DSP键盘输入分频发声器

信息与电气工程学院 电子信息工程专业 CDIO 三级项目 项目设计说明书项目设计说明书 2011 2012 学年第二学期 项目名称 DSP 应用系统 题 目 键盘输入分频发声器 专业班级 电子信息工程 09 2 班 学生姓名 xxx 学 号 指导教师 设计周数 2 周 设计成绩 2012 年 7 月 6 日 信息与电气工程学院 1 目录目录 目录目录 1 1 1 设计目的 设计目的 2 2 2 设计任务和要求 设计任务和要求 2 2 1 设计任务 2 2 2 设计要求 2 3 3 TMS320F2812TMS320F2812 硬件性能参数硬件性能参数 2 3 1 TMS320F2812 参数简介 2 3 2 TMS320F2812 所用到的引脚的定义和说明 5 4 4 系统硬件设计方案 系统硬件设计方案 5 4 1 系统整体电路设计 5 4 1 1 系统硬件框图 5 4 1 2 系统整体电路原理图 6 4 2 单元电路设计 6 4 2 1 电源转换电路 6 4 2 2 复位电路 7 4 2 3 时钟振荡电路 7 4 2 4 3 3 键盘矩阵电路 7 5 5 软件程序设计 软件程序设计 8 5 1 系统分析 8 5 2 程序流程图 8 6 6 系统软硬件测试 系统软硬件测试 9 7 7 CDIOCDIO 项目总结项目总结 12 8 8 参考文献参考文献 13 附录附录 13 信息与电气工程学院 2 1 1 设计目的设计目的 CDIO 代表构思 Conceive 设计 Design 实现 Implement 和运作 Operate 它 以产品研发到产品运行的生命周期为载体 让学生以主动的 实践的 课程之间有机联 系的方式学习工程 CDIO 培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识 个人能力 人际团队能力和工程系统能力四个层面 大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达 到预定目标 因此 本次 CDIO 三级项目是对 DSP 课程所学理论知识的深化和提高 目的是能综合应用所 学知识 自己动手设计与制造出具有简单功能的键盘输入分频发声器 能够较好 较全面地巩固 和应用 DSP 课程中所学的基本理论和基本方法 初步了解和掌握简单 DSP 系统设计的基本方法 并学会用 C 语言对 DSP 系统进行编程及 DSP 试验箱和相关软件的运用 培养独立思考 独立收集 资料 独立设计规定功能的单片机系统的能力 培养分析 总结及撰写技术报告和团队协作的能 力 2 2 系系统统设设计计任任务务和和要要求求 2 2 1 1 设设计计任任务务 本次 CDIO 三级项目 DSP 应用系统设计的任务是利用 DSP 最小系统设计一个具有按键 输入分频发声功能的键盘输入分频发声器 2 2 2 2 设设计计要要求求 本次 CDIO 三级项目是对 DSP 课程所学理论知识的深化和提高 主要有以下要求 1 设计一个 3 3 的矩阵输入键盘 2 实现键盘输入蜂鸣器分频发声 3 设计硬件电路图 包含 DSP F2812 电路部分 4 自己构建 Project 文件 并进行程序编写 硬件调试 5 书写说明书 附带设计程序主要代码部分 并带有中文注释 3 3 TMS320F2812TMS320F2812 硬件性能参数硬件性能参数 3 13 1 TMS320F2812TMS320F2812 参数简介参数简介 这次 CDIO 项目设计需要用到 TMS320F2812 DSP 芯片 DSP 芯片是一种具有特殊结构的嵌入式 微处理器 现在芯片一般都具有哈佛结构的并行总线体系 流水线操作功能 快速的中断处理和硬件 I O 支持 低开销循环及跳转的硬件支持 单周期硬件地址产生器 单周期硬件乘法器以及一套适合 数字信号处理的指令集 信息与电气工程学院 3 TMS320F2812 DSP 芯片包含 33 个电源引脚 为使器件正常运行 所有电源引脚必须正确连接 且不能悬空 时钟源模块 DSP 有六种信号可以使 DSP 控制器复位 所以在设计的初期 我把它 分成了四个模块 它们分别是 电平转换部分 晶振和复位部分 键盘部分和液晶显示 其中复 位采用电源复位的方式 由引脚 PORESET 引起 为了可靠复位 其中高电平的有效时间至少 6 个 CPU 时钟周期 TMS320F2812 的具体参数如下 1 主处理芯片 TMS320F2812 运行速度为 150M 2 工作速度可达 150MIPS 3 片上的 RAM 18 16Bit 4 片上扩展 RAM 存储空间 64K 16Bit 5 自带的 16 路 12bitA D 最大采样速率 12 5msps 6 4 路的 DAC7617 转换 100K S 12Bit 7 两路 UART 串行接口 符合 RS232 标准 8 16 路 PWM 输出 9 1 路 CAN 接口通讯 10 片上 