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DSP结课论文

DSP芯片原理及应用

结课论文

摘要

DSP技术已成为目前电子工业领域发展最迅速的技术，在各行各业的应用越来越广泛，在我国的市场全景也越来越广阔，了解和学习DSP技术知识也越来越重要。

本文简要介绍了本学期我们进行学习的DSP芯片原理及应用这门课的教学内容、基于DSP数字广告大屏幕显示系统的具体设计、基于DSP的卷积算法的实现以及DSP的应用等几个方面。

对于基于DSP数字广告大屏幕显示系统的具体设计，下文从LED显示屏屏体电路和LED显示屏主控系统两个方面对整个系统的硬件设计作了说明。

在屏体电路设计方面，介绍了屏体模块化设计的方法，针对系统具体指标要求，采用了行扫描列控制的动态扫描方案，给出了具体的行列驱动电路设计方法。

在主控系统设计方面，对基于TMS320LF2407的主控系统各个模块，包括电源模块、串行通信模块、信息存储模块、汉字库模块、外部存储器模块作了详细的阐述，说明了设计原理、实现方法。

对于基于DSP的卷积算法的实现，首先要对数字卷积的基本概念作深入了解，使大家从根本上掌握卷积的实现方法，文中将以模拟信号的卷积和数字信号的卷积为主，以及他们在DSP上的实现方法。

关键词：

DSP，LED显示屏，窗函数法设计卷积算法，数据调制解调器，

图形图象处理磁盘

一、课程总结

这学期我们开设了DSP芯片原理及应用这门课，主要从以下几个方面了解和掌握了TMS320C55xDSP系统应用设计的主要内容和具体方法：

1.DSP芯片的发展历史

1.1第一阶段，DSP的雏形阶段（1980年前后）

1978年，AMI公司生产出第一片DSP芯片S2811；

1979年，美国Intel公司推出商用可编程器件DSP芯片Intel2920；

1980年，日本NEC公司推出μPD7720，第一片具有乘法器的商用DSP芯片；

1982年，TI公司成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17,日本Hitachi公司第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片；

1983年，日本Fujitsu公司推出的MB8764，指令周期为120ns，具有双内部总线，使数据吞吐量发生了一个大的飞跃；

1984年，AT&T公司推出DSP32，是较早的具备较高性能的浮点DSP芯片

1.2第二阶段，DSP的成熟阶段（1990年前后）

硬件结构：

更适合数字信号处理的要求，能进行硬件乘法和单指令滤波处理，其单指令周期为ns。

如：

TI公司的TMS320C20和TMS320C30，CMOS制造工艺，存储容量和运算速度成倍提高，为语音处理、图像处理技术的发展奠定了基础。

主要器件有：

TI公司的TMS320C20、30、40、50系列，Motorola公司的DSP5600、9600系列，AT&T公司的DSP32等。

1.3第三阶段，DSP的完善阶段（2000年以后）

信号处理能力更加完善，而且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降；

各种通用外设集成到片上，大大地提高了数字信号处理能力；

DSP运算速度可达到单指令周期10ns左右，可在Windows下用C语言编程，使用方便灵活；

广泛应用：

通信、计算机领域，并渗透到日常消费领域。

2.主要芯片种类

2.1TI公司的DSP芯片

TI公司常用的DSP芯片可以归纳为三大系列：

（1）TMS320C2000系列，称为DSP控制器，集成了flash存储器、高速A/D转换器以及可靠的CAN模块及数字马达控制的外围模块，适用于三相电动机、变频器等高速实时工控产品等需要数字化的控制领域。

（2）TMS320C5000系列，这是16位定点DSP。

主要用于通信领域，如IP电话机和IP电话网关、数字式助听器、便携式声音/数据/视频产品、调制解调器、手机和移动电话基站。

（3）TMS320C6000系列DSP采用新的超长指令字结构设计芯片。

2.2AD公司的DSP芯片

特点：

系统时钟一般不经分频直接使用。

2.3AT&T公司的DSP芯片

定点DSP芯片的程序和数据字长均为16位，有2个精度为36位的累加器，

浮点DSP芯片，80/100ns的指令周期，片内具有3个512字的RAM块，或2个512字的RAM块加1个4K字的ROM块。

3.TMS320C55x的硬件结构

3.1TMS320C55xDSP的基本结构

TMS320C55x在C54x的基础上发展起来的新一代低功耗、高性能数字信号处理器。

（1）软件具有C54兼容模式。

（2）工作时钟大大超过了C54x系列处理器，

（3）CPU内部通过增加功能单元增强了DSP的运算能力

3.2VC5509A的引脚功能

3.2.1并行总线引脚

并行总线A13～A0直接与外部引脚相连，这14个引脚可以完成以下三个功能：

HPI地址总线（HPI.HA[13:

