（信号与信息处理专业论文）基于dsp的电子白板系统的研究.pdf

沈阳航空航天大学硕士学位论文 摘要 电子白板是将传统的教学方式与现代多媒体技术、计算机技术相结合的一种现代的 多媒体教学工具，主要应用于课堂教学、大型会议以及现场演示等场合。这种方式利用 无线的信号笔书写，摆脱了键盘和鼠标的束缚，使操作者能更加直观的将思想传递给大 家。本次课题设计的电子白板系统由计算机、白板、信号笔、信号接收器、d s p 信号处 理系统和一台投影仪构成。 基于d s p 的电子白板系统可完成信号笔的无线发射和接收，并通过对超声波信号 的采集、分析和判断等处理，实现了电子白板的基本功能。系统主要包括：超声波、红 外线信号的发射和接受单元、d s p 信号处理系统和计算机控制程序三部分。本文以t i 公司生产的t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 型d s p 芯片为核心处理器，较其它芯片在处理速度、运算 精度和存储容量以及降低功耗处理上都有了很大的提高，并且在信号接收单元采用 c x 2 0 1 0 6 a 检波电路对超声波信号进行分析和判断，与其它电子白板的设计相比较，不 仅使软件设计过程简单化，也使整个系统成本大大降低，适合大面积推广。同时为了完 成d s p 与计算机的信息交互功能，运用t i 公司生产的异步通信模块t l l 6 c 5 5 0 来实现 d s p 与计算机数据的异步串行通信，并且利用f l a s h 芯片a m 2 9 l v 8 0 0 和s d r a m 芯片 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 e t p 芯片实现了存储器的扩展。 论文最后主要是对系统进行优化和整体测试，通过各项调试结果证明了整个系统实 现了电子白板的功能，基本达到了预期的效果。 关键词：电子白板；超声波；红外线；c x 2 0 1 0 6 a ；异步串行通信；t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a b s t r a c t e 1 e c t r o n i cw h i t e b o a r di sam o d e mm u l t i m e d i a t e a c h i n g t o o l sm a i n l yb eu s e di n c j a s s r o o mt e a c h i n gc o n f e r e n c e sa n dl i v e d e m o n s t r a t i o na n ds oo n ，w h i c hi s c o m b i n e do f t r a d i t i o n a l t e a c h i n gm e t h o d sa n dm o d e mm u l t i m e d i a t e c h n o l o g y ,c o m p u t e rt e c h n 0 1 0 9 y c o m b i n i n g e 1 e c t r o n i cw h i t e b o a r du s i n gt h ew i r e l e s ss i g n a l sp e n ，f r e e df r o mt h es h a c k l eo f k e y b o a r da n dt h em o u s e m a k et h eo p e r a t o rc a nm o r e i n t u i t i v ew i l lt h o u g h tc o 瑚m u n i c a t i n gt o e v e r y o n e t h ed e s i g no fi n t e r a c t i v ee l e c t r o n i cb o a r d s y s t e mi sm a d eu po fc o m p u t e r w h i t e b o a r d ，s i g n a lp e n ，r e c e i v e ra n dd s ps i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m i tw a st a k e dt h et ic o m p a n yp r o d u c t i o nt m s 3 2 0 c 5 5 0 9d s p a st h ec o r ep r o c e s s o r w n l c h1 s c o l l e c t m g ，p r o c e s s i n g ，a n a l y s i s i n ga n dj u d g i n gu l t r a s o n i c s i 盟a 1 t h ep r o c e s s i n g s p e e d ，a c c u r a c ya n ds t o r a g ec a p a c i t ya n dr e d u c ep o w e r c o n s u m p t i o np r o c e s s i n gh a si m p r o v e d al o t s y s t e md e s i g n st r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o nu n i t so f u l