128 16bit FLASH 自带 128 位加密位 11 设计有用户可以自定义的开关和测试指示灯 12 4 组标准扩展连接器 为用户二次开发提供条件 13 具有 IEEE1149 1 相兼容的逻辑扫描电路该电路仅用于测试和仿真 14 4 层板设计工艺 工作稳定可靠 15 具有自启动功能设计 可以实现脱机工作 16 可以选配多种应用接口板 包括语音板 网络板等 以下是 TMS320F2812 的实物图和引脚封装图 信息与电气工程学院 4 图 3 1 TMS320F2812 实物图 图 3 2 TMS320F2812 引脚封装图 信息与电气工程学院 5 3 3 2 2 T TM MS S3 32 20 0F F2 28 81 12 2 所所用用到到的的引引脚脚定定义义和和说说明明 P1 接口主要是扩展评估板上空闲的 DSP 外设引脚 以便于定制用户的硬件环境 注意 由于 这组引脚是直接来自于 F2812 DSP 芯片 因此 这些引脚为 TTL 3 3V 标准 其输出最高电压为 3 3V 如果要接入 5V 器件 外接时时要注意电平转换 在扩展板上使用 3 3V 5V 兼容器件与扩 展接口连接 表 3 1 用到管脚的定义及管脚的说明 管脚号管脚名说明使用情况 1 5v 电源有 POWER 提供 5V 电源做外接电源 3PWM1 PWM1 输出引脚输出口 4PWM2 PWM2 输出引脚输出口 5PWM3 PWM3 输出引脚输出口 6PWM4 PWM4 输出引脚输入口 7PWM5 PWM5 输出引脚输入口 8PWM6 PWM6 输出引脚输入口 9PWM7 PWM7 输出引脚接蜂鸣器端 17GND 地线接地端 4 4 系系统统硬硬件件设设计计方方案案 4 4 1 1 系系统统整整体体电电路路设设计计 4 4 1 1 1 1 系系统统硬硬件件框框图图 TMSF2812 键盘阵列电路 蜂鸣器电路 时钟振荡电路 电源复位电路 电源转换电路 信息与电气工程学院 6 图 4 1 系统硬件框图 4 4 1 1 2 2 整整体体电电路路原原理理图图 图 4 2 系统整体原理图 其中 PWM1 PW3 是输出引脚 PWM4 PWM6 是输入引脚 PWM7 是蜂鸣器输出引脚 XTAL1 和 XTAL2 为晶振输入引脚 VCC 接电源 5V RESET 复位引脚 GND 接地 MP MC 接入存储器 如 果是低电平接片内存储器 高电平接片外存储器 4 4 2 2 单单元元电电路路设设计计 4 4 2 2 1 1 电电源源转转换换电电路路 电源电转换路 如图 4 3 是各种电子设备的核心电路 电子设备的小型化和低成本化使电 源电路向轻薄和高效率方向发展 因此在设计电路时选择一款合适的电源电路芯片是首要任务 本 CDIO 项目要求电压控制在 3 3V 左右 因此在设计中加入了电压转换电路 将 5V 电压转换为 3 3V 电压 在实际操作中采用了使用电源箱调节电压达到 3 3V 左右 信息与电气工程学院 7 图 4 3 电源转换电路 4 4 2 2 2 2 复复位位电电路路 复位电路 如图 4 4 由电容 电阻和按钮开关组成 可实现上电复位和手动复位功能 当 加载电源时 电源电压通过 RC 串联电路对电容 C 进行充电 充电时间常数为 t RC 当充电时间 超过 5t 时 4 7uf 电容上的电压接近电源电压 复位完成 对于本系统来说 要求复位时间超过 6 个系统时钟周期 所以 4 7uf 电容和 200k 电阻的值 应该根据所用芯片的工作频率来定 否 则 系统无法正常工作 另外 按键 S 用于手动复位 R 和 S 串联作为电容的放电回路 当 S 按下 C 的放电回路接通 芯片的复位端接地 芯片处于复位状态 放开 S C 的放电电路断开 由于 C 上的电压已经放完 所以 C 通过电源再次充电 完成复位动作 放电的时间远远小于充电时间 否则 电路无法正 常工作 图 4 4 复位电路 4 4 2 2 3 3 时时钟钟振振荡荡电电路路 信息与电气工程学院 8 时钟源可以由两种方式产生 一种是利用内部振荡器与外部无源晶振产生 另一种是利用外 部有源晶振产生 本系统选择的是前者 而且上在实验箱内部 时钟振荡电路如图 4 5 所示 时 钟电路主要使用的是 DSP 的内部振荡器 外接 6MHZ 的晶振产生时钟 图 4 5 时钟振荡电路 4 4 2 2 4 4 3 3 3 3 键键盘盘矩矩阵阵电电路路 键盘工作原理 从图 4 6 中可以看出 没有按键按下时 PWM4 6 均为输入高电平 当有按键按 下时 按键对应的行线和列线的状态均为低电平 即输入为低电平 其他键对应的均为高电平 具体来讲 把行线相连的引脚均设为输入方式 把列线相连的引脚均设为输出方式 程序首先把 所有列线上输出低电平 然后调用扫描程序逐列读取列线上的输入 如果没有键按下 行线将一 直保持全 1 的状态 否则相应的行线上将出现低电平并被程序所获知 然后检测按键所在的列 延时一段时间后 程序逐渐发出扫描码 即扫描的列为 