便携式DSP 教学平台的设计与实现

赵燕　王江华　李昆

摘要：便携式DSP教学平台是一种综合的教学实验系统，平台采用基板+CPU板两层架构，基板中各功能模块相互独立，且所有接口均对外开放，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。平台兼容TMS320F2000和TMS320C5000两种系列的CPU板，在不需要改变任何配置的情况下，更换CPU板即可做TI公司的不同类型的DSP的相关实验。该教学平台适用于电子信息、通信、信号处理、计算机、测控等相关专业的理论教学，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：便携；DSP；教学平台

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）04-0030-03

随着当今社会的发展，DSP的应用越来越广泛，其重要性不可小觑。为了提高DSP原理及应用理论教学的质量，特设计一便携式DSP教学平台，该平台小巧轻便、便于携带，且可脱离市电运行，非常适合于DSP理论教学的随堂演示，将大大增添课堂趣味性，学生们学习相关理论知识时将会更加积极主动，同时还能培养学生的动手实践能力，符合国家培养应用型人才的计划要求。

1 平台总体框图

平台总体框图如图1所示，该平台由CPU板和基板两部分构成，其中CPU板包括电源单元、CPU单元、RAM单元、FLASH单元、USB/URAT接口、LED指示单元以及下载接口；基板包括CPU接口单元、电源单元、DDS信号源单元、TFT液晶屏单元、LED显示单元、8位数字量输入输出单元、矩阵按键单元、D/A转换单元、A/D转换单元、射频卡识别单元、RS232串口单元、CAN/RS485总线单元和功放单元。

2 平台硬件设计

2.1 CPU板单元

平台采用的DSP芯片为TMS320F2812，该芯片是TI公司推出的32位定点DSP芯片，既具有强大的数字信号处理能力，又具有较为完善的事件管理能力和嵌入式控制能力，被广泛应用于工业控制，特别是应用在处理速度、处理精度方面要求较高的领域。

CPU板单元具有独立的电源，可脱离基板独立运行。设计采用PS767D301芯片产生DSP工作所需的3.3V和1.8V电压。平台设有串口控制开关，当开关闭合时，CPU板通过桥接芯片CP2102与电脑相连，用来实现与上位机的串行通信；当开关断开时，DSP可与其他TTL接口设备进行串口通信。

DSP核心板内置了RAM芯片IS61LV51216，用来扩展RAM的容量；由于DSP内部Flash不能满足大容量程序的需求，设计中亦扩展了外部Flash—SST39VF160，用于对大容量程序的固化。电路中设计了四个独立的LED指示灯，用于指示程序调试时的状态，且指示灯接在CAN和URAT口，也可以方便用户观察通信时数据的变化情况。[2]

2.2 CPU接口单元

该单元主要用于插接不同的CPU模块。平台兼容TMS320F2000和TMS320C5000两种系列的CPU板，在不需要改变任何配置的情况下，更换CPU板即可做TI公司的不同类型的DSP的相关实验。

当平台使用TMS320F2000系列的CPU板时，可以利用CPU的事件管理器模块（EVM）产生PWM波，控制各种类型的电机，完成以三相异步电机为主的各种电机的PWM调速控制实验。CPU板接口单元外置两路完整的三相电机控制接口，用来实现对电机的精确控制。

2.3 电源单元

电源单元采用外置交流转+5V电源模块和内置锂电池DC/DC转换双电源供电。交流电源开关为外置AC/DC模块供电总开关，用于控制交流市电的开合，教学平台侧面为交流市电接线端，并设有1A保险丝接口。

平台内置了5000mA的锂聚合物电池，并在电源单元设置了DC/DC转换电路，用于将电池输出的+3.7V电压升压转换成教学平台使用的+5V工作电源。DC/DC转换采用G5177芯片完成，该芯片升压转换效率高，输出电流2A，足够满足教学平台所有模块的供电使用。

当电池供电总开关闭合时，教学平台所需的5V电源由锂离子充电电池升压提供。平台通过单刀双掷开关来切换供电方式：即采用交流市电供电还是采用内置电池供电。

电源模块设计了锂离子充电电路，当平台处于交流供电模式时，交流市电电源除了为教学平台供电之外，还可以为内置锂离子电池充电。设置了两个充电状态指示灯，其中红色灯为充电状态指示，绿色灯为充满自动停止状态指示。

交流市电和电池两种供电方式下输出的电压为5V，而平台需要5V和3.3V两种电源，设计中采用LT1585电源转换芯片将5V电压转换为3.3V电压。

2.4 DDS信号源单元

平台设计了一个由DDS芯片AD9850组成的高精度数字信号源，可以输出正弦波和矩形波两种信号波形。波形频率可以从0～40MHz精确设置，输出的信号峰值可以由电位器R27调整，矩形波占空比可以通过电位器R19设置。