t r a s o n i ca n di 1 1 姗e ds i g n a l i ti s r e a l i z e dt h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o no f t h es i g n a lp e n s i g n a lr e c 印t i o nu n i t st a k e c x 2 010 6 ad e t e c t i o n c h i pt h a ta n a l y z ea n dj u d g eu l t r a s o n i c s i g n a l a c c o r d i n gt oo t h e r e l e c t r o n i cw h i t e b o a r d ，n o to n l ys o f t w a r e d e s i g np r o c e s si so v e r - s i m p l i c a t i o n ，b u ta l s om a k e w h o l es y s t e mc o s tr e d u c e d g r e a t l y , s ot h i sp r o d u c tc a na c c u m u l a t e sp r o m o t i o n a tt h es a m e t l m ei no r d e rt o c o m p l e t et oi n t e r a c t et h ed s pa n dc o m p u t e ri n f o m a t i o n ，i ti s u s e st i c o m p a n yp r o d u c t i o na s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nm o d u l et l l 6 c 5 5 0t oa c h i e v ed a t as e r i a l t r a n s m l s s i o no fd s pa n dc o m p u t e r a n di ti su s e sf l a s h c h i p sa m 2 9 l v 8 0 0a n ds d r a mc h i p h y 57 v 6 416 2 0 e t pt or e a l i z em e m o r y e x p a n s i o n f i n a l l yp a p e ri n t r o d u c e st h es y s t e mo p t i m i z a t i o na n do v e r a l lt e s t ，v a r i o u sc o m m i s s i o n i n g r e s u l t si sp r o v e dt h ew h o l es y s t e mr e a l i z e dt h e o n d s r f u n c t i o no fe l e c t r o n i cw h i t e b o a r ds y s t e mb a s e k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cw h i t e b o a r d ；u l t r a s o n i c ；i n f r a r e dr a y ；c x 2 0 1 0 6 a ；a s y l l c h r o n o u s s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 沈刚航空航天人学硕十学位论文 课题的背景及选题依据 第l 章绪论 黑板这一个长久以来在教学中发挥着至关重要作用的教学工具，由于本身方便、直 观、易于教学，能增强教师与学生之问的互动性等特点，受到老师和学生的一致欢迎， 但在教师书写过程中产生的大量粉笔灰对周围的环境产生了影响。许多课堂都采用白板 代替黑板。以此来解决大量产生的粉尘带来的环境问题，但普通的白板和黑板一样仍无 法满足现代教学改革所带来的新要求，具体表现为无法完成对板面上的文字和图像的存 档，更无法完成对远距离网络会议的要求等。电子白板的出现解决了以上的难题。电子 f j 板是计算机技术、现代多媒体技术与传统的教学模式相结合的产品。不但能完成传统 黑板的书写记录功能同时也具备制图、复印、存储等功能，配备网络就更能实现远距离视 频会议的需要，是将来教学和会议主要传播信息的载体。电子白板系统由一个信号发射 笔、白板、信号处理平台、投影仪和计算机构成。其具体设计原理示意图如图1 1 所示： 图1 1电子白板设计原理示意图 沈阳航空航天大学硕士学位论文 国内外发展动态及概况 目前，电子白板的主要输出国是欧美等发达国家，产量占全球销量的七成以上，由 于欧美发达国家对电子白板的开发和关注较早，并依靠着自身强大的研发和设计能力一 直占据着市场的主体位置，其生产的电子白板具有性能优良、功能强火等优点，得到广 泛的应用，我国的交互电子白板生产和开发正处于初始阶段，但发展速度同样很快，年 增长率超过一倍，到2 0 0 6 年中国电子白板的出货量已经达到6 万台，在中国的电子白 板销售中，教育行业的需求量巨大，其它行业只占有极小的部分。 