（通信与信息系统专业论文）基于dsp的载波通信系统研究.pdf

| i i i irll ii iiii ir l r i l li rj y 17 5 8 0 0 6 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：羔! z ! ! 主。! 日期： 竺l 旦：至：【 f 卜 6 一 北京邮电大学硕士学位论文基于d s p 的载波通信系统研究 基于d s p 的载波通信系统研究 摘要 载波通信被广泛应用在隧道、矿井及军事等领域，它在我国是一 门朝气蓬勃的学科，在现代通信系统中占据着重要的地位。它的传输 介质主要有专用电缆、双绞线、同轴电缆等。在传统的载波通信领域， 载波机的调制解调模块都是用模拟器件实现的，这种传统的载波机已 不能完全满足现有市场对通信质量的要求。本课题所研究的项目就是 为了适应现代高速发展的载波通信的要求，而提出的一种基于数字信 号处理器( d s p ) 和单片机( m c u ) 的数字单边带调制解调方案。 首先，文中简单介绍了载波通信技术的发展过程和应用情况。其 次，阐述了整个系统的单片机模块和数字信号处理器模块的硬件和软 件实现过程。接着，详细介绍了全数字单边带调制解调模块的算法研 究。最后，简单介绍了载波通信的组网方法。 实测和实际运行结果表明，该系统达到了原设计的指标。与之前 的载波通信系统设计相比，该系统大大提高了载波通信的性能，且进 一步推进了载波通信的数字化。 关键词：单片机数字信号处理器载波通信单边带调制解调 逻辑拓扑结构 北京邮电大学硕士学位论文 基于d s p 的载波通信系统研究 t h er e s e a r c ho fc a r r i e r c o m u n i c a t i o ns y s t e m s b a s e do nd s p a b s t r a c t c a r d e rc o m m u n i c a t i o n si sw i d e l yu s e di nt u n n e l s ，m i n e s ，m i l i t a r y f i e l d sa n ds oo n c a r t i e rc o m m u n i c a t i o n si nc h i n ai sa l l v i g o r o u s d i s c i p l i n e i tp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nm o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h et r a n s m i s s i o nm e d i u mo fc a r r i e rc o m m u n i c a t i o n si n c l u d e ss p e c i a l c a b l e ，t w i s t e dp a i rc a b l e ，c o a x i a lc a b l ea n ds o o n i nt h ef i e l do f t r a d i t i o n a lc a r r i e rc o m m u n i c a t i o i l s ，t h em o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o nm o d u l e o fc a r t i e rc o m m u n i c a t i o n sw a si m p l e m e n t e db ym e a n so fa n a l o gm e t h o d s t h et r a d i t i o n a lc a r r i e rc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m sc a l l tc a t c hu pw i t ht h e m a r k e td e m a n d sf o rh i g h e rc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y t h e na na l ld i g i t a l m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o ns c h e m eb a s e do nd s pa n dm c uw a sp r o p o s e d ， w h i c ha i m sa tt h ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n sd e v e l o p e da tt o ps p e e d f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fc a r r i e rc o m m u n i c a t i o