0]）、

EMIF地址总线（EMIF.A[13:

0]）

通用输入/输出（GPIO.A[13:

0]）。

这三个功能可以通过外部总线选择寄存器（EBSR）中的并行端口模式字段来设置，这些引脚的初始状态由GPIO0引脚决定。

并行双向数据总线D15～D0完成两个功能：

（1）EMIF数据总线（EMIF.D[15:

0]）

（2）HPI数据总线HPI.HD[15:

0]

同样，这两个功能可以通过外部总线选择寄存器EBSR中的并行端口模式位域来设置，这些引脚的初始状态由GPIO0引脚决定。

4.TMS320C55x的指令系统

C55x处理器的指令系统可以分为6大类，包括算术运算指令、位操作指令、扩展辅助寄存器操作指令、逻辑运算指令、移动指令和程序控制指令等。

而介绍的内容包括指令格式，执行的操作，是否有并行使能位，长度，周期，在流水线上的执行阶段以及执行的功能单元等。

4.1寻址方式

寻址方式是指如何指定指令和操作数所在存储空间的地址。

C55xDSP支持三种寻址模式，可以高效、灵活地对数据空间、存储映射寄存器、寄存器位和I/O空间进行寻址，它们是：

（1）绝对寻址模式；

（2）直接寻址模式；

（3）间接寻址模式。

4.1.1绝对寻址模式

绝对寻址模式有三种，它们分别是：

k16绝对寻址、k23绝对寻址和I/O绝对寻址。

k16绝对寻址：

使用该模式寻址的指令其操作数为*abs16（#k16），其中k16是一个16位的无符号常数。

寻址方法是将7位的寄存器DPH（扩展数据页指针XDP的高位部分）和k16级联形成一个23位的地址，用于对数据空间的访问。

该模式可以访问一个存储单元和一个存储映射寄存器。

k23绝对寻址：

使用该模式寻址的指令其操作数为*（#k23），其中k23是一个23位的无符号常数。

使用这种寻址方法的指令将常数编码为3字节（去掉最高位），与k16绝对寻址一样，使用该模式寻址的指令不能与其他指令并行执行。

I/O绝对寻址：

对于I/O绝对寻址模式，如果使用代数指令，其操作数是*port（#k16），其中k16是一个16位无符号常数；如果使用助记符指令，其操作数是port（#k16）（操作数前没有*）。

使用该模式的指令将常数编码为2字节。

同样，该指令不能与其他指令并行执行。

4.1.2直接寻址模式

直接寻址有以下几种方式：

数据页指针（DP）直接寻址、堆栈指针（SP）直接寻址、寄存器位直接寻址和外设数据页指针（PDP）直接寻址。

其中，DP直接寻址和SP直接寻址与状态寄存器ST1-55的CPL位有关：

当CPL=0，采用DP直接寻址模式

当CPL=1，采用SP直接寻址模式

而寄存器位寻址和PDP直接寻址与CPL无关。

4.1.3间接寻址模式

CPU支持的间接寻址模式有AR间接寻址、双AR间接寻址、CDP间接寻址和系数间接寻址。

利用这些模式可以进行线性或循环寻址。

4.2C55x指令的并行执行

4.2.1指令并行的特征

C55xDSP的结构特点使其在一个周期内可以并行地执行两条指令。

C55x支持三种类型的并行指令。

（1）单指令中内置并行方式

这类并行指令是由一条指令同时执行两个不同的操作，通常用符号“:

:

”来分隔指令的两个部分，这种并行方式也称为隐含并行方式。

例如：

MPY*AR0,*CDP,AC0

:

:

