基于TMS320F2812的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TMS320F2812是美國(guó)TI公司推出的新一代32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，該芯片每秒可執(zhí)行1.5億次指令，具有單周期32 bit×32 bit的乘和累加操作功能,片內(nèi)集成了豐富的外圍設(shè)備,如16路A/D轉(zhuǎn)換器、面向電機(jī)控制的事件管理器以及多種標(biāo)準(zhǔn)串口通信外設(shè)等[1]?？梢?jiàn)，其不僅具有數(shù)字信號(hào)處理器卓越的數(shù)據(jù)處理能力，又像單片機(jī)那樣具有適于控制的片內(nèi)外設(shè)及接口；它在數(shù)字控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域以及嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,常常成為微處理器的首選。
    DSP最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般包括硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試部分。硬件設(shè)計(jì)部分一般包括電源、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、JTAG電路和外部接口電路的設(shè)計(jì)；最小系統(tǒng)板作為DSP控制系統(tǒng)的核心部件，在其外圍接入擴(kuò)展板，能夠使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。本文基于TMS320F2812設(shè)計(jì)的DSP最小應(yīng)用系統(tǒng)，不僅可以作為學(xué)習(xí)DSP系統(tǒng)的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)與DSP有關(guān)的科研實(shí)驗(yàn)以及工業(yè)控制領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用價(jià)值[2]。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)  
    DSP最小系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建采用模塊化設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1電源電路
     一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)?？紤]到DSP的內(nèi)核工作電壓為1.8 V,其I/O的工作電壓為3.3 V，再者一般的外圍器件工作電壓為5 V，所以需要提供這三種工作電壓。首先，通過(guò)外部電源適配器獲得+5 V電壓，考慮到電源工作的穩(wěn)定性和可靠性，采用市場(chǎng)上現(xiàn)成的電源適配器；然后再通過(guò)LDO(低壓差線性穩(wěn)壓電源)將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V和1.8 V,采用的是Sipex公司的SPX1117系列LDO芯片[3]來(lái)進(jìn)行電壓的轉(zhuǎn)換。該系列LDO芯片輸出電壓的精度在±1％以內(nèi)，具有電流限制和熱保護(hù)功能，價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于手持儀表、數(shù)字家電和工業(yè)控制領(lǐng)域。使用時(shí)，輸出端常接一個(gè)10 ?滋F 或者47 ?滋F 的電容來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。具體的連接如圖2所示。

1.2復(fù)位電路
    TMS320F2812的復(fù)位管腳為/RESET，低電平有效。為了保證DSP芯片在電源未達(dá)到要求的電平時(shí),不會(huì)產(chǎn)生不受控制的狀態(tài)，在系統(tǒng)中加入電源監(jiān)測(cè)電路,在這里選用了TI公司的電源監(jiān)測(cè)芯片TPS3307-18來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP的電源監(jiān)測(cè)[4]。圖3所示為DSP最小系統(tǒng)的復(fù)位電路[5]。

    電路中提供了手動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)S1。當(dāng)S1接通后，輸出電壓將呈現(xiàn)欠電壓狀態(tài)，TPS3307監(jiān)測(cè)到這一變化后將在/RESET端輸出一個(gè)寬度大于200 ms的低電平,迫使DSP復(fù)位。[!--empirenews.page--]
1.3時(shí)鐘電路
    鎖向環(huán)(PLL)模塊主要用來(lái)控制DSP 內(nèi)核的工作頻率，外部提供一個(gè)參考時(shí)鐘輸入，經(jīng)過(guò)PLL倍頻或分頻后提供給DSP 內(nèi)核。本系統(tǒng)采用基于PLL的晶體工作模式，通過(guò)外部無(wú)源晶體為芯片提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，本文所選用的外部晶振是30 MHz。具體電路如圖4所示。

1.4 JTAG接口電路
    JTAG接口提供對(duì)DSP內(nèi)部Flash的燒寫和仿真調(diào)試，它所具備的這些能力需要軟件的配合，具體實(shí)現(xiàn)功能則由具體的軟件決定。JTAG接口是一個(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，這部分的引腳定義不要隨意改變。本設(shè)計(jì)中將其設(shè)計(jì)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的14針插座,可以供仿真器調(diào)試目標(biāo)板。具體的連接如圖5所示。