n s w a sb r i e f l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r s e c o n d ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o no fm c ua n dd s pm o d u l e sw e r ei l l u s t r a t e d a n dt h e n ，a d e t a i l e di n t r o d u c t i o no ft h ea l g o r i t h mr e s e a r c ho ft h ea l ld i g i t a ls i n g l es i d e b a n d ( s s b ) m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o nw a sp r o p o s e d a tl a s t ，o n em e t h o d o fc a r t i e rc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k i n gw a sb r i e f l yi n t r o d u c e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta n dp r a c t i c a lm e a s u r e m e n ts h o wt h a tt h e o v e r a l ls y s t e mm e tt h ed e s i r a b l er e q u i r e m e n t s c o m p a r e dw i t ht h e p r e v i o u sd e s i g no fc a r t i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h es y s t e mg r e a t l y i m p r o v e dt h ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n sp e r f o r m a n c e a n di t h a sf u r t h e r a d v a n c e dt h ed i g i t i z a t i o no fc a r r i e rc o m m u n i c a t i o n s k e y 、o r d s ：m c ud s pc a r d e rc o m m u n i c a t i o ns s b 2 硕士学位论文基于d s p 的载波通信系统研究 m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n l o g i c a lt o p o l o g i c a ls t r u c t u r e 3 ，一 北京邮电大学硕士学位论文 目录 基于d s p 的载波通信系统研究 基于d s p 的载波通信系统研究1 摘要、 a b s t r a c t 2 第一章绪论1 1 1载波通信技术概述l 1 2 载波通信的发展及现状一2 1 3 载波通信的关键技术3 1 4 本文的主要研究工作4 第二章m c u 系统5 2 1c 8 0 5 1f 3 4 0 芯片简介一5 2 1 1系统概述5 2 1 2clp - 5 1t m 微控制器核6 2 2 键盘8 2 2 1 片内a d c 简介8 2 。2 2 硬件设计9 2 3 外扩闪存1 0 2 3 1 闪存芯片简介1 0 2 3 2 硬件设计1 1 2 3 3 软件设计1 2 2 4u c g ui 简介1 4 2 5 加载d s p 15 2 5 1b o o tio a d e r 简介。1 5 2 5 2m c u 与d s p 之间的接口设计1 6 2 5 3 软件设计1 7 2 6 嵌入式实时操作系统2 0 2 6 1嵌入式实时操作系统u c o s - i i 简介2 0 2 6 2u c 0 s _ i i 的移植2 1 4 基于d s p 的载波通信系统研究 附录2m c u 连接原理图5 5 附录3d s p 连接原理图5 6 致谢。5 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 8 5 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 基于d s p 的载波通信系统研究 载波通信一般以双绞线、专用电缆、被复线、电力线及同轴电缆等介质做为 信道，被广泛应用在隧道、矿井、军事等领域。载波通信是在有线信道上利用频 率分割原理实现多路复用的通信方式。发信端的各路信号对不同载波频率( 简称 载频) 作一次或多次单边带调制，分别搬移到不同频带后，同时在同一线路上传 输。