集团预计，在今年年内，用于手机的电容式触摸屏出货量将超过电阻式触摸屏，达到5000万片，是2006年的大约8倍。除了数量上升外，电容式和电阻式触摸屏的价格在20072008年度内也分别下降了23%和30%，更促进了触摸屏的普及。3）红外式触摸屏红外式触摸屏分为光感应型和热感应型。光感应型由装在触摸屏外框上的红外线发射与接收感测元件构成，在框的四边排列了红外线发射管及接收管，在屏幕表面形成一个红外线网。用户以手指触摸屏幕某一点，便会挡住经过该位置的两条红外线，传感器即可算出触摸点位置。因为红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，所以适宜某些恶劣的环境条件。它安装方便、不需要任何控制器，可以用在各档次的设备上。不过，由于只是在普通屏幕上增加了框架，因此在使用过程中架框四周的红外线发射管及接收管很容易损坏，而且由于边框部分必须嵌入受光及发光元件，因此会使得边框部分增粗，不利于机身的轻薄化。 热感应型红外触摸屏的用途更广泛一些，它是靠感应手指的热辐射红外线工作的。不过，它仅仅能检测到热的物体，如果寒冬在室外使用的话，由于手指温度太低，它很有可能出现被“冻住”而失灵的情况。使用热感应型红外式触摸屏的手机也有一些，比如三星的滑盖手机SGH-E900和SGH-U600。4）声波识别式触摸屏声波识别式触摸屏包括声脉冲识别触摸屏和表面波识别触摸屏，通过识别表面连续或脉冲声波的变化来确定触摸位置。它由触摸屏、声波发生器、反射器和声波接收器组成，触摸屏部分只是一块纯粹的强化玻璃，没有任何贴膜和覆盖层。玻璃屏的对角各安装了垂直和水平方向的超声波发射器和相应的超声波接收器。超声波发射器能沿着屏幕表面发送高频超声波，当手指触及屏幕时，触点上的声波波形即发生变化，由此确定坐标位置。如果在CRT等坚固表面上使用的话，甚至不需要玻璃基板，直接将CRT表面当作基板即可。声波识别触摸屏不受温度、湿度等环境因素影响；分辨率高，无论用笔、指甲或手指肚都可以识别；有极好的防刮性，寿命长；透光率高，能保持清晰透亮的图像质量；没有漂移，只需安装时一次校正，而且有第三轴（即压力轴）响应。它适合在公共场所的POS机、售货亭等处使用。5）电磁感应式触摸屏电磁感应触摸技术是较早应用于便携式IT产品的技术，它的特征是需要一“笔”，而不是手指。这支笔能够发射电磁波，通过接收装置感应到笔在屏幕上方的位置，就可进行定位。在其它触摸屏的精度问题尚未解决时，早期的PDA、电子词典与手写板等都使用了这种方式。直到今天，电磁感应式触摸屏还在手机和平板电脑上发挥作用。电磁感应式触摸屏造价低，结构简单，利于手写输入文字，还可以和其它触摸屏集成在一起，因此广受欢迎。比如惠普TouchSmart TX2平板电脑就采用了电磁感应+电容式触摸屏，电磁感应笔进行手写输入，电容式触摸则主要用于图形界面操作。联想ThinkPad X200T也有类似的电磁感应+多点触摸的型号，此外很多GPS、上网本和MID也同样拥有电磁感应式触摸屏。1.3 触摸屏显示器技术简介触摸屏显示器（Touch Screen）可以让使用者只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，这样摆脱了键盘和鼠标操作，使人机交互更为直截了当。主要应用于公共场所大厅信息查询、领导办公、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、机票/火车票预售等。产品主要分为电容式触摸屏，电阻式触摸屏和表面声波触摸屏三类。触摸屏显示器主要组件触摸屏和显示器集成设备而且具有输入输出设备的功能，按照4线触摸屏、6线触摸屏、8线触摸屏、红外线式触摸屏、表面声波触摸屏、电容式触摸屏。触摸屏显示器也分有CRT触摸屏显示器和LCD触摸屏显示器的基本两种触摸屏显示器。触摸屏显示器外形同普通显示器没有明显差别，只是比普通显示器多出了一条触摸屏信号线。安装时注意触摸屏显示器必须装相应触摸屏驱动程序才能正常使用，否则不能启动触摸屏操作。