此前一家国际调查公司提供的一份市场分析报告中指出，电子白板目前市场前景非 常广阔，市场需求量大，并具有较高的经济效益，并推测到2 0 1 0 年后，全球的电子白 板业务每年将有超过2 0 亿美元的市场空间，市场平均增长率约为2 5 ，同时我国交互 电子白板年增长仍将超过一倍。中国也将成为电子白板最大市场。 复印式电子白板和交互式电子白板是当今市场上主流的两大类电子白板。其主要的 生产商主要有松下、东芝、普乐士等公司。由于白板材质的限制可分为由普通白板搭载 传感器的电子白板和由按压式触摸屏构成的电子白板，由于触摸屏的造价较高不适于大 范围应用，因此大多数的电子白板生产商多以普通白板搭载传感器的方式为发展方向。 以交互式电子白板为例，由于电子白板是集合了高速数字信号处理技术、现代计算机技 术等高科技因素，具有较高的科技附加值，造成其售价一直居高不下，价格少的在 4 0 0 0 - - - 5 0 0 0 元上下，多的上万元不等。由于其自身具有较高的科技含量，并且在国内拥 有极强的需求量，市场份额极大，国内的这种同类的产品又正处于发展阶段，因此长期 以来国外公司生产的电子白板依靠技术和功能的强大优势一直占据着国内广大的市场 份额。 1 3 课题的研究意义及价值 电子白板是将现代的多媒体技术与传统的黑板相结合，它既保留了传统教学模式的 优势又将现代科学技术注入到传统教学模式中。加速了教学改革的进程，随着教学模式 现代化的新要求，电子白板产品备受教育部门的关注，需求量急剧增加，国内市场前景 非常广阔。电子白板在课堂教学上能发挥其最佳的教学效果，并受到老师和同学的一致 好评，具有异常广阔的应用前景，同时由于目前电子白板的市场售价较高。并且长期以 沈圈j 航空航天大学硕士学位论文 来一直被国外知名厂商的产品占据着国内巨大的市场份额。因此电子白板具有较高的经 济效益。 鉴于此，完成对电子白板的研究具有极高的市场价值和社会价值。 1 4 本论文研究的问题 在课题的设计和研究过程中要着重考虑核心问题和难点的研究，在这里我提出在基 于d s p 的电子白板系统的设计过程中主要研究的问题和难点，在以后的课题研究中应 该注意这些方面知识的研究和学习。 1 4 1 笔迹的定位方法 根据掌握的移动通信定位方法中，各个定位方法都有其优点和缺点，应用的范围也 不尽相同，因此选取了几种在移动通信中常用的具有代表性的定位技术并在文章中对其 特点进行了分析。其中不同的定位方法同时也伴随着不同的定位算法和系统软、硬件设 计方案。因此笔迹定位方法的确定将决定着整个系统的设计方案的制定，因此选取一种 适合本系统的定位方法是本系统成功与否的关键。 1 4 2 电子白板的信号发射与接收电路的设计 由于本次设计的电子白板利用无线信号笔实现红外线、超声波信号的发射，再由安 装在白板上的信号接收电路完成对信号的接收、分析、判断等工作。因此信号的发射与 接收电路的设计是系统设计的一个重要环节。通过参阅大量的资料确定一种适合本系统 的性能优良的信号发射与接收硬件电路是本次设计的重中之重，其中主要要考虑硬件电 路的稳定性和滤除噪声的能力，因为能在设计中滤去环境中的噪声干扰而得到纯净、稳 定的超声波信号将是实现系统设计关键。 1 4 3d s p 信号处理系统核心处理芯片t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 的应用 本次设计主要目的足由d s p 信号处理系统提取超声波信号并进行分析、处理、判 断，得以完成对超声波信号的延时信息的提取工作。因此d s p 芯片的应用是本次系统 设计的核心，在短距离内的超声波传播时间较短且频率较高，因此利用d s p 信号处理 芯片t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 完成对超声波信号的提取和处理。并将其得到准确的超声波信号延 时信息送往上位机是本次设计需要解决的问题。 沈圈j 航空航天大学硕士学位论文 来一直被国外知名厂商的产品占据着国内巨大的市场份额。因此电子白板具有较高的经 济效益。 鉴于此，完成对电子白板的研究具有极高的市场价值和社会价值。 1 4 本论文研究的问题 在课题的设计和研究过程中要着重考虑核心问题和难点的研究，在这里我提出在基 于d s p 的电子白板系统的设计过程中主要研究的问题和难点，在以后的课题研究中应 该注意这些方面知识的研究和学习。 1 4 1 笔迹的定位方法 根据掌握的移动通信定位方法中，各个定位方法都有其优点和缺点，应用的范围也 不尽相同，因此选取了几种在移动通信中常用的具有代表性的定位技术并在文章中对其 特点进行了分析。其中不同的定位方法同时也伴随着不同的定位算法和系统软、硬件设 计方案。因此笔迹定位方法的确定将决定着整个系统的设计方案的制定，因此选取一种 适合本系统的定位方法是本系统成功与否的关键。 1 4 2 电子白板的信号发射与接收电路的设计 由于本次设计的电子白板利用无线信号笔实现红外线、超声波信号的发射，再由安 装在白板上的信号接收电路完成对信号的接收、分析、判断等工作。因此信号的发射与 接收电路的设计是系统设计的一个重要环节。通过参阅大量的资料确定一种适合本系统 的性能优良的信号发射与接收硬件电路是本次设计的重中之重，其中主要要考虑硬件电 路的稳定性和滤除噪声的能力，因为能在设计中滤去环境中的噪声干扰而得到纯净、稳 定的超声波信号将是实现系统设计关键。 1 4 3d s p 信号处理系统核心处理芯片t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 的应用 本次设计主要目的足由d s p 信号处理系统提取超声波信号并进行分析、处理、判 断，得以完成对超声波信号的延时信息的提取工作。