DSP课程设计- 基于DSP的BIOS模块设计实现.doc

课程设计(论文)任务书 信息工程 学 院 通信工程 专 业 08 3 班 一、课程设计(论文)题目 基于基于 dspdsp 的的 biosbios 模块设计实现模块设计实现 二、课程设计(论文)工作自 2011 年 6 月 27 日起至 2011 年 7 月 1 日止。 三、课程设计(论文) 地点: 图书馆 、通信实验室（4-403、4-404） 。 四、课程设计(论文)内容要求： 1本课程设计的目的本课程设计的目的 （1）使学生掌握 dsp/bios 组件的基本工作原理； （2）培养学生基本掌握 dsp 程序设计的基本思路和方法； （3）使学生掌握 dsp 系统硬件调试； （4）能提高和挖掘学生对所学习知识的实际应用能力及创新能力； （5）提高学生的科技论文写作能力。 2课程设计的任务及要求课程设计的任务及要求 1）基本要求：）基本要求： （1）学习 dsp/bios 组件的基本工作原理； （2）熟悉 dsp 编程软件，熟练掌握 dsp/bios 组件设置； （3）掌握一个完整的 dsp/bios 组件实现语音通信的设计； （4）提出系统软件的设计方案； （5）对所设计软件进行硬件调试即在 dsp 系统实验箱实现 dsp/bios 组件的语 音通信； 2）创新要求：）创新要求： 在基本要求达到后，可进行创新设计，如在一个程序中实现 dsp/bios 组件的中 断法实现等。 3）课程设计论文编写要求）课程设计论文编写要求 （1）要按照书稿的规格打印誊写毕业论文 （2）论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、谢辞、附录等 （3）毕业论文装订按学校的统一要求完成 4）答辩与评分标准：）答辩与评分标准： （1）完成原理分析：10 分； （2）完成设计过程：40 分； （3）完成调试：40 分； （4）回答问题：10 分； 5）参考文献：）参考文献： （1） 胡辉 编著. dsp 应用技术 教育科学出版社 （2） 邹彦 编著 .dsp 原理及应用 电子工艺出版社 （3） 张雄伟等编著 . dsp 集成开发与应用 电子工业出版社 （4） / （5） / 6）课程设计进度安排：）课程设计进度安排： 内容内容 天数天数 地点地点 构思及收集资料 1 图书馆 编写程序与硬件调试 2 实验室 撰写论文 2 图书馆、实验室 学生签名： 2011 年 月 日 课程设计课程设计( (论文论文) )评审意见评审意见 （1）完成原理分析 （10 分）：优（ ） 、良（ ） 、中（ ） 、一般（ ） 、差（ ） ； （2）程序设计分析 （40 分）：优（ ） 、良（ ） 、中（ ） 、一般（ ） 、差（ ） ； （3）完成调试分析 （40 分）：优（ ） 、良（ ） 、中（ ） 、一般（ ） 、差（ ） ； （4）回答问题 （10 分）：优（ ） 、良（ ） 、中（ ） 、一般（ ） 、差（ ） ； （5）格式规范性及考勤是否降等级：是（ ） 、否（ ） 评阅人： 职称： 教授 2011 年 月 日 目目 录录 绪论绪论.1 第一章第一章 dsp/bios 的介绍的介绍 2 1.1 dsp/bios 的系统介绍的系统介绍2 1.2 dsp/bios 组件结构3 1.3 dsp/bios 实现语音通信5 第二章第二章 系统总体设计系统总体设计6 2.1 芯片介绍6 2.2 系统设计.10 第三章第三章 系统程序设计系统程序设计12 3.1 系统程序设计流程图12 3.2 系统程序设计.13 3.3 软件程序流程图.14 第四章第四章 系统调试系统调试.15 4.1 ccs 设置15 4.2 调试遇到的问题及问题分析.18 结束语结束语.19 参考文献参考文献 .20 致致 谢谢.20 附录：源程序附录：源程序 21 华东交通大学课程设计 1 绪绪 论论 ti 公司的 dsp 开发软件包括集成开发系统 (ccs), 实时操作系统 (dsp/bios),第三方算法库标准 (expressdsp)。 dsp/bios 是一个用户可剪裁的实时操作系统，主要由三部分组成： 多线程实时内核；实时分析工具；芯片支持库。利用实时操作系统开发 程序，可以方便快速的开发复杂的dsp 程序。