基于ADSP21160的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[圖]

相關(guān)專題: 芯片

摘要:本文使用ADSP21160芯片作為測(cè)量運(yùn)動(dòng)到達(dá)方向平臺(tái)的主處理器,構(gòu)建數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),用于信號(hào)的二維DOA估計(jì)的矩陣運(yùn)算。

引言

利用陣列信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的二維到達(dá)方向(DOA)估計(jì)是近些年來(lái)研究的熱點(diǎn),F(xiàn)在,DOA估計(jì)雖然已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的精度,但由于要進(jìn)行大量的矩陣運(yùn)算,必然要耗費(fèi)一定的時(shí)間。在某些情況下,為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,對(duì)系統(tǒng)的硬件的運(yùn)算速度提出了一定的要求。此時(shí),應(yīng)用高端的DSP通用芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。本文使用ADI公司的ADSP21160為主處理器搭建了信號(hào)處理硬件平臺(tái),給出了對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)思及具體電路設(shè)計(jì),具有一定的實(shí)用價(jià)值。

ADSP21160采用超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu),片內(nèi)有4套獨(dú)立的總線,分別用于雙數(shù)據(jù)存取、指令存取和輸入/輸出接口,片內(nèi)集成了處理器核(包括運(yùn)算單元、控制單元、地址產(chǎn)生器和總線、中斷、寄存器等)、大容量雙端口靜態(tài)存儲(chǔ)器、程序/數(shù)據(jù)外部總線及多處理器接口、輸入/輸出控制器等數(shù)字信息處理系統(tǒng)的主要功能塊。

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

下面從數(shù)據(jù)的輸入輸出,系統(tǒng)的上電運(yùn)行,系統(tǒng)的電源配置及電路控制等方面簡(jiǎn)單介紹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

1.首先考慮數(shù)據(jù)傳輸。外部設(shè)備(接收機(jī))通過(guò)50針接口將數(shù)據(jù)經(jīng)ADSP21160處理后轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)輸出,傳遞給外設(shè)(控制器)及計(jì)算機(jī)。為了電路系統(tǒng)的保密性以及便于系統(tǒng)中一些邏輯控制電路的實(shí)現(xiàn),在ADSP21160和50針接口之間增加了一個(gè)CPLD控制電路。

2.為了上電后系統(tǒng)可以自行運(yùn)行,需要給DSP配置一個(gè)外接FLASH,并將計(jì)算程序預(yù)先燒寫(xiě)FLASH中。通過(guò)配置ADSP21160的引導(dǎo)方式,系統(tǒng)上電后,ADSP21160可自動(dòng)從FLASH中讀取程序并運(yùn)行。

3.由于ADSP21160只有4Mbit的內(nèi)部存儲(chǔ)空間,且等分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和程序存儲(chǔ)空間兩部分。為了系統(tǒng)及程序今后升級(jí)的方便,使用SRAM配置了512K×32位的外部存儲(chǔ)空間。

4.由于ADSP21160的串行口不是通用的UART串口,而系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)均要求串行數(shù)據(jù)輸出,故系統(tǒng)中需要一個(gè)并串轉(zhuǎn)換芯片來(lái)輸出運(yùn)算結(jié)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(nèi)核電源,故系統(tǒng)內(nèi)部器件也相應(yīng)的盡量選擇+3.3V器件,故系統(tǒng)需要一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換芯片將+5V電源轉(zhuǎn)換成+2.5V及+3.3V的電源輸出。

系統(tǒng)的各功能模塊設(shè)計(jì)

電源模塊設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,由于ADSP21160的外部接口電源是+3.3V,故為了簡(jiǎn)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(shù)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(nèi)核電源及+2.5V的模擬電源(供ADSP21160的內(nèi)部鎖相環(huán)使用)。而外部給系統(tǒng)提供的是+5V的電源。綜合以上要求考慮,系統(tǒng)需要一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換模塊,輸出+3.3V及+2.5V電壓,并將+2.5V電源分成數(shù)字及模擬兩路。

ADSP21160要求內(nèi)核電源供電早于外部口供電,否則可能導(dǎo)致DSP啟動(dòng)異;虺绦驘o(wú)法加載。故在電源設(shè)計(jì)中考慮到這個(gè)問(wèn)題,決定使用DC/DC的+2.5V輸出端經(jīng)過(guò)延時(shí)電路接到+3.3V輸出使能端,很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。

綜合系統(tǒng)對(duì)電壓和電流的具體要求,本硬件系統(tǒng)選擇了TI公司的TPS767D301作為DC/DC轉(zhuǎn)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(diào)電壓,電流最大輸出為1A。

DSP主模塊設(shè)計(jì)

時(shí)鐘驅(qū)動(dòng):ADSP21160需要外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng),故外接時(shí)鐘是必不可少的。其內(nèi)部特有的鎖相環(huán)設(shè)置可以將內(nèi)部的運(yùn)算頻率倍頻至外部時(shí)鐘頻率的2、3或4倍,最高的核時(shí)鐘頻率為80MHz。這樣,就可以在外部頻率(數(shù)據(jù)傳輸頻率)較低的情況下,實(shí)現(xiàn)內(nèi)核處理器的高速運(yùn)行。

