韓 賽，杜普選

（北京交通大學電子信息工程學院，北京100044）

數字信號處理（DSP）技術廣泛應用于通信、語音、圖像、生物醫(yī)學、工業(yè)控制、儀器儀表等各個領域。面對社會和市場的廣泛需求，高校必須開設以新型DSP芯片為核心的教學及實驗課程，使學生能夠掌握最新科學技術。

SHARC系列DSP產品具有運行速度快、片內資源豐富、接口齊全的特點，特別適用于高校實驗教學系統(tǒng)的開發(fā)，但在國內尚無高校開設基于該系列DSP產品的實驗教學課程。

因此，本文對SHARC系列DSP進行深入研究，并設計出一套基于ADSP-21369的浮點DSP實驗教學系統(tǒng)。

1 方案設計

該系統(tǒng)以SHARC系列中ADSP-21369為核心處理器，輔以其它模擬器件，主要實現以下功能：

（1）可實現教學中所有實驗，如FIR/IIR數字濾波器的設計，FFT/IFFT/ZFFT的實現。

（2）考慮外部接口的通用性，可完成對SDRAM，FLASH，ADC和DDS的控制。

（3）利用ADSP-21369的固有特性，通過數字應用接口DAI(Digital Applications Interface)完成對音頻、S/PDIF、 LED燈等的控制。

（4）通過ADSP-21369自帶的數字外設接口DPI（Digital Peripheral Interface）完成對LCD，UART，鍵盤的控制,如實現LCD液晶屏的人機交互等。

整體系統(tǒng)設計框圖如圖1。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 DSP處理器的選擇

圖1 系統(tǒng)設計框圖

本系統(tǒng)選擇SHARC ADSP-21369做為DSP處理器，其主要優(yōu)勢在于：（1）內核：時鐘頻率高達400 MHz，指令周期2.5ns，運算能力2 400 MFLOPS，采用單指令多數據運算方式，支持32 bit定點和32-/40 bit浮點運算。（2）片上存儲器容量大，SRAM為2 Mbit，ROM為6 Mbit。（3）片上接口豐富： 數字外設接口包括2個SPI，2個UART，3個定時器，1個兩線I2C；數字應用接口包括8個串行端口SPORT， S/PDIF Tx/Rx， 8通道異步采樣率轉換器 ASRC，4個精密時鐘發(fā)生器；16個PWM；1個TWI；32 bit SDRAM接口。

2.2 外部存儲器接口模塊設計

該模塊由同步存儲器接口和異步存儲器接口構成，根據ADSP-21369硬件設計手冊，除SDRAM應用同步存儲器接口設計外，其它均采用異步存儲器接口設計?？紤]到實驗教學需要，外部存儲器接口設有SDRAM、FLASH、ADC和DDS4種。

2.2.1 同步存儲器接口

同步存儲器的同步是指 Memory工作需要同步時鐘，內部命令發(fā)送與數據傳輸都以該同步時鐘為基準。

SDRAM采用同步存儲器接口。SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory）是同步動態(tài)隨機存儲器，動態(tài)是指存儲陣列需要不斷的刷新保證數據不丟失，隨機是指數據不是線性依次存儲，而是自由指定地址進行數據讀寫。所選型號為MT48LC4M32B2，因為它速度較快，價格便宜，存儲容量為128Mb (1M x 32-bit x 4 Banks)。它有4個Bank,塊地址線BA0，BA1；地址線12根，A0～A11，（行地址A0～A11，列地址A0～A7）；數據線32根，DQ0～DQ31。

外部存儲器SDRAM地址空間分配范圍如表1所示。

在這里選擇BANK2，相應的則選擇MS2作片選（低有效）。32 bitSDRAM的地址必須從addr1開始,因此將DSP的addr1和SDRAM的A0相連，DSP的SDA10必須和SDRAM的A10相連。

2.2.2 異步存儲器接口（Asynchronous Memory Interface, AMI）

表1 外部存儲器SDRAM地址空間

該部分由FLASH存儲接口、AD存儲接口、DDS存儲接口3部分組成，根據ADI提供的硬件設計手冊，其設計標準如下：

時鐘達到166 MHz,I/O口電壓為3.3 V。AMI在Bank1，Bank2，Bank3的外部存儲器中支持1 6 M的字，在Bank0的外部存儲器中支持12 M的字。讀寫需要花費至少3個外圍時鐘周期來完成。外部存儲器非SDRAM存儲空間分配范圍如表2所示。

表2 外部存儲器非SDRAM存儲空間

（1）FLASH存儲

FLASH型號為AM29LV0819B，8Mb（1M*8bit），地址線20根，A0~A19；地址線8根，DQ0~DQ7。芯片主要性能如下：訪問時間為80 ns；編程擦除電流為15 mA；讀操作時電流為7 mA。另外,它還可以作為DSP程序引導，根據21369芯片特性，MS1可用于FLASH boot模式中，因此選定MS1作為片選。

（2）AD采樣轉換電路

實時數字信號處理系統(tǒng)必須通過 A/D轉換將輸入的模擬信號轉換成數字信號，也可用于采集DDS信號，所選型號為MAX1322，2通道高速同步采樣并行接口14 bit模數轉換器。 ±5 V到±16.5 V的電壓容錯范圍。選定MS0作為片選。

