一種DSP芯片外圍電路典型設(shè)計(jì)

DSP(數(shù)字信號處理器)芯片是一種能夠?qū)崟r(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法控制的微處理器，已經(jīng)在通信與信息系統(tǒng)、信號與處理、自動控制、雷達(dá)、航空航天、醫(yī)療等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

目前生產(chǎn)DSP芯片的廠家主要有TI公司、AD公司、Motorola公司等。其中TI公司推出的TMS320C2XX系列是繼TMS320C2X和 TMA320C5X之后的一種低價(jià)格、高性能16位定點(diǎn)運(yùn)算DSP。TMS320F206是2XX系列的代表之一，性價(jià)比高，應(yīng)用廣泛，目前已成為高檔單片機(jī)的理想替代。TMS320F206的性能特點(diǎn)如下：指令周期達(dá)25 ns；可尋址64 k程序空間、64 k數(shù)據(jù)空間、64 k I／O空間以及32 k全局存儲空間；片內(nèi)集成有32 kB Flash存儲器；32位算術(shù)邏輯單元、32位累加器、16位并行乘法器；豐富的片內(nèi)外設(shè)，可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)、同步串行口、異步串行口等；與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容的JTAG串行邏輯掃描電路。

DSP芯片外圍電路設(shè)計(jì)是用好DSP芯片最關(guān)鍵的第1步。本文以TMS320F206為例介紹DSP芯片前向通道和后向通道接口電路、外存存儲器擴(kuò)展等典型的設(shè)計(jì)思路及方法。

1 TMS320F206前向通道接口

AD7677芯片是AD公司新推出的具有1 MSPS(百萬次采樣每秒)16位A／D轉(zhuǎn)換芯片。該芯片采用開關(guān)電容式逐次比較結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部自帶SHA(采樣保持器)、時(shí)鐘源、+2.5 V參考電壓、誤差修正電路、差分輸入以及并行／串行輸出接口。采用單+5 V電源供電，正常工作情況下的功耗為115 mW，關(guān)閉模式下的功耗僅為7μW。具有高達(dá)94 dB的優(yōu)越的動態(tài)范圍，INL(積分非線性)最大為±0.5LSB，無漏碼DNL(差分非線性)最大為16位。并具有Warp、Normal、Impulse這3種可選工作模式。

A／D轉(zhuǎn)換器采樣的精度取決于參考電壓、布線以及正確的時(shí)序。其中布線主要是指電源和地、參考電壓的抗干擾性能，電源和地的干擾是造成系統(tǒng)誤差的最主要原因。

對于許多高性能數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，為了解決A／D轉(zhuǎn)換器與放大器之間的匹配問題，AD7677還可與AD公司的AD8021運(yùn)算放大器配對使用。AD8021是為了解決增益與帶寬性能之間的匹配問題的一種定制補(bǔ)償放大器。

TMS320F206工作于20 MHz時(shí)鐘周期。A／D轉(zhuǎn)換器工作于Warp模式，其采樣速度達(dá)到1 MSPS，每兩次轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔不超過1 ms，否則會導(dǎo)致前一轉(zhuǎn)換結(jié)果的覆蓋丟失。

TMS320F206與AD7677接口電路框圖見圖1。

正常工作狀態(tài)下，當(dāng)DSP的地址判斷位A0為高，且I／O口空間選擇信號IS以及瀆選擇信號RD同時(shí)為低時(shí)，A／D的片選信號CS及讀請求信號RD同時(shí)為低，即表示A／D被選中且準(zhǔn)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由DSP的I／O口觸發(fā)A／D轉(zhuǎn)換開始信號CNVST(t1)，A／D的引腳BUSY保持高(t2)，即開始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。其工作時(shí)序如圖2所示。

2 TMS320F206后向通道接口

單集成芯片AD669是16位高分辨率、40 ns高速轉(zhuǎn)換的A／D轉(zhuǎn)換器。AD669數(shù)據(jù)鎖存采用分段譯碼結(jié)構(gòu)，可減少與數(shù)碼相關(guān)的毛刺，同時(shí)采用雙緩存鎖存結(jié)構(gòu)，避免了虛假模擬信號的產(chǎn)生。AD669內(nèi)部集成隱埋式齊納基準(zhǔn)，10.000 V基準(zhǔn)最大誤差為±0.2％。另外，AD669具有引腳可定義單極(0 V～10 V)、雙極性(-10 V～+10 V)輸出，可實(shí)現(xiàn)增益及零偏調(diào)節(jié)。

TMS320F206工作于20 MHz時(shí)鐘周期，外掛JTAG仿真口，便于實(shí)時(shí)燒寫、調(diào)試程序。D／A轉(zhuǎn)換器工作于邊沿觸發(fā)模式，即LDAC與CS連接在一起，而L1直接接地，兩級鎖存鏈接成主從結(jié)構(gòu)。

TMS320F206與AD669接口電路框圖見圖3。

工作時(shí)序如圖4所示。

正常工作狀態(tài)下，當(dāng)DSP的I／O空間選擇信號IS以及寫選擇信號WE其中一個(gè)由低變高時(shí)，則會使D／A的LDAC-CS產(chǎn)生上升沿(tLOW→tHIGH)，開始同時(shí)更新兩級鎖存中的數(shù)據(jù)。

3 TMS320F206外部數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展

DSP芯片通常需要通過外部存儲器來擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲空間。TMS320F206內(nèi)部集成64 kB數(shù)據(jù)存儲空間，外部數(shù)據(jù)存儲器可以擴(kuò)展至32 kB空間。為了使存儲接口速度快，選用ISSI公司的高速存儲器IS61C3216，該數(shù)據(jù)存儲器為32 k×16 bit的CMOS靜態(tài)RAM，其讀寫訪問時(shí)間僅為10 ns。

TMS320F206芯片的總線請求信號BR以及全局存儲器分配寄存器GREG可以把數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展至32kB空間。用2塊IS61C3216，一組作為局部數(shù)據(jù)存儲器，另一組作為全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲器，地址共用8000h～FFFFh。其擴(kuò)展電路框圖如圖5所示。

當(dāng)GREG=xx00h時(shí)，8000h～FFFFh地址區(qū)域被配置為局部數(shù)據(jù)存儲器，此時(shí)，BR=1，RAM2禁止訪問，RAM1兩個(gè)使能信號打開，選中RAM1；當(dāng)CREG=xx80h時(shí)，8000h～FFFFh被配置為全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲器，此時(shí)，BR=0，RAM1被禁止局部數(shù)據(jù)存儲器將不能訪問。

通過外部存儲器擴(kuò)展，TMS320F206具有64 kB的局部數(shù)據(jù)存儲器空間，用來存放指令使用的數(shù)據(jù)；32 kB的全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲器空間，用來存放與其他處理器共用的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文以TMS320F206為例闡述了DSP芯片前向通道、后向通道接口電路的設(shè)計(jì)思路及方法。在系統(tǒng)資源受到限制或設(shè)計(jì)需要的情況下，可以將A／D和D／A轉(zhuǎn)換器同時(shí)配置在DSP的擴(kuò)展總線上。此時(shí)，最重要的是綜合考慮A／D和D／A轉(zhuǎn)換器與DSP收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)序的匹配。本文設(shè)計(jì)方案以電路板的方式已運(yùn)用于廠家的產(chǎn)品中，對機(jī)載雷達(dá)的大規(guī)模、復(fù)雜性信號處理發(fā)揮了一定的作用。