探究基于TMS320F2812的最小系统设计

　　我们在教学实践中成功地研制出一个电子测量与信号系统综合实验平台。该平台采用通用化、标准化与可互换的设计思想，融入了先进的电子线路仿真设计方法、FPGA、单片机技术、DSP 技术和总线技术。平台分为EDA 实验系统、单片机实验系统及DSP 实验系统等多个子系统，可广泛用于EDA 、单片机、DSP、电子测量与信号系统的课程教学、综合实验教学、毕业设计及电子大赛等。本文讨论了综合实验平台的一个子系统—DSP 实验系统的设计。采用TMS320 F2812作为主控芯片设计一个DSP 应用系统。

　　一个典型的DSP 系统包括DSP 芯片、电源电路、复位电路、时钟电路及JTAG接口电路。考虑到与PC 通信的需要，系统一般还需增添串口通信电路。

　　TMS320F2812是美国TI公司推出的新一代32位定点数字信号处理器，该芯片每秒可执行1.5亿次指令，具有单周期32 bit×32 bit的乘和累加操作功能，片内集成了丰富的外围设备，如16路A/D转换器、面向电机控制的事件管理器以及多种标准串口通信外设等。可见，其不仅具有数字信号处理器卓越的数据处理能力，又像单片机那样具有适于控制的片内外设及接口；它在数字控制系统中有着广泛的应用，特别是在运动控制领域以及嵌入式开发系统设计中，常常成为微处理器的。该器件集成了丰富而又先进的外设， 如128kB 的Flash 存储器、4kB 的引导ROM、数学运算表、电机控制外设、串口通信外设、2kB 的OTP ROM 以及16 通道高性能12 位模数转换模块，提供了两个采样保持电路可以实现双通道信号同步采样，同时具有很高的运算（32 位） 和系统处理能力（达到150MIPS） ,可广泛应用于电力自动化、电机控制和变频家电等领域。

　　DSP应用系统设计一般包括硬件设计和调试部分。硬件设计部分一般包括电源、复位电路、时钟电路、JTAG电路和外部接口电路的设计；系统板作为DSP控制系统的部件，在其外围接入扩展板，能够使系统实现相应的功能。本文基于TMS320F2812设计的DSP应用系统，不仅可以作为学习DSP系统的基础，同时对与DSP有关的科研实验以及工业控制领域也有着重要的应用价值。

　　1  系统硬件设计

　　DSP系统平台的构建采用模块化设计，其系统框图如图1所示。

　　1.1 电源电路

　　一个稳定可靠的电源是系统稳定工作的基础。考虑到DSP的内核工作电压为1.8 V,其I/O的工作电压为3.3 V，再者一般的外围器件工作电压为5 V，所以需要提供这三种工作电压。首先，通过外部电源适配器获得+5 V电压，考虑到电源工作的稳定性和可靠性，采用市场上现成的电源适配器；然后再通过LDO（低压差线性稳压电源）将5 V电压转换成3.3 V和1.8 V,采用的是Sipex公司的SPX1117系列LDO芯片[3]来进行电压的转换。该系列LDO芯片输出电压的在±1％以内，具有电流限制和热保护功能，价格低廉，广泛应用于手持仪表、数字家电和工业控制领域。使用时，输出端常接一个10 ?滋F 或者47 ?滋F 的电容来改善瞬态响应和稳定性。具体的连接如图2所示。

　　1.2 复位电路

　　TMS320F2812的复位管脚为/RESET，低电平有效。为了保证DSP芯片在电源未达到要求的电平时，不会产生不受控制的状态，在系统中加入电源监测电路，在这里选用了TI公司的电源监测芯片TPS3307-18来实现DSP的电源监测[4]。图3所示为DSP系统的复位电路。

　　电路中提供了手动复位开关S1。当S1接通后，输出电压将呈现欠电压状态，TPS3307监测到这一变化后将在/RESET端输出一个宽度大于200 ms的低电平，迫使DSP复位。

　　1.3 时钟电路

　　锁向环（PLL）模块主要用来控制DSP 内核的工作频率，外部提供一个参考时钟输入，经过PLL倍频或分频后提供给DSP 内核。本系统采用基于PLL的晶体工作模式，通过外部无源晶体为芯片提供时钟基准，本文所选用的外部晶振是30 MHz。具体电路如图4所示。

　　1.4 JTAG接口电路

　　JTAG接口提供对DSP内部Flash的烧写和仿真调试，它所具备的这些能力需要软件的配合，具体实现功能则由具体的软件决定。JTAG接口是一个业界标准，这部分的引脚定义不要随意改变。本设计中将其设计成一个标准的14针插座，可以供仿真器调试目标板。具体的连接如图5所示。

　　1.5 外部接口电路

　　为了方便扩展及二次开发，将TMS320F2812的4个方向的各个主要引脚全部引出。采用4个30针的双排针脚式接口将120个重要的引脚引出，可以分配给地址线、数据线、AD模块和时钟电源等。在这里，具体的引脚外接就不再详述了，只介绍几个常用的外扩模块电路。当然，在对系统的利用时，可以增加相应的模块来完成特定的功能，例如可以增加RS-485通信电路，在扩展的同时要注意用DC-DC进行物理隔离，尤其在工业应用场合。