因此d s p 芯片的应用是本次系统 设计的核心，在短距离内的超声波传播时间较短且频率较高，因此利用d s p 信号处理 芯片t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 完成对超声波信号的提取和处理。并将其得到准确的超声波信号延 时信息送往上位机是本次设计需要解决的问题。 沈阳航空航天大学硕士学位论文 1 4 4 上位机绘图软件的设计 本次设计的思想是利用d s p 信号处理系统和计算机的信息交互功能，将信号笔的 数据信息通过d s p 提取、分析、计算再送往计算机，再通过设计的相应计算机程序完 成对笔迹的描绘，最后利用投影仪将笔迹的影像投影在白板上。设计要求计算机通过上 位机编写的应用程序来对信号笔迹进行描述，因此需要在本次设计利用w i n d o w s 系统的 可编程软件v i s u a l b a s i c6 0 编写一段应用程序来实现对信号笔笔迹的描绘，以此来实时 的将信号笔的运动轨迹描绘出来。 1 5 d s p 数字信号处理系统的搭建 d s p 信号处理系统的核心处理芯片选取的是t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 ，t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 具有处理速度快；功耗低；存储容量大；数据处理动态范围大；运算精度高；高度集成 化等优点，支持c 语言、汇编语言编程，使用方便灵活，拥有完善的硬件，软件开发工 具。通过简单的串口电路设计便可实现与计算机的互联，实现信息的交互功能。而且 芯片价格低廉，拥有较高的性价比，并且可扩展硬件资源丰富，非常适合于本系统的开 发要求。d s p 信号处理系统由电源电路、复位电路、存储器扩展电路、时钟电路和串行 通信电路组成。系统可以完成一般情况下的数字信号处理工作，适合本次设计的具体要 求。 1 6 章节安排 第1 章本章主要介绍本次设计的电子白板设计的研究意义以及国内外发展动态和 本次论文将要遇到的问题以及论文主要内容综述。 第2 章本章主要对移动通信中的几种常见的定位原理进行介绍，并在其中选取一 种选作为本次系统设计的定位方法，再讨论根据选定的定位原理制定相应的硬件、软件 系统设计方案。 第3 章本章主要对系统的硬件设计方案进行详细的阐述，选定硬件设计方案，并 对硬件电路各组成部分进行详尽的分析和介绍，主要对信号笔发射电路、信号接收电路 以及d s p 信号处理系统的硬件设计方案进行介绍。 第4 章本章主要对信号笔的定位算法以及定位算法在d s p 上的实现方法进行详尽 4 沈阳航空航天大学硕士学位论文 的介绍，其中内容主要包括d s p 获取超声波延时信号的方法和d s p 数字信号处理系统 与计算机异步串行通信方法以及d s p 中断向量表和链接文件的程序设计。 第5 章本章主要对上位机编写的利用w i n d o w s 系统自带的v i s u a l b a s i c 6 软件实现 对信号笔笔迹进行描绘程序的设计方法进行介绍，设计内容主要包括：d s p 信号处理系 统与计算机的串行数据交换功能、坐标变化功能、以及笔记描绘三部分。 第6 章本章主要是对电子白板系统联合试验后的性能指标作出分析，计算实验数 据，测试功能，分析系统的优缺点以及存在的主要问题，并展望系统优化后的性能指标。 1 7 小结 本章主要对本次设计的电子白板的课题研究背景、国内外发展动态以及课题的研究 意义进行简要的说明，并且提出本次设计需要解决的主要问题包括：信号笔的定位方法、 电子白板的信号发射与接收电路的设计、d s p 信号处理系统核心处理芯片 t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 的应用、上位机绘图软件的设计，通过本章的内容对本次设计电子白板 的主要功能做出详尽的介绍。 沈阳航空航天大学硕士学位论文 第2 章电子白板笔迹定位原理 本章主要针对电子白板的无线定位技术的原理、方法展开深入的研究，对电子白板 的几种无线定位原理和方法进行介绍，讨论其在系统设计时的优缺点。并且选择一种适 合于本系统设计的定位方法。作为电子白板系统设计的具体定位方法。本次电子白板系 统设计的无线定位方法主要参考了几种在移动通信中常用的无线定位原理应用到本次 设计中对信号笔进行定位。 2 1 移动通信无线定位技术介绍 无线定位技术是一种利用无线信号来判定某一半径范围内无线信号发射终端物理 位置的方法。接收器接收到无线定位信号，根据信号的频率、相位、时问等参数，再通 过特定的计算方程进而得到信号源具体的定位信息。其中有几种常见的定位方法如基于 到达时问估计的t o a 定位方法( t i m eo fa r r i v a l ) 利用接收到的信号到达时间作为参数； 基于到达角度估计的a o a 定位方法( a n g l eo f a r r i v a l ) 利用接收到的信号到达角度参数等 进行定位：基于信号到达传感器阵列时间差估计的t d o a 定位方法( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) 禾l j 用接收到的信号到达时间差估计定位方法，下面具体分析上述几种定位方法。 