收信端对线路信号放大后，按上述相反顺序用滤波器分开各路信号，经过解 调恢复原来的信息。载波通信主要用来传输多路电话。 近年来，随着高科技的发展，数字通信技术的发展给载波通信开辟了极为广 阔的前景，融合计算机技术和数字信号处理技术，利用原有的模拟载波机进行数 字化改进，并进一步提高载波通信的速率和抗干扰能力是国内外研究的热点。 1 1载波通信技术概述 载波通信是有线长途通信中应用十分广泛的一种通信方式。它是根据频率搬 移、频率分割等原理，将原始信号对载波进行一次或多次调制，搬移到不同的线 路传输频带，然后送到线路上进行传输，从而实现多路通信的一种通信方式。这 其中，比较常用的载波通信是电力线载波通信。它是利用高压电力线( 指3 5k v 及以上电压等级) 、中压电力线( 指1 0 k v 电压等级) 或低压配电线( 3 8 0 v 与2 2 0 v 用户线) 作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。由于电力 线载波通信技术研究的比较深入，因此接下来，就先简单介绍一下被广泛应用的 电力线载波通信技术，这样就便于本论文课题的展开。 在电力系统中，电力线载波通道主要传输以下信息： 传送电话信息，为电力调度服务。 传送远动控制数据，对变电站、发电厂进行遥测、遥信、遥控。 传送远方保护信息，保证电力系统的稳定运行。 它具有下面的一些重要特点： 可靠性高。 经济性好。 线路噪声及衰减大。 传输频带受限，传输容量相对较小。 输电线路向超高压、长距离方向发展，为电力线载波机提供应用环境。 由上述电力线载波通信的特点可以看出，载波通信具有很明显的优势和生命 北京邮电大学硕士学位论文基于d s p 的载波通信系统研究 力，但也有很大的局限性。就目前而言，随着高速数字通信的发展，特别是光纤 通信，卫星通信的发展，逐渐吞并着其它的通信方式，载波通信已从主导地位变 为辅助通信方式。但由于我国经济发展不平衡，且载波通信一般要求必须具有两 条以上不同通信方式的、互为备用的通信信道。因此在主要的一些干线上，也会 作为光纤、微波等大容量通信的备用方式存在。还有，以前使用的载波机的更新 换代等，这些都使载波机尽管作为通信的辅助通信方式，但仍然存在较大的市场 需求。因此，如何克服它的局限性，发挥它的优势，是载波通信面临的问题。 1 2 载波通信的发展及现状 载波通信出现于2 0 世纪2 0 年代初期，其技术实现经历了从模拟到数字，从 纯硬件到软硬件结合的过程。同其他电子产品一样，载波通信设备经历了电子管 时代，晶体管分立器件时代，中小规模集成电路时代，中大规模集成电路时代， 现在进入了数字时代。最新高速d s p 、f p g a 电路以及c p l d 、a d 、d a 高精 度信号变换器，为载波通信成功地采用各种先进的数字信号处理技术和算法、完 成各种功能、保证高技术指标的突破，进行紧凑设计缩小“数字信号流 行程和 提高抗干扰性和可靠性等，奠定了良好的产品技术创新基础。到现在，载波机已 经历了三代。 第一代为模拟载波机，主要运用单边带模拟调制技术。国外从2 0 世纪6 0 年 代、国内从2 0 世纪7 0 年代开始生产模拟式载波机。这些载波机为这一时期我国 载波通信的安全稳定运行起到了重要作用。目前国内在线的多是第一代载波机， 这是因其技术成熟，成本相对较低。 2 0 世纪8 0 年代中期，单片机自动盘代替了三极管或布线逻辑的自动盘，集 成电路的调制器、压扩器、滤波器和a g c 放大器代替了笨重、多故障的模拟电 路等。这一阶段的载波机可称之为第二代载波机。 到了9 0 年代中期，随着d s p 技术及器件逐渐成熟和进入实际应用，采用基 于d s p 的编码调制、滤波和自动增益控制等技术，出现了第三代数字化载波机。 国内外载波机生产厂家在几年时间内先后推出了采用d s p 的数字化载波机， 这一时期产品的主要设计原则，是利用d s p 完成中频及音频部分中各种滤波器、 信号调制解调、数字自动增益控制、呼叫及导频信号的处理。采用d s p 技术设 计完成的话音带通滤波器、远动信号滤波器、导频收发滤波器以及中频滤波器， 替代了制作工艺复杂、成本昂贵的l c 滤波器，不仅简化了生产程序，缩短了生 产周期，降低了成本。同时，由于d s p 数字滤波器选择性好、带内波动小、温 度系数好，大大提高了数字载波机的整机技术性能，且非常方便地进行现场调整 维护。 2 北京邮电大学硕士学位论文 基于d s p 的载波通信系统研究 我国的现代通信系统在2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代以前所未有的速度迅猛发 展，通信网络规模越来越大。尽管现在出现了新的通信方式，如数字微波、卫星 通信、光纤通信、移动通信等，但在郊县、山区，这些通信设备的投资巨大，工 程复杂，预计在一定时期内，有些站点是无法实现的。对于这些地方，只能通过 载波通信，远程接入数字通信网络。否则，这些地方将成为现代数字通信网络的 死角和盲区。但原来的载波设备又因为传输速率和信道容量的限制，不目 匕e , ，a k t 好的 完成数据、语音的传输，所以急需新型的、更高性能的载波机。 