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Ti公司DSP技术发展历程和现状及其应用实例分析 (3)


DSP 应用课程论文

院系名称: 院系名称: 专业班级: 专业班级: 学生姓名: 学生姓名: 学 号:

信 息 学 院 电科 0803 王 磊

200848360301 张 庆 辉

指导教师: 指导教师:

Ti 公司 DSP 芯片特点、技术发展历程和现状及其应用 一、T

I 公司发展历史:
德州仪器(TI)是世界上最大的半导体公司之一。始终致力于提 供创新半导体技术,帮助客户开发世界最先进的电子产品。其模拟、 嵌入式处理以及无线技术不断深入至生活的方方面面, 从数字通信娱 乐到医疗服务、汽车系统以及各种广泛的应用,无所不在。 1938 年 12 月 ,Geophysical Service 在特 拉 华 州 创立 名 为 Geophysical Service Inc. (GSI) 的子公司。1939 年 1 月,母公 司 Geophysical Service 更名为 Coronado Corporation。 1941 年,特拉华州子公司 GSI 被 GSI 的三位职员 H. Bates Peacock、J. Erik Jonsson 和 Cecil H. Green 以及 Geophysical Service 的两个创始人之一 Eugene McDermott 收购。 1945 年, Coronado Corporation 倒闭了, GSI 仍然存在。 但 1951 年 12 月,GSI 更名为 Texas Instruments Incorporated(德州仪 器) 1953 年 10 月, 。 公司首次进入纽约证券交易所 (New York Stock Exchange),代号 TXN。 在 TI 发展之初,公司的目标是利用公司独有的技术能力从根本 上颠覆传统市场,创造全新的市场。德州仪器 (TI) 提供了创新的 DSP 和模拟技术,可满足客户实际的信号处理需求。除半导体之外, 公司的业务还包括传感器和控制产品以及教育产品。 德州仪器的发展 历程中始终贯穿一条清晰的主线, 就是运用越来越先进的实时信号处 理技术,实现从量变到质变的进步,真真切切地不断改变世界。

二、DSP 处理系统的发展现状:
DSP 应用广泛,其主要应用市场为 3C(Communication、Computer、 Consumer-通信、计算机、消费类)领域,合占整个市场需求的 90%。 DSP 市场正处于高速成长的阶段。在数字化、个人化和网络化的推动 下,1997 年世界 DSP 市场营销额超过 32 亿美元,预计未来的年均增 长率高达 40%,按照这一增长速度,至 2007 年,世界 DSP 市场营销 额将突破 500 亿美元。在全球 DSP 产品市场中,TI 公司独占鳌头, 占世界市场 45%的份额,其次是朗讯(28%) 、ADI(12%) 、摩托罗拉 (12%) 、其他公司(3%) 。 TI(Texas Instruments)公司是 DSP 业界公认的龙头老大。TI 产品遍及全球,每 2 个数字蜂窝电话中就有 1 个采用 TI 产品,全世界 90%的硬盘和 33%的 Modem 均采用 TI DSP 技术。1997 年,TI 公司的两 项重大投资项目夯实了其地位不可动摇。 一是设立 1 亿美元的风险基 金,支持那些需要启动资金的 DSP 应用企业,为掀起 DSP 的应用高潮打 下坚实的基础。二是启动 500 万美元的全球大学科研基金,用于支持 各高校的 DSP 教育。TI 已在国内十余所大学建立了 DSP 实验室和技 术中心。 国外的商业化信号处理设备一直保持着快速的发展势头。欧美等 科技大国保持着国际领先的地位。例如美国 DSP research 公司, Pentek 公司,Motorola 公司,加拿大 Dy4 公司等,他们很多己经发 展到相当大的规模,竞争也愈发激烈。随着我国信息产业的发展,近 年来我国的数字信号处理学科发展较快。DSP 处理器己经在我国的数

