【正文】 中北大學(xué) 08 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 1 頁(yè) 共 40 頁(yè) 1 引言 研究背景及意義 （ 1）自從 20 世紀(jì) 70 年代微處理器誕生以來(lái)，信號(hào)處理技術(shù)就沿著以計(jì)算機(jī)為代表的 CPU、以單片機(jī)為代表的微控制器 MCU 和 DSP 處理器這三個(gè)方向發(fā)展。這三類(lèi)處理器在發(fā)展過(guò)程中，在技術(shù)上相互借鑒，同時(shí)又有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。 DSP 技術(shù)的發(fā)展得益于以下兩個(gè)方面： ①數(shù)字信號(hào)處理的理論和方法在近年得到迅速發(fā)展。以離散傅里葉變換和小波分析為代表的信號(hào)頻譜分析、聲音和圖像處理技術(shù)、多媒體技術(shù)等的發(fā)展，為各種實(shí)時(shí)處理的應(yīng)用提供了理論和算法上的基礎(chǔ)。 ②微電子科學(xué)與技術(shù)上的進(jìn)步，使得數(shù) 字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)得到技術(shù)上的保障，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展， DSP 處理器的性能也在迅速地提高。工藝水平、性能大幅度提高，功耗、體積和成本卻大幅度下降 [1]。 自 IEEE DSP Comm于 1979年推出第一個(gè)信號(hào)處理軟件包以來(lái)，有相當(dāng)多的應(yīng)用系統(tǒng)都是以 PC機(jī)為基本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成的。使用 PC機(jī)完成 DSP系統(tǒng)的缺點(diǎn)是系統(tǒng)體積大，同時(shí)由于系統(tǒng)采用的是微處理器和 PIC總線(xiàn)，在考慮操作系統(tǒng)引起的延遲，使系統(tǒng)信號(hào)處理速度受到了一定的限制。 DSP 芯片是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。為了達(dá)到快速進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的目的， DSP 芯片一般具有程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)、流水線(xiàn)操作功能，單周期完成乘法的硬件乘法器以及配有適用于數(shù)字信號(hào)處理的指令集等。因而，要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算，或要進(jìn)行高速數(shù)學(xué)處理的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)（例如語(yǔ)音識(shí)別、圖像實(shí)時(shí)處理、多媒體處理等），就只能使用 DSP 器件才能完成系統(tǒng)功能，例如目前迅速發(fā)展的軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)和多媒體技術(shù)，就是 DSP 器件數(shù)字信號(hào)處理能力的最好證明。 目前市場(chǎng)上的 DSP芯片以美國(guó)德州儀器公司（ TI）的 TMS320系列為主，該公司的 DSP芯片形成一個(gè)功能、門(mén)類(lèi)較為齊全的大“家族”，已形成一個(gè)具 有較大潛力的產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng) [2]。 （ 2）隨著測(cè)控技術(shù)的發(fā)展 ， LCD 已被廣泛應(yīng)用于各種儀器儀表、電子顯示裝中北大學(xué) 08 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 2 頁(yè) 共 40 頁(yè) 置等場(chǎng)合 ， 成為測(cè)量結(jié)果和人機(jī)對(duì)話(huà)的重要工具。液晶顯示器 (LCD) 具有重量輕、耗能小、工作電壓低、無(wú)輻射、顯示信息量大等優(yōu)點(diǎn) [3]。隨著電子產(chǎn)品向智能化、小型化方向的發(fā)展 ， LCD(液晶顯示器 )模塊逐漸被廣泛用于對(duì)體積和顯示模塊功耗有較高要求的各種便攜式智能型儀器儀表領(lǐng)域。 DSP(數(shù)字信號(hào)處理器 )以其優(yōu)化的硬件結(jié)構(gòu)、高效的指令系統(tǒng)、靈活的編程能力等優(yōu)點(diǎn) ， 使其在高速實(shí)時(shí)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用 [4]。 