流水燈實習報告

1概述1.1DSP介紹數字信號處理(DigitalSignalProcessing，簡稱DSP)是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術的飛速開展，數字信號處理技術應運而生并得到迅速的開展。數字信號處理是一種通過使用數學技巧執(zhí)行轉換或提取信息，來處理現實信號的方法，這些信號由數字序列表示。在過去的二十多年時間里，數字信號處理已經在通信等領域得到極為廣泛的應用。德州儀器、Freescale等半導體廠商在這一領域擁有很強的實力。DSP(digitalsignalprocessor)是一種獨特的微處理器，是以數字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或l的數字信號。再對數字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。DSP微處理器〔芯片〕一般具有如下主要特點：(1)在一個指令周期內可完成一玖乘法和一次加法；(2)程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據；(3)片內具有快速RAM，通常可通過獨立的數據總線在兩塊中同時訪問；(4)具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉的硬件支持；(5)快速的中斷處理和硬件1/0支持；(6)具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器；(7)可以并行執(zhí)行多個操作；(8)支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以熏疊執(zhí)行。1.2DSP芯片的分類DSP芯片可以按照以下三種方式進行分類。1．按根底特性分這是根據DSP芯片的工作時鐘和指令類型來分類的。如果在某時鐘頻率范圍內的任何時鐘頻率上，DSP芯片都能正常工作，除計算速度有變化外，沒有性能的下降，這類DSP芯片一般稱為靜態(tài)DSP芯片。例如，日本OKI電氣公司的DSP芯片、TI公司的TMS320C2XX系列芯片屬于這一類。如果有兩種或兩種以上的DSP芯片，它們的指令集和相應的機器代碼機管腳結構相互兼容，那么這類DSP芯片稱為一致性DSP芯片。例如，美國TI公司的TMS320C54X就屬于這一類。2．按數據格式分這是根據DSP芯片工作的數據格式來分類的。數據以定點格式工作的DSP芯片稱為定點DSP芯片，如TI公司的TMS320C1X/C2X、TMS320C2XX/C5X、TMS320C54X/C62XX系列，AD公司的ADSP21XX系列，AT&T公司的DSP16/16A，Motolora公司的MC56000等。以浮點格式工作的稱為浮點DSP芯片，如TI公司的TMS320C3X/C4X/C8X，AD公司的ADSP21XXX系列，AT&T公司的DSP32/32C，Motolora公司的MC96002等。不同浮點DSP芯片所采用的浮點格式不完全一樣，有的DSP芯片采用自定義的浮點格式，如TMS320C3X，而有的DSP芯片那么采用IEEE的標準浮點格式，如Motorola公司的MC96002、FUJITSU公司的MB86232和ZORAN公司的ZR35325等。3．按用途分按照DSP的用途來分，可分為通用型DSP芯片和專用型DSP芯片。通用型DSP芯片適合普通的DSP應用，如TI公司的一系列DSP芯片屬于通用型DSP芯片。專用DSP芯片是為特定的DSP運算而設計的，更適合特殊的運算，如數字濾波、卷積和FFT，如Motorola公司的DSP56200，Zoran公司的ZR34881，Inmos公司的IMSA100等就屬于專用型DSP芯片。1.3DSP的應用：(1)語音處理：語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、語音郵件、語音儲存等。