（机械设计及理论专业论文）液晶特性专用测试系统dsp实现研究.pdf

摘要 摘要 本课题对液晶专用测试系统进行了研究。液晶材料的电参数测试有其特殊 性，其击穿和损坏机理的测试还需要幅值较高的连续变化的信号源电压，采用 目前的固定频点和固定电压式测量无法满足参数测试需要，本论文重点研究了 驱动信号源频率连续变化情况下被测材料的响应特性。在分析液晶材料检测的 安全性的基础上，本课题依据国内外数字信号采集憋理系统的发展现状，根据 测试系统的特殊技术要求，设计了一套基于现代数字信号处理芯片的测试系统 和一套特殊的信号发生装置，结合现代d s p 理论开发了相应软件。该系统其有 实时数据采集、存储、预处理、分析和同步显示功能。 本文首先从课题的研究背景出发，介绍了液晶测试技术的研究现状和数宇 信号处理系统的发展动态，给出了该系统的性畿指标和技术要求。其次详细的 介绍了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片的结构原理，结合课题实际需妻；和具体技术要 求，确定了系统总体设计方案。在此基础上对各个模块进行了详细的分丰厅和设 计。再次，根据系统功能需要和硬件设计方案，完成了基于d s p 系统软件结构 的工作软件设计，包括数据采集单元、数据分析处理单元和人机接口单元等功 能模块，并给出部分软件流稷图，详细介绍了离散傅立时变换和线性插值等算 法在数据处理中的应用。最后，对系统实时性的方案选择和各个模块具体应用 等方面做了简要探讨及展望。 该系统已完成软硬件调试，系统成功运行。 关键词：液晶，d s p ，数据处理，傅立叶变换，线性插值 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ri sar e s e a r c ho nt h el i q u i dc r y s t a lt e s t i n gs y s t e m ，p a r t i c u l a r i t yo et h e e l e c t r i c a lp a r a m e t e rt e s t i n go fl i q u i dc r y s t a l ，w h i c hr e q u i r e sc o n t i n u o u sv a r i a b l e s i g n a ls o u r c ev o l t a g eo fh i g h e ra m p l i t u d ef o rt h et e s t i n go fb r e a k d o w na n dd a m a g e m e c h a n i s m a sf i n i t es t a t i o n a r yf r e q u e n c yp o i n t sm a ds t a t i o n a r yv o l t a g em e a s u r e m e n t c o u l d n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n tf o rp a r a m e t e rt e s t i n g ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e r e s e a r c ho nt h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft e s t i n gm a t e r i a li nt h ed r i v es i g n a ls o u r c e f r e q u e n c ya n dc o n t i n u o u sv o l t a g ec o n d i t i o n b a s e d0 na na n a l y s i so fl i q u i dc r y s t a l d e t e c t i n gr e l i a b i l i t y ，s a f e t ya n d c u r r e n ts i t u a t i o n sa n dd e v e l o p i n gt e n d e n c yo fd i g i t a l s i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mi nc h i n aa n da b r o a d ，a c c o r d i n gt ot h e t e c h n i c a lr e q u i r e m e n to ft h ed e t e c t i n gs y s t e m ，ad i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rs y s l e ma n d as p e c i a ls i g n a lg e n e r a t i o nd e v i c ei sd e s i g n e d ，a n dr e l e v a n ts o f f w a r ei sd e v e l o p e d ， w h i c hh a st h ec a p a b i l i t i e so fr e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o n ，s t o r a g e ，p r e p r o c e s s i n g ， a n a l y z i n ga n dd i s p l a y i n g