载波通信在我国是- - f 既古老又年轻的学科，近几年来载波通信数字化所带 来的震撼的确是十分鼓舞人心的。然而，国内载波通信技术及设备还不尽完善， 同国外同类产品还存在很大差距。国内只有少数厂家设计生产了数字载波机，但 很多都是利用国外专用载波芯片设计的，并且由于国外载波芯片是针对本地区的 特性、结构而设计，在国内使用都难尽人意。不过令人欣慰的是，巨大市场潜力 已促使我国众多的企业毅然投入到这一领域的研发之中，并取得了不少进展。相 信不久的将来，会有更多优秀的国产载波机问世，载波通信的应用领域会越来越 广泛，性能会越来越完善。 1 3 载波通信的关键技术 目前国内载波通信主要存在的问题，一方面是由于目前载波通信占用的频段 及频带太窄，导致传输速率太低；另一方面是由于载波通信技术发展速度缓慢， 其性能和可靠性难以满足现代化通信迅速发展的要求。目前国内运行的好多载波 机还是传统的模拟载波机，它是最早出现的一种通信方式，它采用模拟调制方式， 如s s b ，只是简单地将频率搬移到线路频带进行传输。虽然它能够实现通信，但 是它的抗干扰能力差，传输速率低。它存在的主要问题如下： ( 1 ) 体积庞大，制造工艺复杂的各种话音、远动、导频、中频滤波器，一直 是制约载波机技术性能和生产制造成本的关健因素，也是国内载波机用来传输远 动、继电保护信号直存在的问题。 ( 2 ) 由于l c 滤波器选择性能的限制，导致模拟载波机频率资源利用率低，话 音、远动、导频相互之间串扰严重。 ( 3 ) 模拟调制解调器、放大器温度漂移大、技术指标低、调整不方便。 ( 4 ) 生产周期长，现场不能变更频率。 ( 5 ) 不便进行通信系统设备监控及运行管理。 新型数字化载波机设计要从传输容量、传输速率、抗干扰性能、可靠性等几 个主要方面考虑，只要能够很好满足系统调度通信、远动数据的快速可靠传送， 其发展前景还是非常广阔的。 北京邮电大学硕士学位论文 1 4 本文的主要研究工作 基于d s p 的载波通信系统研究 本论文主要围绕m c u 和d s p 在载波通信中的应用，探讨了手持终端的控制 和调制解调模块的系统实现过程；并重点介绍了开发设计过程中的几个关键问题 及解决方法。 本论文的组织结构如下： 第一章为绪论，简单概述了载波通信的发展、现状及关键技术等。 第二章重点介绍了m c u 模块，包括键盘输入、存储控制、对d s p 上电程序 的加载等一些模块的硬件设计和软件开发。m c u 在整个载波通信系统中主要起 到控制手持终端的作用。 第三章重点介绍了d s p 系统，内容包括外扩s d r a m 及a d 和d a 转换等 外围设备，最后简单介绍了软件开发环境c c s 及d s p b i o s 实时操作系统。 第四章主要介绍了维弗调制解调算法的研究及软件设计。该部分也是本论文 的核心部分。此外，在本章的最后，针对载波通信的特点，提出了一些需要注意 的关键技术问题。 第五章简单介绍了载波通信的组网方式。 4 北京邮电大学硕士学位论文 第二章m c u 系统 基于d s p 的载波通信系统研究 这一章将要介绍整个系统的m c u 控制系统部分。m c u 在整个系统中主要 负责控制的一些应用，如液晶显示、键盘输入及存储操作等。本章接下来的各节 将详细介绍各个模块的软硬件设计及在系统开发过程中的注意事项。 2 1c 8 0 5 1f 3 4 0 芯片简介 2 1 1 系统概述 本系统中使用的m c u 是美国的s i l i c o nl a b s 公司生产的c 8 0 5 1 f 3 4 0 1 ( 下文 简称f 3 4 0 ) 。f 3 4 0 是完全集成的混合信号片上系统型m c u 。它的一些具体特性 如下： 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的微控制器内核( 可达4 8 m m s ) 。 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) 。 通用串行总线( u s b ) 功能控制器，有8 个灵活的端点管道，集成收发 器和1 k f i f o 洲。 电源稳压器。 真正1 0 位2 0 0 k s p s 的单端差分a d c ，带模拟多路器。 片内电压基准和和温度传感器。 、 片内电压比较器( 两个) 。 精确校准的1 2 m h z 内部振荡器和4 倍时钟乘法器。 多达6 4 k b 的片内f l a s h 存储器。 多达4 3 5 2 字节片内r a m ( 2 5 6 + 4 k b ) 。 硬件实现的s m b u s 1 2 c 、增强型u a r t ( 两个) 和增强型s p i 串行接口。 4 个通用的1 6 位定时器。 具有5 个捕捉1 ：1 二较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器定时器阵 列( p c a ) 。 片内上电复位、v d d 监视器和时钟丢失检测器。 4 0 个端口y o ( 容许5 v 输入) 。 