操作系统维护调度多线 程的运行，只需将定制的数字信号算法作为一个线程嵌入系统即可；芯 片支持库帮助管理外设资源，复杂的外设寄存器初始化可以利用直接图 形工具配置；实时分析工具可以帮助分析算法实时运行情况。 dsp/bios 以模块化方式提供给用户对线程、中断、定时器、内存 资源、所有外设资源的管理能力都可以根据需要剪裁。实际应用中需要 的定制算法作为一个线程插入 dsp/bios 的调度队列，由 dsp/bios 进 行调度。 在本次课设中，主要就是应用一个完整的 dsp/bios 组件实现语音通 信的设计，在这个设计过程中还要用到芯片 ad50，因此在报告中主要分以 下几个模块来分析： (1)详细介绍 dsp/bios 组件的工作原理及其配置过程； (2) 系统的总体设计，包括 ad50 芯片的结构和工作原理，以及 pcb 制图，dsp/bios 和 ad50 的连接等； (3) 系统的程序设计，基于 dsp/bios 语音通信的程序设计过程； (4) 硬件调试结果，及遇到的问题和问题分析。 在整个课程设计过程中我主要负责硬件的调试过程，同时还参与了总体方 案的设计过程。 李新凯：基于 dsp 的 bios 模块设计实现 2 第一章第一章 dsp/bios 的介绍的介绍 1.1 dsp/bios 的系统介绍 dsp/bios 是一个简易的嵌入式操作系统，主要是为需要实时调度， 同步以及主机目标系统通讯和实时监测的应用而设计的。dsp/bios 集 成于 ccs 中，不需要额外的费用，但不提供源码，它是 ti 公司倡导的 expressdsp 技术的重要组成部分。 dsp/bios 组件由以下 3 部分组成： 1. dsp/bios 实时多任务内核与 api 函数 使用 dsp/bios 开发程序主要就是通过调用 dsp/bios 实时库中的 api（应用程序接口）函数来实现的。所有 api 都提供 c 语言程序调用接 口，只要遵从 c 语言的调用约定，汇编代码也可以调用 dsp/bios api。dsp/bios api 被分为多个模块，根据应用程序模块的配置和使用情 况的不同，dsp/bios api 函数代码长度从 500 字到 6500 字不等。ccs for c6000 v2。2 提供的 dsp/bios 主要的 api 模块包括以下几种：clk 模块、 hst 模块、hwi 模块、idl 模块、log 模块、mem 模块、pip 模块、prd 模块、 rtdx 模块、sts 模块、swi 模块、dec 模块、sio 模块、mbx 模块、que 模 块与 sem 模块。 2. dsp/bios 配置工具 基于 dsp/bios 的程序都需要一个 dsp/bios 的配置文件，其扩展名为. cdb。dsp/bios 配置工具有一个类似 windows 资源管理器的界面，它主要 有两个功能：在运行时设置 dsp/bios 库使用的一系列参数; 静态创建被 dsp 应用程序调用的 dsp/bios api 函数所使用的运行对象，这些对象包括 软件中断、任务、周期函数及事件日志等。 3. dsp/bios 实时分析工具 dsp/bios 分析工具可以辅助 ccs 环境实现程序的实时调试，以可视化的 方式观察程序的性能，并且不影响应用程序的运行。通过 ccs 下的 dsp/bios 工具控制面板可以选择多个实时分析工具，包括 cpu 负荷图、程 华东交通大学课程设计 3 序模块执行状态图、主机通道控制、信息显示窗口、状态统计窗口等。与 传统的调试方法不同的是，程序的实时分析要求在目标处理器上运行监测 代码，使 dsp/bios 的 api 和对象可以自动监测目标处理器，实时采集信 息并通过 ccs 分析工具上传到主机。实时分析包括：程序跟踪、性能监测 和文件服务等。 1.2 dsp/bios 组件结构 dsp/bios 的组件结构如图 1.2 所示 图 1.2 dsp/bios 组件管理器 dsp/bios 主要包括以下组件： 李新凯：基于 dsp 的 bios 模块设计实现 4 1、system(系统配置)：对一些关键寄存器的设置，定义目标文件的使用 以及系统设置； (1)global settings 主要的设计属性有： target board name:目标板的名称，往往根据所用 dsp 的类型自动命名。 