为了便于电源的控制，该部分电路采用TPS70033芯片将5V电压转换为3.3V，供控制单片机STM32和OLED液晶屏使用。信号输出状态以及频率等信息可以通过内置的OLED液晶屏实时显示。8位拨码开关用来使能平台的矩阵按键对DDS信号源的控制，当拨码开关闭合时，可通过矩阵按键对输出信号的频率进行设置；当拨码开关断开时，矩阵按键可供其他设备使用。

设计中采用3个LED灯来指示信号的输出状态，当输出信号频率为Hz时，O_D4指示灯点亮，当输出信号频率为KHz时，O_D5指示灯点亮，当输出信号频率为MHz时，O_D6指示灯点亮。

板载SWD接口用于对STM32F103T8U6单片机的编程使用。另外教学平台内置电池的电量信息也是通过该单片机采集，并实时显示到OLED液晶屏的右上角，便于用户及时监测内置电池的电量信息。

2.5 LED显示单元

该单元由8个米字管构成，除了可以显示0～9的数字外，还可以显示A～Z所有英文字母在内的多种符号，使用范围较广。设计采用4个2位一体的共阴极高亮红色米字管，每个米字管均由a～n和dp共15段LED构成，对应段输入为高电平时，米字管被点亮。设计采用两片74LS373芯片用于米字管15位数据的锁存，采用74LS138芯片用于米字管的位扫描。

2.6 D/A转换单元

D/A转换单元电路用于将输入的数字信号转换为模拟信号。设计采用的D/A转换芯片为TLV5618A，该芯片为12位串行输入、双路输出的D/A转换器。采用ADR03芯片构成D/A转换参考电压产生电路，其输出的参考电压为2.5V。若将ADR03_J1接口的两端用短路环连接，则D/A转换器TLV5618A的参考电压由ADR03构成的参考电压产生电路提供；若ADR03_J1接口的两端不用短路环连接，则其参考电压由外部电路控制。[3]

2.7 A/D转换单元

A/D转换芯片选用TLV1549C，该芯片为10位A/D转换芯片，单极性输入，串行输出，可应用在数据采样、DSP系统及移动通信等场合。在教学平台中，A/D转换的基准电压为+3.3V。模拟信号输入由AD_J3接口控制，当将AD_J3上方的两个引脚通过短路环连接时，通过调节RW_AD电位器来得到待转换的模拟信号，输入模拟电压范围为0～5V；当不用短路环连接时，模拟信号通过外部控制电路输入。

3 教学平台可完成的实验项目

便携式DSP教学平台可提供多种DSP基础实验和控制对象实验，具体可完成的实验项目有：LED流水灯实验、LED闪烁实验、I/O口实验、矩阵按键实验、内部定时器实验、外部中断实验、15位米字管显示实验、TFT液晶屏显示实验、液晶屏触控操作实验、Flash读写实验、存储器读写实验、ID卡读写实验、A/D转换实验、D/A转换实验、RS232串口通信实验、RS485总线通信实验、CAN总线通信实验、PWM波形产生实验、MP3播放实验以及三相交流电机驱动及转速测量实验等。

4 结论

便携式DSP教学平台如图2所示。平台具有如下特色：CPU板板载RAM和FlashROM，完整的电源模块和USB/URAT接口单元，可以脱离教学平台独自运行；设置了基于DDS芯片的信号源电路，可以输出高精度的正弦波和矩形波，输出信号频率和矩形波占空比可以随时调整；DDS信号源的CPU可以对内置的电池电量进行实时监测和显示，采用交流市电供电时，平台可以自动为内置电池充电，充满自动停止，并有相应的状态指示灯；采用“米”字型LED数码管代替传统的“8”段数码管，显示内容丰富，亮度高，操作简单；平台内置高精度串行A/D转换器和D/A转换器，并设计了高精度参考电压，可供用户调试高精度模数和数模转换电路；内置可充电聚合物锂离子充电电池，可以采用市电和内置电池双重供电，满足一些特殊场合便携式的需要，且平台内各个功能模块都设有独立电源开关，方便电池供电时关闭不用的功能模块以节省电量。总的来说，教学平台将是一个便携的、所有接口均对外开放的、可进行二次开发的平台，可应用于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。

参考文献：

[1] 范兴明，张鑫.DSP嵌入式应用实验教学平台的研制[J].科技信息，2008（4）：88，64.

[2] 王海欣.基于TMS320F2812的信号检测与处理综合实验平台研制[D].合肥：合肥工业大学，2009.

[3] 菅睿.DSP教学平台的开发与设计[D].呼和浩特：内蒙古大学，2006.