PPT-07 第7章 TMS320DM642最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page1第7章TMS320DM642最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程掌握DSP最小系統(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計(jì)熟悉硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試技巧2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page2第7章TMS320DM642最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DSP應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程

7.1最小系統(tǒng)構(gòu)成

7.2電源設(shè)計(jì)

7.3系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)7.42023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page3第7章TMS320DM642最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

7.5JTAG仿真口的設(shè)計(jì)

7.6硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試技巧

7.72023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page47.1DSP應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page57.2最小系統(tǒng)構(gòu)成

DSP最小系統(tǒng)就是指沒(méi)有輸入擴(kuò)展、輸出擴(kuò)展，除了片內(nèi)通信通道也沒(méi)有通信擴(kuò)展的基本獨(dú)立的、功能極其有限的DSP系統(tǒng)。DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是DSP硬件設(shè)計(jì)中最基本也是最重要的一步，這是因?yàn)椋?）最小系統(tǒng)是DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)2)DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與DSP芯片結(jié)合的最緊密3）最小系統(tǒng)正常工作是整個(gè)DSP硬件系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page6最小系統(tǒng)構(gòu)成

2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page77.3電源設(shè)計(jì)

低功耗設(shè)計(jì)一直是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。為了降低芯片功耗，TI公司TMS320C6x系列DSP芯片采用了雙電源供電方案，即內(nèi)核電壓和I/O電壓。降低內(nèi)核電壓可以降低芯片運(yùn)行時(shí)的功耗。

2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page81供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TMS320C6x系列DSP芯片采用雙電源供電方案，即分為內(nèi)核電壓和I/O電壓。對(duì)于TMS320DM642而言，該芯片的電源分為兩種，即內(nèi)核電源（CVdd）和I/O電源（DVdd），其中I/O電源采用3.3V電壓，而TMS320DM642的不同后綴型號(hào)采用不同內(nèi)核電壓，通常采用線性穩(wěn)壓器件（LDO）產(chǎn)生電路系統(tǒng)的低壓電源，LDO器件具有較寬的電壓輸入范圍，通過(guò)其外圍電路分壓和濾波設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)期望的電壓。2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page92023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page101.TPS54310芯片供電設(shè)計(jì)

2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page11VIN為電壓輸入引腳，輸出電壓Vo由電阻R4和R5的阻值決定，如果電阻R3阻值已定，電阻R4、R5和輸出電壓Vo之間滿足關(guān)系式R4=(R5x0.891)/(Vo-0.891）。通過(guò)兩片TPS54310芯片分別提供+1.4V和+3.3V電壓，若電阻R5阻值為10kΩ，通過(guò)調(diào)節(jié)R4產(chǎn)生+1.4V和+3.3V電壓，根據(jù)R4、R5和Vo之間的關(guān)系，當(dāng)R4=17.5kΩ時(shí)，Vo=1.4V；當(dāng)R4=3.74kΩ時(shí)，Vo=3.3V。2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page12為保證輸出電壓Vo的穩(wěn)定性，電路中使用的電阻為精密電阻。在設(shè)計(jì)+1.4V和+3.3V電源時(shí)需要注意，DM642的內(nèi)核電源要先于數(shù)字電源上電，提供+1.4V電壓的TPS54310芯片PWRGD引腳要與提供+3.3V電壓的TPS54310芯片SS/ENA引腳連接在一起，從保證兩路電源上電時(shí)存在先后順序。

2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page13同時(shí)，制作PCB電路板時(shí)一定要考慮模擬地AGND和電源地（PGND）隔離，防止地線干擾造成輸出電壓不穩(wěn)定，另外，POWERPAD一定要和AGND相連，還要注意輸入濾波電容和輸出濾波電容要盡可能靠近芯片管腳處。電路板最好至少設(shè)置為2層板。

2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page142.PT64xx電源模塊供電設(shè)計(jì)2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page15PT64xx的引腳非常簡(jiǎn)單，第一引腳為定位腳，第2~4引腳為輸入電壓，第5~8引腳為地，第9~11引腳為輸出電壓，第12引腳為調(diào)節(jié)輸出電壓引腳。如果使用電源的默認(rèn)輸出電壓，則無(wú)需使用第12引腳。調(diào)節(jié)電阻需要非標(biāo)準(zhǔn)值的高精度電阻。調(diào)節(jié)電阻的計(jì)算公式為其中，Vn為新的輸出電壓值，Vo為原始的輸出電壓值，計(jì)算后電阻的單位為kΩ。