　　1.5.1 外扩RAM电路和外扩Flash电路

　　为了增加系统的程序存储空间，提高系统的工作效率，根据设计要求外扩了Flash电路和RAM电路。选用的RAM 型号为IS61LV25616AL，256 KB×16 bit大小。这里用了A0~A17共18根地址线，为256 KB；D0~D15 共16 根数据线。片选CS6和读写WR、RD 信号都由DSP引出。外扩的Flash型号为SST39VF800，512 KB×16 bit，方便用户烧写较大程序。本文比SRAM多了1根地址线，所以可以达到512 KB，片选信号用CS2。具体连接如图6所示。

　　1.5.2 SCI串口通信电路

　　在许多DSP的应用中都会使用到串行口与电脑的串行口相连接，进行数据的传输或控制命令的发送与接收。DSP内置有SCI通信模块，在设计串口通信电路时要考虑电平之间的转换。DSP的串口一般是使用TTL电平标准，它的逻辑1电平是5 V，逻辑0电平是0 V，而电脑串行口所使用的是RS232C的电平标准，它的逻辑1电平是-3 V~-12 V,逻辑0电平是+3 V~+12 V。两者的电平范围相差很远，所以连接时需要进行电平转换，本文选用TI公司推出的电平转换芯片MAX232来完成[6]。再者，设计时要注意串行通信的双方的接收端和发送端必须反接，在原理图电路中，PC的TX_232 输出的是系统板的SCIRXD,而系统板的SCITXD经MAX232上输出的是PC的RX_232。具体连接如图7所示。

　　2  调试部分

　　调试部分包括硬件的调试和软件测试。硬件调试就是要确保系统的各个模块配置是正确的，首先仔细检查电路板有没有断线和短路现象，其次检查元器件是否正确焊接，确保没有虚焊，然后通电检测电源电路、时钟电路和复位电路是否正常工作，电源指示灯亮表明正常；也可通过示波器测量晶振的周期和频率，看其是否正常工作。

　　2.1 电路测试和目标板识别

　　检测系统输入和输出工作电压后，监测上电复位及手动复位电路工作情况。利用DSP 仿真器进行硬件仿真，进入CCS 环境，识别目标器件，表明系统硬件基本正常。

　　2.2 事件管理器产生PWM 波功能测试

　　TMS320 F2812 内核集成的两个事件管理器（ EVA 和EVB） 提供了强大的控制功能，特别适合运动控制和电机控制等领域。F2812 的每个事件管理器模块可以同时产生8 路脉宽调制（ PWM） 信号，包括3 对由完全比较单元产生的死区可编程PWM信号以及由通用定时器比较器产生的2 路独立的PWM 信号。

　　2.3 基于串口通信的数据采集功能测试

　　F2812 串口支持16 级接收和发送FIFO ,有一个16 位波特率选择寄存器，灵活性极大。此外，芯片上集成了一个12 位ADC ,具有16 通道复用输入接口、两个采样保持电路，快转换周期为60ns。本文对基于串口通信的数据采集功能测试 。分别对由函数发生器产生的方波、正弦波和三角波采样，然后再将数据通过串口传输到PC。

　　3　结语

　　本文设计的TMS320 F2812 DSP 系统经过充分的实验验证表明具备了数据采集、与PC 通信及实时数据处理等功能，既可以满足教学要求，又可用于简单的工程研究，具有一定的实用价值。此外还可对该系统的功能开发验证实验进一步完善：如增加CAN 总线功能及数字信号处理功能等，尽可能结合信号系统、电子测量及电机控制等课程特点，形成较完善的典型教学。对于通用I/ O（如键盘、液晶） 及扩展外存的实现进一步深入研究，可将该系统功能升级成为通用DSP 系统，从而可更广泛地满足各类复杂工程需求。

　　参考文献

　　[1]  徐科军，张瀚，陈智渊。TMS320x2812x DSP原理与应用[M].北京： 北京航空航天大学出版社，2006.

　　[2]  宋玥，高伟强，阎秋生。基于DSP_TMS320C6713控制系统的系统板的设计[J].现代电子技术，2008,31（8）：41-43.

　　[3]  SPX1117系列LDO芯片。 Sipex Corporation, 2004.

　　[4]  TPS3307-18.datasheet[Z], 2005.

　　[5]  彭超。基于DSP的高速数据采集系统的研究[D]. 吉林大学，2009.

　　[6]  MAX232.datasheet[Z],2005.

　　[7]  TMS320F28xx和TMS320F28xxx DSCs的硬件设计指南。 https://www.ti.com.cn/dsp.```

      [8]  PC  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PC+_2043275.html.

      [9]  TMS320F2812 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320F2812_1116432.html.

      [10]  ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.

      [11]  SPX1117 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SPX1117_718665.html.

      [12]  TPS3307-18 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TPS3307-18_1075083.html.

      [13]  RS-485 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS-485_584821.html.

      [14]  IS61LV25616AL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/IS61LV25616AL_1121069.html.

      [15]  A17 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/A17_1819429.html.

      [16]  D15  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/D15+_1092218.html.

      [17]  SST39VF800 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SST39VF800_887750.html.

      [18]  TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.

      [19]  MAX232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX232_1074207.html.