MPY*AR1,*CDP,AC1

这是一条单指令，由AR0引用的数据与由CDP引用的系数相乘，同时，由AR1引用的数据与该系数相乘。

（2）用户自定义的两条指令间的并行方式

这类并行指令是用户或C语言编译器定义的，是由两条指令同时并行执行两个操作，通常用符号“||”来分隔这两条指令。

例如：

MPYM*AR1–,*CDP,AC1

||XORAR2,T1

第一条指令在D单元执行乘法运算，第二条指令在A单元的ALU执行一个逻辑操作。

（3）内置与用户自定义混合的并行方式

例如：

MPYMT3=*AR3+,AC1,AC2

||MOV#5,AR1

第一条指令隐含了内置并行方式，第二条指令是用户自定义的并行方式。

4.3C55x的资源

4.3.1运算器

可使用的操作器有：

D单元的ALU、D单元的移位器、D单元的交换器、A单元的交换器、A单元的ALU和P单元。

并行指令执行时一个操作器只能使用一次。

4.3.2地址产生单元

地址产生单元有：

两个数据地址（DA）产生单元、一个系数地址（CA）产生单元和一个堆栈地址（SA）产生单元。

指令执行时只能使用给定数量的数据地址产生单元。

4.3.3总线

可使用的总线有：

两个数据读（DR）总线、一个系数读（CA）总线、两个数据写（DW）总线、一个ACB总线（将D单元寄存器的内容传送给A单元和P单元的操作器）、一个KAB总线（立即数总线）和一个KDB总线（立即数总线）。

指令执行时只能使用给定数量的总线。

4.4TMS320C55xDSP的汇编指令

TMS320C55x是TMS320家族中的定点数字信号处理器，可以使用两种指令集：

助记符指令集和代数指令集。

代数指令集中的指令类似于代数表达式，运算关系比较清楚明了；助记符指令集与计算机汇编语言相似，采用助记符来表示指令。

不过，在编程时只能使用一种指令集。

助记符指令和代数指令在功能上是一一对应的，只是表示形式不同。

本节同时介绍助记符指令和代数指令，并通过实例来讲解C55x的指令系统。

TMS320C55x指令集按操作类型可分为以下6种：

算术运算指令

位操作指令

扩展辅助寄存器操作指令

逻辑运算指令

移动指令

程序控制指令

一条指令的属性包括：

指令，执行的操作，是否有并行使能位，长度，周期，在流水线上的执行阶段以及执行的功能单元等。

下面，将按照这些属性分类介绍C55x助记符指令集。

指令集。

二、基于DSP数字广告大屏幕显示系统设计

近年来，户外广告从平面印刷广告变成大屏幕显示广告，而超高亮度LED出现，使得LED显示屏提供图形、文字、数字的单色、双色和全色显示时，可完全满足。

LED显示屏不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。

下文就此提出了一种不携带计算机的低成本LED文字显示屏的控制系统，并给出完整可行的系统硬件设计方案。

图1.LED显示屏系统组成框图

1.系统设计目标：

系统具有掉电数据不丢失的功能，能存储多屏显示数据；

系统具有丰富的字型字体，有丰富的显示效果，能播放一些简单图片；

支持RS232异步串口通信模式和GSM短消息无线通信模式；

要求系统易实现，成本低，可靠性高。

2.LED器件的驱动

从LED器件的发光机理可以知道，当向LED器件施加正向电压时，流过器件的正向电流使其发光。

因此LED的驱动就是要使它的PN结处于正向偏置，同时为了控制它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题。

具体的驱动方式有直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等，本系统中LED器件的驱动为扫描驱动。

2.1直流驱动

直流驱动是最简单的驱动方法。

LED的工作点由电源电压VCC，串联电阻R和LED器件的伏安特性共同决定。

这种驱动方式适合于LED器件较少，发光强度恒定的情况。

例如公交车用于固定显示“XX路”字样的显示器。

2.2恒流驱动

由于LED器件的正向特性较陡，加上器件的分散性，使得在同样电源电压和同样限流电阻的情况下，各器件的正向电流并不相同，从而引起发光强度的差异。

若对LED器件进行恒流驱动，只要恒流值相同，发光强度就比较接近。

晶体管的输出特性具有恒流特性，所以可以用晶体管驱动LED。

图2.晶体管恒流驱动LED器件

2.3脉冲驱动

利用人眼的视觉惰性，采用向LED器件重复通断电的方式使之点燃，就是脉冲驱动方式。

脉冲驱动的主要应用有两个方面：

扫描驱动和占空比驱动。

扫描驱动的主要目的是节约驱动器，简化电路。

采用这种方式时应该注意两个问题:

脉冲电流幅值的确定和重复频率的选择。

首先，要想获得与直流驱动方式相当的发光强度，脉冲驱动电流的平均值I。

就应该与直流驱动的电流值相同。

2.4扫描驱动

扫描驱动是通过数字逻辑电路，使若干LED器件轮流导通，用以节省控制驱动电路。

LED显示屏是将发光灯按行按列布置的，驱动时也就按行按列驱动。

在扫描驱动方式下可以按行扫描，按列控制；也可以按列扫描，按行控制。

所谓“扫描”的含义，就是指一行一行地循环接通整行的LED器件，而不问这一行的哪一列的LED器件是否应该点亮，某一列的LED器件是否应该点亮，由所谓的列控制电路来负责。