字通信、信号处理、雷达、电子对抗、图像处理等方面得到了广泛的 应用,为科学技术和国民经济建设创造了很大价值。

三、实例分析:
1、需求分析 DSP 数字信号处理器是近年来发展起来的一种新型微电子器件, 是一种具有殊结构的微处理器。 DSP 芯片建立在数字处理的各种理论 算法的基础上,专门成各种数字信息的处理,DSP 器件的出现使得各 种数字信号处理算法得以实,简化了信息处理的程序以及速度,大大 地促进了现代电子技术及信息技术的展。 使用 DSP 技术来实现对音频信号的处理, 通过对比已有的不同的 数字音频系统,选择更加合适技术和功能更加强大的芯片,进而优化 设计音频电路。 硬件部分将详细给出芯片的选择依据以及参数的对比 情况, 进而给出相应的电路设计。 完成硬件设计之后, 利用 MATLAB 实 现数字滤波器的设计和仿真,在 CCS 中编写 C 语言源代码实现 FIR 滤波,最后将程序烧写在 DSP 芯片中,验证电路和功能的正确性。 信号的数字化就是将连续变化的模拟信号转换成离散的数字信 号,一般需要完成采样、量化和编码三个步骤,如图所示。在本实例 中选择 TMS320VC5509A 作为本设计的主芯片。

2、基本硬件电路设计 系统的研究技术路线已经在本章的第一节做了具体介绍,在本设 计中硬件部分主要由两部分组成, 一部分是前端原始模拟信号的音频 调理部分,另一部分是以 DSP 为核心处理器的数字电路部分,以下 对系统的硬件部分做详细介绍。模拟部分由 ADC 和 DAC 前端的滤 波、采样/保持、去毛刺和差分放大电路等组成,在下一节内容中给 出具体方案,数字部分就是围绕 DSP 最小系统展开,下面就各部分 模块给出具体设计方法,系统框图如下图所示。

由上图可知,DSP 作为核心芯片,是整个系统的大脑,其它模块 可以分为组成 DSP 最小系统的电路部分,以及实现本设计功能的外 围电路两大部分组成。其中复位、电源、时钟、仿真电路等构成了最 小系统,而 AD/DA 转换和存储器扩展等构成外围电路,下面对各部 分硬件电路做详细介绍。 2.1 复位电路 自动复位电路的原理如下:在系统运行时,电路提供一个监视线, 用来监视系统是否正常运行,在正常运行的时候,在规定时间里有一

个高低电平变化的信号提供给监视线,在这个时间内信号不变化了, 那么就说明系统运行故障或死机了, 自动复位电路就认为系统不正常 了,然后对其进行系统复位。 2.2 电源电路 TMS320VC5509A 芯片采用低电压双电源供电方式,在本设计中使 用 TI 公司的两路输出的 TPS73HD301 芯片作为电源芯片, 从外部电 源提供的 + 5V 电压中得到一个 3.3V 和一个 1.6V 的电压,也就是 采用内核电压和 I/O 电压分开的供电。TMS320VC5509A 的电源分为 内核电源和 I/O 电源,内核电源需要 1.6V 或 者 1.8V 电压,本设 计中使用 1.6V 电压,其降低内核电压的主要目的是为了降低功耗, 3.3V 供给 I/O 接口使用 2.3 时钟电路 给 DSP TMS320VC5509A 芯片提供时钟有两种办法,一种是利用芯 片自身内部的晶振电路,一种是将外部时钟源接到 DSP 芯片上。利 用 DSP 芯片内部提供的晶振电路时,在 X1 脚和 X2/CLKIN 脚之间 连接晶振就可以启动内部振荡器 ; 利用外部时钟源时,将 X1 脚悬 空,外部时钟源直接接入 X2/CLKIN 脚即可。 2.4 仿真电路 DSP 系统的调试需要用到 DSP 仿真器,仿真器与 DSP 的接口就叫 做 JTAG 口, 只需要根据 DSP 芯片的接口类型按照相应的接口标准设 计就可以了, 十分方便。 JTAG 是一种国际标准测试协议 (IEEE 1149.1 兼容) ,主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持 JTAG 协