f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fl i q u i dc r y s t a lt e s t i n g t e c h n i q u ea n dd e v e l o p m e n td i r e c t i o n sa n dt e n d e n c yo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g s y s t e m ，g i v i n gt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa n dp e r f o r m a n c ei n d e xo ft h es y s t e m s e c o n d l y ，t h es t r u c t u r a lp r i n c i p l eo ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s pi si n t r o d u c e d ，a n dt h e g e n e r a ld e s i g no ft h es y s t e mi sm a d e o nt h eb a s i so ft h eg e n e r a ld e s i g n ，t h es y s t e m h a r d w a r ea r c h i t e c t u r ef o re a c hu n i to ft h es y s t e mi sf u l l ya n a l y z e da n dd e s i g n e d ， t h i r d l y ，a c c o r d i n gt os y s t e mf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n dh a r d w a r ed e s i g n ，t h e w o r k i n gs o f t w a r ei sd e s i g n e db a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rs o f t w a r es t r u c t u r e ， i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o nu n i t ，p e r i p h e r a lp r o g r a mu n i t ，d a t ap r o g r a ma n a l y z i n ga n d p r o c e s s i n gp r o g r a mu n i t ，t o g e t h e rw i t ht h ef l o w c h a r t sf o rp a r to ft h es o f t w a r e ，a n d t h ea l g o r i t h mo fd f ta n dl i n e a ri n t e r p o l a t i o ni nd a t ap r o c e s s i n gi si n t r o d u c e d a tl a s t ad i s c u s s i o na n dp r o s p e c ti sm a d eo ns u c ht h i n g sa ss e l e c t i o no fs y s t e mr e a l t i m e m e t h o d sa n dt h ea p p l i c a t i o no f e a c hm o d u l eb a s e do nd s p , e t c t h ed e b u g g i n go fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a sb e e nf i n i s h e da n dt h es y s t e mi s a b s t r a c t r u n n i n gs u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：l i q u i dc r y s t a l ，d s p ，d a t ap r o c e s s i n g ，d f q ，l i n e a ri n t e r p o l a t i o n 独创性声明 y 弱懑8 8 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究二r 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的地方 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 获得石家庄铁道学院或其它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。 签名：墨羔日期：q ，圣、翘 关于论文使用授权钓说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：隆导师签名：立盘日期：口垂：幺兰! 第一章引言 1 1 研究的意义 第一章引言 在科技飞速发展的今天，液晶器件以其微功耗和低压工作特性引人注目， 该类器件可以直接与c m o s 电路匹配，无x 射线辐射，易于实现大规模集成化 生产，用液晶材料制作的液晶显示器件目前在计数器、电话枫、手机、数码相 机、天然气表、笔记本电脑等方面已得到广泛应用。