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2021-12-13 14:07:10
一種數字信號處理系統設計方案
2021-12-13 14:07:10 來源: 網絡
利用陣列信號進行信號的二維到達方向(DOA)估計是近些年來研究的熱點。本文使用ADI 公司的ADSP21160為主處理器搭建了信號處理硬件平臺，給出了對系統的構思及具體電路設計，具有一定的實用價值。
ADSP21160采用超級哈佛結構，片內有 4 套獨立的總線，分別用于雙數據存取、指令存取和輸入 /輸出接口，片內集成了處理器核(包括運算單元、控制單元、地址產生器和總線、中斷、寄存器等)、大容量雙端口靜態存儲器、程序 /數據外部總線及多處理器接口、輸入 /輸出控制器等數字信息處理系統的主要功能塊。
硬件系統的設計思路
下面從數據的輸入輸出，系統的上電運行，系統的電源配置及電路控制等方面簡單介紹系統的設計思路。
1. 首先考慮數據傳輸。外部設備(接收機)通過50針接口將數據經 ADSP21160處理后轉換成串行數據輸出，傳遞給外設(控制器)及計算機。為了電路系統的保密性以及便于系統中一些邏輯控制電路的實現，在ADSP21160和50針接口之間增加了一個CPLD控制電路。
2. 為了上電后系統可以自行運行，需要給DSP配置一個外接FLASH,并將計算程序預先燒寫FLASH中。通過配置ADSP21160的引導方式，系統上電后，ADSP21160可自動從FLASH中讀取程序并運行。
3. 由于ADSP21160只有4Mbit的內部存儲空間，且等分為數據存儲空間和程序存儲空間兩部分.。為了系統及程序今后升級的方便，使用SRAM配置了512K×32位的外部存儲空間。
4. 由于ADSP21160的串行口不是通用的UART串口，而系統和計算機均要求串行數據輸出，故系統中需要一個并串轉換芯片來輸出運算結果。
5. 由于外部只提供+5V直流電源，而ADSP21160要求+3.3V的接口電源及2.5V的內核電源，故系統內部器件也相應的盡量選擇+3.3V器件，故系統需要一個DC/DC轉換芯片將+5V電源轉換成+2.5V及+3.3V的電源輸出。
系統的各功能模塊設計
1.電源模塊設計
在系統的設計中，由于ADSP21160的外部接口電源是+3.3V，故為了簡化電路及提高電路板的性能，在其他器件的選擇上，也盡量選擇了+3.3V器件。少數難以找到+3.3V電源的器件，在不影響接口及功能的情況下，選擇了+5V器件。另外ADSP21160還要求+2.5V的內核電源及+2.5V的模擬電源(供ADSP21160的內部鎖相環使用)。而外部給系統提供的是+5V的電源。綜合以上要求考慮，系統需要一個DC/DC轉換模塊，輸出+3.3V及+2.5V電壓，并將+2.5V電源分成數字及模擬兩路。
ADSP21160要求內核電源供電早于外部口供電，否則可能導致DSP啟動異常或程序無法加載。故在電源設計中考慮到這個問題，決定使用DC/DC的+2.5V輸出端經過延時電路接到+3.3V輸出使能端，很好的解決了這個問題。
綜合系統對電壓和電流的具體要求，本硬件系統選擇了TI 公司的TPS767D301作為DC/DC轉換芯片。其輸入為+5V電壓，輸出一路+3.3V電壓及一路+1.8V或+2.5V可調電壓，電流最大輸出為1A。
2.DSP主模塊設計
時鐘驅動：ADSP21160需要外部時鐘驅動，故外接時鐘是必不可少的。其內部特有的鎖相環設置可以將內部的運算頻率倍頻至外部時鐘頻率的2、3或4倍，最高的核時鐘頻率為80MHz。這樣，就可以在外部頻率(數據傳輸頻率)較低的情況下，實現內核處理器的高速運行。
在本系統中，為了提高系統的高頻炕干擾能力及降低系統的設計難度，在對系統運行速度影響不大的情況下(由于系統的主要耗時集中在矩陣的處理運算上，數據傳輸相對而言只占其全部運行時間的幾十分之一)，外部選擇了20MHz的驅動時鐘，再設置內部鎖相環為外部時鐘的4倍，實現其內部的高速運算。
程序加載：ADSP21160需要外接一個14針的JTAG接口，通過使用ADI公司提供的ICE仿真器，從計算機下載編制好的用戶程序，裝入ADSP21160的內部存儲器或外接FLASH中。
外部器件選通：ADSP21160配置了/MS3~/MS0四個外部引腳，用于外部器件的選通。在同一時間，只其中允許一個有效(低電平)。這些引腳分別連接于FLASH、SRAM、并串轉換芯片(ST16C550)的使能端，用于選通這些部件以及用于與外部接收機的數據通信。CPLD由于關系到數個器件的邏輯功能，故長期處于工作狀態(使能端直接接地)。
3.FLASH加載及外擴存儲器模塊設計
FLASH加載模塊：為了系統能夠在上電后自動運行，為ADSP21160配置了外接FLASH。按照ADSP21160的用戶手冊，8位FLASH的數據線接DSP數據線的32_39位，地址線必須從ADDR0開始與ADSP21160相應地地址位直接連接。ADSP21160采用EPROM啟動模式，用/BMS和/MS0相與后連接于FLASH的使能端。
外擴存儲器模塊：ADSP21160是高性能的32位浮點處理器，對外最多可使用64位的數據總線。考慮到系統的精度要求及內部數據的處理模式，本系統對外只使用了32位的數據總線。這樣，在外擴存儲器的選擇上，考慮到價格等因素，選用了兩塊256K×16位的SRAM并聯構成32位的外擴存儲器，如圖2所示。
在地址線的連接上，和一般的接法梢有不同。由于ADSP21160規定，對外部空間的尋址，其奇地址通過低32位數據線傳遞;偶地址通過高32位數據線傳遞。考慮到在FLASH的連接上使用了DSP數據線的32_39位，為了簡化今后PCB板的布線及充分利用SRAM的存儲空間，在設計中，將ADSP21160的ADDR0的引腳懸空，將其ADDR1引腳與SRAM的addr0管腳相連，ADDR2與addr1相連，以下順次連接。
外部通信接口模塊設計
目標板通過一個50針接口與接收機相連，通過RD_REQ、RD_PMT、RD_EN、RD_CLK四根控制信號線進行，從接收機內部開辟的存儲空間讀取數據。
在本系統的設計中，其中間運算數據均采用32位浮點數，輸出結果截取8位有效數字，通過并串轉換器(ST16C550)轉換成串行數據，再分成兩路，一路經過MAX488轉換成差分數據輸送的外部控制器，另一路經過MAX232轉換電平，連接到計算機，實現了系統要求的功能，如圖3所示。
結語
ADSP21160 功能強大，但在電源配置上稍顯復雜。本系統利用2.5V電源輸出作為3.3V的輸出使能，成功的解決了這一問題。另外，在達到系統要求的基礎上，為降低設計難度，對時鐘和數據線都進行了特殊的設計。時鐘采用片外中低頻(20MHz)，片內倍頻到最大頻率(80MHz)的設計，降低了PCB板對中高頻布線要求;數據線通過懸空0位地址，將片外線寬從64位降低至32位，大大降低了ADSP21160周邊的線密度，從而大大降低了PCB板的布線難度。
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