在本系統(tǒng)中,為了提高系統(tǒng)的高頻炕干擾能力及降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度,在對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行速度影響不大的情況下(由于系統(tǒng)的主要耗時(shí)集中在矩陣的處理運(yùn)算上,數(shù)據(jù)傳輸相對(duì)而言只占其全部運(yùn)行時(shí)間的幾十分之一),外部選擇了20MHz的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘,再設(shè)置內(nèi)部鎖相環(huán)為外部時(shí)鐘的4倍,實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部的高速運(yùn)算。

程序加載:ADSP21160需要外接一個(gè)14針的JTAG接口,通過(guò)使用ADI公司提供的ICE仿真器,從計(jì)算機(jī)下載編制好的用戶程序,裝入ADSP21160的內(nèi)部存儲(chǔ)器或外接FLASH中。

外部器件選通:ADSP21160配置了/MS3~/MS0四個(gè)外部引腳,用于外部器件的選通。在同一時(shí)間,只其中允許一個(gè)有效(低電平)。這些引腳分別連接于FLASH、SRAM、并串轉(zhuǎn)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(jī)的數(shù)據(jù)通信。CPLD由于關(guān)系到數(shù)個(gè)器件的邏輯功能,故長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)(使能端直接接地)。

FLASH加載及外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)

FLASH加載模塊:為了系統(tǒng)能夠在上電后自動(dòng)運(yùn)行,為ADSP21160配置了外接FLASH。按照ADSP21160的用戶手冊(cè),8位FLASH的數(shù)據(jù)線接DSP數(shù)據(jù)線的32_39位,地址線必須從ADDR0開(kāi)始與ADSP21160相應(yīng)地地址位直接連接。ADSP21160采用EPROM啟動(dòng)模式,用/BMS和/MS0相與后連接于FLASH的使能端。

圖1 系統(tǒng)的整體框圖

外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊:ADSP21160是高性能的32位浮點(diǎn)處理器,對(duì)外最多可使用64位的數(shù)據(jù)總線?紤]到系統(tǒng)的精度要求及內(nèi)部數(shù)據(jù)的處理模式,本系統(tǒng)對(duì)外只使用了32位的數(shù)據(jù)總線。這樣,在外擴(kuò)存儲(chǔ)器的選擇上,考慮到價(jià)格等因素,選用了兩塊256K×16位的SRAM并聯(lián)構(gòu)成32位的外擴(kuò)存儲(chǔ)器,如圖2所示。

圖2 ADSP21160與SRAM的連接

在地址線的連接上,和一般的接法梢有不同。由于ADSP21160規(guī)定,對(duì)外部空間的尋址,其奇地址通過(guò)低32位數(shù)據(jù)線傳遞;偶地址通過(guò)高32位數(shù)據(jù)線傳遞。考慮到在FLASH的連接上使用了DSP數(shù)據(jù)線的32_39位,為了簡(jiǎn)化今后PCB板的布線及充分利用SRAM的存儲(chǔ)空間,在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

目標(biāo)板通過(guò)一個(gè)50針接口與接收機(jī)相連,通過(guò)RD_REQ、RD_PMT、RD_EN、RD_CLK四根控制信號(hào)線進(jìn)行,從接收機(jī)內(nèi)部開(kāi)辟的存儲(chǔ)空間讀取數(shù)據(jù)。

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,其中間運(yùn)算數(shù)據(jù)均采用32位浮點(diǎn)數(shù),輸出結(jié)果截取8位有效數(shù)字,通過(guò)并串轉(zhuǎn)換器(ST16C550)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù),再分成兩路,一路經(jīng)過(guò)MAX488轉(zhuǎn)換成差分?jǐn)?shù)據(jù)輸送的外部控制器,另一路經(jīng)過(guò)MAX232轉(zhuǎn)換電平,連接到計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求的功能,如圖3所示。

圖3 ADSP21160的數(shù)據(jù)輸出

結(jié)語(yǔ)

ADSP21160功能強(qiáng)大,但在電源配置上稍顯復(fù)雜。本系統(tǒng)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(wèn)題。另外,在達(dá)到系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上,為降低設(shè)計(jì)難度,對(duì)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線都進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)。時(shí)鐘采用片外中低頻(20MHz),片內(nèi)倍頻到最大頻率(80MHz)的設(shè)計(jì),降低了PCB板對(duì)中高頻布線要求;數(shù)據(jù)線通過(guò)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。

參考文獻(xiàn):

[1] ADSP-21160 SHARC DSP Hardware Reference,Analog Device Inc.

[2] ADSP-21160 SHARC DSP Instruction Set Reference,Analog Device Inc.

[3] ADSP-21160M Data Sheet,Analog Device Inc.

[4] 蘇濤,吳順君,李真芳,宋萬(wàn)杰,高性能DSP與高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理,西安電子科技大學(xué)出版社

[5] 蘇濤,蔡建隆,何學(xué)輝,DSP接口電路設(shè)計(jì)與編程,西安電子科技大學(xué)出版社

[6] 劉書(shū)明,羅軍輝,ADSP SHARC系列DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì),電子工業(yè)出版社

作者:沈逢春 鐘洪聲 電子科技大學(xué)電子工程系 來(lái)源:《電子產(chǎn)品世界》2005年09期

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