今后，随着科学技术的不断 发展，电子产品的更新换代和人们需求的扩大，液晶显示器新的应用范围还将继 续扩大。 随着液晶显示器件生产和科研工作的日益发展，应用范围的不断扩大，应 用领域的不断增多，对液晶测试技术的要求日趋迫切。新型材料的各种特性参 数必须通过科学合理的方法进行测试，测试的结果参数是器件材料选择的重要 依据。因此，液晶测试技术是发展液晶显示器件生产和科研的熏要手段。 反映液晶材料性能的主要参数有：介电常数、电阻率、响瘦特性及其与外 加电压和频率的关系。准确检测液晶器件制造过程和产品的某些参数，是成功 开发新产品，提高成品率的可靠保证。当传统液晶测试仪的特性不能完全满足 某些特殊测试要求时，必须使用特殊测试方法，故研制专用液晶特性测试仪很 有必要。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 液晶及液晶测试技术 液晶最早是奥地利植物学家莱尼茨尔( f r e i n i t z e r ) 于18 8 8 年发现的，他是一 种介于固体与液体之间，具有规则分予排列的有机化合物，既具有晶体所具有的 各异性造成的双折射性，又其有液体所特有的流动性。液晶的主要用途就是制作 液晶显示器( l c d ，l i q u i d c r y s t a l d i s p l a y ) ，他的显像原理是将液晶置于两片导电玻 璃之间，靠2 个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光 第一章引言 源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生踞踏而将影像显示出来，若加上彩色滤 光片，则可显示彩色影像( 1 l 。 1 9 6 3 年，美国无线电公司的成廉斯发现在向列型液晶瀑一e 加e 电压会使萁 变混浊。1 9 6 8 年，海尔梅耳进步研究了这种现象，并研制成了液晶平板显示 器件，开创了液晶显示应用的新纪元。7 0 年代以后，液晶显示得到飞速的发展， 先后实现了液晶大屏幕显示、液晶彩色显示、激光寻址液晶光阀和便携式液晶 电视，从而使液晶显示成为显示技术的优良方法。液晶显示器具有低压微功耗、 平板型结构、被动显示型、显示信息量大等独特优点。且液晶显示时，没有电 磁波发射。液晶显示器的优越性能决定了它在各类显示器件中的地位，改变了 各种传统技术。研究液晶成为当前的必要【2 3 】。 液晶是处于固态和液态之间具有一定有序性的有机物质，具有光电动态散 射特性。它有多种液晶相态，例如胆崮相、各种近晶相、向列相等。根据其材 料性质不同，各种相态的液晶材料大都已开发用于平扳显示器件中，现已刃：发 的有各种向列相液晶、聚合物分散液晶、双f 多) 稳态液晶、铁电液晶和反铁 电液晶显示器等，其中开发最成功的、市场占有量最大、发展最快的是向列相 液晶显示器。液晶显示( l c d ) 模式有很多，仅向列相显示就有t n ( 扭曲向列 相) 模式、h t n ( 高扭曲向列相) 模式、s t n ( 超扭曲向列相) 模式、t f l ：a m ( 薄膜晶体管一有源矩阵) 模式、p d l c ( 聚合物分散渡晶) 模式以及反射式双 ( 多) 稳态模式等，其中t f t - a m 模式是近十年开发出来的也是发展最快的显 示模式。l c d 发展促使液晶材料的迅速发展。显示用液晶材料是由多种小分子 有机化合物组成的，这些小分子的主要结构特征是棒状分子结构。现已发展成 很多种类，例如各种联苯腈、酯类、环已基( 联) 苯类、含氧杂环苯类、嘧啶 环类、二苯乙炔类、乙基桥键类和烯端摹类以及各种禽氟苯环类等等。随着l c d 的迅速发展，人们对开发和研究液晶材睾斗的兴趣越来越大4 “。 液晶测试技术包括对液晶各方面的物理量进行研究，特别是对电、磁、光 性质的研究。对液晶电、磁、光性质的研究与液晶显示等技术应用的关系最为 密切，它包括对液晶在各相时或混合( 掺杂) 液晶的螺距( 间距) 、分子取向、 极化率、介电常数和折射率等进行测量和研究睁j 。 介电常数是液晶材料的最基本的电参数，凡是液晶材料都要测量和提供该 参数。利用该参数或它的导出量，可以对液晶的多种物理、化学现象进行研究。 液晶的介电各向异性遁过测试液晶材料在薄层电援闯液晶平行取向与垂直取向 2 一 第一章引言 时及不加液晶时的电容得到。液晶介电各向异性是决定液晶在电场中行为的主 要参数，影响液晶显示器件的阀值电压和响应速度。 阀值电压是当液晶最示器件部分亮度的变化达到最大变化量的1 0 时( 不包 括跳变) ，旌加的驱动电压的有效值。低于此电压时，器件的电光特性只有微小 的变化。这数值主要取决于液晶。 饱和电压是液晶显示器件显示部分亮度的变化达到最大变化量的9 0 时f 不 包括跳变) ，施加的驱动电压的有效值。在般的扭曲向列型液晶显示器中，其 数值主要取决于液晶，并与视始和温度均有关。 电阻率是液晶材料性能参数中最重要指标之一。例如t f f - l c d 要求电阻率 达到1 o 1 0 “q c m ，s t n l c d 要求电阻率大于5 0 1 0 1 0 q - e m ，t n l c d 也要求 电阻率大于1 0 x 1 0 ”q c m ，因而研究可靠的液晶电阻率测试方法已碾得十分重 要。电阻率是液晶材料纯度及使用寿命的表征，也可以决定l c d 显示器件上的 功耗大小值，也就是说，电阻率越大耗电量就越小，电阻率越小耗电量就越大。 因此，电阻率的准确测定尤为重要。 液晶电光效应就是指液晶在外电场下的分子的排列状态发生变化，从而引 起液晶的光学性质也随之变化的一种电的光调制现象。