基于DSP 的数字信号处理“口袋实验室”设计

王 嵘，杨韫宁，张元树，韩志彦，万永菁

（华东理工大学 信息科学与工程学院 信息技术实验教学中心，上海 200237）

数字信号处理作为一门专业基础课，除了介绍数字信号处理的理论知识外，更需要通过配套的实验将理论知识和实践环节相结合，增强对学生的动手能力和实践创新能力的培养[1-2]。

为此，自主开发了基于DSP 的数字信号处理“口袋实验室”。该“口袋实验室”已经实际应用于数字信号处理的教学实践中，得到了学生的好评，此外还为本科生创新教育、大学生创新创业计划和各类学科竞赛提供了服务。

1 总体设计

“口袋实验室”的电路包括电源、DSP 芯片、配置电路、拨码开关、网络接口、外部存储、按键、LED灯和双排针扩展接口，其系统总体框图见图1[3-6]。图2 为系统实验图。

图1 系统总体框图

TMS320F28335 是美国TI 公司的TMS320C28X系列DSP 控制器的一种。与前代DSP 相比，该器件具备精度高、成本低、功耗小、性能高、外设集成度高、数据以及程序存储量大、A/D 转换更精确快速等特点[7]。TMS320F28335 具有150 MHz 的高速处理能力，具备32 位浮点处理单元，6 个DMA 通道支持ADC、McBSP 和 EMIF，有多达18 路的PWM 输出（其中有6 路为TI 特有的更高精度的PWM 输出（HRPWM））以及12 位16 通道ADC。得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSP 相比，平均性能提高50%，并与定点C28x 控制器软件兼容，从而可以简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本[7]。

图2 系统实物图

2 电路设计

2.1 电源电路

电源系统为整个系统提供能量。在设计时，由于TMS320F28335 芯片的电源要求相对复杂，因此专门设计了如图3 所示的电源转换。电源供电电路由12 V转5V，5 V 转D3.3 V，5 V 转D1.9 V，5 V 转3.3 V等电源和电源定序器组成。其中使用SX2106 芯片来完成12 V 转5 V 电源，该芯片具备4.5 V 至21 V 宽电压输入，其输出电流最大可至2 A。5 V 转D3.3 V和5 V 转D1.9 V 均采用LM2734YMK 芯片完成，该芯片带EN 使能端，具有最大1 A 电流输出能力，纹波小，可满足TMS320F28335 输入及部分外设3.3 V 供电电压要求。此外为了满足W5100S 网口芯片供电需求，单独使用一片LM2734YMK 芯片提供其所需的3.3 V 电源[7]。

TMS320F28335 芯片对于内核电压和3.3 V I/O 电压上电的顺序有特殊要求。原因在于如果3.3 V I/O 引脚电压的上电早于内核电压上电，将会导致I/O 引脚的输出缓冲器异常打开，这样会导致I/O 引脚在芯片上电期间出现毛刺脉冲，对周边电路引入异常状态。为了消除此种状态，采用LM3881 芯片设计了电源定序模块。通过使用该芯片，能够控制TMS320F28335 的内核电压早于3.3 V I/O 电压上电。具体实现是在LM3881 的TADJ 引脚接10 nF 电容，Tclk 为1.2 ms，FLAG1、FLAG2、FLAG3 将依次延时8Tclk 周期后拉高，即依次使能各LM2734YMK 芯片使能端。具体电路参见图4[7-8]。

图3 系统电源转换

图4 电源定序电路

2.2 配置电路设计

JTAG 的主要引脚TMS、TCK、TDI、TDO 经4.7 kΩ电阻上拉，以保护电路；JTAG 引脚在PCB 上通过14针2.0 mm 间距的简易牛角座引出，简易牛角座有防反插的设计，以保证JTAG 连接正确。电路见图5。

2.3 复位电路设计

由于TMS320F28335 在上电后，其复位端需要10 ms 低电平用以对芯片进行复位操作，以避免芯片因时钟输入未稳定而进入异常模式。由此选用MAX823S 芯片来实现复位电路。MAX823S 芯片阈值电压为2.93 V，即在电源上电达到2.93 V 以后，会在R S T 引脚产生 2 0 0 m s 的低电平脉冲，满足TMS320F28335 芯片对复位脉冲的要求。复位电路见图6，图中拨码开关S1 用于确认是否要手动复位（MR）以及开启监视定时器（WDI）功能。