以下是触摸屏显示器的安装技术介绍:拆卸显示器的目的在于使CRT的前表面完全袒露和取下显示器前罩,以便安装触摸屏2）拆卸显示器注意事项(触摸屏) 取出CRT时，一定不要抓拿或碰撞CRT的管颈及电子枪(触摸屏)，因为电子枪是玻璃结构，非常容易被碰坏，所以取出CRT后必须要考虑到电子枪的安全，一般是CRT显示面朝上放置于塑料桶中。 3） 修整显示器前罩拆下CRT和显示器前罩后，试着把触摸屏放进拆下的显示器前罩，一般前罩内部设计了一些加强筋，这些加强筋主要在生产过程中脱模时有用，如果妨碍触摸屏的放入或者觉得长期使用可能会伤及触摸屏边上的导线，就应该用斜口钳将其削掉（削剪后最好将切口打磨圆滑，因为切口太锋利可能会伤及触摸屏边上的导线，如空间允许等等，可以用泡沫双面胶贴住切口)。 4）粘贴防尘条在显示器前罩内贴上防尘条有两个作用： 1.防止压坏换能器。某些显示器如PHILIPS前罩可视框高度不够，如果不贴防尘条装入触摸屏会使换能器被压坏，从而导致触摸屏无法使用，这种现象在纯平显示器上犹为突出，贴上防尘条可以为换能器垫出空间，从而解决这一问题。 2.防止外界灰尘进入触摸屏条纹区。触摸屏条纹上如果灰尘堆积太多会导致触摸反应迟钝、局 部触摸失效等问题，贴上防尘条可以有效解决这一问题。 5）粘贴双面胶。在显像管的可视区外贴上双面胶，待粘贴触摸屏时再将双面胶外层胶纸撕去。 6）修整显示器后盖。为了观察控制盒的工作状态，建议将控制盒安装在显示器的外部。但如果为了美观可以将控制盒用双面胶粘贴或想办法用螺丝固定在显示器的内部，同时用斜口钳在显示器后盖削出一个可以穿过屏线或串口线的小孔.7）清洁、粘贴触摸屏。用玻璃清洁剂和麂皮彻底地清洁触摸屏的两个表面，同时清洁显示器的表面。清洁完毕后把触摸屏认真居中对准屏幕粘上，注意在保证换能器安全的前提下尽量使触摸屏的反射条纹在显像管可视区之外，触摸屏有三个换能器的一边朝上，并立刻用耐高温的胶带封紧四边的缝隙，以保证夹缝内不进入灰尘。 如果将显示器前罩平放在工作台上，再将显像管装入显示器前罩，则一定要将显示器前罩下部垫高，使触摸屏不直接接触工作台，因为触摸屏表面为弧形，否则极易在安装时压碎触摸屏！ 橡胶垫圈高度应略微超过触摸屏和双面胶总的高度。第二章 数字信号控制器2.1 DSP的特点及基本结构1、DSP 的主要特点：DSP 处理器作为当今嵌入式系统运用最广泛的处理器之一，主要具备以下优点：（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互兼容的。（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非常高的精度。（5）可重复性好：模拟系统的性能受元器件参数影响性能变化比较大，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。DSP 系统由于具备突出的优点，因此己经在通信、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。2.2DSP 芯片的基本结构DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。（5）快速的中断处理和硬件I/O支持。（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。（7）可以并行执行多个操作。（8）支持流水线操作，取指、译码和执行等操作可以并行执行。为了快速地实现数字信号处理运算，DSP芯片一般都采用特殊的软硬件结构。下面以TMS320系列为例介绍DSP芯片的基本结构。TMS320系列DSP芯片的基本结构包括：哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器和快速的指令周期。这些特点使得TMS320系列DSP芯片可以实现快速的DSP运算，并使大部分运算（例如乘法）能够在一个指令周期内完成。由于TMS320系列DSP芯片是软件可编程器件，因此具有通用微处理器共有的方便灵活的特点。2.3TMS320C6713 概述目前Tl公司的DSP产品主要分为2类，一类为定点型的DSP，一类为浮点型的DSP。