因为液晶具有介电备向 异性和电导各向异性，因此外加电场能使液晶分子排列发生变化，进行光调制。 电光效应可直接用于液晶显示。电光测试包括：温度控制、珂变频幅的电压输 出、光信号的模数转换、大量的数据处理以及三维图豹绘制等过程。 液晶用于电视屏幕等动态图形显示时，遇到许多的问题，如响应速度慢、 温度依赖性大和阀值电压不够骧显等。因此有必要建立一套综合的液晶性能测 试系统，以寻找性能优良的液晶，发现新的显示模式，从而使液晶显示更完善， 并能扩展其应用面。 1 2 2 数字信号处理器 在本世纪六十年代以前，对信号的处理绝大多数情况是用模拟方法实现的， 但商到六十年代，用数字方法进符处理才得翔更快地发展。数字信号在产生、 处理、存储和传输方面具有模拟信号无法比拟的优点，数字信号处理技术迅速 发展的原因在技术性能的优越，它具有高度的稳定性( 抗干扰能力强) 和高度 的灵活性( 系统的性能容易根据需要随意调整) ，数字他是电子系统发展的方向。 数字信号处理是利用计算机或专用设备，以数字形式对信号进行采集、变换、 1 第一一章引言 滤波、估值、增强、压缩和识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。自 然界中的模拟信号( 如声音、图像) 通过采样成为一组用数字表示的序列即数 字信号。数字信号处理就是对这样的数字信号进行分析、处理，它侧重于理论 分析、算法确定及软件实现，如快速傅立叶变换、卷积、数字滤波等。要实现 这些算法，特别是要实时地完成某种算法，就需要有特殊的硬件支持。虽然数 字信号处理理论发展迅速，但d s p 出现以前，由于实验方法的限制，数字信号 处理的理论还得不到广泛的应用。 在2 0 世纪7 0 年代末科技人员开发出了这种基于超大规模集成电路和计算 机技术的数字信号处理器d s p 芯片，它是微电子学、数字信号处理、计算机技 术这3 门学科综合研究的成果。自第一片d s p 芯片诞生以来，d s p 芯片得到了 飞速的发展。d s p 芯片采用程序总线和数据总线分别独立并具有多条总线的哈 佛结构，流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器、多处理单元和特殊 的d s p 指令。所有这些都为数据的采集、高速度的处理以及实时控制提供了硬 件和软件支持”“j 。 8 0 年代后期，第三代d s p 芯片问懂，运算速度进一步提高，其应用范围逐 步扩大到通信、计算机领域。 9 0 年代d s p 发展最快，相继出现了第四代和第五代d s p 器件。现在的d s p 属于第五代产品，它与第四代楣比，系统集成度更高，将d s p 芯核及外围元件 综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的d s p 芯片不仅在通信、计算机领域 大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。 经过2 0 多年的发展，d s p 产品的应用已扩大到人锕的学习、工作和生活的 各个方面，并逐渐成为电子产品更额换代的决定因素。目前，对d s p 爆炸性需 求的时代已经来临，前景十分可观。 d s p 应用系统有其特有的优点，首先是接口方便，d s p 应用系统与其他以 数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，它与这样的系统接口以实现某 种功能要比模拟系统与这些系统的接口要容易的多；编程方便，d s p 应用系统 中的可编程芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便墟对软件进行修改和升 级；稳定性好，d s p 应用系统以数字信号处理为基础，受环境以及噪声的影响 较小，可靠性高：精度高，1 6 位数字系统可以达到l o 。级的精度；可重复性好， 模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响比较大，丽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；集成方便，d s p 应用系统中 一d 一 第章引言 的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。当然，d s p 应用系统也存在一 些缺点。例如，对于简单的信号处理任务( 如与模拟电话线的接口) ，若采用d s p 则使系统成本增加。d s p 系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问 题，而且d s p 系统的功耗也较大。此外d s p 技术更新的速度快，对数字知识要 求高，开发和调试还有待于进一步完善。 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节，选择芯片应根 据实际情况和系统需要而定，一般应考虑的因素有：芯片的运算速度、价格、 硬件资源、运算精度、开发工具、功耗和其他因素l j 。”j 。 1 3 主要研究内容 本课题所设计的液晶显示器专用电阻电抗测试仪是专为液晶科研测试而研 制的，主要是测试液晶材料的电性能，为研究其击穿特性和失效机理提供实验 数据。 首先进行液晶显示器专用电阻电抗测试仪的硬件设计。 该测试仪硬件装置由测试端子、简单键盘、4 组数码显示、必要的文字显示、 工作状态显示及专用内部微机信息处理单元构成。其中配有内部测试信号源， 用户可以通过简单键盘操作随时变换内部测试信号源的输出波形类型，也可以 通过键盘步迸变换测试信号源的输出频率及输出电压。