0 其他行为 1 如果没有任何一条输入的 行线为低电平 则说明扫描的列线上没有按键被按下接着扫描下一列 如果在某一列上发 0 可以 在行线上收到不全为 1 的输入 即表明该行是按键所在的行 从而可以确定按键所在的位置 图 4 6 键盘矩阵电路 5 5 软软件件程程序序设设计计 5 5 1 1 系系统统分分析析 信息与电气工程学院 9 根据项目设计要求和 对硬件部分的分析 理论上技术的实现 基于分模块设计的思想可 以得出基本程序实现思路 初始化程序以后 将引脚定义为I O 口方式 并且定义引脚的输 出输入端 接入高电平 若给入高电平 设置行列值 例如 将行设置为输入端 列设置为输 出端 首先先判断是否有键按下 无键按下时 加入一段延时程序 有键按下时 给行值 对列值进行判断 如果循环成立 则能确定是哪个按键按下 5 5 2 2 程程序序流流程程图图 经过对硬件部分的分析和实际要求编译出实际程序 程序思路如图5 1 主要程序见附 录 图 5 1 程序流程图 6 6 系统软硬件测试 系统软硬件测试 在系统软硬件测试时 首先应先在计算机上安装上 CCS 软件 然后把程序加载到 Example 中 进行调试 如果调试出现错误 要进行修改 若程序正常通过 则可将电路板与计算机相连 然 蜂鸣器不发声 返回主程序 等待扫描 否 是 开始 初始化设置 扫描输入端口 是否为低 电平 检测是那个按键 给 PRD 赋值 调用中断 蜂鸣器发声 信息与电气工程学院 10 后安装所需要的驱动 驱动安好后 将焊接好的电路与电路板相连 注意针引脚的相连 在本设 计中用的是 DSP 最小系统上的 PWM1 PWM7 口 注意接线不要出错 同时还要注意 DSP 用的 是 3 3V 的电压 注意电压的调节 一切硬件连接好后 即可将软件下载到 DSP 芯片中 运行 查看结果 具体如下 硬件测试环境 ICETEK F2812 A EDU教学实验系统及外围设计电路 见图5 2 图5 3 图5 2 ICETEK F2812 A EDU教学实验系统 图5 3 外围电路 软件测试环境 PC机 CCS2000开发软件 CCS2000软件的安装在这里就不做详细的叙述了 安装好CCS2000开发软见后 点击 setup ccs2 2000 图标进入驱动配置环境 如图5 4 图5 5 信息与电气工程学院 11 图5 4 驱动配置1 图5 5 驱动配置2 配置好驱动过后进入开发软件 然后打开编译好的程序进行编译和软硬件配合调试 操作如 图5 6 图5 7 图5 8 图5 6 正常进入软件环境 信息与电气工程学院 12 图5 7 打开程序 图5 8 程序编写 当程序编写完成 并且调试没有错误出现时 确定硬件连接正确后打开 File LoadProgram 把程序下载到实验箱进行软硬件结合调试然后察看调试结果并进行调整和改进 7 7 CDIOCDIO 项目总结项目总结 基于 DSP TMS320F2812 的键盘输入分频发声器的设计是一个综合性的 CDIO 实践项目 是将 理论联系到实际中的实验过程 是总结课堂所学知识的最好体现 从拿到设计任务后 开始查阅 资料 对课题进行方案设计并进行理论论证 到设计电路 软件上的程序编写到仿真 调试 硬 件上元器件确定 选型及电路搭建 软硬件联调 直到报告文本的撰写以及最终完成 CDIO 设计 项目键盘输入分频发声器的设计 这一过程锻炼了我们对 DSP 应用系统的简单设计及动手能力 近两周的 CDIO 项目实践 使我深深的体会到理论结合实际的重要性 在设计过程中要特别 细心 在软件中可能是一个标点或一个字母的问题 而导致运行错误 在硬件搭建中更是如此 选择硬件时更要清楚它的特点及我们选择的重点 连线过程中还要防止短路和断路 所以每一个 环节都是不可大意的 另外 大家在一起讨论 互相学习 让我更深地体会到同学间互相帮助和 信息与电气工程学院 13 团结协作的作用 在软 硬件调试过程中 真的培养了我的耐心 在这个 CDIO 项目过程中 我的主要任务是绘制 PCB 板和实现硬件电路的搭建 很久没有接触 过 Protel99SE 了 刚开始是对于里面的很多元器件及其封装都不熟悉 需要一个个的对照查询 这样一步步的才逐渐熟悉 在此过程中对设计底电路也有了进一步熟悉 也发现了电路设计中的 许多冗余和重复等不足 对电路也做了许多的改进 在搭建硬件电路时 尤其是在焊接电路时也 存在很多问题 虽然曾经也做过电路焊接的实训 但在这次焊接电路中也暴露了自身很多的不足 如存在漏焊 虚焊 连焊 短接 不过还是一步步的改正了最终正确焊接完成了电路 在整个 CDIO 项目设计中 在不断的学习与讨论中 使我们对 DSP 应用系统的原理和设计有 了较深刻的认识 对系统知识有了更为深刻的理解与体会 在收获的同时 我们也受益非浅深感 自身理论知识的欠缺与动手能力的不足 在以后的学习及设计中 还要不断的努力 我感觉这次 设计 我们最大的缺陷是没有改进设计 只是按照设计要求完成其功能 