具有片内上电复位、v d d 监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡 器的f 3 4 0 器件是真正能独立工作的片上系统，原理图详见图2 1 。f l a s h 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8 0 5 1 5 北京邮电大学硕士学位论文基于d s p 的载波通信系统研究 固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节 图2 - 1c 8 0 5 1 f 3 4 0 原理框图 片内s i l i c o nl a b s 二线( c 2 ) 开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产 品m c u 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c 2 进 行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个c 2 接口引脚可以与 用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。 每种器件都可在工业温度范围( - 4 5 n + 8 5 ) 内用2 7 v - 5 2 5 v 的电压工 作。电源电压大于3 6 v 时，必须使用内部稳压器。对于u s b 通信，电源电压最 小值为3 0 v 。端口i o 和r s t 引脚都容许5 v 的输入信号电压。f 3 4 0 采用4 8 脚 t q f p 封装或3 2 脚l q f p 封装。 2 1 2c i p - 5 1 t m 微控制器核 c i p 5 1 t m 微控制器核是s i l i c o nl a b s 公司自主研发的，与m c s 5 1 1 m 指令集 完全兼容。可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编器和编译器进行软件开发。c i p 51 内 核具有标准8 0 5 2 的所有外设部件，包括4 个1 6 位计数器定时器、两个具有扩 展波特率配置的全双工u a r t 、一个增强型s p i 端口、多达4 3 5 2 字节的内部 r a m 、1 2 8 字节特殊功能寄存器( s f r ) 地址空间及多达4 0 个i o 引脚。 c i p 5 1 共有1 1 1 条指令。由于它采用了流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相 6 北京邮电大学硕士学位论文 基于d s p 的载波通信系统研究 比，指令执行速度有了很大的提高。在一个标准的8 0 5 1 中，除m u l 和d i v 以 外，所有指令都需要1 2 或2 4 个系统时钟周期，最大系统时钟频率为1 2 2 4 m h z 。 而对于c i p 5 1 内核，7 0 的指令的执行时间为1 或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系统时钟周期。 c i p 5 1 1 m 除了在速度上有所提高外，复位源和中断系统的中断源也增加了。 其中，复位源多达9 个：上电复位电路( p o r ) 、片内v d d 监视器( 当电源电压 低于v r s t 时强制复位) 、u s b 控制器( u s b 总线复位或v b u s 状态变化) 、看 门狗定时器、时钟丢失检测器、由比较器0 提供的电压检测器、软件强制复位、 外部复位输入引脚和f l a s h 读写错误保护电路复位。除了p o r 、复位输入引 脚及f l a s h 操作错误这三个复位源之外，其他复位源都可以被软件禁止。在一 次上电复位之后的m c u 初始化期间，w d t 可以被永久性使能。而扩展的中断 系统向c i p 5 1 提供1 6 个中断源( 标准8 0 5 1 只有7 个中断源) ，允许大量的模 拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的m c u 干预，因而 有更高的执行效率。在本系统的设计中，由于使用了多任务嵌入式实时操作系统， 因此这些增加的中断源是非常有用的。 在i o 口方面，f 3 4 0 管脚的工作情况与典型的8 0 5 1 管脚相似，但有一些改 进。比如，每个端口管脚都可以被配置为模拟输入或数字i o 管脚。被选择作为 数字i o 的管脚还可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8 0 5 1 中固定的“弱 上拉”可以被全部禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。i o 口还有 一个很重要的特点就是，可通过设置数字交叉开关将内部数字系统资源映射到端 口i o 引脚。数字交叉开关的原理图如图2 2 所示： 7 作为手持终端，人机交互功能是整个系统所必须具备的。