第11章簡易音頻播放與處理系統(tǒng)的硬件設計實例(C.

1、如丄也應勿盲瓠撞購處理系統(tǒng)的硬件設i I實例第11章簡易音頻播放與處理系統(tǒng)的硬件設計實例111系統(tǒng)駛件結構概述H2 TMS320VC5501與C8051F340的連接及通信協(xié)議113冷頻編解鬥器TLV320AIC32如丄也應勿盲瓠撞購處理系統(tǒng)的硬件設iI實例11.1系統(tǒng)硬件結構概述11.1.1系統(tǒng)硬件結構概述該系統(tǒng)的硬件結構町分為以下部分：(1) TI公司的TMS320VC5501 16位定點數(shù)字信號處理 器(DSP),瑕高處理速度為300 MIPS(在CPU卞頻為300 MHz惜況下)，芯片采JIJLQFP- 176封裝。C飆丄也應勿盲瓠磁.9處理系統(tǒng)的硬件設訂實例(2) Silicon L

2、aboratories C8051F340高性能增強型MCS- 51 系列單片機,與TMS32OVC55O1 通過8 bit HPI(Host Port Interface)接口連接，作為DSP的主機(Host),芯片采川 TQFP-48ti 裝。(3) 點陣液韜顯示模塊(Dot-Matrix LCD Module),其內 部控制芯片為韓國Samsung公祠S6B1713,屏幕分辨率為 128 X 64,由C8051F340單片機控制，通過16針插座與單 片機連接，傳輸方式為8位并行(8bit Paralleled)。匕飆丄也應勿盲瓠磁.9處理系統(tǒng)的硬件設訂實例(4) 模擬鍵盤，作為輸入設備其

3、內部由電阻出并聯(lián)網(wǎng) 絡構成，通過C8O51F340的集成A/D轉換器進行電平采樣及 按鍵識別，用以完成對圖形界面的操作，因此它與主機的連 接只冇2根線。(5) SD/MMC卡朋，可插入SD/MMC卡，作為該系統(tǒng)的 海量存儲載體，通過SPI四線接nJC8051F340單片機連接。(6) USB 2.()接口，與PC機連接，町供上傳下載文件到 SD/MMC卡。C勿丄卷血勿盲瓠磁.9處理系統(tǒng)的硬件設訃實例(7) RS-232接口，與PC機通過超級終端通信，可供在 線調試單片機系統(tǒng)的程序。 Hynix(韓國現(xiàn)代公司)HY57V281620同步動態(tài)隨機 存儲器(SDRAM),與DSP的16bitEMIF

4、接廠I連接，作為 DSP的外部擴展存儲器，其容暈為128 Mbit (16 Mbytes)o(9) TLV320AIC32可編秤低功耗立體聲音頻編/解碼器 (CODEC, Coder&Decoder),可提供 16/20/24/32 hit A/D D/A 采樣粘度，采樣頻率范節(jié)I為896 kHz,通過McBSP及I2C 按口與DSP連接。E勿丄卷血勿盲瓠磁.9處理系統(tǒng)的硬件設訃實例該系統(tǒng)的硬件結構框圖如圖111所示，系統(tǒng)的固件可分兩部分,即單片機固件和DSP固件。nHyz 1?0M Nt SDRAM HY57V281620Texas InstrumentsTMS320VC5501 Fixed

5、-Point DSP300 MIPS 3?KB On-chip RAMCtQFire勿丄船應勿盲瓠磁.9處理系統(tǒng)的硬件設訂實例128X64Ool-Matrix LCDSilicon LaboratonesC8051F340MCS 51 Fxnlry8 bit Moocon#otterSttf系統(tǒng)硬件結構框圖勿丄船應勿盲瓠磁.9處理系統(tǒng)的硬件設訂實例1 單片機固件單片機固件的開發(fā)壞境為KEIL mVision?,用C語言編寫。 該固件基于KEIL提供的RTX-51 Tiny實時操作系統(tǒng)(Real-time Operating System, RTOS),以及Silicon Laboratorie