1.5外部接口電路
    為了方便擴(kuò)展及二次開(kāi)發(fā)，將TMS320F2812的4個(gè)方向的各個(gè)主要引腳全部引出。采用4個(gè)30針的雙排針腳式接口將120個(gè)重要的引腳引出，可以分配給地址線、數(shù)據(jù)線、AD模塊和時(shí)鐘電源等。在這里，具體的引腳外接就不再詳述了，只介紹幾個(gè)常用的外擴(kuò)模塊電路。當(dāng)然，在對(duì)最小系統(tǒng)的利用時(shí)，可以增加相應(yīng)的模塊來(lái)完成特定的功能,例如可以增加RS-485通信電路，在擴(kuò)展的同時(shí)要注意用DC-DC進(jìn)行物理隔離,尤其在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。
1.5.1 外擴(kuò)RAM電路和外擴(kuò)Flash電路
    為了增加系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)空間，提高系統(tǒng)的工作效率，根據(jù)設(shè)計(jì)要求外擴(kuò)了Flash電路和RAM電路。選用的RAM 型號(hào)為IS61LV25616AL，256 KB×16 bit大小。這里用了A0~A17共18根地址線，最大為256 KB；D0~D15 共16 根數(shù)據(jù)線。片選CS6和讀寫WR、RD 信號(hào)都由DSP引出。外擴(kuò)的Flash型號(hào)為SST39VF800，512 KB×16 bit，方便用戶燒寫較大程序。本文比SRAM多了1根地址線，所以最大可以達(dá)到512 KB，片選信號(hào)用CS2。具體連接如圖6所示。[!--empirenews.page--]

1.5.2 SCI串口通信電路
　在許多DSP的應(yīng)用中都會(huì)使用到串行口與電腦的串行口相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸或控制命令的發(fā)送與接收。DSP內(nèi)置有SCI通信模塊，在設(shè)計(jì)串口通信電路時(shí)要考慮電平之間的轉(zhuǎn)換。DSP的串口一般是使用TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，它的邏輯1電平是5 V，邏輯0電平是0 V，而電腦串行口所使用的是RS232C的電平標(biāo)準(zhǔn)，它的邏輯1電平是-3 V~-12 V,邏輯0電平是+3 V~+12 V。兩者的電平范圍相差很遠(yuǎn)，所以連接時(shí)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,本文選用TI公司推出的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232來(lái)完成[6]。再者，設(shè)計(jì)時(shí)要注意串行通信的雙方的接收端和發(fā)送端必須反接，在原理圖電路中，PC的TX_232 輸出的是最小系統(tǒng)板的SCIRXD,而最小系統(tǒng)板的SCITXD經(jīng)MAX232上輸出的是PC的RX_232。具體連接如圖7所示。

2 調(diào)試部分
    調(diào)試部分包括硬件的調(diào)試和軟件測(cè)試。硬件調(diào)試就是要確保最小系統(tǒng)的各個(gè)模塊配置是正確的，首先仔細(xì)檢查電路板有沒(méi)有斷線和短路現(xiàn)象，其次檢查元器件是否正確焊接，確保沒(méi)有虛焊，然后通電檢測(cè)電源電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路是否正常工作，電源指示燈亮表明正常；也可通過(guò)示波器測(cè)量晶振的周期和頻率，看其是否正常工作[7]。
    在保證外圍硬件電路的配合以及該外設(shè)模塊在片內(nèi)的配置準(zhǔn)確的情況下，再進(jìn)行軟件測(cè)試。首先通過(guò)TI或者第三方提供的仿真器與PC機(jī)相連，如果CCS能順利啟動(dòng)并探測(cè)到CPU，則表示硬件部分正確，然后按照要求編寫測(cè)試程序?qū)Ω鱾€(gè)外設(shè)模塊進(jìn)行調(diào)試。在此最小系統(tǒng)平臺(tái)上可以進(jìn)行以下測(cè)試：基于串口通信的數(shù)據(jù)采集功能測(cè)試、I/O端口的應(yīng)用、EVA/B模塊產(chǎn)生PWM脈沖的功能測(cè)試以及基本算法的實(shí)現(xiàn)等。
    最小系統(tǒng)板是DSP控制系統(tǒng)的核心部件，對(duì)DSP系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)起著重要作用。在實(shí)際的使用中，可以根據(jù)相應(yīng)的功能擴(kuò)展必要的模塊，例如為減少系統(tǒng)外圍器件的復(fù)雜度和增加系統(tǒng)的譯碼速度，可以增加CPLD模塊來(lái)滿足這些功能要求?；?strong>TMS320F2812的最小系統(tǒng)板已經(jīng)以電路板的形式應(yīng)用在筆者的全自主人形機(jī)器人的底層控制系統(tǒng)中，為下一步的開(kāi)發(fā)工作奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
[1]  徐科軍,張瀚,陳智淵.TMS320x2812x DSP原理與應(yīng)用[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2006.
[2]  宋玥,高偉強(qiáng)，閻秋生.基于DSP_TMS320C6713控制系統(tǒng)的最小系統(tǒng)板的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008,31(8):41-43.
[3]  SPX1117系列LDO芯片. Sipex Corporation, 2004.
[4]  TPS3307-18.datasheet[Z], 2005.
[5]  彭超.基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[D]. 吉林大學(xué),2009.
[6]  MAX232.datasheet[Z],2005.
[7]  TMS320F28xx和TMS320F28xxx DSCs的硬件設(shè)計(jì)指南. http://www.ti.com.cn/dsp.```