DSP 第十一章 其它

第十一章算法及硬件设计,内容,1.数据格式与IQMath2.DSP最小系统设计3.控制系统实例,第一部分数据格式与IQMath,DSP的数据表示,格式,字长,16位,32位,定点,浮点,24位,格式和字长决定了数据的精度和动态范围,格式和字长也在一定程度上决定了DSP处理器的成本、功耗和编程难度,定点与浮点,浮点运算DSP比定点运算DSP的动态范围要大很多。定点DSP的字长每增加1bit,动态范围扩大6dB。16bit字长的动态范围为96dB。程序员必须时刻关注溢出的发生。例如，在作图像处理时，图像作旋转、移动等，就很容易产生溢出。这时，要么不断地移位定标，要么作截尾。前者要耗费大量的程序空间和执行时间，后者则很快带来图像质量的劣化。总之，是使整个系统的性能下降。在处理低信噪比信号的场合，例如进行语音识别、雷达和声纳信号处理时，也会发生类似的问题。而32bit浮点运算DSP的动态范围可以作到1536dB，这不仅大大扩大了动态范围，提高了运算精度，还大大节省了运算时间和存储空间，因为大大减少了定标，移位和溢出检查。,浮点DSP的优势,由于浮点DSP的浮点运算用硬件来实现，可以在单周期内完成，因而其处理速度大大高于定点DSP。这一优点在实现高精度复杂算法时尤为突出，为复杂算法的实时处理提供了保证。定点DSP的优势是什么？,定义,定点数：通俗的说，小数点固定的数。如果小数点在最高有效位的前面，则这样的数称为纯小数的定点数，如0.12345，0.78934等。如果小数点在最低有效位的后面，则这样的数称为纯整数的定点数，如12345，78934等。浮点数：一般说来，小数点不固定的数。比较容易的理解方式是，考虑以下我们日常见到的科学记数法，拿我们上面的数字举例，如123.45，可以写成以下几种形式：12.345x1011.2345x1020.12345x103为了表示一个数，小数点的位置可以变化，即小数点不固定。,定点数与浮点数的对比,(1)表示的精度与范围不同例如，我们用4个十进制数来表达一个数字。对于定点数（这里以定点整数为例），我们表示区间0000，9999中的任何一个数字，但是如果我们要想表示类似1234.3的数值就无能为力了，因为此时的表示精度为1/100=1；如果采用浮点数来表示（以归整的科学记数法，即小数点前有一位有效位，为例），则可以表示0.000，9.999之间的任何一个数字，表示的精度为1/103=0.001，精度比上一种方式提高了很多，但是表示的范围却小了很多。,定点数与浮点数的对比,(2)计算机中运算的效率不同一般说来，定点数的运算在计算机中实现起来比较简单，效率较高；而浮点数的运算在计算机中实现起来比较复杂，效率相对较低。(3)硬件依赖性一般说来，只要有硬件提供运算部件，就会提供定点数运算的支持，但不一定支持浮点数运算。,16位定点的数值范围与精度,浮点数的存储格式,IEEEfloatingpointstandard浮点数的小数点是不固定的，那么怎么在计算机中存储这种类型的数字呢？浮点数的存储规范，就是由IEEE指定的，具体的规范文件是：IEEEStandard754forBinaryFloating-PointArithmetic。大家可以很容易的从网络上下载到这篇文档。,在c语言中，单精度（float）数据类型为32bits，具体的如下图所示：,Sign：符号位，1bit，0为正，1为负；Exponent(bias)：指数部分，8bits，存储格式为移码存储，偏移量为127；Mantissa(fraction)：尾数部分。,浮点数表示范围,(-1)s(1+m/223)2(e-127)s是第一位，e是8位指数，m是数值。可表示的范围是1.40129846432481707e-45to3.40282346638528860e+38.,IQMath,定点DSP没有定点运算单元，它对浮点格式的实数必须通过软件才能实现，这样就增加了指令代码，间接地使得定点DSP运算速度低于浮点DSP。因为浮点DSP的价格更加昂贵，因此定点DSP仍然有其巨大的优势。