（3）DDS信號發(fā)生電路

該部分電路以單片集成DDS芯片AD9831為核心，包括3根地址線，16根數據線。該芯片集成包括相位累加器、正弦表和10 bitD/A轉換器，可實現信號的相位和頻率調制，其時鐘頻率最高可達25MHz。配合相應算法可以發(fā)出單頻、FSK、PSK等多種規(guī)則信號和一些專用特殊信號。信號通過一個單運放低通平滑濾波器電路輸出，該電路同時對AD9831起到保護作用。產生的信號可通過系統(tǒng)的DDS輸出端子輸出，也可通過跳線連接A/D輸入，成為一個信號發(fā)生器，即實驗中無需再外接信號發(fā)生器。使用中應注意DDS輸出不可短路。

在選定號各存儲器件后，需進行外部存儲器的地址分配，本實驗系統(tǒng)采用表3地址分配方式。

表3 外部存儲器地址分配表

2.3 數字應用接口DAI

2.3.1 音頻模塊

選用多媒體數字信號編解碼器AD1835，它有4個立體聲數模轉換（DACs）做音頻輸出，一個立體聲模數轉換（ADCs）做音頻輸入?？蓪崿F所有通道中96 kHz采樣速率輸入輸出數據，其中一個DAC通道采樣速率可達192 kHz。

DSP處理器通過DAI接口和AD1835芯片相連。DAI引腳被配置成以時分復用（TDM）模式或2線接口模式（TWI），從AD1835傳輸串行數據.AD1835的主輸入時鐘（MCLK）可以由板上12.288Mhz晶振產生，或者由DSP處理器上的DAI引腳提供，并通過開關配置。

AD1835音頻通過開關能被配置成主模式或從模式。在主模式下，音頻芯片驅動串口時鐘和幀同步信號給DSP處理器。在從模式下，DSP處理器產生和驅動所有的串口時鐘和幀同步信號。

2.3.2 S/PDIF數字音頻接口

ADSP-21369帶有S/PDIF (Sony/Philips Digital Ubterface)標準的串行接口，可實現各種音頻設備間的數字音頻數據傳輸。其最大優(yōu)勢是不需進行模擬信號轉換就實現設備之間的數據傳輸。

SHARC處理器的S/PDIF發(fā)送器可以從任何串行輸入口接收數據。發(fā)送器的串行數據輸入字寬為16, 18, 20或24 bit，數據格式可以是左對齊，I2S或右對齊。S/PDIF發(fā)送器的串行數據，時鐘和幀同步輸入通過信號路由單元（SRU）指定路徑。

2.3.3 LED燈的控制

學生可以通過編寫實驗程序，控制相應的引腳實現對LED燈的狀態(tài)控制。

2.4 數字外設接口DPI

2.4.1 UART異步串行接口

ADSP-21369支持2個UART，本系統(tǒng)只用到UART0，通過芯片（型號為MAX3232）進行電平轉換后與DB9（公口）串口相連。

UART使能開關可以選擇是否連接DSP處理器DPI引腳的UART信號，當開關關閉時，其相關DPI信號可用于接口擴展，增加系統(tǒng)的靈活性。

2.4.2 LCD顯示屏

SHARC處理器帶有2個符合工業(yè)標準的同步串行接口SPI，每個SPI有其對應的寄存器配置，并支持與各種外設通信。本實驗教學系統(tǒng)中，其SPI應用于LCD顯示接口設計。

系統(tǒng)采用MzLH01-21864液晶顯示屏，為128x64點陣LCD顯示模組，自帶2種字號的一、二級漢字庫，基本繪圖 GUI 功能和2種字號的ASCII碼西文字庫。

模組上為串行 SPI接口，除電源和背光之外通訊僅需要連接從機選擇線（SS）、時鐘線（SCK）、數據線（SDA）及BUSY 線即可；接口簡單、操作方便；與各種MCU均可進行簡單方便的接口操作。LCD顯示模塊電路如圖2。

圖2 LCD顯示模塊電路

2.4.3鍵盤

本實驗系統(tǒng)采用4*4鍵盤，用于實驗數據輸入。4*4鍵盤共有16個按鍵，排列成4行4列的矩陣形式的分布，I/O口連接每行和每列，用8個I/O口通過掃描方式實現對16個按鍵的識別，這種模式可有效節(jié)省I/O口資源。

2.5 JTAG接口模塊

接口可實現對實驗教學系統(tǒng)的程序下載、硬件調試。本系統(tǒng)中采用14針JTAG接口設計方式。

3 結束語

本實驗教學系統(tǒng)采用SHARC系列的ADSP-21369浮點處理器，擁有4種外部存儲器，DPI、DAI接口豐富，如LED、LCD、音頻、鍵盤、UART、S/PDIF等，與TI系列實驗教學系統(tǒng)相比，可更好的滿足實驗教學需要，能夠充分調動學生的自主性，鍛煉實際動手能力。該系統(tǒng)可作為實時DSP技術及浮點處理器應用的教學試驗平臺，也可作為鐵路軌道信號相關課題的研究平臺。

[1] 劉書明. ADI DSP應用技術集錦[M] . 北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2] 馮小平，羅勇江，羅明. ADSP技術與應用[M] . 北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3] 杜普選，馬慶龍. 實時DSP技術及浮點處理器的應用[M] .北京：清華大學出版社及北京交通大學出版社，2007.