(2)圖像／圖形：二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像識別、動畫、機器人視覺、多媒體、電子地圖、圖像增強等。軍事、保密通信、雷達處理、聲吶處理、導航、全球定位、跳頻電臺、搜索和反搜索等。(3)儀器儀表：頻譜分析、函數發(fā)生、數據采集、地震處理等。(4)自動控制：控制、深空作業(yè)、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制等。(5)醫(yī)療：助聽、超聲設備、診斷工具、病人監(jiān)護、心電圖等。(6)家用電器：數字音響、數字電視、可視、音樂合成、音調控制、玩具與游戲等。(7)生物醫(yī)學信號處理舉例：CT:計算機X射線斷層攝影裝置?！财渲袆?chuàng)造頭顱CT英國EMI公司的豪斯菲爾德獲諾貝爾獎?！矯AT：計算機X射線空間重建裝置。出現全身掃描，心臟活動立體圖形，腦腫瘤異物，人體軀干圖像重建。隨著DSP芯片性能價格比的不斷提高，可以預見DSP芯片將會在更多的領域內得到更為廣泛的應用。數字信號處理的目的是對真實世界的連續(xù)模擬信號進行測量或濾波。因此在進行數字信號處理之前需要將信號從模擬域轉換到數字域，這通常通過模數轉換器實現。而數字信號處理的輸出經常也要變換到模擬域，這是通過數模轉換器實現的。數字信號處理的算法需要利用計算機或專用處理設備如DSP和專用集成電路〔ASIC〕等。數字信號處理的研究方向應該更加廣泛、更加深入．特別是對于譜分析的本質研究，對于非平穩(wěn)和非高斯隨機信號的研究，對于多維信號處理的研究等，都具有廣闊前景。數字信號處理技術開展很快、應用很廣、成果很多。多數科學和工程中遇到的是模擬信號。以前都是研究模擬信號處理的理論和實現。模擬信號處理缺點：難以做到高精度，受環(huán)境影響較大，可靠性差，且不靈活等。數字系統(tǒng)的優(yōu)點：體積小、功耗低、精度高、可靠性高、靈活性大、易于大規(guī)模集成、可進行二維與多維處理。隨著大規(guī)模集成電路以及數字計算機的飛速開展，加之從60年代末以來數字信號處理理論和技術的成熟和完善，用數字方法來處理信號，即數字信號處理，已逐漸取代模擬信號處理。數字信號處理是利用計算機或專用處理設備，以數字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們所需要的信號形式。數字信號處理是將信號以數字方式表示并處理的理論和技術。數字信號處理與模擬信號處理是信號處理的子集。數字信號處理技術及設備具有靈活、精確、抗干擾強、設備尺寸小、造價低、速度快等突出優(yōu)點，這些都是模擬信號處理技術與設備所無法比較的。數字信號處理是20世紀60年代，隨著信息學科和計算機學科的高速開展而迅速開展起來的一門新興學科。它的重要性日益在各個領域的應用中表現出來。

其主要標志是兩項重大進展，即快速傅里葉變換(FFT)算法的提出和數字濾波器設計方法的完善。數字信號處理是把信號用數字或符號表示成序列，通過計算機或通用〔專用〕信號處理設備，用數值計算方法進行各種處理，到達提取有用信息便于應用的目的。例如：濾波、檢測、變換、增強、估計、識別、參數提取、頻譜分析等。1.4問題描述輸入輸出端口(1/0)是DSP芯片內部電路與外部世界交換信息的通道。輸入端口負責從外界接收檢測信號．鍵盤信號等各種開關量信弓；輸出端口負責向外界輸送有內部電路產生的處理結果．顯示信息，控制命令．驅動信號。使用中斷和定時器延時循環(huán)程序，設計DSP的流水燈控制器，在事件管理器中應用EV中斷。2TMS320C54X2.1DSP54X簡介TMS320C54X是TI公司為實現低功耗、高速實時信號處理而專門設計的16位定點數字信號處理器，采用改良的哈佛結構，具有高速的操作靈活性和運行速度，適用于遠程通信等實時嵌入式應用需要，現已廣泛地應用于無線電通信系統(tǒng)中。