dsp type:dsp 芯片家族的类型，如 c54x. chip support library(csl):指定具体 dsp 芯片的类型，如 c5402. pmst(6-0):pmst 映射寄存器的低七位 mp/mc,ovly,avis,drom,clkoff,smul 和 sst. swwsr:软件等待状态寄存器的值，它控制软件可编程等待状态发生器。 bios_init 初始化时，swwer,bscr 和 clkmd 寄存器将被初始化，之后才调 用 main 函数. bscr:直译为块开关控制寄存器的值。这个寄存器的功能在于防止访问不 同存储区域切换时在总线上发生冲突。 (2)mem(memory section manager) 这是存储区段管理器。在这个项目中用户可以图形化地分配自己的 dsp/bios 程序存储区段的占用情况，dsp/bios 默认的各存储区段均已列 出，用户可以直接通过右键单击后的弹出菜单进行修改。 (3)sys-system settings 2、instrumentation(分析工具)：调试工具有记录器，可以提供针对实时 操作优化的调试信息； 这一栏可以称为“示波器”栏，包括两个项目：log 和 sts. (1)log 组件可以建立 log 模块，这个模块可以调用 log 组件的 api 函数捕 获实时信息，在 ccstudio 给出的 hello 程序段就使用了这种方法。 (2)sts 组件中建立的对象有一个重要属性 unit type，通过这个属性可以 设定在 sts“示波器”中显示的时间轴的时间单位。在 c6000 中更为方便 一些，可以指定时间单位。 3、scheduling(任务调度)：包含定时器，硬件、软件中断等； 4、synchronization(任务同步)：提供一般操作系统都具有的信号灯、邮 箱、队列、锁等四个组件； 华东交通大学课程设计 5 5、input/output(输入输出)：提供 dsp 实时运行时与主机通过仿真口和 ccs 交互数据的机制； 6、chip support library(芯片支持库) csl 组件是 dsp/bios 中的一员，它的主要作用在于为用户提供 dsp 片 上外设的抽象调用方法，针对不同的 dsp 芯片帮助配置 dsp 的外设资源。 csl 与 dsp/bios 一样，是通过专用的 api 函数使得访问片上外设更加 方便。这些 api 函数按功能不同分为许多个程序包，依次为：chip 程序包， dat 程序包，dma 程序包，dma 程序包，ebus 程序包，gpio 程序包，hpi 程序包，irq 程序包，mcbsp 程序包，pll 程序包，pwr 程序包，timer 程 序包和 wdtm 程序包，分别支持和管理 cpu，dma 数据搬移，总线，通用 io 口线，hpi，片上外设中断，mcbsp 口，pll,掉电工作模式，计时器等片上 资源。各个程序的 api 函数大部分以相应的程序包名加下划线开头，容易 识别和掌握。 在程序中调用 csl 的方法有两种：一种是通过 dsp/bios 组件管理器， 另一种是直接调用 csl 库函数。后者要求用户对 csl 的各种库函数相当了 解，这种方法生成的可执行程序代码要小得多，而第一种方法，即借用 dsp/bios 组件管理器，特别是当用户使用中断时，使用 dsp/bios 更为方 便一些。 7 api 函数 api 函数是 dsp/bios 的真正灵魂，它是 dsp/bios 提供的一种灵活的 用于图形化编程和实时调试的编程内核，以其高度模块化，面向中断的编 程方法，节约了 cpu 的占用时间，为用户进行 dsp 应用系统设计带来了极 大地方便，实现 dsp/bios 的功能是通过调用其相应的 api 函数来完成的。 李新凯：基于 dsp 的 bios 模块设计实现 6 1.3 dsp/bios 实现语音通信 dsp/bios 是 ccs 提供的一套工具，是一个尺寸可伸缩的实时内核，它 是为了那些需要实时线程调度与同步、主机与目标 dsp 间通信或者实时监 测的应用而设计的。 dsp/bios 提供了抢占式多线程、硬件抽象、实时分析和配置工具。 