同浮点型DSP相比，定点DSP型号比较多，如TMS320C1X、TMS320C2X、TMS320C5X、TMS320C62X等，而且相对于浮点DSP价格较便宜。但是由于本系统将用于导航控制，导航系统的算法中主要以多阶的矩阵运算为主，因此，定点DSP做浮点运算时，一般只能采用调动浮点库函数、查表法等几种方法进行，调用浮点库函数，虽然计算精度可以保证，但计算速度比较慢，利用查表法计算浮点，计算精度与表格大小有关，一般情况下，查表法的计算精度无法满足精度要求。Tl 公司的浮点型DSP的型号有TMS320C3X/4X、TMS320C67X等。因为浮点DSP芯片硬件支持浮点格式，所以浮点运算能力强，运算精度也能够满足要求，虽然价格略高于定点DSP，但考虑到性能和速度，本系统采用浮点DSP芯片作为CPU。TMS320C67X系列DSP芯片是TI最新推出的浮点芯片，它的主频最高达到225MHz，且可以同时执行八条指令，对于单精度运算可达IGFLOPS，对于双精度浮点运算可达250MFLOPS。2.4 DSP系统的软硬件开发流程基于 DSP 系统的嵌入式系统设计同大多数硬件电路设计一样，首先需根据实际的需要选择合适的 DSP 芯片。不同型号的 DSP 芯片的运行速率有比较大的差异，且芯片的价格也参差不齐，因此在进行硬件设计前需仔细考虑芯片的选择。其次，硬件电路工程师需根据处理器的扩展属性根据用户需求设计各个模块的硬件电路原理图。在设计过程中，需仔细考虑电源的供电能力、芯片 I/O 口的驱动能力，各器件之间的电平兼容性。在完成硬件电路设计之后，需同时完成两个任务。第一、硬件开发工程师需根据信号完整性的原理完成 PCB 板的布局和布线。特别是对于以 DSP 处理器为代表的高速 PCB 设计需严格地设计各层的电源和地平面铺铜以及控制走线宽度、长度和各数据地址线、时钟线之间的长度差。第二、采购人员需按照工程师的设计购买系统所需元器件，同时将信息反馈给工程师从而进行方案的修改。最后将设计完成的 PCB 底片图进行板卡加工，以及芯片焊接。流程如图 2.1 所示。2.1 硬件开发流程 本文的设计使用了protel软件作为硬件原理图和PCB图设计开发的工具，DSP 系统的软件开发主要是在 CCS平台下的 C 语言或者汇编语言编程。开发的详细流程如图 2.2 所示： 图 2.2 软件开发流程2.5 CCSv4概述Code Composer Studio（CCS或CCStudio）是一种针对TI的DSP、微控制器和应用处理器的集成开发环境。CCStudio包括一套用于开发和调试嵌入式应用程序的工具。CCS有两种工作模式，即软件仿真器模式：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。硬件在线编程模式：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C/C+和汇编的混合编程，其主要功能如下：1.具有集成可视化代码编辑界面，用户可通过其界面直接编写C、汇编、.cmd文件等；2.含有集成代码生成工具，包括汇编器、优化C编译器、链接器等，将代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能集成到一个软件环境中；3.高性能编辑器支持汇编文件的动态语法加亮显示，使用户很容易阅读代码，发现语法错误；4.工程项目管理工具可对用户程序实行项目管理。在生成目标程序和程序库的过程中，建立不同程序的跟踪信息，通过跟踪信息对不同的程序进行分类管理；5.基本调试工具具有装入执行代码、查看寄存器、存储器、反汇编、变量窗口等功能，并支持C源代码级调试；6.断点工具，能在调试程序的过程中，完成硬件断点、软件断点和条件断点的设置；7.分析工具，包括模拟器和仿真器分析，可用于模拟和监视硬件的功能、评价代码执行的时钟；8.数据的图形显示工具，可以将运算结果用图形显示,包括显示时域/频域波形、眼图、星座图、图像等，并能进行自动刷新；9.提供GEL工具。10. 支持多DSP的调试；11.支持RTDX技术，可在不中断目标系统运行的情况下，实现DSP与其他应用程序的数据交换；第三章 系统硬件电路设计在本文的硬件电路设计中主要包含三个部分： DSP 扩展模块硬件电路设计、智能串口模块硬件电路设计和 1553 总线协议及电路设计。