TMS320C54X具有的主要優(yōu)點如下：⑴圍繞1組程序總線、3組數據總線和4組地址總線而建立的改良哈佛結構，提高了系統(tǒng)的多功能性和操作的靈活性；⑵具有高度并行性和專用硬件邏輯的CPU設計，提高了芯片的性能；⑶具有完善的尋址方式和高度專業(yè)化指令系統(tǒng)，更適應于快速算法的實現和高度語言編程的優(yōu)化；⑷模塊化結構設計，使派生器件得到了更快的開展；⑸采用先進的IC制造工藝，降低了芯片的功耗，提高了芯片的性能；⑹采用先進的靜態(tài)設計技術，進一步降低功耗，使芯片具有更強的應用能力。TMS320C54X系列DSP芯片種類很多，但結構根本相同,主要由中央處理器CPU、內部總線控制、特殊功能存放器、數據存儲器RAM、程序存儲器ROM、I/O接口擴展功能、串行口、主要通信接口HPI、定時器、中斷系統(tǒng)等10個局部組成。54X開發(fā)板分為TI2000-011DSP54X增強型、DSP54X+CPLD開發(fā)板、SHX-DSP54X開發(fā)板。引DSP54X+CPLD開發(fā)板套件是一套基TMS320C54X+EPM240的DSP+CPLD的學習開發(fā)平臺，充分發(fā)揮DSP54X和ALTERAMAXII的靈活性和功能強大，用戶手冊詳實易懂，大量源碼輕松上手〔分DSP和CPLD兩局部〕，我們?yōu)橛脩籼峁┮粋€完整的IP核通過CPLD進行系統(tǒng)資源分配，用戶可以根據需要進行裁剪或追加功能。由于我們的外設都是通過CPLD連接與DSP連接進行電平轉換、隔離和總線。仲裁等先進技術，所以使用極為方便靈活、簡潔、并且運行及其穩(wěn)定。這種結構可以充分利用了CPLD的靈活性和功能強大的IP核進行功能更強的系統(tǒng)應用。是初學者和從事開發(fā)的科研工作者學習5416和CPLD的首選之品。本開發(fā)板供初學者學習使用，也可作為系統(tǒng)板嵌入到用戶的產品供用戶進行二次開發(fā)以便縮短產品開發(fā)周期。SHX-DSP5416A開發(fā)板是DSP5416系列產品中的重要一員。它的最大優(yōu)點是直觀簡單明了，極為適于初學者。此棋板采用統(tǒng)一的系統(tǒng)結構、模塊結構和機械結構，以多種典型DSP處理器構成的DSP根本系統(tǒng)、標準總線和相同物理尺寸的DSP嵌入式控制模板，將5416的功能發(fā)揮的淋漓盡致，為學習者提供了強大、有效的學習平臺。用戶手冊詳實易懂，大量源碼輕松上手〔分DSP和CPLD兩局部〕，我們?yōu)橛脩籼峁┮粋€完整的IP核通過CPLD進行系統(tǒng)資源分配，用戶可以根據需要進行裁剪或追加功能。2.2DSP54X事件管理器模塊2.2.1事件管理器的引腳說明表1事件管理器的引腳事件管理器A的引腳事件管理器A的引腳引腳名稱描述引腳名稱描述CAP1/QEP1捕獲單元1輸入，QEP電路輸入1CAP4/QEP3捕獲單元4輸入，QEP電路輸入3CAP2/QEP2捕獲單元2輸入，QEP電路輸入2CAP5/QEP4捕獲單元5輸入，QEP電路輸入4CAP3捕獲單元3輸入CAP6捕獲單元6輸入PWM1比較單元1輸出1PWM7比較單元4輸出1PWM2比較單元1輸出2PWM8比較單元4輸出2PWM3比較單元2輸出1PWM9比較單元5輸出1PWM4比較單元2輸出2PWM10比較單元5輸出2PWM5比較單元3輸出1PWM11比較單元6輸出1PWM6比較單元3輸出2PWM12比較單元6輸出2T1CMP/T1PWM定時器1比較/PWM輸出T3CMP/T3PWM定時器3比較/PWM輸出T2CMP/T2PWM定時器2比較/PWM輸出T4CMP/T4PWM定時器4比較/PWM輸出TLCKINAEVA定時器的外部時鐘輸入TLCKINBEVB定時器的外部時鐘輸入TDIRAEVA定時器的計數方向輸入TDIRBEVB定時器的計數方向輸入2.2.2EV中斷事件管理器中斷總共分三組,每組均分別配一個CPU申斷(INT2、3和4)。因為每組中斷均有多個中斷源所以CPU中斷請求通過外設中斷擴展控制器(PIE)模塊來處理。中斷請求有以下幾個響應階段(1)中斷源。如果外設中斷發(fā)生EVxIFRA、EVxIFRB、或EVxIFRC(x=A或B)相應標志位被置l。(2)中斷使能。