2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page162023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page173.PTH0505W電源模塊供電設(shè)計(jì)PTH0505W是TI公司推出的PTH電源模塊系列的第二代高效能非隔離式電源模塊。它的輸入電壓是5V，輸出電流可達(dá)6A，效率可以達(dá)到95%，僅通過(guò)一個(gè)外接的電阻即可調(diào)節(jié)輸出電壓，調(diào)節(jié)的范圍為0.8V—3.6V，電阻值可以按下式計(jì)算。2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page182023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page192上電次序設(shè)計(jì)

由于要采用兩套供電系統(tǒng)，需要考慮的一個(gè)問(wèn)題是上電次序。在上電過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)保證內(nèi)核電源（CVdd）先上電，最晚也要與I/O電源（DVdd）一起加。關(guān)閉電源時(shí)，先關(guān)閉DVdd，再關(guān)閉CVdd。當(dāng)然，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是很難達(dá)到上電次序要求的。通常DVdd先上電時(shí)，必須保證在整個(gè)上電過(guò)程中，DVdd不會(huì)超過(guò)CVdd2V，而且整個(gè)上電過(guò)程必須在25ms內(nèi)完成。

要求上電次序的原因：如果內(nèi)核已經(jīng)供電，周邊I/O沒(méi)有供電，對(duì)于DSP來(lái)說(shuō)是沒(méi)有問(wèn)題的。反之，周邊I/O已經(jīng)供電，內(nèi)核沒(méi)有供電，那么芯片緩沖/驅(qū)動(dòng)部分的三極管將處在一個(gè)未知狀態(tài)，對(duì)于DSP來(lái)說(shuō)將是非常危險(xiǎn)的。硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須增加安全保障部分，2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page207.4系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)

為了確保DSP系統(tǒng)在上電后能夠產(chǎn)生DSP芯片所需求復(fù)位脈沖，正確地初始化各內(nèi)部寄存器，同時(shí)也保證其外圍芯片電路的正常初始化，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的復(fù)位電路。為了克服系統(tǒng)死機(jī)或程序“跑飛”現(xiàn)象，最有效的保護(hù)措施是采用“看門狗”（WatchDog）電路。2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page211復(fù)位與電源監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)要求是，在系統(tǒng)上電后，提供一個(gè)150~200ms的復(fù)位脈沖。注意在系統(tǒng)中對(duì)低脈沖寬度和電平由低到高的時(shí)間都有比較嚴(yán)格的要求，所以不建議使用RC復(fù)位電路。

在雙電源供電系統(tǒng)中，一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法就是設(shè)計(jì)兩個(gè)電源監(jiān)測(cè)器，分別檢測(cè)內(nèi)核電壓和I/O電壓。另外一種方法是采用TPS3707-18芯片同時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)核電壓1.4V和I/O電壓3.3V。

2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page222023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page232看門狗電路設(shè)計(jì)

由于DSP系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率較高，在運(yùn)行時(shí)會(huì)不可避免地發(fā)生干擾現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)死機(jī)或程序運(yùn)行紊亂“跑飛”現(xiàn)象。為了克服這種情況，除了在軟件上采取一些必要的保護(hù)措施外，硬件上也必須進(jìn)行相應(yīng)的處理。硬件上最有效的保護(hù)措施是采用“看門狗”（WatchDog）電路。

2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page24“看門狗”電路是具有監(jiān)視功能的自動(dòng)復(fù)位電路，這種電路除了具有上電復(fù)位功能外，還具有監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行的功能，并能在系統(tǒng)發(fā)生故障或死機(jī)時(shí)再次進(jìn)行復(fù)位。例如MAX706是MAXIM司的常用的一款專門提供“看門狗”功能的芯片。2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page25MAX706的第1腳是手動(dòng)復(fù)位引腳，通過(guò)一個(gè)電阻連接到電源Vcc，再通過(guò)個(gè)按鍵連接到地，通常情況下為高電平。當(dāng)按鍵按下時(shí)，該引腳由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，引起MAX706動(dòng)作，從而使DSP芯片復(fù)位。MAX706的第4腳PFI和第5腳是低電源監(jiān)控引腳，如果Vcc低于1.25V，MAX706將自動(dòng)復(fù)位，如果不使用電源監(jiān)控功能，則PFI直接接地，懸空。

