DSP处理器发展及应用
2015-10-24夏近洋王妍萍刘亚侠
夏近洋 王妍萍 刘亚侠
摘要：首先以时间为主线介绍DSP芯片的不同发展阶段，向读者呈现一幅清晰的DSP芯片发展脉络图；然后阐述当代DSP芯片的结构、特点，并展示DSP在实时信息处理和实时控制中的应用；最后立足当下DSP芯片应用的新特点，讨论未来DSP芯片的发展趋势。
关键词：DSP芯片；发展阶段；特点；发展趋势
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）05-0260-03
Development and Application of DSP Processor
XIA Jin-yang， WANG Yan-ping* ，LIU Ya-xia
（Beijing Institute of Fashion Technology， Beijing 100029）
Abstract：The main stages of Digital Signal Processor （DSP） development are introduced. The structure， characteristics and functions of different stages of DSP chip show a clear development of new features to the reader. Then based on the current DSP chip applications， the future development trend of DSP chip are discussed.
Key words：DSP chip；development stage；characteristics；development trend
上世纪兴起的计算机技术不仅仅是科学计算工具，时代进步催化下，计算机更成为了信息处理的中心，面对复杂庞大的数字信息处理，DSP处理器应运而生。DSP技术时值当下，以其灵活、高速度、低成本的特点，在诸多领域中应用广泛，其热门程度可见一斑。
目前，DSP芯片主要应用于实时信息处理和实时控制系统。信息处理是以数字信号处理技术发展为基础，对采集并数字化的图像、声音、视频等进行变换、滤波等实时处理，以得到目标信号。实时控制主要应用在高精度伺服电机控制、制导与导航、无人机、机器人控制等对实时性要求较高的控制中，DSP芯片满足了实时信息处理和实时控制对高速度、高可靠性和高灵活性的要求，带动了DSP处理器的发展。
1 DSP处理器的发展历程
DSP含义：digital Signal Processing（数字信号处理：就是用数值计算的方式对信号进行加工的理论和技术）和Digital Signal Processor（数字信号处理器：是进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法）。
第一阶段：上世纪60年代，随着计算机技术兴起，信息处理问题越来越多。数字信号处理技术作为DSP的基础，已经在通信领域得到广泛成熟的应用，为数字信号处理技术在信息处理领域的应用奠定基础。
1965年Cooley和Tukey发表了标志性文章：《机器计算傅里叶级数的一种算法》，使得FFT算法计算量大大降低。伴随计算机结构取得颠覆性发展，开始由传统的冯诺依曼结构向哈佛结构改进，多总线结构和流水线技术的应用，促成了DSP执行指令速度快，实时处理特点。
第二阶段：上世纪70年代，随着数字信号处理技术的进一步发展， DSP理论和算法初见端倪。数字信号处理的实现是用硬件、软件或软硬结合的方法实现各种算法，由于受电子物理器件的滞后性影响，DSP处理器被束之高阁，而研制出来的DSP处理系统也是由分立元件组成的，仅限于军事、航空航天系统，并未呈现出商业化、规模化特点。
1978年，AMI公司推出了S2811，这是世界上第一个单片第一代DSP芯片，标志着准DSP芯片诞生。1979年，Intel公司发布商用可编程器件2920。S2811和2920芯片内部都没有集成现代DSP芯片的单周期乘法器，但这是DSP芯片的一个重要里程碑。
第三阶段：1980年，日本NEC公司推出第一个具有硬件乘法器的商用DSP芯片MPD7720，从而被认为是第一块真正意义上的单片第二代DSP器件，由于硬件乘法器技术的应用，使DSP的高速计算成为可能，更对以后的DSP结构影响深远。
第四阶段：上世纪80年代后期，第三代DSP芯片问世，运算速度提高，被广泛应用到通信、计算机领域。上世纪90年代，是DSP发展的黄金时代，而后第四代和第五代DSP器件相继出现。
当代DSP属于第五代产品，与第四代相比，应用超大规模集成电路技术，系统集成度更高，将DSP芯核及外围元件集成到一块芯片中，在实际应用，为了进一步提高DSP工作性能和处理能力，多核技术成为DSP芯片发展新方向。极高的集成度使DSP芯片，在通信、制导导航和计算机领域的图像处理、实时控制中发挥的作用越来越大，其基本架构如图1所示。
图1 DSP基本架构
2 DSP芯片在实时信息处理中的应用
DSP芯片以高速信息处理能力著称，并因此在实时信息处理领域得到广泛应用。数字信号处理即对数字量的数学运算，其中包括滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别、检测、调制、解调等内容，其中滤波器设计应用广泛。
2.1基于MATLAB的Filter设计，并求出低通滤波器系数
用Matlab产生频率为1kHz的正弦信号a和频率为6kHz的余弦信号b，以及两者的叠加信号c，三信号的抽样频率为16kHz，a，b，c信号提取到sptool中分析，设计低通滤波器对上述数字信号进行滤波。
（一）在MATLAB中产生a，b，c三个源信号，（单位：kHz，其中u∈（0，255））：
a=sin（2*pi*u*1/16）；b=cos（2*pi*u*6/16）； c=sin（2*pi*u*1/16）+cos（2*pi*u*6/16）；
（二）根据低通滤波器要求，利用fdatool工具设计低通滤波器，fs=16kHz，fpass=0kHz；fstop=6kHz；Apass=1db；Astop=75db；