事件管理器中斷可以分別由存放器EVxIMRA、EVxIMRB或EVxIMRC(x=A或B)來使能或禁止。(3)PIE請求。如果中斷標志位和中斷屏蔽位被置l那么外設會向PIE模塊發(fā)送一個外設中斷請求。(4)CPU響應。CPU接收到中斷后IFR響應的位被置l并相應中斷。CPU響應中斷后中斷響應被軟件控制。(5)PIE響應。PIE使用中斷向量更新PIVR存放器。(6)中斷軟件。中斷軟件有兩級響應包括GISR和SISR。2.2.3定時器每個時間管理模塊有兩個通用定時器(GP)每個定時器有四種可選操作模式(1)停止保持模式此模式操作停止并保持其當前狀態(tài)定時器的計數器比較輸出和預定計數器多保持不變。(2)連續(xù)遞增計數模式此模式GP將按照已定標的輸入時鐘計數直到定時器計數器的值和周期存儲器的值匹配為止。(3)定向增減技術模式此模式定時器將根據TDIRA/B引腳的輸入對定時器的時鐘進行遞增和遞減計數。(4)連續(xù)增減技術模式此模式與定向的增減模式一樣但是在本模式下引腳TDIRA/B的狀態(tài)對計數的方向沒有影響。2.2.4比較單元表2比較單元EVA模塊EVB模塊設置T1PR設置T2PR設置ACTRA設置ACTRB設置COMCONA設置COMCONB初始化CMPRx初始化CMPRx設置T1CON設置T3CON3整體設計原理3.1要求通過對DSP結構、原理及應用的學習。在初步了解DSP結構和原理的根底上，進行簡單的應用實驗，掌握DSP的根本應用。通過熟悉DSP模板的內部結構以及CCS軟件，掌握DSP5416的匯編語言編程和調試方法，了解DSP的指令和I/O端口的存放器的配置，并結合DSP實驗模板對DSP進行編程控制數字輸入/輸出端口點亮LED顯示管。實驗的具體要求如下：了解串行口8位LED數碼管及64鍵盤智能控制芯片7279A的根本原理；學習用TMS320C54XDSP芯片控制HD7279A鍵盤和LED的根本方法和步驟；實現LED顯示管的循環(huán)顯示：先第1個LED亮，然后是第2個LED亮，第3個LED顯示管亮。第4個燈亮。如此循環(huán)顯示。3.2實驗設備計算機，CCS5.0版軟件，DSP仿真器，實驗箱3.3實驗芯片介紹⑴HD7279A芯片該芯片是一片具有串行接口的，可同時驅動8位共陰式數碼管或64只獨立LED的智能顯示驅動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示，鍵盤接口的全部功能，HD7279A內部含有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進制碼，并同時具有2種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。HD7279A具有片選信號，可方便地實現多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。3.4根本原理指導實驗的根本理論是DSP的數字I/O端口以及其存放器的配置。通過對這些理論的掌握和運用，到達了解和熟悉一般DSP數字I/O的知識?！?〕數字I/O端口TMS320C54X系列有兩個通用、雙向的數字I/O〔GPIO〕引腳，分別是XF外部標志輸出信號和BIO控制分支轉移的輸入信號，XF主要用于程序向外設傳輸標志信息，BIO用來監(jiān)測外部設備的運動狀態(tài)。TMS320C54X系列的大多數都可以用來實現其他功能。數字I/O端口模塊采用了一種靈活的方法，以控制專用I/O和復用I/O引腳的功能，所有I/O和復用引腳的功能可以通過9個16位控制存放器來設置，這些存放器可以分為兩類：I/O口復用控制存放器〔MCRx〕：用來控制選擇I/O引腳作為根本功能或一般I/O引腳功能。數據和方向控制存放器〔PxDATDIR〕：當I/O引腳作為一般I/O引腳功能時，用數據和方向控制存放器可控制數據和I/O引腳的數據方向，這些存放器直接和I/O引腳相連?！?〕數字I/O端口存放器圖1給出了TMS320C54X系列I/O端口復用引腳配置簡圖，從圖上可以看出一些存放器單元的配置對應于實際I/O引腳的內部結構之間的聯系。