2 2电子白板无线定位原理介绍 2 2 1t o a 定位原理介绍 基于t o a 估计的定位方法是一种利用信号到达时间，通过圆周交点进行定位的方 法，基于t o a 估计的圆形定位方法如图2 1 所示： 图2 1t o a 定位方法 6 沈阳航空航天大学硕士学位论文 第2 章电子白板笔迹定位原理 本章主要针对电子白板的无线定位技术的原理、方法展开深入的研究，对电子白板 的几种无线定位原理和方法进行介绍，讨论其在系统设计时的优缺点。并且选择一种适 合于本系统设计的定位方法。作为电子白板系统设计的具体定位方法。本次电子白板系 统设计的无线定位方法主要参考了几种在移动通信中常用的无线定位原理应用到本次 设计中对信号笔进行定位。 2 1 移动通信无线定位技术介绍 无线定位技术是一种利用无线信号来判定某一半径范围内无线信号发射终端物理 位置的方法。接收器接收到无线定位信号，根据信号的频率、相位、时问等参数，再通 过特定的计算方程进而得到信号源具体的定位信息。其中有几种常见的定位方法如基于 到达时问估计的t o a 定位方法( t i m eo fa r r i v a l ) 利用接收到的信号到达时间作为参数； 基于到达角度估计的a o a 定位方法( a n g l eo f a r r i v a l ) 利用接收到的信号到达角度参数等 进行定位：基于信号到达传感器阵列时间差估计的t d o a 定位方法( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) 禾l j 用接收到的信号到达时间差估计定位方法，下面具体分析上述几种定位方法。 2 2电子白板无线定位原理介绍 2 2 1t o a 定位原理介绍 基于t o a 估计的定位方法是一种利用信号到达时间，通过圆周交点进行定位的方 法，基于t o a 估计的圆形定位方法如图2 1 所示： 图2 1t o a 定位方法 6 沈阳航空航天大学硕士学位论文 t o a ( 信号到达时问) 定位方法使用三个固定位置的信号接收器便可对一个信号源 进行定位。三个固定点的信号接收器，接收来自于信号源发射的测试信号，可以通过信 号源的发射信号到达信号接收器的传播时间，计算出两点之问的传输距离，如果已知信 号源与三个固定接收器之间的距离，那么以三个接收器所在点为圆心，信号源与接收器 之间的距离为半径画圆，那么三个圆的交点即为信号源的点位置。其中信号源的位置 ( 而，凡) 与三个信号接收器的位置( 蕾，y ，) 之间的运算关系满足下式： ( 五- ) 2 + ( 咒- ) 2 = 砰 ( 2 1 ) ( 恐- ) 2 + ( y 2 - y o ) 2 = 题 ( 2 2 ) ( 恐x o ) 2 + ( 乃y o ) 2 = 碍 ( 2 3 ) 2 2 2a o a 定位原理介绍 a o a ( 信号到达角度) 定位方法，是一种利用方位角测量的方法来定位信号 源的定位方法。本方法是利用接收器接收到信号源电波的入射角，判断方入射角 位后得到的一条连接信号源与接收器之间的连线，那么利用两个接收器提过的信 号入射角数据就可以通过两条连接线的交点来确定信号源的位置。a o a 定位方法 一般只需要两个接收器便可实现对信号源的定位，但在实际中，由于受到信号传 输特性、角度分辨率、多径以及环境噪声的干扰，因此通常需要三个或更多的接 收器。基于a o a 估计的信号入射角度的定位方法如图2 2 所示： 图2 2a o a 定位方法 沈阳航空航天大学硕士学位论文 其中假设b s l 、b s 2 为两个信号接收单元，m s 为信号源发射测试信号，信号 接收器b s l 、b s 2 分别接收到入射角度为幺，0 2 那么两个信号接收器的位置点( 誓，y ，) 与 信号源位置点( x o ，y 。) 之问的运算关系满足下式1 0 1 ： t a n ( q ) 嚣 ( 2 4 ) t a n ( 0 2 ) = 叠：兰 ( 2 。5 ) 少o 。y 2 2 2 3t d o a 定位原理 基于t d o a ( 信号到达时间差) 估计的定位方法是一种通过计算信号源发射的电 波到达接收器的时间差来定位信号源的定位方法，又称为双曲线定位方法，当信号源与 两个接收器之间的距离差一定时，即信号在传输到接收器的时间差确定时候( 距离差暂 定为r ；时间差暂定为t ) ，那么其信号源的点位置必定位于以两个接收器为焦点的，与 两焦点之间距离为r 的双曲线上。同时两个接收器到信号源之间的距离差r 可以利用 信号源同时发射的信号到达两个接收器的时间差来得到。 b s i b s 2 ，。 b s 3 图2 3t d o a 定位方法 其中假设b s l 、b s 2 、b s 3 为三个信号接收单元，m s 为信号源发射测试信号， 信号接收器b s l 、b s 2 、b s 3 分别与信号源之间的距离为r 1 、r 2 、r 3 那么三个信 号接收器的位置点( 葺，”) 与信号源位置点( ，) 之间的运算关系满足下式 1 0 】： 沈阳航空航天大学硕士学位论文 ( ( x 1 一x o ) 2 + ( 乃一y o ) 2 一( 恐一x o ) 2 + ( y 2 y o ) 2 ) 2 = 稚 ( 2 6 ) ( ( 葺- x o ) 2 + ( 少1 一y o ) 2 一( 屯- x o ) 2 + ( 乃- y o ) 2 ) 2 = ( 2 7 ) ( ( 屯- x o ) 2 + ( 乃一y o ) 2 一( 恐一x o ) 2 + ( 咒一y o ) 2 ) 2 = 磋 ( 2 8 ) 2 3 基于d s p 的电子白板的无线定位原理 通过对以上几种常见的定位算法的分析和介绍，t o a 定位方法具有定位精度高，设 计易于实现等优点，同时也是目前移动通信中主要研究的定位方法。