因此，终端必须具 有接收各种信息的功能。接下来将要介绍的就是键盘这个模块。 2 2 1 片内a d c 简介 f 3 4 0 的a d c 0 子系统集成了两个通道模拟多路选择器( 合称a m u x o ) 和 一个2 0 0 k s p s 的1 0 位逐次逼近寄存器型a d c 。a d c 中集成了跟踪保持电路和可 8 北京邮电大学硕士学位论文 基于d s p 的载波通信系统研究 编程窗口检测器。a m u x o 、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过特殊功 能寄存器来配置。a d c 0 可以工作在单端方式或差分方式，可以被配置为用于测 量端口引脚电压、温度传感器输出或v d d 等。每次转换结束后，寄存器a d c o h 和a d c o l 中保存a d c 转换结果的高字节和低字节。需要注意的是，转换数据 在寄存器对a d c o h ：a d c o l 中的存储方式可以是左对齐或右对齐，是由 a d o l j s t 位( a d c o c n o ) 设置决定的。 a d c 0 的转换时钟是由系统时钟分频得到的，分频系数由a d c o c f 寄存器 中的a d o s c 位决定。 转换时钟= 系统时钟( a d o s c + 1 ) ( o a d o s c 3 1 )式( 2 一1 ) a d 的转换启动方式有6 种，由a d c o c n 中的a d c 0 转换启动方式位 ( a d o c m 2 0 ) 的状态决定采用哪一种方式。 2 2 2 硬件设计 刁o 本系统设计中，键盘的电路设计采用的是经典的分压网络结构，如图2 3 所 图2 3 键盘的分压网络结构设计 该键盘共有1 9 个按键，具有电路简单，分压准确且只需一个i o 口等优点。 本系统用的i o 口是p 2 o 。该电路的主要原理是利用f 3 4 0 的内部a d c 采样各个 点的电压，进而判断是哪个键按下了。 在本系统的键盘软件设计中，有以下几点需要注意： 1 、本系统采用的是单端方式下的左对齐。对于左对齐数据，a d c o l 寄存器 中未用的低位被清o 。 2 、被选择为a d c 0 输入的引脚应被配置为模拟输入，并且应被数字交叉开 o 北京邮电大学硕士学位论文基于d s p 的载波通信系统研究 关跳过。本系统a d c 0 用的管脚是p 2 0 。 另外，在本系统的电压采样中，精确地说，每个点的电压是固定的一个值。 但是，由于电路板的电磁干扰及电阻电容值有一定的变化，所以采样到的电压会 有一定范围的浮动。因此为了准确判断按键，判断电压的范围值扩大到了两个按 键点电压的中间值。这样就能保证判断电压的范围值最大且互不干扰。 2 3 外扩闪存 f 3 4 0 的程序存储器包含6 4 k b 的f l a s h ，该存储器以5 1 2 字节为一个扇区， 可以在系统编程，且不需要特别的编程电压。s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司的 c 8 0 5 1f 系列的单片机一般都包含片内的x g a m 。f 3 4 0 具有4 k b 的x r a m ， 另外，所有器件都有独立的1 k bu s bf i f or a m 。 尽管f 3 4 0 的片内存储空间是比较客观的。但是对于工业上的数据存储显然 是不够的，而且对于f 3 4 0 来说，位于f l a s h 的0 x f c 0 0 o x f f f f 的1 0 2 4 字节 是被保留的。因此，在单片机的外围电路上外扩一个闪存，是相当有必要的。在 本系统的设计中，外扩的闪存除了用来存储控制处理过程中的数据外，还用来存 储输入法中的字模和汉字表等。 2 3 1 闪存芯片简介 本系统中外扩的闪存芯片是a t m d 公司的a t 2 5 f 1 0 2 4 。该闪存芯片具有以下 一些特点： 通信接口和s p i 协议兼容，可支持s p i 的“0 模式和“3 模式。 时钟频率可达2 0 h z 。 支持字节编程和页编程模式。 具有写保护的功能。 读写自动定时。 存储空间为1 m ，分成四个扇区。 a t 2 5 f 1 0 2 4 共有8 个引脚，管脚说明如表2 1 所示： 表2 1a t 2 5 f 10 2 4 管脚说明 管脚名字功能描述 c s芯片片选 s c k 串行时钟 s i串行数据输入 s o 串行数据输出 g n d 接地线 v c c 电源 w p 写保护 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 基于d s p 的载波通信系统研究 i 再面l锁住芯片i 在本系统的设计中，a t 2 5 f 1 0 2 4 被设置为s p i 通信的从模式，且a t 2 5 f 1 0 2 4 为f 3 4 0 的唯一从器件。a t 2 5 f 1 0 2 4 的内部框架原理如图2 - 4 所示： 、，c cg n o 2 3 2 硬件设计 t 狞砸 图2 4a t 2 5 f 1 0 2 4 内部框架图 在本系统的设计中，由于s p i 接口要用于加载d s p 的程序，并且加载完， 还要用于m c u 和d s p 之间的通信。