DSP 作为整个系统的核心控制器与 SDRAM 和 FLASH 交互数据、向串口模块收发数据以及与 1553 总线模块建立通信。通过对 EMIF 接口部分的研究，可以完成对 DSP 外围设备的扩展。本文的另外一个主要部分是以 51 单片机为核心，控制六串口的数据接收和发送，主要是实现串口 256 字节缓冲区的扩充。接收数据时将来自串口的数据“打包”供 DSP 接收，发送数据时将 DSP 发送的打包数据“拆包”发送到对应串口，从而完成智能串口的设计。最后将介绍 1553 总线的协议及硬件电路设计。本章主要是根据以上三个部分展开硬件设计的论述。3.1 DSP扩展模块硬件电路设计3.1.1 DSP扩展总体结构如图 3.1 所示：图 3.1 DSP 扩展总体结构3.1.2MS320C6713内部结构TMS320C6713系列DSP(包括TMS320C6713和TMS320C6713B)是一种支持浮点运算的DSP芯片，是德州仪器公司设计的用于高端处理的长指令、多功能的DSP芯片。由于工作频率可以达到225MHz，所以每秒可以处理1800M条浮点运算指令，或240M条定点运算指令，由于内部的可定点或浮点复用的处理器使该器件可每秒处理60M条乘法运算。芯片的主要结构如图3.2所示： 图 3.2 TMS320C6713 内部结构框图3.1.3 DSP复位电路设计DSP 复位包括上电复位和按键复位两个部分。上电复位主要是通过 TI 公司的电源芯片 TPS70445 上的 RESET 输出引脚提供复位信号供 DSP 复位。另外为了便于硬件调试和用户使用，本文还设计了按键复位。两种复位方式的复位信号在 CPLD 可编程逻辑器件中进行相或之后将复位信号送入 DSP 处理器。复位设计逻辑如图 3.3 所示：3.1 节点数图 3.3 DSP 复位逻辑3.1.4. 上电复位本文设计中采用了 TI 公司的电压调整芯片 TPS70445作为 DSP 模块的供电器件，该芯片同时还具有给 DSP 处理器提供复位信号的功能。如图 3.4 图 3.4TPS70445 引脚结构图该芯片是一款提供 5V 到 3.3V 和 1.2V 转换的电压调整芯片，3.3V 为 DSP 的I/O 口供电，而 1.2V 为 DSP 内核供电。3.3V 输出可支持 1A 的负载，而 1.2V 输出最高支持 2A 的负载功耗。3.3V 是通过 Vout1 引脚输出，而 1.2V 是通过 Vout2引脚输出。在使用该款芯片时要注意散热问题，芯片的 1、12、13、24 引脚既作为接地引脚使用同时又作为散热引脚使用，同时芯片的背面有一块导热板，可以在设计 PCB 时，在该芯片的封装处预留导热焊盘，同时通过若干过孔把焊盘引到电路板的地层，这样可以起到很好的散热效果，DSP 从而可以获得稳定的电压。除此之外，该芯片同时具备了给 DSP 提供上电复位信号的功能。其功能原理如图 3.5 所示：图 3.5 TPS70445 上电原理图3.1.5按键复位如图 3.6 所示：图 3.6 按键复位电路原理图当按键按下时，1(2)就和 3(4)导通，SYS_RST 引脚端为低电平。同时为了便于观察，在 PCB 板上接了一个发光二极管，按键按下由于 SYS_RST 为低电平，VCC 和地之间的压降将导致 LED 管的导通，从而发光提示系统复位。3.1.6 FLASH存储器扩展TMS320C6713 具备 CE0、CE1、CE2、CE3 这四个可扩展的存储空间，每个空间的起始地址分别为 0x80000000、0x90000000、0xa0000000、0xb0000000。CE0空间只能用于同步存储器的分配，例如：SDRAM、SBSRAM。CE1 空间可用于异步存储器使用，但是如果引导模式是 ROM，那么该空间必须用于 ROM、EPROM、EEPROM、FLASH 等存储芯片的扩展。本次设计使用的 FLASH 存储器是 SST 公司的 SST39VF1601芯片。该器件的工作电压范围是 2.7V-3.6V，具有功耗低、编程方便等特点。SST39VF1601 的引脚描述如表 3.7 所示。