通过位于面板上相应的 旋钮连续调整测试信号源步进间隔内的输出频率及输出电压。 该测试装置可以同时显示被测对象的某一瞬时频率、电压、电阻分量和电 抗分量，每组数据按4 位有效数字显示。显示的捌耨速率位秒级。且其中附有 电源状态显示及保护和简单声响提示，对被测对象参数的测蚤准确度登记不低 于2 0 级。 其次对液晶测试专用系统的软件编程。 系统的软件程序包括键盘操作、液晶显示、d s p 内部工作和a d 的数据采 集、保存及处理等工作。 最后在所设计的硬件平台上进行调试及仿真，使其达到一定的技术指标。 第二章实时d s p 芯片应用系统与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片 第二章实时d s p 芯片应用系统与下m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片 2 1 实时数宇信号处理系统 信号处理是指将信号从一种形式变为另一种形式，比如把信号从时域转化 到频域、从模拟形式转化到数字形式等。 实时指的是系统必须在有限的时间内对外部输入信号完成指定的处理，即 信号处理的速度必须大予等于输入信号更新的速度，而且从信号输入到处理后 的信号输出的延迟必须足够小。 从数字信号处理的实现角度看，实时数字信号处理系统大体上有如下j l 种 实现方法ij 4 1 6 1 ： ( 1 ) 采用通用微计算机作为核心处理器实现。这种方案开发周期相对较短， 系统构造灵活，而且系统升级简单方便，深受开发者的青睐。缺点是运行脱离 不了计算机而且速度太慢，不适合数据量大的实时处理系统。 ( 2 1 用单片机作为核心处理器实现。单片机的优点是接口性能良好，容易实 现人机接口，但由予单片机采用的是冯诺依曼结构，乘法速度慢，也不太适 合运算量大的实时处理系统。一般用于数字控制等不太复杂的系统中。 ( 3 ) 采用特殊用途的d s p 芯片作为核心处理器实现。现在国际上_ 已经推出了 不少专门用于f f t 、卷积、滤波等专门用途的芯片，在这些d s p 芯片中，特殊 用途的软件算法( 如f f t 、f i r 滤波等) 已在芯片内部用硬件实现，使用者将待处 理数据进行简单的组合和输入，即可在输出端得到结果，一般用于对处理速度 要求很高的场合。这种方案的缺点是灵活性差，而且开发工具尚不完善。 ( 4 1 利用通用的可编程d s p 芯片作为核心处理器实现。与单片机相比d s p 芯片具有更适合于数字信号处理的软件和硬件资源，在复杂的数字信号处理算 法中比较多用。采用通用的d s p 芯片设计系统的好处是系统设计b 匕较灵活，升 级也比较简单，系统硬件设计完成后，通过修改软件g p 可完成系统功能升级。 2 1 1 实时d s p 应用系统的构成 图2 1 所示是一个典型的实时d s p 应用系统的构成。由于实时信号处理系 6 第= 章实时d s p 芯片应用系统与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ：游片 统要处理的信号一般为模拟信号，因此，系统首先要对输入信号进行带限滤波 和抽样，然后通过a d 转换，将输入模拟信号变成数字比特流。 攀一阿匾互“困母霉 图2 - 1 典型的实鲥d s p 系统 d s p 核心处理系统可能由一个d s p 芯片及外围总线组成，也可能由多个 d s p 芯片组成，这完全取决于系统对信号处理的要求。d s p 核心处理系统的输 入是a d 转换后得到的，以抽样形式表示的数字信号，系统的主要任务是对输 入数字信号按用户预定的算法处理。 上图给出的实时d s p 应用系统模型是一个相对完备的典型模型，并不是所 有的d s p 应用系统都必须具有模型中的所有部件。有些输入信号本身就是数字 信号，因此就不必进行模数转换了，有些输出信号不需要转变成模拟信号，赢 接输出显示l l “。 另外，大多数系统还有通信( 串行逶信，并行通信) 、人机接口等部分。系 统还可能通过p c i ，i s a ，v x i 等总线直接插在计算机上工作，或者还可以通过 现场总线将整个系统作为现场系统中的一个工作节点等，这都根据不同的系统 要求有所不同。 2 1 2 实时d s p 应用系统的特点 实时d s p 应用系统具有如下特点1 1 8 , 1 9 1 ： ( 1 ) 精度高。1 6 位的数字系统可以达到1 0 。的精度，而模拟网络中元件( r ， l ，c 等) 精度很难达到1 0 3 以上。在一些高精度的系统中，有时甚至只有采用 数字技术才可以达到精度要求。 ( 2 ) 可靠性强。由于数字系统只有“0 ”、“1 ”两个电平，在器件正常【作的 条件下，噪声及环境的影响一般不容易影响结果的正确性与准确性，而模拟系 统不同于数字系统，易受温度、电磁振动、压力等外界环境因素的影响，导致 系统运算结果的精确度下降，甚至导致系统不能正常工作。另外，由于d s p 应 用系统多采用大规模集成电路，电路故障率也远比采用分立元件构成的模拟系 统的故障率低。 第二章实时d s p 芯片应用系统与r m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片 ( 3 ) 集成度高。数字部件有高度规范性便于大规模集成。在d s p 应用系统 中，d s p 芯片、c p l d 芯片、f p g a 芯片等都是离集成度的产品，加上芯片采用 表蔼贴封装技术，使系统体积得以大幅度压缩。另外在系统开发完成之后，还 可以将产品进一步开发成a s i c ( 专用集成电路) 芯片，这将进一步减小系统体积， 降低成本。 ( 4 ) 接口方便。接口设计是实现系统集成方便与否的关键。