6、s提供的USB海量存儲設備參石設il (USB Mass Storage Device Reference Design, USB-MSD-RD AN282)o 該固件要完成的 主耍任務有：(1) 控制LCD顯示。提供圖形界面支持，如文字、窗II、滾動菜單的顯示等。U勿丄虹應劾盲瓠撞購9處理系統(tǒng)的硬件設訃實例j(2) 監(jiān)視識別模擬鍵盤的輸入。FtlA/D采樣值判斷是哪個鍵按下，以執(zhí)行相應的操作(滾動菜單、選抒菜單和退出 等)。并在SD/MMC(3)驅動SD/MMC存儲卡的存取操作, 提供FAT文件系統(tǒng)支持。驅動RS-232程序調試接口。通過該接口向PC輸出顯示系統(tǒng)狀態(tài)，支持簡單的命令行操作。(

7、5)作為DSP的主機，該固件還耍負責復位DSP和啟動 DSP,通過HPI向DSP的引導區(qū)寫入程序代碼，啟動后還耍給DSP捉供音頻數(shù)據(jù)及一些簡單的命令。匕i. 勿丄迄應勿盲瓠幽妁處理系統(tǒng)的硬件設訂實例2.DSPDSPI.M件的開發(fā)壞境為CCS v3.1, I古I件基于TI公司提供的DSP/B10S實時操作系統(tǒng)及芯片支持庫CSL(Chip SupportLibrary)o該固件耍完成的主要任務右I與TLV320AIC32通信來實現(xiàn)育頻的采樣與播放。連接通過兩個總線來完成，CIJFC作為控制總線，McBSP作 為數(shù)據(jù)總線。匕匯勿丄莊血劾盲瓠磁.9處理系統(tǒng)的硬件設訂實例接收來HMCU的音頻數(shù)據(jù)及指令，

8、實現(xiàn)昔頻文件的播放。(3)向MCU反饋信息。如程序運行狀態(tài)，以及要在LCD 上顯示的數(shù)據(jù)等(例如想要在LCD匕以圖形方式顯示的FFT 結果)。(4)控制SDRAM時序。其實這主要是山EMIF碩件來完 成的，但是軟件需耍対EMIF進行初始化作，設總SDRAM 的時序參數(shù)，比如CAS to RAS latency等。(5)對音頻數(shù)據(jù)按照一定的算法辺行處理(如FIR和FFT 等)。GL勿丄莊血勿盲瓠磁9處理系統(tǒng)的硬件設訃實例同時，為了提高開發(fā)效率，還使用了TI公司專門為TLV320AIC32設計的一個開發(fā) UIAIC32 Configuration Tool, 基于JAVA語言，該工具提供了TLV3

9、20AIC32的所令內部寄 存器的圖形化設置，從而人大簡化了程序的開發(fā)。匚型丄也應勿盲瓠磁.9處理系統(tǒng)的硬件設訂實例11.1.2 SD/1VIMC存儲卡SD/MMC卡是專門為滿足消費類電子產(chǎn)品的數(shù)據(jù)存儲需求而產(chǎn)生的，近年來得到眾多廠商與消費者的廣泛支持。它11冇高容吊八高速度、體積小巧、價格低和數(shù)據(jù)安金件高等 諸多優(yōu)點，是便攜式數(shù)字產(chǎn)品的理想數(shù)期載;休，特別適介用 丁存放大容量咅頻/視頻數(shù)據(jù)。山TSD卡9MMC R在一般應 用場合下都是兼容的(下文將闡述一些特例)，因此為簡明起 見，以下稱SD/MMCP為SD卡。除非特殊說明,SD卡的特 性同樣適川于MMC卡。:E勿丄也應勿盲瓠磁.9處理系統(tǒng)的

10、硬件設訂實例1. SD卡系統(tǒng)特性整休米說，通常SD卡具有以下特性：(1) 加人支持1 GB容量(木系統(tǒng)口前不支持更高容屋的SD P)：(2) 兼容SD卡協(xié)議：(3) 支持SPI接口傳輸模式：(4) 電源電壓范圍為2.73.6 V：飆丄匪血勿眉瓠融9處理系統(tǒng)的硬件設訂實例|(5) SPI時鐘頻率范圉為025 MHz；(6) 具冇寫保護開關(僅通過機械開關支持，系統(tǒng)必須根 擁開關的位置來決定是否對英進行嗎保護)：(7) 卡狀態(tài)檢測(插入/拔除，僅通過機械開關支持)；(8) ii多町車寫約10 000次。勿丄卷血勿盲瓠融處理系統(tǒng)的硬件設計實例2. SD卡物理特性SD K的物理特性主耍包括：(1) 重