表 3.7FLASH 存储器引脚描述表。由于 FLASH 是一个异步存储器芯片，因此在和 FLASH 连接的时候，DSP 芯片的 83 和 75 引脚分别工作在 AWE（异步写）和 AOE（异步读）模式SST39VF1601 芯片的数据总线和地址总线长度分别为 16 位和 20 位，因此可以支持 16Mb 的容量扩展。本次设计将 FLASH 分配到 CE1 空间，电路如图 38图 3.8 FLASH 存储器扩展电路原理图3.1.7 DSP的JTAG电路设计仿真是调试嵌入式系统开发过程中必不可少的重要环节。在嵌入式操作系统中，开发主机和目标机处于不同的机器中，程序在开发主机上进行研发（编辑、交叉编译、连接定位等）、然后下载到目标机（嵌入式系统中）进行运行和调试，即远程调试。也可以说，调试程序运行在桌面操作系统，而被调试的程序运行在嵌入式系统上。这就引出了如下问题，即位于不同的操作系统之上的调试器与被调试程序之间如何通信，被调试程序如果出现异常如何告知被调试器，调试器又如何控制以及访问被调试程序等。使用 JTAG 方式就是片上调试的一种方法。TMS 用来设置 JTAG 接口处于某种特定的测试模式，TCK 测试时钟输入，TDI 和 TDO 分别用于测试数据输入和数据输出，TRST 可以用来对 TAP Controller进行复位。EMU0 和 EMU1 通过接弱上拉电阻接入高电平使器件处于正确的边界扫描模式。本次设计的 JTAG 仿真接口电路如图 3.9 所示。 图 3.9 DSP 的 JTAG 仿真接口电路图JTAG 标准定义了一个串行移位寄存器，寄存器的每一个单元分配给 IC 芯片的相应引脚，每一个独立的单元成为边界扫描单元。这个串联的扫描单元在 IC内部构成了 JTAG 回路，所有的扫描单元通过 JTAG 测试激活，平时这些引脚保持正常功能。3.2 智能串口模块硬件电路设计在组合导航系统中通常包含高度表、GPS接收装置等众多的RS-232和RS-422电平信号。对于每一路信号通常具有较高的数据传输速率，但是同 DSP 的数据处理速度相比仍然有比较大的差异。为了能够充分节省 DSP 的资源，使其有更多的时间用于算法的实现，串口模块中需给 DSP 处理器提供一个容量较大的接收和发送缓冲区。在本文的设计中利用单片机作为智能串口的核心处理器，通过软硬件设计实现了 6 串口、256 字节缓冲数据区。3.2.1 智能串口总体结构在智能串口的硬件设计中主要使用了 AT89LS52 单片机作为核心控制处理器。同时使用 8K8bit 的双端口存储器作为串口与 DSP 交互的硬件载体。通过对SC16C654 通用 UART 器件的编程实现 6 串口、2 种波特率（230.4Kbps，115.2Kbps）的串口扩展。根据系统需要，在串口设计中还使用了光电隔离技术。本模块的结构框图如图 3.10所示。图 3.10 智能串口总体结构图单片机作为智能串口模块的核心处理器，接收数据时把来自串口的数据放入双端口存储器中，同时在共享标记空间中使接收的数据长度值加一、从而实现数据的“打包”操作。DSP 可以访问双端口存储器，取出来自串口的数据进行相应的处理。在发送数据时，DSP 将一帧数据放入双端口存储器中，单片机通过逐字节地将双端口 RAM 中的数据发往对应的串行接口实现数据的“拆包”工作。本小节将逐步地介绍智能串口各个组成模块的硬件结构及电路设计。3.2.2 单片机及硬件电路扩展单片机又称单片微型计算机，是将 CPU、RAM、ROM、I/O 接口和定时器/计数器等功能集成在一块芯片上的微型计算机，简称单片机。由于单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，因此它的结构紧凑、超小型化、可靠性高、价格低廉，易于开发应用。MCS-51 单片机是目前常用的一类单片机，在本次设计中采用了 Atmel 公司研制的 AT89LS52单片机，它具有较小的功耗(3.3V)、16MHZ 晶振输入。同大多数单片机一样 AT89LS52 单片机分为片内程序存储器(FLASH:8K)、片内数据存储器、片外程序存储器、片外数据存储器，一共 64K 的扩展空间。