随着科技的发展， 人们所控制的系统变得越来越复杂，良好的接口设计就显得越来越重要。由于 d s p 应用系统和其他以现代数字技术为基础的系统或设备之间相互兼容，实现 d s p 应用系统与这样的系统接口远比实现模拟系统与这些系统接口容易。 ( 5 1 灵活性好。由于d s p 应用系统中d s p 芯片及p l d 器件都可编程( 在线可 编程或离线可编程) ，在系统硬件不更改的蜻况下，只要改变系统的软件，即日 完成不同的系统功能，这大大缩短了产品的开发周期。而模拟系统则不同，改 变系统功能就必须重新设计系统硬件或更改系统电路参数。 ( 6 ) 保密性好。保密性是对高科技产品的一个重要要求。d s p 应用系统中 d s p 、c p l d 、f p g a 等器件在保密性上性能优越，与由分立元件组成的模拟系 统或简单数字系统相比，d s p 应用系统更具有高度保密性。如果将其做成a s i c 芯片，那么保密性能几乎无懈可击。 ( 7 ) 时分复用。这是d s p 应用系统的又一个优点。利用d s p 运行速度快的特 点，用同一套d s p 应用系统可以在极短的时间内实现对几个通道信号的分时处 理。这主要应用在对系统实时性要求不是很高、信号的采样频率相对于d s p 系 统的运算速度较低的场所。 21 3d s p 应用系统的开发流程 各个d s p 应用系统的设计开发流程和开发内容根掇具体要求会有很大的习i 同。复杂的d s p 应用系统设计可以包括前端模拟电路接口以及与其它数字设备 的数字接口，必要时在设计前还要避行算法仿真与分析。简单的d s p 应用系统 设计可以只包括数字信号的处理。有的d s p 应用系统要求设计者设计开发出完 整的软件、硬件，而有的d s p 应用系统借助于d s p 厂商提供的通用硬件平台和 软件开发环境，设计者只需编写一些简单的应用程序即可。 一般的，利用d s p 芯片设计个d s p 应用系统的流程如图2 - 2 所示。 一8 一 第二章实时d s p 芯片应用系统与t m s 3 2 0 k f 2 4 0 7 芯片 图2 - 2d s p 应用系统开发一般流程 在设计d s p 应用系统之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的功能 要求、性能指标及信号处理的要求，这是熬个开发工作进行前的需求分析。 然后根据系统的运算量、运算精度、成本、体积、功耗等要求选择合适的 d s p 芯片，以及与d s p 芯片配套的开发系统。选定d s p 芯片的型号之后要对芯 片本身的结构特征和内部资源进行详细的分析，确定是否需要扩展存储器、1 1 0 口，以及哪些功能能够用d s p 程序实现，哪些功能德要外围器件配合才能实现 等。综合考虑系统要求和芯片特征，确定系统设计所需要的外围器件后，进入 具体的应用系统设计阶段。 具体的应用系统设计包括两个部分：硬件设计和软件设计。 硬件设计阶段要完成外围器件的选型工作。外围器件的选型一个重要原则 是器件的工作速度要和所选的d s p 芯片相匹配。如果器件速度跟不上，d s p 芯 片在访问外围器件时要加等待状态，这势必影响熬个系统的运算效率。 软件设计和编码调试主要是根据系统要求和所选的d s p 芯片开发相应的 d s p 应用程序。d s p 应用程序可以用汇编语言编写也可以用高级语言( 如c 语言j 编写，但由于现有的高级语言编译器的效率还比不上手工编写的汇编语言的效 第二章蜜时d s p 芯片应用系统与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片 率因此在实际应用系统中常采用高级语言和汇编语言混合编程的方法，在运 算量大的地方采用汇编语言编写，在运算量不大的地方采用离级语苦编写。 软硬件设计完成后，进行硬件和软件的调试。硬件调试和软件调试一一般都 要借助于d s p 的开发系统。 软硬件调试完成后进入系统集成阶段。系统集成就是将软硬件结合起来， 并组成一台样机，在实际系统环境中运行，进行系统测试。由于在软硬件调试 阶段的环境是模拟的，因此在实际系统测试中往往会出现这样那样的问题。比 如精度不够、稳定性不好等。解决这些问题一般采用修改软件的方法，如果修 改软件解决不了问题，则必须调整硬件。 2 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片 可编程d s p 芯片( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 是一种具有特殊结构的微处理器， 一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、能单周期完成乘法 的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理韵指令集，达到快速进行数字信号处 理的目的。 随着集成电路技术的发展和巨大应用市场豹刺激，d s p 芯片的价格越来越 低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。目前，d s p 芯片在信号处理、 通信、语音、图像图形、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等方面 得到了广泛的应用。随着d s p 芯片的性能价格比的不断提高，d s p 芯片将会在 更多的领域内得到更为广泛的应用。 2 2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的基本结构特征 为了快速的实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软硬件结 构。