基于DSP 的數字信號處理“口袋實驗室”設計

王 嶸，楊韞寧，張元樹，韓志彥，萬永菁

（華東理工大學 信息科學與工程學院 信息技術實驗教學中心，上海 200237）

數字信號處理作為一門專業基礎課，除了介紹數字信號處理的理論知識外，更需要通過配套的實驗將理論知識和實踐環節相結合，增強對學生的動手能力和實踐創新能力的培養[1-2]。

為此，自主開發了基于DSP 的數字信號處理“口袋實驗室”。該“口袋實驗室”已經實際應用于數字信號處理的教學實踐中，得到了學生的好評，此外還為本科生創新教育、大學生創新創業計劃和各類學科競賽提供了服務。

1 總體設計

“口袋實驗室”的電路包括電源、DSP 芯片、配置電路、撥碼開關、網絡接口、外部存儲、按鍵、LED燈和雙排針擴展接口，其系統總體框圖見圖1[3-6]。圖2 為系統實驗圖。

圖1 系統總體框圖

TMS320F28335 是美國TI 公司的TMS320C28X系列DSP 控制器的一種。與前代DSP 相比，該器件具備精度高、成本低、功耗小、性能高、外設集成度高、數據以及程序存儲量大、A/D 轉換更精確快速等特點[7]。TMS320F28335 具有150 MHz 的高速處理能力，具備32 位浮點處理單元，6 個DMA 通道支持ADC、McBSP 和 EMIF，有多達18 路的PWM 輸出（其中有6 路為TI 特有的更高精度的PWM 輸出（HRPWM））以及12 位16 通道ADC。得益于其浮點運算單元，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數操作上耗費過多的時間和精力，與前代DSP 相比，平均性能提高50%，并與定點C28x 控制器軟件兼容，從而可以簡化軟件開發，縮短開發周期，降低開發成本[7]。

圖2 系統實物圖

2 電路設計

2.1 電源電路

電源系統為整個系統提供能量。在設計時，由于TMS320F28335 芯片的電源要求相對復雜，因此專門設計了如圖3 所示的電源轉換。電源供電電路由12 V轉5V，5 V 轉D3.3 V，5 V 轉D1.9 V，5 V 轉3.3 V等電源和電源定序器組成。其中使用SX2106 芯片來完成12 V 轉5 V 電源，該芯片具備4.5 V 至21 V 寬電壓輸入，其輸出電流最大可至2 A。5 V 轉D3.3 V和5 V 轉D1.9 V 均采用LM2734YMK 芯片完成，該芯片帶EN 使能端，具有最大1 A 電流輸出能力，紋波小，可滿足TMS320F28335 輸入及部分外設3.3 V 供電電壓要求。此外為了滿足W5100S 網口芯片供電需求，單獨使用一片LM2734YMK 芯片提供其所需的3.3 V 電源[7]。

TMS320F28335 芯片對于內核電壓和3.3 V I/O 電壓上電的順序有特殊要求。原因在于如果3.3 V I/O 引腳電壓的上電早于內核電壓上電，將會導致I/O 引腳的輸出緩沖器異常打開，這樣會導致I/O 引腳在芯片上電期間出現毛刺脈沖，對周邊電路引入異常狀態。為了消除此種狀態，采用LM3881 芯片設計了電源定序模塊。通過使用該芯片，能夠控制TMS320F28335 的內核電壓早于3.3 V I/O 電壓上電。具體實現是在LM3881 的TADJ 引腳接10 nF 電容，Tclk 為1.2 ms，FLAG1、FLAG2、FLAG3 將依次延時8Tclk 周期后拉高，即依次使能各LM2734YMK 芯片使能端。具體電路參見圖4[7-8]。

圖3 系統電源轉換

圖4 電源定序電路

2.2 配置電路設計

JTAG 的主要引腳TMS、TCK、TDI、TDO 經4.7 kΩ電阻上拉，以保護電路；JTAG 引腳在PCB 上通過14針2.0 mm 間距的簡易牛角座引出，簡易牛角座有防反插的設計，以保證JTAG 連接正確。電路見圖5。