圖1復用引腳配置圖表3中所列的是數字I/O模塊可用的存放器單元，和其他C54X系列外設一樣，這些存放器被存儲器映射到數據空間，TMS320C54X的地址總線有16~23條，如5402芯片共有20根，最多可以擴展1兆字外部程序存儲空間，其中高4位地址線〔A19~A16〕受XPC存放器控制。存放器單元中保存的位所是無效的，讀時為0，寫對它無影響。表3外部擴展存放器的地址及說明分類名稱地址〔I/O空間〕說明存儲器控制存放器Port00000h@IO存儲器控制存放器看門狗Port10001h@IO看門狗控制存放器A/DPort20002h@IOA/D數據存放器A/DPort30003h@IOA/D通道選擇存放器A/DPort40004h@IOA/D采集控制存放器D/APort10001000h@IODA通道1數據存放器D/APort10011001h@IODA通道2數據存放器D/APort10021002h@IODA通道3數據存放器D/APort10031003h@IODA通道4數據存放器D/APort10041004h@IODA控制存放器USER-LEDPort30023002h@IOLED0..LED7控制存放器USER-SWPort30033003h@IOSW0..SW7控制存放器中斷控制存放器Port30043004h@IO中斷控制存放器串口控制存放器Port20002000h@IORBR/THR/DLLPort20012001h@IOIER/DLMPort20022002h@IOIIR/FCRPort20032003h@IOLCRPort20042004h@IOMCRPort20052005h@IOLSRPort20062006h@IOMSRPort20072007h@IOSCRDSP的I/O口數據和方向存放器。TMS320C5416系列總共有6個數據和方向控制存放器〔PxDATADIR〕，當I/O口用作一般I/O引腳功能時,用數據和方向控制存放器，可控制數據和到雙向I/O引腳的數據方向。這些存放器直接和雙向I/O引腳相連。當I/O用作根本功能時，這些存放器的設置對相應的引腳無影響。在實時控制系統(tǒng)中，當執(zhí)行對時間要求很嚴格的循環(huán)程序時，往往不允許外部中斷干預，此時，可以用BIO引腳替代中斷與外設連接，通過查詢此引腳的狀態(tài)控制程序的流向，以防止中斷引起的失控現象。XF引腳可通過對狀態(tài)存放器ST1中的XF位的置位或復位，使該引腳輸出高電平或低電平，從而控制外設工作。通過指令對XF引腳的置位和復位，CPU可向外部設備發(fā)出1和0信號，控制外部工作。4硬件電路設計與軟件設計4.1硬件原理圖及說明⑴供電電路圖2硬件供電電路圖5416開發(fā)板即可使用獨立的5V/1A開關電源供電，也可使用USB線直接供電，使用方便。電路局部的1117輸出所接的100UF/16V的電容不能省略，這樣更好的保證電壓的穩(wěn)定。⑵顯示電路根據TMS320C5416的數字I/O口復用存放器和數據、方向存放器，可應用到LED顯示管的點亮上。因為用發(fā)光二極管作為指示是控制系統(tǒng)中常用的方法。而且接口電路簡單，編程方便而且直觀。設計的電路圖如圖3所示。圖3TMS320C5416與LED顯示管相連⑶LED與按鍵電路圖4LED與按鍵電路圖⑷SCI串口通訊電路圖5SCI串口通訊電路圖⑸CAN通訊接口電路圖6CAN通訊接口電路圖4.2軟件設計及說明這里用軟件延時的方法來調整發(fā)光二極管的延時時間間隔。當發(fā)光二極管被點亮之后，通過改變端口的數據輸出，到達點亮不同的LED顯示管的目的。實驗要求實現LED顯示管的循環(huán)顯示：先第1個LED亮，然后是第2個LED亮，第3個LED顯示管亮。第4個燈亮。如此循環(huán)顯示。在給端口賦初值為00000001后，其高8位為00000000；主要是對低8位進行操作。通過對低8位左移一位再與00000001相或，得到的值通過端口輸出，便可以完成00000001