11、量小于2.0 g；(2) 長度:32 mm 0.1 mm；(3) 寬度：24 mm 0.1 mm：(4) 丿孚度：2mm ()5 mm。匕如丄迄應劾盲瓠幽妁處理系統(tǒng)的硬件設訂實例匕如丄迄應劾盲瓠幽妁處理系統(tǒng)的硬件設訂實例3SD卡總線拓撲結構SD卡有兩種總線模式，即為SD模式和SPI模式，本系統(tǒng)采用SPI模式。在SPI模式下,SD卡的SPI接口與市場上的大多數(shù)主機（單片機）的SP1接口兼容，其屮包括以下四根線：(1) CS：主機到卡線選信號(Host to card Chip Selectsignal) o(2) CLK：主機到吳時鐘信 (Host to card Clock signal)o(

12、3) Dataln：卞機到卡數(shù)據(jù)信號(Host to card Data signal)。(4) DataOut：卡到主機數(shù)擁倍號(Card to host Datasignal) o返ll迄應劾盲瓠撞必y處理系統(tǒng)的硬件設計實例可見，在SPI模式下數(shù)據(jù)是串行傳輸?shù)?，而且是全雙工 的(收/發(fā)線獨立)。而在SD模式下，則有4根數(shù)據(jù)線 (DAT03)構成4 bi講行接口，收/發(fā)線復用。這種傳輸模式 理論上可以達到4倍J SPI模式的傳輸率(12 MB/s),但是它 違背了 “串行化”的人方向，足一種頗有爭議的接口，更山 TMMC R不支持SD模式，因此這種模式如今已很少冇人使 用，木書將不再敘述。如

13、丄也應劾盲瓠撞必y處理系統(tǒng)的硬件設計實例4. SPI模式下的SD卡引腳定義SD卡上共有9個引腳，這與MMC卡的引腳(7個)有所不 同，但是在SPI模式下，SD P比MMCR多的兩個引腳(Pin-8, Pin-9)是保昭的，沒冇定義。因此SD卡與MMC卡只冇在SPI 模式卜才耳相兼容，這也是為什么人多數(shù)SD卡讀卡器(或其 他設備)都選HJSPI模式而不HJSD模式的原因。SPI模式下的 SD卡引腳定義如表111所示。勿丄也應勿盲瓠融處理系統(tǒng)的硬件設i I實例表111 SPI模式下的SD卡引腳定義引腳號名珠匸電氣矣arSPI定義二1J林卩片it Chip s*bct：fg電干衍效AAQMaJZ王9

14、i VHoe： toCaHComuauJf ex*.Detei19VSS2也 Supper 5blt 魯 Orcwd14-maSiyply怙ACLKtJlClcck6*VSS2人勿主機金仝 ）另 CJcrd to Hojt ConmnnJs ondDhto*1A保豺輸入卩保茁 RxscjvM4揄入0倪陽R上箕jved勿丄卷血勿盲瓠勵妁處理系統(tǒng)的硬件設11實例龍5. SD卡座SD卡朋就是用于承載SD卡的一個插朋，需要將它焊到 電路板上。由于齊個廠家生產(chǎn)的卡座都不完全一樣，在制作 PCBIbJ需要將所冇的卡座引腳按實際尺寸準確地畫出來，從 而生成PCB引腳圖（Foo（prim）。還耍說明的是，SD

15、 |I M：U IdaM2Mcu Ia?UD3MCH ir n p?mchjo rxi 眾MCU LCO.J7n3VA4GND DRES（、SAO WR RDDBO DBIDB2DB3DB4DB5DB6 DB7GNDLCDM.S6B 1719lRevcrse Plnwcd）圖112單片機與LCD的連接第丄迄應劾盲瓠幽妙處理系統(tǒng)的硬件設訂實例(1) DB|0.7|與單片機的P2口連接用于單片機和LCDOZ間并行數(shù)據(jù)的雙向傳送。上電時(2) RES與單片機P3.3口連接，川于復位LCD,必須單片機給HjlOms低電平復位fn號o(3) CS與單片機的P3.0口連接，用于片選LCD。(4) A0與單