TI公司专门为定点处理器TMS320C2000系列提供的IQmath库为解决上述问题提供了良好的实现方法。,IQmath库是高度优化和具有高精度的数学函数库集合。IQmath库里面包含的函数都是采用Q格式定点数作为输入/输出，允许程序设计人员在定点TMS320F281xx处理器上进行浮点算法设计，从而提高运算速度。,IQmath库函数IQmath库中主要包括以下函数：格式转换函数IQ（）、IQN（）、IQtoF（）、IQtoIQN（）等算术运算函数IQmpy（）、IQdiv（）等三角运算函数IQsin（）、IQcos（）、IQatan2（）等,IQMath的使用,为了应用IQmath，首先要从TI官方网站下载IQmath库，文档名称为SPRC087。我们主要应用库里面的：IQmath.cmd，IQmathLib.h，IQmath.lib。新建一个工程，将IQmath.lib，IQmath.cmd添加到工程，同时在main（）函数之前增加语句：#include“IQmathLib.h”。,当然也可以不用IQmath.cmd文件，而用自己的CMD文件，只要在你的CMD里面添加以下代码即可：MEMORYPAGE0:BOOTROM:origin=0 x3ff000,length=0 x000fc0RAMH0:origin=0 x3f8000,length=0 x002000SECTIONSIQmathTables:load=BOOTROM,type=NOLOAD,PAGE=0IQmath:load=RAMH0,PAGE=0,例程,第二部分2812最小系统设计,DSP系统电路设计的指导原则,首先，要了解DSP芯片的基本参数（从数据手册Datasheet中查找参数说明），重点关注以下几个参数：1）芯片的工作电源Vcc,Vdd（5V，3.3V，2.5V，1.8V?）;2）信号接口的电平要求（VIH,VIL,VOH,VOL）和驱动能力，注意电平转换问题;3）控制信号时序（RD、WE、RST,AddrBus,DataBus等）；,最小系统概念,什么是最小系统电源，复位电路，外设接口，扩展内存，JTGA等。,时钟电路设计,2812的两种时钟模式：利用内部振荡器或者外部时钟,内部振荡器便宜稳定、推荐，除非需要和其他设备使用相同的时钟才使用外部模式。,使用外部时钟时，要求电平在0-3.3vXCLKOUT可以用来判断DSP是否工作，,晶振推荐布线方式,2812复位电路,通过按键和看门狗提供复位信号,CM1215静电保护二极管,JTAG引脚,JTAG是英文“JointTestActionGroup（联合测试行为组织）”的词头字母的简写，JTAG也是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。,GPIO引脚的处理,最大驱动电流4mA，如果要驱动大电流负载如二极管、继电器可以使用SN54AC241,SN74AC241等缓冲驱动芯片，驱动电流24mA。或者使用高电压高电流复合晶体管阵列ULN2xxx，50v/500mA。不使用的管脚可以配置为输出或者接上拉电阻。,AD设计,滤波电路的设计模拟数字部分处理运放的使用电压的限制基准源尽量靠近DSP,外部基准源设计,典型CAN电路,典型SCI电路,外部RAM扩展,128-BitPassword,0 x3D7C00,F2812通过XINTF外扩CY7C1041CV33(256K16位静态RAM，最大读写时间为8ns)存储器。,WE=XWE,CE=XZCS2*XA18,OE=XRD,CE=XZCS67*XA18,并行接口（并行DA接口）,I/O空间扩展,8位并行数字输出接口电路（具有琐存功能）,8位并行数字输入接口电路（无琐存功能）,典型3.3V和1.9V电源电路设计,开关电源或电机控制典型电路设计,在开关电源和电机控制电路系统设计中，几乎都用到PWM控制和故障保护。下面给出两种电路接口的典型电路设计。,1)PWM接口电路设计,2）功率保护接口设计,编码器测速接口电路,注：在特殊场合，可采用旋转变压器测量电机转速，测速电路需要专门