图3所示为一个m行n列结构的LED显示屏，当采用行扫描列控制的驱动方式时，从H1到Hm轮流将高电位接通各行线，使连接到各行的LED器件接通正电源，但具体哪一个LED导通，还要看它的负电源是否接通，这就是列控制所要完成的工作。

例如在LED显示屏上需要LED11熄灭，LED21点亮，那么当扫描到H1行时，Ll列的电位就应该为高；当扫描到H2行时，Ll列的电位就应该为低。

图3.M行xN列LED显示屏结构示意图

3.LED显示屏驱动电路设计

3.1LED显示屏屏体

LED显示屏以发光二极管为像素，由LED点阵显示单元拼接而成。

最常见的LED点阵显示单元有5x7，7x9，8x8结构，前两种主要用于显示各种西文字符，后一种常用于显示各种汉字字符，8x8LED点阵的外观及等效电路图3-1如示。

通常由4x8个这样的小单元组成一个32x64的单元模块（以这个为基准做屏体的PCB板）.。

LED显示屏就是通过这些单元模块采用联方式搭接而成，如图4所示。

图4.8x8LED模块示意图

由于每个LED显示屏体由若干个模块组成，模块之间信号级联，在这个过程中扫描控制信号存在衰减，而每个模块行驱动电路同时驱动64列的LED发光器件时，按每一LED器件电流20mA计算，64个LED同时发光时就需要64×20＝1280mA的驱动电流，因此我们在每个模块中加入了功率驱动管74HC244和CEM4953。

在电路设计中，要求所用到的芯片尽量出自一个厂家，同一类型的芯片尽量用同一型号的，以保持LED显示屏整屏的均匀性。

3.2行列驱动电路设计

根据驱动方式的不同，LED大屏幕显示方式还可以分为静态显示和动态扫描显示两种。

静态显示是指将一幅画面输入以后要保持到下一幅画面的输入：

动态显示是指将画面分为若干部分分别进行刷新。

静态显示每一个像素需要一套驱动电路，如果显示屏为NxM个像素屏，则需要NxM套驱动电路；动态扫描显示则采用多路复用技术，如果是P路复用的话，则每P个像素需一套驱动电路，NxM个像素仅需NxN/P套驱动电路。

另外，对于静态显示方式，需要较多的译码驱动装置，需要的引线也比较多；对于动态扫描显示方式，可以避免以上不足，但是容易造成显示亮度低、屏幕闪烁等问题。

显示数据通常以字节的形式顺序存放在控制系统的存储器中。

在行扫描列控制显示时，把显示数据从存储器中取出传送到每一行对应的列驱动器上，这就存在列数据传输方式的问题。

从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并行方式或串行方式，它们各有优缺点：

数据并行传输的速度比较快，但是随着屏幕的增大，点阵模块数量的增多，线路会越来越复杂；数据串行传输的速度比较慢，但它可以大大简化传输线路，对于列数较多的LED显示屏来说，采用串行传输方式比较合适。

采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，与此同时，列驱动器中每一列都把当前数据传向后一列，并从前一列接收新数据，一直到一行的各列数据全部传输到位后，才能并行地进行显示。

对于串行传输来说，数据要经过并行到串行和串行到并行两次变换，因此列数据的准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下，留给行显示的时间就少一些，以至影响到LED的亮度。

解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。

即在显示本行各列数据的同时，准备下一行的列数据，这就需要列数据的显示具有锁存功能。

本行己准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。

经过上述分析，可看出列驱动器电路应具备下功能：

对于列准备数据来说，它应该实现串入并出的移位功能；对于列显示数据来说，应具有并行锁存的功能。

这样本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的数据，而不会影响本行的显示，这种列驱动电路可以用74HC595来实现，其内部结构如图3-3所示：

它的输入侧有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。

引脚SER是串行数据输入端，引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SER的下一个数据打入最低位。

移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，即输出锁存器的输入端。

RCK是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入到输出锁存器。

引脚E是输出三态门开放信号，低电平时输出三态门开放，否则为高阻态。

SCLR为移位寄存器的清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全为零。

由于SCK和RCK两个信号是相互独立的，所以能够做到输入串行移位和输出锁存互不干扰。

芯片输出端为Q0—Q7，最高位Q7可以作为多片74HC595级联时，向下一级的级联输出。

由74HC595组成的显示驱动电路（以1/16扫描为例）。

74HC595具有串入并出的移位功能和并行锁存的功能，它可以有效解决数据串行传输和数据显示在时间上的矛盾问题，即采用重叠处理的方法，在显示本行各列数据的同时，准备下一列的数据。