议,如 DSP、FPGA 器件等。标准的 JTAG 接口是四线:TMS、TCK、TDI 和 TDO, 分别 是 模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。 3、外围硬件电路设计: 3.1 音频信号编码解码模块电路设计 在本设计中为了设计方便,并且考虑到音频信号的特点,选用集 AD 和 DA 功能于一体的转换芯片。因为本设计使用的是 TI 公司的 TMS320VC5509A 芯片,为了接口方便并且更好的配合 DSP 芯片使用, 本文选用 TI 公司的 AD 和 DA 转换芯片。TLV320AIC23 的外围接口 主要由数字音频接口、麦克风输入接口、LINE IN 输入接口、耳机输 出接口、配置接口组成。 利用 TMS320VC5509A 作为控制器,结合 TLV320AIC23B 的优点, 可以设计出高性能音频信号处理系统,系统框图如下图所示。

TLV320AIC23 的 CS、SDIN、SCLK、MODE 四个引脚组成控制接口, DSP 传送的配置信号可以改变 TLV320AIC23 的工作方式。在本设计 中把 MODE 接高电平,配置成 SPI 方式。在此方式下,SDIN 为数据输 入,CS 为帧同步信号,SCLK 为时钟同步信号。TMS320VC5509A 和 TLV320AIC23B 的接口电路如下图所示。

由上图可以看到,TLV320AIC23B 的外围电路比较简单,只需要设 计一些必要的滤波电路即可, 由数据手册可以查到每个引脚的特性以 及外围滤波电路的典型参数, 这样对本文设计 TLV320AIC23B 的外围 电路提供了方便。使 用 TLV320AIC23B 而不使用 TLC320AD50C,除 了 AIC23 芯片的性能优越以外,还有一个原因就是 AD50 需要设计 专门的差分电路,而 AIC23 不需要,这就简化了设计也节省空间。 3.2 存储器扩展电路的设计 TMS320VC5509A 可以提供 16M 的存储空间, 这全部 16M 的存储器 均可作为数据空间或程序空间访问。 CPU 从程序空间读取程序代码 当 时,使用 24bit 字节寻址;当程序访问数据空间时,则使用 23bit 字 节寻址,这时需要在最低位添 0,就使得在这两种情况下地址总线传

送的都是 24bit 地址。 TMS320VC5509 A 的全 部 16 M 存储器空间中,片内 有 64K Byte s 的 DARAM 和 192KBytes 的 SARAM,此外,0 CE、1 CE、2 CE、3 CE 为 DSP 的可扩展外部存储空间。TMS320VC5509A 提供 EMIF 接口,即 外部存储器接口,可以方便的与外部存储器无缝连接,它控制 DSP 和 外部存储器之前的所有数据传输。外部存储器接口框图如下图所示。

在本设计中,主要利用 DSP 实现数字滤波等功能(将在第四章做 详细介绍) ,故可暂不使用 FLASH,如果需要完成更多的功能或者存 储音频文件的话,也可以在现有基础上对存储空间继续扩展。常用的 FLASH 本文选用 AM29LV400/800B 作为存储器扩展芯片, DSP 的连 与 接也十分方便,因为 EMIF 外接 FLASH 异步存储器提供了无缝接口, 所以只需将对应引脚相连即可。 FLASH 比 EPROM 更具优势, FLASH 可 直接使用 3.3V 电压,而 EPROM 的电压一般都是 5V,这就需要电平 转换。FLASH 现在发展速度很快,是高密度、电可重复擦写、非易失

性、低功耗、小尺寸、高性能的便携式存储器,在对系统编程是对 FLASH 烧写,无需专门设备,修改和升级方便,而且 FLASH 的寿命 长,一般烧写的次数可以在十万次以上,几乎可以不考虑使用寿命的 问题。 4、系统软件设计 可编程的 DSP 芯片的开发需要一整套的开发工具, 分为代码生成 工具和代码调试工具。代码生成工具是将汇编语言或者 C 语言编写 的程序进行编译,然后链接成可执行的 DSP 程序,代码调试工具是 对程序及系统进行调试。一个完整的软件开发流程如图 4-13 所示。 TI 公司的 CCS 是一个基于 Windows 的完整的 DSP 开发平台, 为提 供了 DSP 软件部分提供了一个完整的解决方案。