本次 畢業(yè)設(shè)計(jì)將給出 TMS320LF2407 型 DSP( 以下簡(jiǎn)稱(chēng) DSP) 控制 成都市飛宇達(dá)實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn) 的 FYD128640402B 液晶顯示屏的軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)例 ， 說(shuō)明如何通過(guò) DSP 控制液晶顯示模塊 。 同時(shí) ， 由于程序采用系統(tǒng)設(shè)計(jì) C語(yǔ)言 ， 因此對(duì)其他型號(hào)的 DSP 與 LCD 接口設(shè)計(jì)和控制實(shí)現(xiàn)也有一定的參考價(jià)值 。 DSP TMS320LF2407 簡(jiǎn)介 DSP 即數(shù)字信號(hào)處理器 ， 是一種特別適用于數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器 ， 速度快 ， 功能強(qiáng) ， 廣用于圖形圖像處理、語(yǔ)音處理、儀器儀表、通信、多媒體及軍事 等領(lǐng)域。液晶顯示器由于具有功耗低 、 價(jià)格低、驅(qū)動(dòng)電壓低、接口方便、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)以及優(yōu)越的字符和圖形顯示功能 ， 在各種圖顯示、人機(jī)交互中得到廣泛應(yīng)用 [5]。 TMS320LF2407是 TI 公司專(zhuān)為電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 16 位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。采用高性能靜態(tài) COMS 技術(shù)，使得供電電壓降為 V， 減小了控制器的功耗；具有系統(tǒng)周期為 25 ns 的處理速度，其運(yùn)算速度可達(dá) 40 MIPS，大大提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。 TMS320LF2407 除了其高速的 CPU 核外，芯片內(nèi)部還集成了ADC 模塊、控制器 局域網(wǎng)絡(luò) CAN 模塊、串行通信接口模塊和 PWM模塊等。TMS320LF2407 作為一種嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器，在電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制等測(cè)控系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用 ， 特別是人機(jī)接口的設(shè)計(jì)是以 TMS320LF2407 為核心的測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分 [6]。 FYD128640402B液晶顯示模塊簡(jiǎn)介 FYD128640402B是一種具有 4位 /8位并行、 2線(xiàn)或 3線(xiàn)串行多種接口方式，內(nèi)不中北大學(xué) 08 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 3 頁(yè) 共 40 頁(yè) 含有國(guó)際一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊：其顯示分辨率為12864，內(nèi)置 8192個(gè) 16*16點(diǎn)漢字和 128個(gè) 16*8點(diǎn) ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面，可以顯示 8 4行 16 16點(diǎn)陣的漢字。也可完成圖形顯示。低電壓、低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類(lèi)型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔的多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊[7]。 液晶顯示模塊分字符型和點(diǎn)陣型兩種，前者只能顯示常用的字符，點(diǎn)陣型液晶顯示模塊除顯示字符外還能顯示各種圖形和漢字。目前，盡管液晶顯示模塊種類(lèi)繁多，但其結(jié)構(gòu)及控制方法是 一樣的，本 次畢業(yè)設(shè)計(jì)將 以常用的 128 64液晶顯示模塊 FYD128640402B為例介紹液晶顯示模塊的工作原理及其與 DSP TMS320LF2407的接口技術(shù) [8]。 DSP 芯片的 現(xiàn)狀與發(fā)展應(yīng)用 目前，雖然 DSP 無(wú)論是作為一種成熟的技術(shù)還是一種成熟的產(chǎn)品均已成為數(shù)字時(shí)代的主流之一，但是其市場(chǎng)化拓展還存在巨大的空間。 DSP 三大要素與其市場(chǎng)拓展息息相關(guān)，即性能、價(jià)格和功耗。 