16、片機的P3.2口連接，川于區(qū)分控制寄存器 (其值為0)與地址寄存器(其值為1)。(5) RI與單片機的P3l連接，用從LCD讀出數(shù)據(jù) (低電平有效)。WR與單片機的P1.7口連接，用于向LCD寫入數(shù)據(jù)(低電平有效)。勿丄也應劾盲瓠磁蟲處理系統(tǒng)的硬件設iI實例具讀/寫時序如I冬1113所S6B1713JIJ總線保持器(Bus Holder)和內部數(shù)抓總線(Internal Data Bus)來進行數(shù)據(jù)傳輸,CS1BCS2RSWRRDDB匚勿丄莊角勿盲瓠働妁處理系統(tǒng)的硬件設訂實例A/iduu)r _ 一Lr_Lr_Lrnj- xznnX： i h-on- |一 Command Wme | Dita

17、 Wirw | Sum Rrad | Duu Readmi 1-3 S6BI713數(shù)據(jù)傳輸讀/寫時序:E勿丄覚l劾盲瓠働妁處理系統(tǒng)的硬件設計實例11.1.4用戶圖形界面的實現(xiàn)I II1V，恢入式系統(tǒng)屮人多數(shù)的用戶圖形化界I何(GUI)祁 是在操作系統(tǒng)的支持下，調川系統(tǒng)的各種API函數(shù)實現(xiàn)的。 這吐操作系統(tǒng)為實現(xiàn)GUI提供人最的庫函數(shù)，也為編程人 員提供了界ifff設計的良好平臺。本系統(tǒng)的LCD圖形界面全部 在KEIL環(huán)境下用C語言編寫，按程序層次從低向高排列，可 劃分為LCD時序驅動層、圖形支持層、字體支持層、用戶圖 形界向層和簡易文件瀏覽器。C勿丄程血劾盲瓠撞購.9處理系統(tǒng)的硬件設訂實例1

18、LCD時序驅動層(LCD Driving Layer)單片機對LCD的操作是通過一些特定的時序來完成的， 每一個對LCD的指令或數(shù)據(jù)都盂要通過這種特定的時序來完 成，如換彳J：、清屏、寫數(shù)據(jù)等，然而這些時序對于每個不同 空號的LCD來說都是不一樣的。為了使程序具有很強的適應 性和兼容性，我們盂耍對硬件的一些細節(jié)進行隔離，使下 層不必了解對LCD硬件操作的細節(jié)，只要訪問騾動程序就行 To本層主耍負責操作LCD接口時序，如寫一個字節(jié)、讀取 狀態(tài)等，以及対LCD內部寄存器進行設置。匕L 勿丄卷血劾盲瓠做攻9處理系統(tǒng)的喚件設訂實例2.圖形支持層(Graphic Support Layer)本層為圖形顯

19、示層捉供一個顯示緩存(Display Buffer), rtl J S6B1713橫向分為8頁,每頁8行,共64行，縱向分為 128列，因此整個屏幕的像索數(shù)為128*64,這也就盂要8*128 字肖來存放整個屏幕的顯示數(shù)據(jù)。在C程序里聲明一個氏度 為8*128=1024?-符的二維數(shù)組，并定期(約50 ms)將顯示緩 存內的金部顯示數(shù)據(jù)寫入到LCD的DDRAM內，完成顯示刷 新。因此木層對硬件操作進行了隔離，使下一層不必了解對 LCD件操作的細W。勿丄莊血劾盲瓠融蟲處理系統(tǒng)的喚件設訂實例利用上一層（LCD時序驅動層），本層為下-層（高層）提 供了一個128*64點的繪圖平面坐標系,從而高層程序

20、可以間 接地使LCD屏幕匕的每一點亮（寫1）或滅（寫0）,這樣一來， 任何對LCD的操作將都可以轉化為對坐標系屮像素（點）的操 作（朋標的原點在屏幕的左上角）。除此之外，此層還提供了 一些畫線、畫方等操作，這里不再一一介紹。如丄莊血劾盲瓠融山處理系統(tǒng)的硬件設計實例3字體支持層（Font Support Layer）利用圖形支持層，字體支持層可以在LCD的任何位置顯示出5種不同人小的字休，其中還含有變寬字體。在坐標系 上，點（x,y）為左上角，以字體sysfont8顯示字符c,著色為color,返卜|寬度。勿丄免國劾盲瓠撞購9處理系統(tǒng)的硬件設i I實例殆4.用戶圖形界面層(GUI Layer)利