由于要连接DSP 和多串口模块，所以单片机的 P0 口和 P2 口就用于地址/数据总线的扩展。图 3.11 单片机地址/数据总线扩展电路图存储器提供了两个完全独立的端口，每个端口分别有自己的控制线、地址线和I/O数据线。2个CPU可以独立地读写其中任一双端口RAM单元。使用双端口存储器在2个CPU之间共享信息有很多优点:速度快，方式简单，存取共享信息所用的时间一般与存取CPU外部RAM中数据所用时间一样。双端口RAM在使用上应注意的一个问题是有可能发生争用。当两个端口的CPU同时取同一双端口RAM单元时，就产生了争用，会出现数据混乱状态。通常有四种解决方案：硬件判优、中断方案、令牌传递方案和软件判优。在本次设计中根据系统需要选用了 IDT 公司的 8K8bit 的双端口存储器IDT70V05。该芯片具有以下特点：允许同时对同一个单元进行读操作对存储器的高速访问，在工业标准下可达20ns低功耗操作通过选择 Master/Slave 模式容易扩展到 16bit 的数据总线宽度具有中断标记功能针对两个端口完全支持硬件信号灯机制第 3 章 系统硬件电路设计 25两个端口完全的异步操作TTL 电平兼容，单一的 3.3V 供电3.2.4 SC16C654 及硬件电路设计SC16C654 UART 的 8 位数据并行总线同单片机扩展总线电路中的 245 双向三态器 B 端相连，A2、A1、A0 引脚接到 373 锁存器的输出端。通过对单片机 P2 口的最高三位 P2.7、P2.6、P2.5 译码后选中 SC16C654 四通道中的任意一个通道进行相关操作。本次设计主要是使用了 SC16C654 的 FIFO 功能。64 字节的发送和接收 FIFO是通过设置FIFO控制寄存器的FCR0为1使能。读取LSR寄存器的最低位LSR0可以判断是否有数据放入 FIFO 中，如果该位为 1 则表示接收数据准备好。在发送时，通过判断 LSR5是否为 1 来检测发送 FIFO 是否还有空间可用。读取 RHR寄存器可以读取接收FIFO的当前字节，写THR寄存器可以将数据写入发送FIFO3.2.5 串口光电隔离电路设计在实际的电子电路系统中，不可避免地存在各种各样的干扰信号，若电路的抗干扰能力差将导致测量、控制准确性的降低，产生误动作，从而带来破坏性的后果。因此，如果在硬件上采用一些隔离技术，破坏干扰信号进入测控系统的途径，可有效地提高系统的抗干扰能力。事实证明，采用隔离技术是一种简便且行之有效的方法。隔离技术是破坏地干扰途径的抗干扰方法，硬件上常用光电耦合器件实现电光电的隔离，这样可以有效地破坏干扰源的进入，可靠地实现信号的隔离，且容易构成各种功能状态。考虑到系统的安全性，本次设计根据需求加入光电隔离模块。在本文的设计中考虑到输入端的电流驱动能力，以及整个电路的逻辑正确性，需在 SC16C654 的输出端连接一个反相器，然后反相器的输出接到光电隔离模块的输入阳极，这样可以保证从 UART 输出的逻辑和经光电隔离之后的逻辑一致。本文光电隔离模块的电路原理图如图 3.12 所示：图 3.12 串口光电隔离电路原理图如图所示，从 SC16C654 发出的数据信号(一共有 6 个通道，由于篇幅限制只了通道 A，例如 SAOUT)，经过 74HC04 反向后输出，经过光电隔离之后电次取反，并将结果送往串口芯片，因此设计可以保证数据的逻辑正确。第四章 系统的软件设计 本章将重点介绍系统的软件设计及测试，主要分两节对系统软件部分进行详细介绍。第一部分是本章的重点内容，包括了智能串口的协议设计以及软件实现过程。第二部分介绍在 DSP 系统初始化过程中倍频设置和 EMIF 配置的软件设计以及对 FLASH 和 SDRAM 存储器的软件测试。4.1智能串口模块协议设计及软件实现根据系统需求，在本文基于 DSP 的嵌入式系统设计中需要支持 6 路串行通道的数据收发。其中2路用于RS-232、115.2kbps，另外的4路用于RS-422、230.4kbps。6 路串行通道需要开辟 256 字节的缓冲区。但是普通的 UART 芯片最高也只能支持 64 字节的 FIFO 缓冲，因此需要扩展现有的缓冲区。