根据本次设计的系 统要求，将t o a 定位技术运用到本次设计的电子白板中，其利用的是信号的到达时间 的时间差作为定位计算依据。其定位原理图如图2 4 所示： 图2 4 电子白板系统定位原理 本设计中利用红外信号和超声波信号的传输特性对信号笔定位，由信号笔周期性的 发送红外信号和超声波信号，当红外线接收器b 接收到由信号笔发射的红外信号时，认 为信号笔此时出现在白板上，同时d s p 开启动定时器中断开始计时。当超声波接收器a 、 c 接收到有信号笔发射的超声波信号时关闭定时器，得到两个延时信号l 、l ，由于红 外线的传播速率为c = 3 0 x 1 0 8 m s 而超声波的传播速率为3 4 0 m s ，相比较而言红外线传 播的速度比超声波传播的速度快的很多，加之白板本身面积不大，所以可以认为红外线 9 沈阳航空航天大学硕士学位论文 其从e 点传播到b 点的时间可以忽略不计，因此可以将红外信号作为时间基准信号，这 样我可以认为得到的延时信息_ 、f ：即可用来计算信号笔与两路信号接收器之间的距 离。那么通过下式便可得到信号笔在电子白板上的坐标【i o 】。 万1 ：“( 2 9 ) 万1 ：v ( 2 1 0 ) “= q 3 4 0 ( 2 1 1 ) v = 2 - 2 3 4 0 ( 2 1 2 ) ；可：“厢：y ( 2 1 3 ) 而= y 竽= x ，4 ， 2 4 超声波、红外线联合测距原理介绍 本次设计采用超声波、红外线联合定位法对信号笔定位，4 0 k h z 的超声波具有传 输稳定性高和抗干扰等优点，红外线信号本身就具有很强的发射强度和较强的穿透性在 传输过程中不易受周围环境的干扰，因此选取的是4 0 k h z 的超声波和红外线信号作为 测试信号。信号接收器接收信号延时信息示意图如图2 5 所示【2 8 】： 红外线接收器 v 左路超声波接收器 右路超声波揍收器 黾 厂 r 一 ：。 。l i 17 图2 5 信号接收器接收信号延时信息示意图 信号笔每间隔2 7 m s 发射一组频率为4 0 k h z 的红外线、超声波信号，在本次设计中 选取的是1 5 l m 的普通白板，因此在1 5m 2 的定位空间内，红外线传输的最远距离为 1 0 沈阳航空航天大学硕士学位论文 白板的对角线的距离1 8 0 m ，所以红外线信号在白板内的最长传输时间为 丽x 1 5 2 + 1 2 = 6 。( 珊) ( 2 1 5 ) 3 o 1 0 5 、7 。 这一时间相比于超声波传输延时时间( m s 级) 就可以忽略不计了。本次设计中红 外线信号作为时间基准信号，用来触发d s p 的定时器中断，当检测到超声波信号时， 关闭定时器得到延时信息。 2 5 小结 本章主要对几种常见的应用在移动通信中的定位方法进行了简单的分析和介绍，阐 明各自的优缺点，并选取一种适合于本次设计的定位原理，经过比较和筛选最终选取 t d o a 定位原理应用到本次设计的电子白板中，并且制定出了本次设计电子白板的定位 方法。 沈阳航空航天大学硕士学位论文 第3 章基于d s p 的电子白板系统硬件设计与实现 本章将主要介绍的是基于d s p 的电子白板的硬件设计方案以及具体的实现方法， 其中主要内容包括：1 信号发射电路硬件设计部分，其中包括驱动电路的设计；波形产 生电路的设计以及电源电路的设计等，要求信号笔能周期性的发射红外线、超声波信号。 2 信号接收电路硬件设计部分，其中包括放大器电路的设计；滤波器电路的设计；检波 电路的设计。设计要求信号接收电路能接收到稳定、纯净、特征明显的的信号并将其传 送到d s p 。3 d s p 信号处理系统的硬件电路设计，包括电源电路的设计，串口通信电路 的设计以及d s p 芯片外围电路的设计等，设计要求d s p 完成对超声波信号的采集、处 理、分析等工作最后通过串口将计算结果送往计算机。 3 1 系统硬件总体设计方案 图3 1 为电子白板系统的硬件组成原理框图。系统中包括信号发射与接收单元和 d s p 信号处理系统以及计算机和投影仪，整个系统设计以d s p 为系统设计核心，对外 扩展了存储器、串口通信等外围电路，其中d s p 主要负责信号的采集和预处理、分析、 判断、计算等工作。同时计算机可以与d s p 数字信号处理系统完成信息交互功能，传 递信 图3 1电子白板系统组成原理框图 沈刚航空航天人学硕+ 学位论文 3 2d s p 信号处理系统组成 本设计的d s p 信号处理系统以t i 公司的v c 5 5 0 9 芯片为核心处理芯片，由它来完 成对超声波信号的分析、判断和处理，并将其传送到计算机。设计要求d s p 信号处理 系统可以与计算机完成信息的交互工作，相互控制其工作状态。本次d s p 信号处理系 统t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 外围电路的设计，包括电源电路、晶振电路、复位电路的设计还包括 外部存储器s d r a m 的扩展和t l l 6 c 5 5 0 异步通信电路的设计以及f l a s h ：芯片扩展电路 设计等。 3 2 1d s p 信号处理系统核心芯片t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 本次系统设计采用的信号处理芯片t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 是t i 公司生产的1 6 位定点d s p ， 具有双核结构，处理速度更快，处理速度比c 5 4 系列提高了5 倍，并且采用低功耗设计， 功耗仪为c 5 4 系列的1 6 ，处理速度最高可达4 0 0 m i p s ，片内存储空间可达1 6 0 k 字， 外部存储空间可扩展为8 m 字的大容量s d r a m 。