t m s 3 2 0 系列2 4 0 7 a 芯片基本结构包括u 剐： ( 1 ) 哈佛结构。哈佛结构是不同于传统的冯诺依曼( v o nn e u r n a n n ) 结构的并 行体系结构，其主要的特点是将程序和数据存德在不同的存储空间中，即程序 存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访 问。与之对应系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从丽使数据的吞吐 量提高了一倍。 f 2 ) 流水线。与哈佛结构相关，d s p 芯片广泛采用流水线以减少指令的执行 一1 0 一 第二章实时d s p 芯片应用系统与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片 时间，从而增强了处理器的处理能力。 ( 3 ) 专用的硬件乘法嚣。在一般的数字信号处理中乘法是主要的运算组成 部分，乘法速度越快，d s p 的处理器的性能越高。通用处理器是靠系列加法 来实现乘法运算，而d s p 芯片则采用专用的硬件乘法器，使运算速度大大提高。 ( 4 ) 特殊的d s p 指令。d s p 芯片的另个特征使采用特殊的指令。进一步加 快d s p 的运算速度。 ( 5 】快速的指令周期。哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的 d s p 指令等特征加上集成电路的优化设计，这使d s p 芯片的指令周期不断下降， 工作频率不断提高。 2 2 。2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 特点和资源 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 具有t m s 3 2 0 系列d s p 的基本功能，还具有以f 一 些特点1 1 9 , 2 0 l ： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的 功耗；3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，提高了控制器的 实时控制能力； ( 2 ) 与t m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 核兼容，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 代码和t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容； f 3 ) 片内商达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器；离达2 5 k 字的数据程序r a m ； 5 4 4 字双端口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) ； ( 4 ) s c i s p i 引导r o m ； ( 5 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位的通用定时器； 8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道：对外部时翻进行定时捕获的三个捕获单元； 片内光电编码器接口电路；1 6 通道的同步a d 转换器； ( 6 ) n 7 扩展的外部存储器总共具有1 9 2 k 字1 6 位空间：6 4 k 字程序存储器 空问、6 4 k 字的数据存储器空间和6 4 k 字i t o 寻址空间； ( 7 ) 看门狗定时嚣模块( w d t ) ； f 8 ) 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触 发两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入a d 转换器； ( 9 ) 控制器区域网( c a n 2 o b ) 模块； ( 1 0 ) 串行通信接口s c i 模块： 1 1 一 第二章实时d s p 芯片应用系统与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片 ( 1 1 ) 1 6 位串行外部设备接i z l ( s p l ) 模块： ( 1 2 ) 基于锁相环( p l l ) 的时钟发生器； ( 1 3 ) 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出( g p i o ) 引脚； ( 1 4 ) 5 个外部中断( 两个驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) ； ( 1 5 ) 3 种低功耗模式，能独立地将外围器件转入低功耗工作模式。 2 2 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 的功能 从图2 3 可以看出，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是典型的h a r v a r d 体系结构，内部具 有多重总线，并具有多个处理单元并行工作【1 4 i 。 ( 1 ) 总线结构。l f 2 4 0 7 a 的内部结构是围绕6 条1 6 位的总线建立的，6 条总 线分别是： 程序地址总线p a b ：为程序存储器提供读写地址。 