通过 DSP 和单片机的共同编程控制，可以实现 256 字节、6 通道缓冲区的设计。4.1.1 智能串口协议设计智能串口协议主要包括两个部分的内容：（1）数据发送协议。（2）数据接收协议。数据发送协议流程：DSP 发送数据到各个串行接口的方式是小于 256 字节任意长度的模块化发送，因此需要设计一个智能发送系统来对 DSP 的“整包”数据进行“拆包”后发送到串行接口。在设计中，单片机就担负起数据拆包并发送至串口的工作。图 4.7 中的深色部分是存放在双端口存储器中的共享资源。当 DSP需要将数据发送至串行接口时，其首先判定发送的通道。然后查看该通道的通道发送标记（判别是发往高通道或者低通道）。接着访问共享资源中的允许发送标记，如果检测获知可以发送则将整个一帧的数据发送至该通道，然后将本次发送的数据长度写入发送长度标记单元。当单片机循环到需要接收本通道的数据时首先查看本次访问的半通道标记（0：访问低半通道，1：访问高半通道）。然后查看单片机是否允许接收，如果可以则将数据逐字节地发往串行接口。当发送完一帧数据后改变半通道标记，使下一次从另一半通道发送数据。数据接收协议流程：单片机需将从串行接口接收的数据放入双端口存储器中。先查看单片机接收通道标记，如果为 0x00 则将数据放入接收低通道，如果为0xff 则将数据放入接收的高通道。每次放完一字节数据，需将接收长度值加 1。DSP 在接收数据时首先检查接收通道标记（0：接收地通道，1：接收高通道）。然后查看接收的长度是否为 0，如果不为 0，则修改单片机接收通道标记值，此刻单片机如果接收到串口数据，可以将数据放入另一半通道，这样可以提高数据处理速度，充分利用双端口存储器的资源。当 DSP 接收了半通道的数据之后即可将接收长度清零，同时将接收通道标记取反，使 DSP 下次接收数据时从另一半通道接收。在协议设计中由于涉及到两个处理器交互数据，因此需要设置一些用于交互的共享信息，这些信息存储在双端口存储器中的某些内存空间中。DSP 和单片机在访问这些信息时需针对硬件信号灯进行互斥操作。这些共享信息如图所示； 图 4.1 双端口存储器中的共享信息4.1.2 DSP发送数据流程DSP 发送数据流程：串口数据的发送需要 DSP 和单片机共同完成。DSP 处理器主要是进行数据的模块化发送，而单片机主要是将 DSP 发送的模块化数据“拆包”逐字节地发送到串行接口。在发送数据的过程中需要同单片机处理器交互一些共享数据，因此在访问共享数据的时候需要进行互斥操作。例如在访问之前需写 0x00 到双端口存储器对应的信号灯单元，然后读取 D0 数据总线，如果为 0 代表本次操作已经获取信号灯，如果为 1 则需等待。DSP 将需要发送的数据放入数组中，整包地向双端口存储器中存放数据。在DSP 每次发送一帧完整数据之前（不超过 256 字节），首先检查发送通道标记（自定义的变量），如果为 0 则发往低通道，为 1 则发往高通道。然后检查对应通道的允许发送标记（双端口存储器中用于 DSP 和单片机交互信息的共享变量，图4.20 所示，0x00：可以发送，0xff：不可以发送）。如果可以发送，则将数据放入对应的空间（低/高），并将发送长度写入低（高）通道发送长度标记单元。当一帧完整数据发送完毕之后，本通道（低/高）的 DSP 指针回到初始位置，改变发送的通道标记，使下一次发送数据放入另外一个半通道，然后修改允许发送标记为 0xff（告知单片机可以取数发往串口）。DSP 发送数据的流程如图 4.2 所示。 图 4.2 DSP 向多串口发送数据4.1.3 单片机发送数据流程在本系统的设计中，单片机主要有三个任务：（1）初始化两片 SC16C654 芯片；（2）接收来自串口的数据，并“打包”供 DSP 接收；（3）将来自 DSP 的数据“拆包”后发送到串行接口。本小节将介绍单片机对串口的初始化以及单片机发送数据的流程和程序设计。1. 单片机初始化串口：单片机在初始化 UART 时主要有三个任务。首先需要设定串行波特率（系统要求 4 路工作在 230.4kbps，2 路工作在 115.2kbps，调试时可以降低频率测试），其次设置串行传输的数据格式（1 个起始位、1 个停止位、