由于t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 具有高性能、低 功耗、通用性高、集成度高、便于嵌入式丌发等优点在实践设计生产中得到了广泛的应 用。d s p ：卷片主要由3 个部分组成：c p u 、存储器、片内外设，下面对t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 的片上资源进行介绍。t m s 3 2 0 c 5 5 0 9d s p 芯片如图3 2 所示【5 均j ： 1 c p u 图3 2t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 的c p u 包含5 个单元：指令缓冲单元( i 单元) 包含一个1 6 位的指 令缓冲队列任务是读取程序数据总线( p b ) 的3 2 b i t 代码再通过指令解码器解码指令， 然后再将指令传给工作单元。程序单元( p 单元) 产生2 4 b i t 的所有程序空i 、白j 地址。地 址一数据流单元( a 单元) 包含数据地址产生电路d a g e n 以及一个1 6 b i t 的算术逻辑单 沈刚航空航天人学硕+ 学位论文 3 2d s p 信号处理系统组成 本设计的d s p 信号处理系统以t i 公司的v c 5 5 0 9 芯片为核心处理芯片，由它来完 成对超声波信号的分析、判断和处理，并将其传送到计算机。设计要求d s p 信号处理 系统可以与计算机完成信息的交互工作，相互控制其工作状态。本次d s p 信号处理系 统t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 外围电路的设计，包括电源电路、晶振电路、复位电路的设计还包括 外部存储器s d r a m 的扩展和t l l 6 c 5 5 0 异步通信电路的设计以及f l a s h ：芯片扩展电路 设计等。 3 2 1d s p 信号处理系统核心芯片t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 本次系统设计采用的信号处理芯片t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 是t i 公司生产的1 6 位定点d s p ， 具有双核结构，处理速度更快，处理速度比c 5 4 系列提高了5 倍，并且采用低功耗设计， 功耗仪为c 5 4 系列的1 6 ，处理速度最高可达4 0 0 m i p s ，片内存储空间可达1 6 0 k 字， 外部存储空间可扩展为8 m 字的大容量s d r a m 。由于t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 具有高性能、低 功耗、通用性高、集成度高、便于嵌入式丌发等优点在实践设计生产中得到了广泛的应 用。d s p ：卷片主要由3 个部分组成：c p u 、存储器、片内外设，下面对t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 的片上资源进行介绍。t m s 3 2 0 c 5 5 0 9d s p 芯片如图3 2 所示【5 均j ： 1 c p u 图3 2t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 的c p u 包含5 个单元：指令缓冲单元( i 单元) 包含一个1 6 位的指 令缓冲队列任务是读取程序数据总线( p b ) 的3 2 b i t 代码再通过指令解码器解码指令， 然后再将指令传给工作单元。程序单元( p 单元) 产生2 4 b i t 的所有程序空i 、白j 地址。地 址一数据流单元( a 单元) 包含数据地址产生电路d a g e n 以及一个1 6 b i t 的算术逻辑单 沈阳航空航天大学硕士学位论文 元a l u ，来产生读写数据的所有空间地址。数据运算单元( d 单元) 包含一个4 0 b i t 的算术逻辑单元a l u ：可执行高精度的逻辑运算，两个1 7 x1 7 - b i t 乘加单元( m a c ) ： 可在单周期内执行两次m a c 运算和一个4 0 - b i t 筒形移位寄存器主要负责对i 单元接收 到的数据进行加法、减法、比较、取整、饱和、布尔逻辑以及绝对值运算，是c p u 最 主要的单元功能单元负责主要的数据处理任务。存储器接口单元( m 单元) 主要负责 c p u 各功能单元的连接以及数据传输功能。c p u 含有：读程序地址总线( p a b ) 、读程 序数据总线( p b ) 写数据总线( e b ，f b ) 、写数据地址总线( e a b ，f a b ) 、读数据地址 总线( b a b ，c a b ，d a b ) 、读数据总线( b b ，c b ，d b ) 共1 2 组内部独立总线方便数据的读 写，提高芯片的运算速率。 2 存储器 t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 的程序空间和存储空间采用统一的编码访问方式，t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 拥 有1 6 0 k 字的片上存储空间其中包括：r a m 为1 2 8 k 字，r o m 为3 2 k 字。