因此，f 3 4 0 和a t 2 5 f 1 0 2 4 之间的通信采取 的是用i o 口模拟s p i 协议进行通信。其中，p 2 1 模拟主输入从输出m i s o ，p 2 2 模拟主输出从输入m o s i ，p 2 3 模拟串行时钟s c k ，。具体的硬件连接如图2 - 5 所示： 图2 5f 3 4 0 与a t 2 5 f 10 2 4 的硬件连接 l l 使能及读厂家和产品的i d 等。一些指令的功能如表2 2 所示： 表2 - 2 指令说明 指令名称指令设置 指令描述 w r e n0 0 0 0x 1 1 0 写使能 w r d l0 0 0 0x 1 0 0 重设所有写使能 r d s r0 0 0 0x 1 0 1读状态寄存器 w r s r0 0 0 0 x 0 0 1写状态寄存器 r e a d0 0 0 0x 0 1 l 从闪存中读数据 p r o g r a m0 0 0 0 x o l 0 向闪存中写数据 s e c t o re r a s e0 1 0 1x 0 1 0扇区擦除 c h i pe r a s e 0 1 1 0x 0 1 0芯片擦除 r d i d0 0 0 1x 1 0 1读厂家和产品i d 在设计该芯片的驱动过程中，有以下几点是需要注意的： 写使能。刚上电时，芯片并未打开写使能，因此，在所有的写指令执行 之前，都必须先打开写使能。 禁止写。为了避免芯片受到意外的写入，该芯片带有写保护的功能，即 w r d i 指令。但是，使用w r d i 指令时，必须和状态寄存器中的第七位， 即和而一起使用。 状态寄存器指令。状态寄存器指令可以提供读和写芯片目前的状态。状 态寄存器内部各位的情况如表2 3 所示。在芯片内部的写过程中，除了 状态寄存器指令的操作外，所有的指令都将被忽略。这一点在软件的设 计过程中，一定要注意。 表2 3 状态寄存器内部各位说明 i b i t 7b i t 6b i t 5b it 4b i t 3b i t 2b i t l b i t o w p e nxxxb p lb p ow e n 尺d y 在执行完w r s r 指令，即写完状态寄存器，芯片会自动回到写禁止的状 态。 a t 2 5 f 1 0 2 4 的软件驱动设计流程乜1 如图2 - 6 所示： 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 基于d s p 的载波通信系统研究 图2 6a t 2 5 f 10 2 4 的写数据流程图 在设计驱动b 1 的过程中，尤其要注意时序的问题。在本系统的设计中，f 3 4 0 和a t 2 5 f 1 0 2 4 之间的通信采用的是s p i 模式0 。它们之间的通信时序可参考图 2 7 。 嚣 s c k s i s o 蕊 s c k 图2 7 读状态寄存器时序 1 3 被广泛地应用于嵌入式领域，如p d a 、机项盒及d v d 播放机等。本节将简单介 绍u c g u i 在f 3 4 0 上的移植。结果证明，u c g u i 具有良好的实时性和稳定性。 本系统中用到的液晶芯片是深圳市天波科技有限公司生产的t b m l 2 f 6 4 3 6 a 。t b m l 2 f 6 4 3 6 a 是一种图形点阵液晶显示器，它主要是由行驱动器n 驱动 器及1 2 8 6 4 全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示8 * 4 个( 1 6 1 6 点阵) 汉字。 u c g u i 具有以下特点： 支持任何8 位、1 6 位和3 2 位的c p u ，只要求c p u 具有相应的a n s i c 编译器即可。 1 4 北京邮电大学硕士学位论文基于d s p 的载波通信系统研究 所有硬件接口定义都使用可配置的宏。 字符、位图可显示于l c d 的任意点，并不限制于字节长度的整数倍数地 址。 所有程序在长度和速度方面都进行了优化，结构清晰。 对于慢速的l c d 控制器，可以使用缓冲存储器减少访问时间，提高显示 速度。 移植u c g u i 主要是进行相关寄存器及g u i 接口程序的配置。接下来就简单 介绍一下移植的要点。 定义显示缓冲区时使用的c h a r 数据类型，它是8 b i t 的，a p ： u n s i g n e dc h a rb m p a r r a ys i z eg 1 6 ； 液晶显示缓冲数组 定义读写缓冲区时使用的数据类型，也是8 b i t 的u 8 ： # d e f i n e l c d r e a d m e m ( o f 0 奉( u 8 木) ( f r a m e b u f f e r 2 5 6 + ( ( u 3 2 ) ( o 毋) ) # d e f i n e l c d w r i t e m e m ( o f f , d a t a ) 幸( u 8 宰) ( f i a m e b u f f e r 2 5 6 + ( 3 2 ) ( o 毋” # d e f i n e l c d w r i t e k e g ( o f f , d a t a ) 定义液晶总线宽度，为8 b i t - # i f n d e fl c d b u s w i d t h # d e f i n e l c d b u s w i d t h ( 8 ) # e n d i f 定义字节顺序： # d e f i n e l c d s w a p b y t e o r d e r ( o ) 以上介绍的只是几个关键的移植地方。