图5 JTAG 配置电路

2.4 串口通信设计

选用CH340G 作为DSP 芯片和计算机之间通信的转换芯片。CH340 是常用的USB 转串口的芯片，兼容5 V 系统和3.3 V 系统。由于TMS320F28335 芯片属于3.3 V 系统，因此CH340G 的供电电压设置为3.3 V，如果供电电压调整为5 V，则串口通信将发生故障，数据不能通过串口发送至计算机。串口通信电路见图7。

图6 复位电路

图7 串口通信电路

2.5 模式选择设计

模式选择电路由 4 位拨码开关组成。TMS320F28335 上电完成后会跳转至BOOT ROM 中引导程序读取特定管脚电平以确定程序引导方式。具体模式选择方式见表1[9]。

2.6 扩展接口设计

为保证“口袋实验室”的扩展能力，在设计时将TMS320F28335 的24 个通用I/O 口通过双排排针在PCB上引出，可供使用者外接电路。为了防止TMS320F28335的I/O 接口接入过高的电压或者通过过大的电流而被损坏，设计中使用双向电平转换芯片 TXS0108E 对TMS320F28335 的I/O 口和外部接口进行隔离，以保护TMS320F28335 芯片。

表1 TMS320F28335 模式选择

2.7 网络接口设计

以太网接口芯片有高速 SPI 和间接总线通信两种接口模式，可以通过拨码开关选择对应模式。在使用SPI 模式时WR 引脚要接地，在使用总线模式时SCLK 要接地。芯片晶振采用25 MHz 无源晶振。电路设计如图8 所示[9-10]。

图8 网络接口电路

3 教学实例

3.1 按键中断实验

（1）实验要求：学习DSP 中断处理原理并实现中断处理程序编写[11-12]。

（2）实验过程：配置DSP 连接LED 灯的相应管脚为输出模式，配置连接按键的相应管脚为输入模式，并连接到DSP 外部中断，在中断处理函数中处理按键中断，实现按下相应按键反转LED 灯亮灭的实验。实验结果见图9。

图9 实验结果

3.2 外部RAM 读写控制实验

（1）实验要求：学习外部RAM 读写操作原理并编写程序完成对外部RAM 的读写操作[13-14]。

（2）实验过程：通过向外部RAM 中写入数据后读出，比较内容测试外部RAM 是否工作正常。可以在Debug 中Memory 窗口下观察读写情况。实验结果见图10。

3.3 网络接口通信实验

（1）实验要求：学习网络通信基本原理，并编程实现网络通信[15-16]。

（2）实验过程：编写好DSP 网络通信程序后，将平台网口用网线连接至计算机，配置计算机IP 地址和芯片IP 地址位于同一子网下，打开网络调试助手，选择UDP 通信，填好收发双方的IP 地址后即可通信。实验结果见图11。

图10 实验结果

图11 实验结果

4 结语

结合创新实验人才培养的需求，按照专业性及综合性强、使用简单灵活、维护便捷、成本低廉的设计原则，完成了基于DSP 的数字信号处理“口袋实验室”的设计。该平台编程简单调试方便、可移植性较好，具有较强的创新性和实用性。

目前，该“口袋实验室”已应用于我校数字信号处理实验课程、学科竞赛及大学生创新创业培育项目中，并取得良好的效果。以我校自动化和信息工程专业为例，学生通过上述学习，增强学习数字信号处理的兴趣，提高了数字电路设计水平。在2017 年第二届全国大学生智能互联创新大赛中，我校学生的“基于云和路径规划的智能餐厅服务”项目获得华东赛区一等奖。在2018 年第三届全国大学生智能互联创新大赛中，我校学生的“小型智能化管道检测维护系统”获得华东赛区一等奖。上述奖项的获得，又进一步促进了学生对电路设计的兴趣以及实践能力和创新能力的提升。