数据读地址总线d r a b ：为数据存储器提供读地址。 数据写地址总线d w a b ：为数据存储器提供写地址。 程序读总线p r d b ：从程序存储器传输指令代码、立即数和表格信息到 c p u 。 数据读总线d r d b ：从数据存储器传输数据到中央算术逻辑元c m ，0 和辅 助寄存器算术单元。 数据写总线d w e b ：传输程序存储器和数据存储器豹地址。 ( 2 ) 中央处理单元。中央处理单元主要由输入定标单元、中央逻辑单元、乘 积单元、辅助寄存器算术单元和一一些状态、配置寄存器组成。 中央处理单元通过3 2 位的中央算术逻辑单元( c a l u ) 可以实现两个带符号 整数的逻辑运算，进行运算的数据来自数据存储器、立即数指令或者是乘法器 的3 2 位结聚。中央算术逻辑单元除了执行逻辑运算外，还可以执行布尔运算。 中央处理单元中的一个3 2 位的累加器( a c c ) ，可以存储算术逻辑单元 ( c a l u ) 的计算结果，也可以为算术逻辑单元( c a l u ) 提供第二个输入数据。 中央处理单元中的3 个3 2 位的定标移位器，可以傲移位、位提取、扩展算 术运算和溢出防止运算。 输入数据定标移位器。该移位器将输入的0 到1 6 位的数据左移16 位， 作为c a l u 的3 2 位输入数据。 输出数据定标移位器。该移位器将累加器星的结果输出到数据存储器之 第二章实时d s p 芯片应用系统与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片 前左移0 到7 位，而且累加器的数据保持不变。 乘积定标移位器。乘积移位器在乘积寄存器的数据输出到c a i 。u 之前对 其作移位。 乘积单元中的乘法器可以作1 6 1 6 位的二进制乘法，得到3 2 位的结渠。 辅助寄存器算术单元( a r a u ) 主要功能是在8 个辅助寄存器( a r ) a r 7 ) j 二 执行以寻址为主要任务的无符号1 6 位算术运算，这种运算可与c a l l f 中进行的 运算并行执行。 图2 - 3 数据和程序总线结构 2 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 软件开发 23 1 基千c 语言的d s p 芯片秀发 d s p 芯片的开发包括硬件开发和软件开发两个方面。就软件开发丽言，用 d s p 芯片的汇编语言写程序是一件比较繁杂的事情。开发周期较跃，修改、升 级非常困难。基于上述原因，各个d s p 芯片公司都相继推出了相应的离级语苦 第二章实时d s p 芯片应用系统与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片 编译器，使得可以直接用高级语言编写d s p 软件，从而使开发速度大大提高， 同时，也增强了程序的修改、移植和维护。对于系统的改进和升级换代也带来 了极大的便利。 t m s 3 2 0 定点系列c 编译器是一个功能齐全的优化编译器( a n s ic 语言开： 发环境) 。它的主要功能是把标准的a n s ic 语言转换成d s p 芯片能够识别执行 的汇编语言代码。对l f 2 4 0 7 a 提供了两种开发环境：一种是非集成的开发环境； 另一种是集成开发环境c o d ec o m p o s e rs t u d i o ，简称c c s 。c c s 在w i n d o w s 操 作系统下运行。它集成了非集成开发环境的所有功能，并扩展了许多其他的功 能口”。 c 编泽器对c 语言程序编译后生成6 个可以重定位的代码和数据块。这些 块可以以不同的方式分配至存储器以符合不同系统配置的需要。这6 个块阿分 为两种类型，一是已初始化块，二是末初始化块。 已初始化块主要包括数据表和可执行代码。共创建3 个已初始化块。 t e x l 块，包含可执行代码和字符串；c i n i t 块，包含初始化变量和常数 表；c o n s t 块，字符串和s w i t c h 表，在大存储器模式下，该块也包含常数表。 未初始化块用于保留存储器空问，程序利用这些空间在运行时创建和存储 变量。创建3 个未初始化块。 b s s 块，保留全局和静态变量空间，在小模式中，也为常数表保留空间；。s t a c k 块，为系统堆栈分配存储器，这个存储器用于将变量传递至函数以及分配局部 变量：s y s m e m 块，为动态存储器函数m s u o c 、c a l l o c 分配存储器空间。 2 32 基于c 和汇编混台编程的d s p 芯片开发 在用c 语言开发d s p 应用程序肘，可能会遇到一些对实时性要求较高或需 要对d s p 底层资源进行操作的场合，这时罔c 语言编写相应的代码就会给开发 带来定的困难，甚至某些操作c 语言根本无法实现。c 编译器优化功能可以 使c 代码的效率大大增加，但是在某些情况下，c 代码的效率还是无法和汇编 代码的效率相比，因此，在很多情况下，d s p 应用程序往往需要用c 语言翮汇 编语言混合编程方法来实现。以达到最佳利用d s p 芯片的目的。用c 语言和汇 编语售的混合编程方法主要有三种： ( i ) 独立编写c 程序和汇编程序，分开编译蠛汇编，形成各自的目标代码模 块，然后利用链接器将c 模块和汇编模块链接起来。 一1 4 第二二章实时d s p 芯片应用系统与t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片 ( 2 ) 直接在c 语言程序的相应位置嵌入汇编语句。 ( 3 ) 对c 程序进行编译，生成相应的汇编程序