2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page26如果使用電源監(jiān)控功能，則該引腳連接到VCC。MAX706的第6腳WDI和DSP的I/O引腳連接，DSP的I/O引腳每隔一定的時(shí)間輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，MAX706收到此脈沖信號(hào)將其內(nèi)部的WatchDog清0，如果DSP出現(xiàn)程序“跑飛”，MAX706將長(zhǎng)時(shí)間收不到此脈沖信號(hào)，一旦超過(guò)1.6s,MAX706將自動(dòng)復(fù)位DSP，DSP的程序?qū)⒅匦聢?zhí)行。MAX706的第7腳RESET上是電復(fù)位引腳，可以接到DSP的引腳；MAX706的第8腳為復(fù)位輸出引腳，連接到DSP的引腳。2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page277.5時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

任何DSP系統(tǒng)都需要在時(shí)鐘的控制下工作，DSP的工作時(shí)鐘不僅僅與外部晶振頻率有關(guān)，還與DSP芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)（PLL）倍頻密切相關(guān)。2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page281外部晶振輸入電路

2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page292鎖相環(huán)（PLL）倍頻

倍頻是指在外部晶振的基礎(chǔ)上乘以設(shè)定的倍數(shù)。C64xDSP內(nèi)部時(shí)鐘來(lái)自CLKIN引腳的單個(gè)時(shí)鐘源。這個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)PLL，乘以倍頻因子產(chǎn)生內(nèi)部CPU時(shí)鐘或者直接通過(guò)PLL產(chǎn)生內(nèi)部CPU時(shí)鐘。

DSP有一組引腳，可以用來(lái)調(diào)整DSP工作頻率的高低，并由這些引腳的狀態(tài)來(lái)決定DSP內(nèi)部倍頻的大小。

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為了使用PLL產(chǎn)生CPU時(shí)鐘，外部的PLL濾波電路必須設(shè)計(jì)好。要得到時(shí)鐘抖動(dòng)最小，必須有干凈的電源為C64xDSP和外部的晶振電路供電。最小的CLKIN上升和下降時(shí)間也要考慮。當(dāng)設(shè)計(jì)PLL電路時(shí)，盡管精度為5%的電阻也能工作，但是建議使用精度為1%的電阻。另外，應(yīng)該使用精度為10%的陶瓷電容，因?yàn)槠渚哂械碗姼械膬?yōu)點(diǎn)。

2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page31盡量把PLL外部元件（C1,C2,和EMI濾波器）靠近DSP。為了得到最好性能，TI推薦所有的PLL外部元件放在板子的一側(cè)，并且不要用跳線帽，開(kāi)關(guān)或者類似的元器件。為了減小PLL的抖動(dòng)，信號(hào)線和PLL外部元件（C1，C2和EMI濾波器）之間應(yīng)該保留最大的空間。2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page322023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page33ICS501是一款高效的倍頻芯片，它的主要特點(diǎn)是：外接晶振的頻率范圍是5～27MHz，通過(guò)內(nèi)部的鎖相環(huán)PLL技術(shù)，可有9種工作方式。系統(tǒng)利用外部的25M有源晶振作為ICS501的輸入，一部分ICS501倍頻至50MHz，然后提供給DM642，DM642再利用片內(nèi)鎖相環(huán)PLL倍頻至600MHz；另一部分ICS501倍頻至100MHz后，直接提供給DM642的EMIF。2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page347.6

JTAG仿真口的設(shè)計(jì)

TMS320C6x系列DSP都集成了JTAG控制端口。JTAG(JointTestActionGroup，仿真測(cè)試引腳接口）是基于IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的一種邊界掃描測(cè)試方式（Boundary-ScanTest）。結(jié)合仿真器和仿真軟件（Emulator），可以訪問(wèn)DSP的所有資源，包括片內(nèi)寄存器以及所有的存儲(chǔ)器，從而提供了一個(gè)實(shí)時(shí)的硬件仿真與調(diào)試環(huán)境，便于開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行系統(tǒng)軟件調(diào)試。2023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page352023/2/4機(jī)械工業(yè)出版社Page362023/2/4機(jī)械工業(yè)