t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 同时支持8 m 字的外部存储空间，存储空间被分为4 个存储空问( c e 0 - - c e 3 ) 。程序空 问c p u 是使用2 4 位的字节寻址方式从程序寄存器读取指令，数据空间c p u 是用2 3 位 的字寻址方式，寻址1 6 位的数据。t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 支持3 2 k 字的d a r a m 存储器，每 周期可访问两次。t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 支持9 6 k 字的s a r a m 存储器，每周期可访问一次。 3 片内外设配置 a 旧：t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 内部集成的一个1 0 位的连续逼近式模数转换器。采样结果为 1 0 位，内部集成了可编程分频器可以根据要求随意产生适合的采样频率，最高采样频率 为2 1 5 k i - i z 可供d s p 对一些低频的音频信号进行采样。 i 0 ：t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 提供了专门的通用的输入、输出引脚g p i o ，每个i 0 口的使用 可由专用的寄存器i o d i r 独立支配，i o 口的输入输出数据也同时体现在数据寄存器 i o d a t a 上。 m c b s p ：t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 片内提供了2 个高速的多通道缓存串口m c b s p ( m u l t i c h a n n e l b u f f e rs e r i a lp o r t s ) 。其主要负责波特率的产生或与其它d s p 和解码器以及模拟接口芯片 等器件相连接实现信号、数据的传输。必要时还可以将m c b s p 设置成通用i 0 口使用。 d p l l ：t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 片内的时钟发生器，负责将时钟信号转变成c p u 以及片上 其它外设所需的的工作时钟，t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 的时钟频率最高可达2 0 0 m h z 。 1 4 沈阳航空航天大学硕士学位论文 e m i f ：t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 的外部存储器接口e m i f 负责d s p 与外部存储器之间的数据 连接，可以对异步寄存器、同步突发寄存器和同步寄存器提供无缝连接。其中 t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 可以提供8 m 字的外部存储空间【5 矧。 3 2 2 电源电路设计 电源电路的设计在d s p 信号处理系统中拥有着至关重要的地位，特别是在高速系 统中电源的稳定性更是关系到系统设计成败的关键。t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 通常采用低电压设 计，双电源供电，既内核电源c v 和i o 电源d v ，d v 主要负责i o 口供电，通常取3 3 v 可直接与外部低电压器件和逻辑器件接口连接，而不需要电源转换电路。c v 主要负责 芯片内部工作供电，其中包括给时钟电路、c p u 、a d 转换电路和存储器电路等逻辑电 路供电，d v 采用1 6 v 、1 3 5 v 、1 2 6 v 或更低的1 2 v 电源，这样可以大大的降低功耗。 本系统电源电路选用t i 公司的电源芯片t p s 7 6 7 d 3 0 1 。t p s 7 6 7 d 3 0 1 电源芯片具有 上电复位和监控功能，输入电源为5 v 可以提供两路输出电源，一路为3 3 v 另一路为 1 6 v 。可以分别为d s p 芯片的内核电源和i 0 电源供电。t p s 7 6 7 d 3 0 1 芯片产生线性电 源的电路图如图3 3 所示p 。6 j ： 图3 3t p s 7 6 7 d 3 0 1 电源电路 3 2 3 复位电路 t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 的复位分为硬件复位和软件复位两种，其中软件复位是通过系统设 沈阳航空航天大学硕士学位论文 置指令实现对芯片的复位，硬件复位则是通过触发硬件电路实现芯片的复位。 t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 的复位输入引脚r e s e t 为系统提供了硬件复位方式，低电平有效，它是 一种不可屏蔽的外部中断可在任何时间对芯片进行复位，使芯片终止程序执行同时将程 序计数器指向f f 8 0 0 0 h 处，当r e s e t 为高电平时，系统将从f f 8 0 0 0 h 开始处执行程序。 3 2 4 时钟电路设计 为d s p 芯片提供工作时钟的方法有两种，一种是利用外部时钟源为d s p 提供工作 时钟，将外部时钟直接连接到d