CLK是移位时钟，数据在时钟的控制下移位进入74HC595，当全行移到位之后，在行锁存信号STR的控制下由74HC595的后台移入前台锁存。

A﹑B﹑C﹑D信号是行扫描信号，可直接通过对STR信号计数得到，并通过4/16译码器得到16根行扫描线。

OE信号是消影信号，它即可以选择控制列信号，也可以选择控制行信号。

如果选择控制列信号，它可接74HC595的输出使能端E。

因为，只有当E为低时74HC595的输出才有效，而E为高时输出为三态，这个信号对灰度的实现非常有用。

同理，如果选择控制行信号，它也可以接4/16译码器的使能信号端，为低时使行扫描信号无效。

图5.LED显示屏扫描驱动电路意图

4.LED显示屏控制系统电路设计

根据驱动电路及电路分区的要求，为保证显示的数据与LED屏驱动电路传输的数据同步，在系统中采用快页切换方式，用两组静态存储器组来存储数据，通过控制两组存储器组的读写来完成显示信息向LED显示屏驱动电路显示信号的转换。

两组SRAM交替处于读写状态，设某一场时，SRAM1处于写状态，将要显示信息的数据存入存储器1，则SRAM2处于读状态，将前一帧写入的数据按一定时序读出，用于驱动LED模块显示。

到下一场时，正好相反，SRAM1处于读状态，SRAM2处于写状态，如此交替进行。

数据分别存入静态存储器1或静态存储器2，两个静态存储器组工作在交替读写状态。

其中具体对那个显示存储器操作可以通过读写选择器，地址选择器一起控制。

三、基于DSP的卷积算法的实现

1.实验原理

1.1卷积的基本原理和公式

卷集和：

对离散系统“卷积和”也是求线性时不变系统输出响应（零状态响应）的主要方法。

卷积和的运算在图形表示上可分为四步：

Y（n）=∑X（m）h（n−m）=X（n）*h（n）

m=−∞

（1）翻褶先在哑变量坐标M上作出x（m）和h（m），将m=0的垂直轴为轴翻褶成h（-m）。

（2）移位将h（-m）移位n，即得h（n-m）。

当n为正整数时，右移n位。

当n为负整数时，左移n位。

（3）相乘再将h（n-m）和x（m）的相同m值的对应点值相乘。

（4）相加把以上所有对应点的乘积叠加起来，即得y（n）值。

依上法，取n=…,-2,-1,0,1,2,3,…各值，即可得全部y（n）值。

1.2.程序流程图图6

1.3程序的自编函数及其功能

1.3.1processing1（int*input2,int*output2）

调用形式：

processing1（int*input2,int*output2）

参数解释：

intput2、output2为两个整型指针数组。

返回值解释：

返回了一个“TREN”，让主函数的while循环保持连续。

功能说明：

对输入的input2buffer波形进行截取m点，再以零点的Y轴为对称轴进行翻褶，把生成的波形上的各点的值存入以OUTPUT2指针开始的一段地址空间中。

1.3.2processing2（int*output2,int*output3）

调用形式：

processing2（int*output2,int*output3）

参数解释：

output2、output3为两个整型指针数组。

返回值解释：

返回了一个“TREN”，让主函数的while循环保持连续。

功能说明：

对输出的output2buffer波形进行作n点移位，然后把生成的波形上的各点的值存入以OUTPUT3指针开始的一段地址空间中。

1.3.3processing3（int*input1,int*output2,int*output4）

调用形式：

processing3（int*input1,int*output2,int*output4）

参数解释：

output2、output4、input1为三个整型指针数组。

返回值解释：

返回了一个“TREN”，让主函数的while循环保持连续。

功能说明：

对输入的input2buffer波形和输入的input1buffer作卷积和运算，然后把生成的波形上的各点的值存入以OUTPUT4指针开始的一段地址空间中。

1.3.4processing4（int*input2,int*output1）

调用形式：

processing4（int*input2,int*output1）

参数解释：

output1、input2为两个整型指针数组。

返回值解释：

返回了一个“TREN”，让主函数的while循环保持连续。

功能说明：

对输入的input2buffer波形截取m点，然后把生成的波形上的各点的值存入以OUTPUT1指针开始的一段地址空间中。

源程序如下所附：

#include

#include"volume.h"

/*Globaldeclarations*/

intinp1_buffer[BUFSIZE];

intinp2_buffer[BUFSIZE];/*processingdatabuffers*/

intout1_buffer[BUFSIZE