（三）b，c信号分别通过低通滤波器，并由MATLAB仿真，c信号通过低通滤波器后得cOUTPUT（即源信号a）如图2；高频分量（源信号b通过LOWPASS低通滤波器得bOUTPUT）被滤掉，低频分量（源信号a）被保留，如图3。并由MATLAB可得到低通滤波器系数，方便用于DSP实现低通滤波。
2.2基于realtime试验箱TMS320的FIR低通滤波器设计
使用CCS5000编程实现低通滤波器操作，采用C语言编写子程序如下：
float InputWave（）
{ float fSignal1=0.0，f2PI=2PI；for （i=18；i>0；i--） fXn[i]=fXn[i-1]；
fXn[0]=sin（（double）fSignal1*i*1000/16000）+cos（（double）fSignal1*i*6000/16000）；
fSignal1+=f2PI；}
float FIR（）{ float fSum=0；for （ i=0；i<19；i++ ）{ fSum+=（fXn[i]*fHn[i]）；}
return（fSum）；}
基于TMS320的FIR低通滤波器实验效果图，输入信号如图4，输出信号如图5：
3 DSP芯片在实时控制中的应用
DSP芯片在当代电机控制中应用广泛，应用领域包括：伺服电机控制、步进电机控制、直线电机控制等，其实时性能优异，在电机调速中应用普遍。电机调速方式很多，包括：电磁调速、电阻调速、齿轮调速以及变频调速等，而随着PWM（PWM：Pulse Width Modulation）变频调速技术的应用，DSP在PWM调速控制中功不可没。
3.1 PWM调速原理
电动机转速公式：n=（U-IR）/K
现代电枢电压控制调速法常采用PWM调制技术进行调速，即控制通断电的时间：U0=a×Us，U0：电机平均驱动电压；t1/T：占空比；Us：脉冲电压，根据驱动电压公式可知：在Us不改变的情形下，t1/T占空比改变会导致电机驱动电压U0值改变，故通过控制占空比，从而达到电机调速的目的。占空比调节时，t1（高电平时间）、t2（低电平时间）和T都可以改变，但控制脉冲频率与系统固有频率相接近时，会引起震荡，因此在电动机控制中，常使用定频调宽法，即T不变，调节t1和t2的大小。
调速控制原理：
（1）当电动机正常运转时，给出低电平信号（为了保证DSP芯片的正常运转，我们通常采用灌电流方式，采用负逻辑），低电平信号通过栅极，控制MOSFET导通，此时电动机正常运转；
（2）当需要调速时，用软件设置DSP芯片端低电平时间，即：占空比a=t2/T；
（3）根据电枢的平均电压U0公式：U0=a×Us，改变低电平的时间，实现调速。
3.2基于realtime试验箱TMS320的直流电机PWM调速设计
调速子程序如下：
ioport unsigned int *tim0；ioport unsigned int *prd0；ioport unsigned int *tcr0；
ioport unsigned int *prsc0；
void InitInterrupt（void）
{ IVPD=0x80；IVPH=0x80；IER0=0x10；DBIER0=0x10；IFR0=0xffff；asm（"BCLR INTM"）；}
void interrupt Timer（）
{ nCount++；nCount%=100；if（nCount>uN）
PCR2|=4；Else PCR2&=0x0fffb；nCount1++；nCount1%=5120；}
void InitMcBSP（）
{ SPCR1_2&=0x0fffe；PCR2|=0x1400；SPCR2_1&=0x0fffe；PCR1|=0x2200；}
void TIME_init（void）
{ tim0=（unsigned int *）0x1000；prd0=（unsigned int *）0x1001；
tcr0=（unsigned int *）0x1002；prsc0 =（unsigned int *）0x1003；*tcr0 =0x04f0；
*tim0=0；*prd0=0x0100；*prsc0=2；*tcr0=0x00e0；}
4 DSP芯片的发展趋势——DSP处理器与微处理器融合
科技源于生活，生活推动发展。手机已融入我们的生活，随着移动互联技术的发展和普及，手机已超出移动通信的简单功能，玩手游、定外卖、网购、收发文件，成为连接世界的窗口，新技术不断让信息时代重新定义。一切的进步，无不得意于数字处理芯片和微处理器的快速发展。要实现人机交互的现代电子设备，就需要具备信息处理能力，移动数据端作为大数据处理端，对信息处理速度要求不断提高，移动数据端智能化和微型化要求不断对新处理器提出挑战。DSP处理器是信息处理中枢，是移动数据端声音、音频、视频、图像的处理工厂，对复杂的大数据做出及时的处理，并及时与微处理器进行通信。微处理器作为智能控制的核心，对系统资源、数据流、I/O模块、总线等进行实时管理，合理分配各项系统资源，实时的管理DSP处理器。
DSP处理单元作为微处理器的一部分，分享内存区域，作为微处理器的一部分，并行于CPU，接受CPU控制，通过内总线与CPU通信，缩短通信时间，精简系统硬件结构，增加系统集成度，不断趋向于批处理、高集成、快速度，使之更加适合移动通信终端的使用，在未来通信互联终端中必将具有广泛应用前景，为人们带来更加便捷的通信、娱乐、学习、生活体验。
5 总结
DSP技术从第一片芯片产生到如今专业DSP芯片的应用，始终以高速度和高可靠性为发展准则，这使其在数字信息处理和实时控制领域随处可见。在不断地发展变化中，为满足实时性、高速度的要求，结构不断完善，功能不断强大，随着微处理器技术和人工智能技术的发展，DSP技术在未来实时控制、机器人技术、人工智能等领域的发展将与日俱新，空间广阔。而为了进一步微型化、快速化，其结构会不断与微处理器相融合，并最终会集成于一片芯片中，并提供强大的数字处理能力。
参考文献：
[1] 胡圣尧.DSP原理与应用[M].南京：东南大学出版社，2008.
[2] DSP架构——百度图片.http：//image.baidu.com/.
[3] 程佩青.数字信号处理教程 [M]. 3版.北京：清华大学出版社，2007.