dsp/bios 工作原理 如图 1.3 所示： 音频信号 音频信号 a/d/amcbsp1 软中断 （swi ） 串行口 硬中断 (mcbsp1 hwi) dxp dxp 图 1.3 dsp/bios 实现语音通信 中断程序的工作原理 通过 phone2 采集数据，先由 tlc274 前级放大和调理经 ad50 转换通 过同步串行口经 cpld 选择 mcbsp1 与 5402 连接。经采集后的数据经 5402 处理后，同样经 mcbsp1 传回 ad50 通过 tlc274 放大后经 phone1 输出。 华东交通大学课程设计 7 第二章第二章 系统总体设计系统总体设计 2.1 芯片介绍 在本次课设过程中主要用到的芯片有 dsp 芯片 5402 和 ad50，下面就 这两块芯片进行介绍： (1)dsp 芯片 5402 图 2.1(a) 5402 管脚图 李新凯：基于 dsp 的 bios 模块设计实现 8 这里用到 5402，其晶体振荡器的频率为 10mhz,在接受输入和发送输 出的帧同步脉冲为高电平时，并且接收时钟和发送时钟到来，进行数据的 接受和发送，芯片主要是对数字信号处理的过程，对信号进行采样，处理 和分析。 (2) tlc320ad50c 图 2.1(b) ad50 管脚图 tlc320ad50c 集成了 16 位 a/ d、d/ a 转换器，采样速率最高可 达 22. 05kb/ s。在 tlc320ad50c 内部 dac 之前有插值滤波器， adc 之后有抽样滤波器，接收和发送可同时进行。tlc320ad50c 主机时钟信 号来源于外部，通过 mcl k 引脚输入。帧同步信号从内部产生，由 mcl k 导出，其频率由控制寄存器 4 设定。scl k 时钟可以由内部产生也可由 华东交通大学课程设计 9 外部输入，在内部产生时，其频率为帧同步信号频率的 256 倍。 tlc320ad50c 与外界串行通信可以分为首次通信和二次通信。在首 次通信中，有两种数据传送模式,16 位传送模式和 15+1 位传送模式，可通 过控制寄存器设定。省却情况下为 15+1 位传送模式。若采用 15+1 位传送 模式，其最低位 d0 为非数据位，输入 dac 数据的 d0 位为二次通信请求 位，输出 adc 数据的 d0 位为 m/ s 脚的状态位。 二次通信只有在发出请求时产生，当首次通信采用 15+1 位模式时， 可以用 d0 进行二次通信请求；当首次通信采用 16 位模式时，则必须由 fc 脚输入信号来产生二次通信请求。二次通信数据格式如图 2 所示，其 中 d7d0 为控制寄存器数据，d12d8 为控制寄存器地址，d13 = 1 为 读控制寄存器数据，d13 =0 对控制寄存器写数据。通过二次通信，可实现 tlc320ad50c 初始化和修改 tlc320ad50c 内部控制寄存器。 图 2.1(c)二次通信数据格式 (3)dsp 与 ad50 的连接 图 2.1(d)dsp 与 ad50 的硬件连接 李新凯：基于 dsp 的 bios 模块设计实现 10 2.2 系统设计 确定设计实现方案 器件的选择 原理图设计 制板与焊接 pcb 设计 硬件调试 图 2.2 系统设计流程图 第一步：方案的确定 硬件的实现方案的确定是在考虑系统性能指标、成本、算法需求、体 积和功耗核算等因素的基础上，选择系统的最优硬件实现方案，包括画出 硬件系统框图。 第二步：器件的选择。 一个 dsp 硬件系统除了 dsp 芯片外，还包括 adc、dac、存储器、 电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等基本部件。 dsp 芯片的选择：根据系统对运算量的需求来选择，此次我们选择的的是 tms320vc5402. adc 和 dac 的选择：a/d 转换器的选择应根据采样频率、精度等来 选型。d/a 转换器因根据信号频率、精度等来选择。此次我们选择的芯片 是 tlc320ad50cdw. 华东交通大学课程设计 11 逻辑控制器件的选择：系统的逻辑控制通常是用可编程逻辑器件来实 现。首先我们采用 cpld，芯片型号 altera epm7128slc84-15。 通信器件的选择。通常系统都要求有通信接口。首先要根据系统对通信速 率的要求来选择通信方式 第三步：原理图设计。 