基于DSP的可扩展实验平台的设计与实现

[摘要]基于DSP的可扩展实验平台的主控核心是TMS320C5402，该芯片为TMS320C列系的DSP，平台中各功能模块相互独立，用户在使用时可对各模块灵活组合以实现不同的功能，可方便的实现平台功能的扩展，对平台的二次开发提供保障。本实验平台不仅可以完成DSP基础实验、算法实验等，还可完成数据采集、图像处理、电机控制等光电机声等领域的扩展实验。该实验平台适用于电子信息、通信、信号处理、计算机、测控等相关专业的实验教学，为教师做相关专业的科研课题提供帮助，同时也为大学生的电子设计竞赛提供平台。

[关键词]DSP 扩展 二次开发

[中图分类号]TP23 [文献标识码]A

引言

DSP即数字信号处理器，它是一门新兴学科，集多门学科于一身，现已被通信、军事、消费类电子产品、医疗器械等行业广泛应用。[1]DSP是嵌入式系统的一个重要组成部分，在后续的发展中将承担着越来越重要的作用，但在我校的实验教学环节中，实验设备存在一定的局限性，可扩展性差，这将影响学生创新及综合能力的培养，为解决这一问题，本课题开发了基于DSP的可扩展实验平台。

一、平台总体框图

平台总体框图如图1所示。本实验平台由DSP CPU模块、CPLD逻辑模块、LCD显示模块、数字量输入输出模块、键盘输入模块、模拟信号源模块、语音模块、A/D转换模块、D/A转换模块、USB模块、单脉冲模块、电源模块以及E_LAB扩展总线组成。[2]

二、平台硬件设计

（一）A/D转换模块

此模块采用的A/D转换器件为8位的TLC5510，其采样频率为20MHZ。从TLC5510芯片的ANALOG IN引脚输入模拟信号，时钟信号由CPLD提供，频率为12MHZ。A/D转换的速度即采样频率，由DSP内部定时器的控制方式来决定。

（二）D/A转换模块

模块选用7524，此芯片是一个8位D/A转换器，该芯片通过DB7～DB0 8个引脚输入数字信号，经数模转换后的信号从OUT1引脚输出，输出为电流信号，输出电流经运算放大器电路转换为电压量输出。

（三）语音模块

可以完成对声音信号的处理，如滤波、除噪等。为了便于扩展不同接口的Codec语音板，设计中语音编解码器Codec通过语音接口与CPU主板相连。本平台选用的Codec语音扩展板芯片型号为TLV320AIC23，简写为AIC23，该芯片是一种性能优越的立体声音频Codec芯片，是由美国德州仪器公司推出的。[3]

语音模块由两部分构成，分别为输入部分的语音处理模块和输出部分的功率放大模块。麦克风输入的信号经AIC23芯片进行A/D转换，A/D转换后的数字量由DSP芯片进行采集、处理，最后将处理后的数据送AIC23芯片进行D/A转换。D/A转换后的信号经过功率放大器进行放大处理，最终送至板载扬声器或耳机接口发出声音。

（四）模拟信号源模块

实验平台中所设计的信号源为双路模拟信号源，两路信号源可单独使用，都可以输出正弦波、三角波和方波三种常用信号波形。所有信号的幅值、频率均可以调节，输出幅值调节范围为-5V～+5V，频率可调范围是100Hz～120KHz。信号源输出波形类型通过波形选择电位器进行选择、频段范围通过波段选择开关来选。两路信号源的幅值、频率分别由各自对应的电位器旋钮来进行调节。可以通过加法器对两路信号源的输出信号进行混叠。

（五）LCD显示模块

LCD显示模块用于显示处理中的提示信息或相关信息等，平台选用的LCD显示器型号为122x32，该显示器可显示汉字。该液晶屏由左右两个半屏构成，每一个半屏由4页组成。对LCD进行写操作时，在16位写数据或写命令的程序语句的高8位写入“01”就可以对左半屏进行写操作了；而对右半屏进行写操作时，需将对应的高8位写入“02”就可以了。并且在对LCD进行写数据时不受其CS控制端的影响，DSP会自动将写入数据存入液晶显示器的RAM中，使对LCD的操作简单化。

（六）USB模块

为了使平台可扩展更多的功能，采用Freescale公司的MC68HC908JB8微控制器，该控制器除传统的定时器、键盘中断以及串行口等I/O设备外，其最主要的特点就是集成了通讯速率为1.5Mbps的低速USB模块，并且完全兼容USB1.1的低速功能，支持1.5Mbps的数据传送速率，而且片上带有一个电压调整模块，可以自动把电压调整到3.3V编程参考电压[4]。

USB模块具有D+和D-两个I/O引脚，可以与计算机相连。在D-的引脚上需要接一个1.5K的上拉电阻。图2为MC68HC908JB8的USB接口电路图，在其电路图中，将1.5K电阻的一端与3.3V电压相连，电阻的另一端与USB的D-端口连接，使计算机在差分电压差情况下能正确识别USB设备，并且在D-，D+上加上了68Ω的限流电阻来保护USB设备。

（七）CPLD逻辑模块

该模块选用型号为XC95144LX的CPLD作为主控芯片，实现资源分配和译码工作。开发环境为webpack5.1。该模块通过四位的拨码开关来分配中断，每位开关均处于ON位置时使用CPLD分配的中断，开关处于OFF位置时CPLD分配中断失效。当四位拨码开关均拨向ON状态时，USB中断分配到CPU板的int3；A/D转换中断分配到CPU板的int2；键盘中断分配到CPU板的int1。

三、平台可完成的实验项目

本DSP可扩展实验平台可提供多种DSP实验，通过实验，使用者可以熟悉并掌握54XP系列DSP的基本工作原理。平台可完成的常规实验项目有：LED灯闪烁实验、I/O口实验、拨码开关实验、数据存储器读写实验、内部定时器实验、外部中断实验、4*4键盘及七段数码管显示实验、LCD显示实验、语音处理实验以及A/D-D/A转换实验等；可完成的图像处理算法实验有数字图形处理实验以及二维图形生成实验等；可完成的算法实验项目有：离散余弦变换算法实验、卷积算法实验、快速傅里叶变换算法实验、有限/无限冲击响应滤波器算法实验等。

四、结论

本实验平台的设计包括硬件电路的搭建以及软件程序的编写，构造出了经过理论和实践证明、具有稳定性的最小DSP硬件系统，并提供了DSP的各种接口，搭建出了可二次开发的可扩展系统。设计中对各功能模块电路分别进行了PCB电路板的制作、焊接并进行了调试，确保各模块均能正常工作，在所有模块均调试通过的基础上，最后进行了整机的联合调试，测试证明整个实验平台可实现预期的设计功能，且工作稳定。

基金项目：北京北方投资集团教育科学研究课题“基于DSP的可扩展实验平台的设计”（课题编号20120301001）

[参考文献]

[1]乔瑞萍，崔涛，胡宇平.TMS320C54X DSP原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012.02.

[2]菅睿.DSP实验平台的开发与设计[D].内蒙古大学信号与信息处理专业，2006.

[3]戴玮.数字语音处理在DSP实验平台上的实现[D].东南大学电力电子与电力传动专业，2004.

[4]张金，谢瑞和.MC68HC908JB68在USB系统中的设计应用[J].电子质量，2004，6：1-3.

（作者单位：燕京理工学院 河北三河）