设计功能简单不够齐全 所以我们觉得此次设计不太完美 同样存在许多不足的地方 总之 这次设计我们还是受益非浅的 不仅是对 DSP 课程所学理论知识的深化和提高 更是 在实践中对硬件电路的搭建和仿真有了进一步的了解 对相关应用软件 Protel99SE CCS2000 等应用软件进行了进一步的学习 进一步的学会了具有了发现问题后 知道如何去分析问题 解决问题的能力以及团队协作的能力 8 8 参考文献 参考文献 1 章云 谢莉萍 熊红艳 DSP 控制器及其应用 机械工业出版社 2001 5 2 17 18 2 王念旭 DSP 基础与应用系统设计 北京 北京航空航天大学出版社 2001 附录附录 源程序 include DSP281x Device h DSP281x Headerfile Include File include DSP281x Examples h DSP281x Examples Include File Prototype statements for functions found within this file interrupt void cpu timer0 isr void void Delay unsigned int ndelay 子程序声明 define nMusicNumber 9 Uint16 jishu 0 new1 a1 a2 unsigned int music1 nMusicNumber 2 信息与电气工程学院 14 162 480 144 480 129 480 121 480 108 480 97 480 86 480 81 480 79 480 void main void int nCount 0 j 0 Step 1 Initialize System Control PLL WatchDog enable Peripheral Clocks This example function is found in the DSP281x SysCtrl c file InitSysCtrl 初始化系统管脚语句 Step 2 Initalize GPIO This example function is found in the DSP281x Gpio c file and illustrates how to set the GPIO to it s default state InitGpio Skipped for this example Step 3 Clear all interrupts and initialize PIE vector table Disable CPU interrupts DINT 关中断 Initialize the PIE control registers to their default state The default state is all PIE interrupts disabled and flags are cleared This function is found in the DSP281x PieCtrl c file InitPieCtrl 初始化 PIE 寄存器 Disable CPU interrupts and clear all CPU interrupt flags IER 0 x0000 寄存器复位 中断使能寄存器 包含所有可屏蔽中断使能位 IFR 0 x0000 寄存器复位 中断标志寄存器 用于识别和清楚未屏蔽中断位 Initialize the PIE vector table with pointers to the shell Interrupt Service Routines ISR This will populate the entire table even if the interrupt is not used in this example This is useful for debug purposes The shell ISR routines are found in DSP281x DefaultIsr c This function is found in DSP281x PieVect c InitPieVectTable 初始化 PIE 向量 Interrupts that are used in this example are re mapped to 信息与电气工程学院 15 ISR functions found within this file EALLOW This is needed to write to EALLOW protected registers PieVectTable TINT0 指定中断服务子程序地址 EDIS This is needed to disable write to EALLOW protected registers