21、用圖形支持層和了體支持層，用戶圖形界而層為用戶 提供了一個簡單的圖形界Ifti,如顯示一個対話框(Dialog box)、彈出窗口(Pop-up Message)x 滾動菜單(Scroll Menu)等。.勿丄也應勿盲瓠撞購蟲處理系統(tǒng)的硬件設i I實例5簡易文件瀏覽器(Simple File Explorer)簡易文件瀏覽器建立在所有層Z上，并H.用到ZUSB-MSD-RD API函數(shù)，本應用層對文件系統(tǒng)進行分級顯示，用于啟動文件瀏覽器。用戶可通過鍵盤在圖形界面中選擇文件, 文件被選定后這個函數(shù)將返冋被選定文件的指針。.勿丄也應勿盲瓠撞必y處理系統(tǒng)的硬件設計實例11.2 TMS320VC550

22、1與C8051F340 的連接及通信協(xié)議11.2.1 TMS320C5501的主要特點及內部結構.勿丄也應勿盲瓠撞必y處理系統(tǒng)的硬件設計實例1TMS320C5501的主要特點C5501是為實現(xiàn)高性能、低功耗而專門設計的定點DSP芯片，是一種特殊結構的微處理器，為了快速地實現(xiàn)數(shù)字信 號處理運算，它采用J流水線指令執(zhí)行結構和相應的并行處 理結構，可在一個周期內對數(shù)據(jù)進行高速算術運算和邏輯運 算，其具有以下特點：.勿丄込應勿盲瓠孤宓蟲處理系統(tǒng)的硬件設計實例(1) 16 K* 16 bit (32 KB)片內RAM,由4塊4K*16bit雙 訪 RAM(DA RAM)組成。(2) 16 K*16 bi

23、t (32 KB)片內單等待周期只讀存儲器(ROM)o(3) 最人8M*16bit(16MB)可尋址內存空間。(4) 采用1.26V核心電源,3.3 V I/O電源。勿丄也應勿盲徹磁蟲處理系統(tǒng)的硬件設計實例2TMS320C5501的CPU主要結構TMS32OC55O1的CPU主要包扌舌以下結構：(1) 優(yōu)化的CPU結構。內部冇4個40位的基本邏輯單元(A 單元、D單元、P單元和I單元)，4個40位的累加器，2個 17X17的乘法器。(2) 有6條內部總線。1條程序總線，3條內部數(shù)據(jù)/操作 數(shù)讀總線，2條內部數(shù)據(jù)/操作數(shù)寫總線。:E勿丄也應劾盲瓠磁.9處理系統(tǒng)的硬件設訂實例(3) 3.33 ns

24、指令周期，工作于300 MHz社頻。(4) 16 KB指令緩存(I-Cache)o(5) 每條指令冇執(zhí)行單/雙周期指令。(6) 雙乘法器，最多毎秒鐘可以執(zhí)行600 M條乘累加(MMAC)o(7)兩個算術邏輯單元(ALU)。內部集成了維特比加速器，川丁鍛高維特比編譯碼的速度。:匕L勿丄也應勿盲瓠幽妁處理系統(tǒng)的硬件設計實例(5) X bit主機接口 (HPI)o(6) 4個定時器，包括2個64位通用定時器。(7) 64位可編程看J狗。(8) 64位DSP/BIOS計數(shù)器。4. TMS320C5501的芯片封裝TMS320C5501 芯片采HLQFP(Low-profilc Quad FlatPac

25、k)i|裝，冇176個引腳，腳間距為0.5 mm,封裝俯視圖如圖114所示。匕効丄也應勿盲瓠播購.9處理系統(tǒng)的硬件設計實例圖114 TMS320VC5501的芯片封裝C勿L卷血勿盲瓠撞購9處理系統(tǒng)的硬件設訂實例11.2.2 TMS320C5501 的主機接口(HPI)1TMS320C5501主機接口 HPI組成DSP芯片屮的HPI(主機接口)是為J滿足DSP與其他微處 理器接口而專門設計的。它分為HPI-8和HPI-I6,分別針對 具冇8位和16位數(shù)據(jù)線的單片機。每一種乂分為標準型和增 強型，兩者的區(qū)別在丁標準型只可以訪問固定的地址空間， 而増強型可以訪問整個DSP的片內存儲器。HPI卞機由以下 兒個部分組成：匕 勿丄迄應勿盲瓠働妁處理系統(tǒng)的硬件設訂實例(1) HPI存儲器(DARAM)o HPI RAM主耍用丁DSP與主 機Z間傳送數(shù)據(jù)，也町以川作通川的雙尋址數(shù)據(jù)RAM或程 序 RAM