除了移植u c g u i 本身，还有中文字 体、触摸屏等的移植。具体的方法可以参考u c g u i 手册。 2 5 加载d s p 这个模块【5 】对整个系统来说至关重要，这一方面是因为5 5 0 9 a 的启动程序存 放在f 3 4 0 的内部f l a s h 中，因此，能否正确加载d s p 是整个系统能否正确运 行的先决条件。另一方面是因为该模块中的s p i 接口是两大核心处理器m c u 和 d s p 之间通信的唯一通道。m c u 主要是用来处理控制方面的应用；d s p 主要是 用来处理语音信号方面的应用，所以它们之间必然有大量的数据需要传输。因此， 保证它们之间正确且快速地通信具有相当重要的意义。该通信方式不仅可以充分 利用处理器的资源，而且可以大大优化硬件的布局，降低电路板的尺寸。 另外，把启动程序放在单片机中进而加载d s p ，这样相对于普通的闪存等外 部存储器来说，程序的保密性和安全性会更高，且能更加灵活地进行通信。 2 5 1 b o o t i o a d e r 简介 b o o f l o a d e r l 6 1 是指t i 公司在生产d s p 芯片时，预先烧制在片内r o m 的一段 自启动引导程序，即d s p 在脱机运行时，系统上电后，可自行启动并执行用户 1 5 北京邮电大学硕士学位论文 基于d s p 的载波通信系统研究 软件代码，进而完成用户需求的代码段。 本设计中采用的d s p 是t i 公司t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a t 2 j ( 以下简称5 5 0 9 a ) ，该 处理器中b o o t l o a d e r 是从f f8 0 0 0 h 开始存放。在加载程序之前，b o o t l o a d e r 先 对5 5 0 9 a 做一些初始化，主要包括：让数据堆栈寄存器s p 和系统堆栈寄存器 s s p 分别指向地址0 0 0 0 9 0 h 和0 0 0 0 8 0 h 处；把堆栈默认配置为3 2 位；把状态寄 存器s t l5 5 中的i n t m 位置1 ，以关闭所有中断；在入口地址0 0 0 0 6 0 h 和0 0 0 0 6 1 h 处，为暂存器分配两个字；把状态寄存器中s t l5 5 中的s x m d 位清零，以关闭 符号扩展模式，待引导完，再重新置1 ；置状态寄存器中s t l5 5 中的5 4 c m 位 为1 ，以兼容模式运行。初始化结束之后，根据加载模式的设定，b o o t l o a d e r 会 加载应用程序到5 5 0 9 a 的r a m 中运行。加载结束后，d s p 开始执行所加载的应 用程序。需要注意的是，在加载过程中，d s p 不能被重启；否则整个加载过程将 会被重新执行。 t i 公司c 5 0 0 0 系列的d s p 有多种加载模式。主要有增强主机接口( e h p i ) 加载模式、并行外部存储接口( e m i f ) 加载模式、标准串口加载模式、串行外 设接口( s p i ) 加载模式、1 2 c 加载模式及u s b 加载模式等。加载模式可以分为 两大类：由d s p 控制的主加载模式和由外部器件控制的从加载模式。并行外部 存储接口( e m ) 加载、标准串口加载及本设计中用到的串行外设接口( s p i ) 加载都是由d s p 控制的主加载模式。 2 5 2m c u 与d s p 之间的接口设计 在d s p 与m c u 的通信中，d s p 作为主方控制s p i 接口，连接如图2 1 1 所 示。该加载方式不需要外部时钟和外部逻辑，因此可以做到无缝连接5 1 。 5 5 0 9 ai_ f 3 4 0 扶 d r om i s o d x om o s i c l k x os c k 1 0 4n s s 图2 1 1f 3 4 0 与5 5 0 9 a 的连接图 考虑到加载完d s p 之后，可以由m c u 来控制s p i 接口。因此所设计的电路 板使用了一个方形的四端口跳线。其中，m i s o 和m o s i 连到一个对角线上，d r o 和d x o 连在另一个对角线上。这样就可以使用跳线来选择将f 3 4 0 还是5 5 0 9 a 1 6 北京邮电大学硕士学位论文 作为s p i 接口的主控方。 2 5 3 软件设计 基于d s p 的载波通信系统研究 m c u 的配置 f 3 4 0