第一步和第二步的工作是完成系统的分析，从第三步进入系统的综合， 在所有的系统综合工作中，原理图设计是最关键一步，它关系到所设计的 dsp 系统是否正常工作。因此，在原理图设计阶段必须清楚的了解器件的 特性、使用的方法和系统的开发，必须时可对单元电路进行功能仿真。 原理图设计包括： 系统结构设计，可分为单 dsp 结构和多 dsp 结构、并行和串行结构、全 dsp 结构和 dsp/mcu 混合结构等； 模拟数字混合电路设计，主要用来实现 dsp 与模拟混合产品的无 缝连接，包括信号的调整、a/d 和 d/a 转换电路、数据缓冲等； 存储器的设计，是利用 dsp 的扩展接口进行数据存储器、程序存 储器和 i/o 空间的配置。在设计时要考虑存储映射地址、存储器 容量和存储器速度等； 通信接口的设计； 电源和时钟电路的设计； 控制电路的设计，包括状态控制、同步控制。 第四步：pcb 设计。 pcb 图的设计要求设计人员既要熟悉系统的工作原理，还要清楚布线 工艺和系统结构设计。 图 2.2 就是应用 protel 软件所画出的 pcb 图 李新凯：基于 dsp 的 bios 模块设计实现 12 图 2.2 pcb 图设计 第五步：制板与焊接 这一步主要过程是根据 pcb 图来制作 pcb 板，然后再将元器件一一 焊在板子。 第六步：硬件调试。 硬件调试的过程就是将制成的板子与仿真器连接一起进行仿真，看调 试结果是否与预期结果一致。 华东交通大学课程设计 13 第三章第三章 系统程序设计系统程序设计 3.1 系统程序设计流程图 图 3.1(a)系统程序设计流程图 图 3.1(b) dsp/bios 配置图 3.2 系统程序设计 第一步：进入 ccstudio 集成环境，新建一个工程文件，点击 project/new, 进入如下图所示环境，把工程命名为 bios_audio 即可。 第二步：进入 dsp/bios 组件管理器中进行 dsp 片上资源的设置，并将生 成的配置文件加到工程文件中去。点击 file/new/dsp/bios configuration 第三步：文件和一个空的主程序文件，需要加入 dsp/bios 运行支持库和 c 语言支持库。 第四步：编写主函数，实现所需要的功能，这一步是在上面框架下完善主 程序文件，将 cpu 初始化，将 csl 初始化，并使用 csl 的 api 函数完成 对串口的读写操作，完成后的工程文件如图所示。 创建工程 选择bios配置模板 配置.cdb数据库文件 编写主程序 李新凯：基于 dsp 的 bios 模块设计实现 14 3.3 软件程序流程图 图 3.3(a) 程序流程图 图 3.3(b) 语音通信的实现流程 调用csl_int() 完成dsp初始化 调用 csl_cfginit()完 成mcbsp初始化 调用 mcbsp_start0完 成ad50初始化 准备接收数 据？ 接收 发送数据 发送 y n n y 开始 语音通信的 dsp/bios 实现流程 1） dsp 初始化完成对系 统时钟和状态寄存器等的设置； 2）mcbsp 初始化完成对 mcbsp 相应寄存器的初始化； 3）调用 api 函数对 ad50 初始化 4）通过查询方式，完成对 数据的发送和接收。 华东交通大学课程设计 15 第四章第四章 系统调试系统调试 4.1 ccs 设置 第一步： 先在桌面上打开 setup ccs 2 (c5000)进入下图所示界面，点 击右边的“install a device driver” 。 图 4.1 setup ccs2(c5000)开始界面 2. 弹出对话框，在 ccs 的安装目录中找到 drivers 找到相应的设备。 图 4.2(a) select device driver file 对话框 李新凯：基于 dsp 的 bios 模块设计实现 16 图 4.2(b) device driver 属性设置 3.点击“ok”按钮，会发现在中的框中多了“tixds54x”这个设备，然后 点击“add to system” 出现“board properties”对话框。 图 4.3 board properties 对话框 4. 