5、结果分析 基于 DSP 技术的音频电路可以完成对音频信号的基本处理功能。

硬件电路的设计部分从构建 DSP 最小系统展开,经实际测试验证, 电路的搭建是正确的,各模块工作正常,能够完成预期的功能。通过 仿真器进行的 DSP 硬件仿真也可以顺利进行, 说明 DSP 与外围其他 芯片的连接正确。在软件仿真中,利用 MATLAB 建立 DSP 模型,通 过使用 MATLAB 和 CCS 的联合仿真,进行算法和系统的仿真,简化 软件的开发设计,也实现了 FIR 滤波器的设计,并且能够快速高效 实时的完成对应的算法。 本设计可用于数字音频信号处理、语音信号分析、音频解码等场 合, 对数字音频信号进行实时处理与分析。 通过改进和加入新的算法, 在不改动硬件的前提下, 可以实现音频解码、 信号的频谱分析等功能。 只需编写或改变相应的软件代码, 就可以方便的改变和增加系统的功 能,在调试过程中也十分方便,利用 CC S 和 MATLAB 的一些特有的 系统工具,可以直观的进行仿真调试,调试完成后,把*.out 文件下 载到芯片中运行即可。 6、结论 通过 DSP 技术来实现音频处理有着其特有的优势, 因而成为业界 研究的一个热点问题,这其中包括了很多方面,本文着重对电路优化 设计和数字音频信号的处理问题做出了较为详细的阐述。在本设计 中,首先,确定了系统方案;其次,进行硬件电路的设计;再次,进 行软件设计;最后,进行系统的调试工作。确定系统方案,主要是针 对音频信号的特点,结合目前主要的音频处理方式,选取合适的技术 路线,确定采用哪种技术来完成设计要求,对比之后,本文选 择 DSP

技术,并且制定出对应的技术路线和系统研究方案。方案确定后,就 是硬件电路的设计。围绕 DSP 这个核心,对整个电路进行设计与优 化, 在参考了一些之前的资料的基础上, 对硬件电路进行改进与优化, 主要体现在芯片的选择较以往而言更加先进、设计功能特点更加突 出、 采用模块化的设计思路等几个方面。 硬件平台的设计, 是围绕 DSP 最小系统展开的,包括基本的复位、时钟电路等。然后,针对实际需 要设计 DSP 与音频 Codec 的接口电路和存储器扩展电路等。 外围电 路的设计上,因为采用了 AIC23 音频编解码芯片,所以没有进行差 分电路的设计。此外,设计中也考虑到了 EMC 和 EMI 的问题,不仅 是在 PCB 设计中的元件摆放和布线上注意到基本 EMC 以及 EMI 规 则,而且在设计电路时,也考虑到了使用滤波电路和去耦合等方法来 消除干扰,保证系统正常工作。 软件设计上还有巨大空间, 本文所选用的 TMS320VC5509A 芯片功 能非常强大,在音频编解码和音效处理上都可以很好的满足要求。用 本设计可以实现对 MP3、WMA、AC3、AAC 等音频格式的解码,使用 MATLAB 和 CCS 联合仿真, 可以实现音量自动调整、 回声反馈、 均衡、 淡入淡出、环绕立体声等音效。总之,基于 DSP 技术音频处理还有 很多工作要做, 下一步可以在提高电路稳定性和完善系统功能上多做 工作,使之能够使用更加方便、灵活和可靠地使用。随着 DSP 技术 的发展,价格将会越来越低廉,使用 DSP 技术进行音频处理必将得 到更加广泛的应用,因此,它具有广阔的发展前景。


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