EALLOW GpioMuxRegs GPAMUX all 0 x0000 工作方式设置为 I O GPxMUX 多路选择寄存器 GpioMuxRegs GPADIR all 0 x0007 pwm1 pwm3 为输出 GPxDIR 方向寄存器 GpioMuxRegs GPBMUX all 0 x0000 GpioMuxRegs GPBDIR all 0 x0001 pwm1 为输出 EDIS Step 4 Initialize all the Device Peripherals This function is found in DSP281x InitPeripherals c InitPeripherals Not required for this example InitCpuTimers For this example only initialize the Cpu Timers CpuTimer0 RegsAddr Initialize timer period to maximum CpuTimer0Regs PRD all new1 music nCount 0 350 Initialize pre scale counter to divide by 1 SYSCLKOUT CpuTimer0Regs TPR all 0 TPR 预定标计数器 16 位 PIC 8 15 位 TDDR 0 7 位 取 值 0 15 可位操作 CpuTimer0Regs TIM all 0 TIM 计数寄存器 CpuTimer0Regs TPRH all 0 TPRH 高 16 位 一般不用 付 0 Make sure timer is stopped CpuTimer0Regs TCR bit TSS 1 定时控制寄存器停止 CpuTimer0Regs TCR bit FREE 1 free soft 为 11 时自由运行 CpuTimer0Regs TCR bit SOFT 1 Reload all counter register with period value CpuTimer0Regs TCR bit TRB 1 CPU 重装载 CpuTimer0Regs TCR bit TIE 1 定时器中断使能位 Reset interrupt counters CpuTimer0 InterruptCount 0 StartCpuTimer0 0 计数器重新工作 1 停止 Step 5 User specific code enable interrupts 信息与电气工程学院 16 Enable CPU INT1 which is connected to CPU Timer 0 IER M INT1 0X0001 中断 1 Enable TINT0 in the PIE Group 1 interrupt 7 PieCtrlRegs PIEIER1 bit INTx7 1 向量控制寄存器 第一组里的第七个 1 开中断 Enable global Interrupts and higher priority real time debug events EINT Enable Global interrupt INTM ERTM Enable Global realtime interrupt DBGM for GpioDataRegs GPADAT bit GPIOA0 0 GPADAT 数据寄存器 GPIOA0 位定义 GPIOA0 输出为低电平 GpioDataRegs GPADAT bit GPIOA1 0 GpioDataRegs GPADAT bit GPIOA2 0 if GpioDataRegs GPADAT bit GPIOA3 1 Delay 100 a1 0 a2 0 GpioDataRegs GPADAT bit GPIOA0 0 GpioDataRegs GPADAT bit GPIOA1 1 GPADAT 数据寄存器 GPIOA1 位定义 GPIOA1 输出为高电平 GpioDataRegs GPADAT bit GPIOA2 1 if GpioDataRegs GPADAT bit GPIOA3 0 new1 music1 0 0 350 56700 Delay music1 0 1 200 a1 0 a2 1 信息与电气工程学院 17 if GpioDataRegs GPADAT bit GPIOA3 1 Delay music1 1 1 200 a1 0 a2 1 if GpioDataRegs GPADAT bit GPIOA3 1 Delay music1 2 1 200 a1 0 a2 1 GpioDataRegs GPADAT bit GPIOA0 1 GpioDataRegs GPADAT bit GPIOA1 0 GpioDataRegs GPADAT bit GPI