2.3 復位電路設計

由于TMS320F28335 在上電后，其復位端需要10 ms 低電平用以對芯片進行復位操作，以避免芯片因時鐘輸入未穩定而進入異常模式。由此選用MAX823S 芯片來實現復位電路。MAX823S 芯片閾值電壓為2.93 V，即在電源上電達到2.93 V 以后，會在R S T 引腳產生 2 0 0 m s 的低電平脈沖，滿足TMS320F28335 芯片對復位脈沖的要求。復位電路見圖6，圖中撥碼開關S1 用于確認是否要手動復位（MR）以及開啟監視定時器（WDI）功能。

圖5 JTAG 配置電路

2.4 串口通信設計

選用CH340G 作為DSP 芯片和計算機之間通信的轉換芯片。CH340 是常用的USB 轉串口的芯片，兼容5 V 系統和3.3 V 系統。由于TMS320F28335 芯片屬于3.3 V 系統，因此CH340G 的供電電壓設置為3.3 V，如果供電電壓調整為5 V，則串口通信將發生故障，數據不能通過串口發送至計算機。串口通信電路見圖7。

圖6 復位電路

圖7 串口通信電路

2.5 模式選擇設計

模式選擇電路由 4 位撥碼開關組成。TMS320F28335 上電完成后會跳轉至BOOT ROM 中引導程序讀取特定管腳電平以確定程序引導方式。具體模式選擇方式見表1[9]。

2.6 擴展接口設計

為保證“口袋實驗室”的擴展能力，在設計時將TMS320F28335 的24 個通用I/O 口通過雙排排針在PCB上引出，可供使用者外接電路。為了防止TMS320F28335的I/O 接口接入過高的電壓或者通過過大的電流而被損壞，設計中使用雙向電平轉換芯片 TXS0108E 對TMS320F28335 的I/O 口和外部接口進行隔離，以保護TMS320F28335 芯片。

表1 TMS320F28335 模式選擇

2.7 網絡接口設計

以太網接口芯片有高速 SPI 和間接總線通信兩種接口模式，可以通過撥碼開關選擇對應模式。在使用SPI 模式時WR 引腳要接地，在使用總線模式時SCLK 要接地。芯片晶振采用25 MHz 無源晶振。電路設計如圖8 所示[9-10]。

圖8 網絡接口電路

3 教學實例

3.1 按鍵中斷實驗

（1）實驗要求：學習DSP 中斷處理原理并實現中斷處理程序編寫[11-12]。

（2）實驗過程：配置DSP 連接LED 燈的相應管腳為輸出模式，配置連接按鍵的相應管腳為輸入模式，并連接到DSP 外部中斷，在中斷處理函數中處理按鍵中斷，實現按下相應按鍵反轉LED 燈亮滅的實驗。實驗結果見圖9。

圖9 實驗結果

3.2 外部RAM 讀寫控制實驗

（1）實驗要求：學習外部RAM 讀寫操作原理并編寫程序完成對外部RAM 的讀寫操作[13-14]。

（2）實驗過程：通過向外部RAM 中寫入數據后讀出，比較內容測試外部RAM 是否工作正常。可以在Debug 中Memory 窗口下觀察讀寫情況。實驗結果見圖10。

3.3 網絡接口通信實驗

（1）實驗要求：學習網絡通信基本原理，并編程實現網絡通信[15-16]。

（2）實驗過程：編寫好DSP 網絡通信程序后，將平臺網口用網線連接至計算機，配置計算機IP 地址和芯片IP 地址位于同一子網下，打開網絡調試助手，選擇UDP 通信，填好收發雙方的IP 地址后即可通信。實驗結果見圖11。

圖10 實驗結果

圖11 實驗結果

4 結語

結合創新實驗人才培養的需求，按照專業性及綜合性強、使用簡單靈活、維護便捷、成本低廉的設計原則，完成了基于DSP 的數字信號處理“口袋實驗室”的設計。該平臺編程簡單調試方便、可移植性較好，具有較強的創新性和實用性。

目前，該“口袋實驗室”已應用于我校數字信號處理實驗課程、學科競賽及大學生創新創業培育項目中，并取得良好的效果。以我校自動化和信息工程專業為例，學生通過上述學習，增強學習數字信號處理的興趣，提高了數字電路設計水平。在2017 年第二屆全國大學生智能互聯創新大賽中，我校學生的“基于云和路徑規劃的智能餐廳服務”項目獲得華東賽區一等獎。在2018 年第三屆全國大學生智能互聯創新大賽中，我校學生的“小型智能化管道檢測維護系統”獲得華東賽區一等獎。上述獎項的獲得，又進一步促進了學生對電路設計的興趣以及實踐能力和創新能力的提升。