在 board 下面的下拉菜单中选择第二项“auto-generate board data file with extra configuratic” ，这里“configuratic file”变成可见， 点击“browse” 华东交通大学课程设计 17 图 4.4 打开所需文件 5.在 ccs 目录中的 bin 目录中找到 wintech.cfg 这个文件，选中打开，然 后点击“next”按钮。出现下面的对话框后，将 i/o port 的 value 改成 0x0。点击“next” 图 4.5 i/o 端口设置 6.选中”tms320c5400”点击旁边的“add single”按钮，在右边的框中 会出现“cpu_1” ，点击“next” 图 4.6 添加 single 李新凯：基于 dsp 的 bios 模块设计实现 18 7.在“startup gel”中点击右边的小按钮 图 4.7 startup gel 对话框 8.在打开对话框中选择需要的文件。 4.8 选择芯片 c5402 9.点“file”菜单中的“save”存盘，然后退出，弹出对话点击是，就会 启动 ccs 软件。 编译运行无误后，导入程序，最后点击全速运行，用一根数据线一端 插板子的 phone1 端，另外一端接电脑，再用一副耳机插入板子的 phone2, 看是否能够听到电脑里放的歌曲。 华东交通大学课程设计 19 4.2 调试遇到的问题及问题分析 (1)当板子上电后，电源指示灯不亮，板子不能够上电。 检查电源的三个角，发现两个接地的管脚虽然是短路的，但是之间 还是有压降的，解决方法将两个接地的管脚用一根线焊在一起发现上电后， 电源指示灯会亮，并且其他芯片的电压正常，板子可以上电了。 (2)按下复位键后，复位指示灯不亮，并且 u5 的一些管脚电压值不对。 这出现的问题是 cpld 芯片没有烧入程序进行，在实验室师兄的帮组 下，烧入程序后可以发现复位电路有用，并且复位指示灯也亮了。cpld 芯片的管脚电压值也恢复正常。 (3)下载不了程序进去。 这是整个课设中遇到的最大问题，一直没有解决，出现这个问题，我 估计原因有以下几点：dsp 芯片管脚焊接出现虚焊的问题；dsp 芯片有问 题，拿过来时就有问题；当用示波器观察晶振产生的波形，可以看到产生 的不是正弦波而是有失真，到 dsp 芯片输出也是一样的结果，但是频率为 10mhz 没有问题； (4)借用其他组的板子进行测试时，发现用耳机可以听到嘟嘟的声音，但是 听不到由电脑里放出的歌曲的声音。 出现这个问题，第一反应就是某些地方可能接触不良，后来发现是 cpld 芯片确实没有接触好，芯片和插槽之间没有接触好，当用手指按住 时可以听到歌曲声。 李新凯：基于 dsp 的 bios 模块设计实现 20 结结 束束 语语 这次课程设计主要是基于 dsp 的 bios 系统模块设计，主要是利用 tms320c54xdsp 来实现音频的输入输出，这和语音通信模块的实验结果 是一样的，都是在 phone1 输入音频信号，用耳机看能否在 phone2 端 能否收到这些音频信号。但是二者最大的不同之处在于：语音通信主要是 通过编程来实现的，而 dsp/bios 主要是通过 bios 这么一个操作系统来 完成的，可以发现用第二种方法程序明显少了许多，只有一个主函数 main(),然后通过调用 bios 里面的函数来实现各种功能，而语音通信主要 是通过编写一大堆程序来实现，麻烦而且易出错。一句话，dsp/bios 帮 组完成了各种进程间的管理，主函数 main 的作用被减弱，甚至可以为空 函数，但是不能不要。 虽然在本次课设过程中，虽然我们自己制作的板子没有出结果，但是 还是受益匪浅，首先，在整个买元器件，制板的过程中让我认识了很多元 器件，也让我见识了许多元器件，比如:贴片 led 灯，贴片晶振等，以前 只认为有贴片电阻，贴片电容，但是这次让我大开眼界啊。其次，在网上 买芯片的过程中，让我发现光知道芯片的形状不一定能够买到自己需要的 芯片，因为还需要知道芯片的封装，封装不同，用起来也不相同，另外， 型号有一个字母不同，其差别相差万里，不只是价格相差好大，而且用途 也非常大，例如在买芯片 tps767d318qpwprq1 时，一个字母 q 就相 差很大，有字母 q 的是军工专用，而且是耐高温的，没有的则是平常教学 用的。