DSP 的性能越來(lái)越高，但功耗和價(jià)格越來(lái)越低。此外， DSP 結(jié)構(gòu)體系的多樣性使得 DSP 可以在嵌入式應(yīng)用方面挑戰(zhàn)微處理器CPU，在數(shù)字控制方面可挑戰(zhàn)單片機(jī) MCU。 DSP 既有追求高性能并行結(jié)構(gòu)，也有追求低功耗的節(jié)電核心。 DSP 不僅可以集成閃存、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和多種接口，還可以集成 CPU核心、視頻和音頻接口。但軟件可編程性始終是 DSP 市場(chǎng)拓展的關(guān)鍵。目前 DSP 開(kāi)發(fā)工作中的 80%以上已是軟件工作。數(shù)字信息產(chǎn)品中需要應(yīng)用到許許多多新的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，其中不少需要經(jīng)過(guò)不斷地完善。 DSP 首先可以構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大靈活的硬件平臺(tái)和軟件基礎(chǔ)，然后集成各種軟件，其中可以包括標(biāo)準(zhǔn)算法、驅(qū)動(dòng)、協(xié)議和應(yīng)用等。 DSP 軟件易于維護(hù)和升級(jí)，大量工作可以在線(xiàn)實(shí)現(xiàn)。 隨 著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)其發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下幾點(diǎn)： ①發(fā)展高速、高性能的 DSP 器件，當(dāng)前的 DSP 可達(dá) 8000MIPS。 ②高度集成化，集濾波、 A/D、 D/A、 ROM、 RAM 和 DSP 內(nèi)核于一體的模擬中北大學(xué) 08 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 4 頁(yè) 共 40 頁(yè) 數(shù)字混合式 的 DSP 芯片將有較大的發(fā)展和應(yīng)用。 ③低功耗低電壓，進(jìn)一步降低功耗，開(kāi)發(fā)低電壓 DSP 內(nèi)核（例如 TMS320C5402為 ， ），使其更適用于個(gè)人通信、便攜式計(jì)算機(jī)和便攜式儀器儀表。 ④開(kāi)發(fā)專(zhuān)用 DSP芯片，為了滿(mǎn)足系統(tǒng)級(jí)芯片的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)基于 DSP內(nèi)核的 ASIC會(huì)有較大的發(fā)展。 ⑤提供更加完善的開(kāi)發(fā)環(huán)境，特別是開(kāi)發(fā)效率更高、優(yōu)化的 C 編譯器和代數(shù)式指令系統(tǒng)，以克服匯編語(yǔ)言程序的可讀性和可移植性差的不足，縮短開(kāi)發(fā)周期。例如 TI 公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 CCS， ADI 公司的 Visual DSP++。 ⑥擴(kuò)大應(yīng)用范圍， DSP 芯片已經(jīng)滲透到航空航天、雷達(dá)、聲納、圖像、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子等眾多領(lǐng)域，還將進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用的范圍 [9]。 中北大學(xué) 08 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 5 頁(yè) 共 40 頁(yè) 2 DSP 芯片 TMS320LF2407 和液晶模塊 FYD12864－ 0402B 的特 性和工作原理 DSP 芯片 TMS320LF2407 的特性及工作原理 DSP 芯片 TMS320LF2407 的特性 TMS320LF2407 是 TI 公司所有 24x 系列中最新，功能最強(qiáng)且價(jià)格相當(dāng)?shù)土囊环N MCU，出了具有強(qiáng)化的乘法運(yùn)算處理 DSP 操作外，實(shí)際與與一般的單片機(jī)相似。其特性簡(jiǎn)介如下。 （ 1） TMS320LF2407 內(nèi)核 CPU： ① 32 位的算術(shù)邏輯 ALU單元。 ② 一個(gè) 32 位的 ACC 累加器。 ③ 具有 16 16 位的乘法器，其結(jié)果可與累加器 ACC 內(nèi)相加。 ④ 8 個(gè) 16 位輔助寄存器 AR0～ AR7（類(lèi)同于 TMS320C54x 系列）。 ⑤ 操作并同 時(shí)處理左右移的乘除 2 次方運(yùn)算。 （ 2） TMS320LF2407 的存儲(chǔ)器： ① 544字的 B0（ PM的 FE00H～ FEFFH=256） ， B1(DM的 300H～ 3FFH＝ 256)、 B2(DM的 60～ 7FH=32)等 16 位芯片屬性雙讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 DARAM。 ② LF2407 內(nèi)部具有 32K 的 16 位快速閃存（ Flash）記 2K 16 位的 SARAM。 ③ 總共 218K 字尋址存儲(chǔ)器空間，其中涵蓋 64K 程序存儲(chǔ)器空間、 64K 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間和 64K 的 IO 尋址空間。 ④ 外部存儲(chǔ)器空間的配置。具有可由軟件設(shè)置的等待狀態(tài)時(shí)序，以便與外部端口 連接同步，為 16 位地址總線(xiàn)和 16 位數(shù)據(jù)總線(xiàn)。 （ 3）程序執(zhí)行控制 ① 4 層的流水線(xiàn)操作（ Line Operation）。 ② 8 個(gè)固定的硬件堆棧。 ③ 6 個(gè)外部中斷、電源保護(hù)中斷、復(fù)位、 NMI 及三個(gè)可屏蔽的中斷。 （ 4） 外設(shè)接口電路： ① LF2407 有 16 個(gè) PWM，而 LF2403 有 8 個(gè) PWM，最重要的是 LF2407 可以設(shè)置成兩組用于 AC 電力控制的三項(xiàng)向量空間 PWM 控制模塊，具有 PWM 的死區(qū)中北大學(xué) 08 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 6 頁(yè) 共 40 頁(yè) 設(shè)置控制。 ② LF3407 有 4 個(gè) 6 種模式的一般用途定時(shí)器，包括連續(xù)加數(shù)、連續(xù)加減數(shù)、單一加數(shù)、單一減數(shù)、方向式的加減 計(jì)數(shù)等模式。 ③ LF2407 有 6 個(gè)計(jì)數(shù)捕捉器、 4 個(gè)四象限編碼器計(jì)數(shù)接口端口 (QEP)。 （ 5） 雙組 10 位模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換外設(shè)電路 ADC： LF2407 具有 16 個(gè)多路轉(zhuǎn)接 ADC 通道， ADC 轉(zhuǎn)換速度約為 500ns。 （ 6） 41 個(gè)并列 PPIO 可定義雙向、雙工的輸入 /輸出端口。 （ 7） 串行同步接口 SCI 端口及 SPI 端口。 （ 8） 最重要的是 LF2407 具有機(jī)電控制局域網(wǎng)絡(luò)的 CAN 外設(shè)電路。 （ 9） 鎖相 PLL 的倍頻工作時(shí)鐘。 （ 10） 實(shí)時(shí)的中斷看門(mén)狗 WDT 定時(shí)器。 （ 11） 具有 JTAG 接口作程序調(diào)試及閃存程序存儲(chǔ)器的擦除及寫(xiě)入。 （ 12） 指令集為原有的 C2x、 C5x 系 列指令，僅有一個(gè) ACC 累加器，輔助寄存器 ARx 必須由 MAR 設(shè)置 *所代表的 ARx 操作，或在指令操作的同時(shí)設(shè)置下一個(gè)ARx 的操作尋址（ x＝ 0～ 7）。 （ 13） 單一指令重復(fù)運(yùn)算，硬件區(qū)域指令重復(fù)操作，位反向?qū)ぶ纷?FFT 的運(yùn)算作用。 （ 14） 每一個(gè)指令周期為 25ns（ 50MIPS），且大部分指令都是單一指令，僅需要一個(gè)執(zhí)行周期。 （ 15） 具有 4 種省電的工作模式。 （ 16） 具有 256 16 位的片上 Flash 程序存儲(chǔ)器，可執(zhí)行外部接口的程序載入執(zhí)行。 TMS320LF2407 架構(gòu) TMS 主架構(gòu)建立在一個(gè) 32 位的累加器 ACC 的基礎(chǔ)上，搭配 AR0～ AR7 共 8 個(gè)輔助寄存器及其 8 種尋址模式來(lái)操作。但最重要的還是這 8 個(gè)輔助寄存器的指針 ARP（ Auxiary Register Pointer）。 APR 位于狀態(tài)寄存器 ST0 的 3 個(gè)位指針，作為不必再重新尋址的運(yùn)算指針。當(dāng)然， ALU的運(yùn)算必須利用累加器 ACC 來(lái)進(jìn)行，而乘法器必須由 ARx指針搭配 T 寄存器做乘法運(yùn)算，積值存入一個(gè) 32 位的 P 寄存器（ Product 中北大學(xué) 08 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 7 頁(yè) 共 40 頁(yè) Register）內(nèi)，然后乘積值 P 再進(jìn)入 CALL 作加法加回累加器 ACC 內(nèi)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 11 所示。 對(duì)應(yīng)立即數(shù)的操作或立即程序分支，由于數(shù)據(jù)或程序?qū)ぶ穼?為 16 位，因此 16 位的立即數(shù)或?qū)ぶ吩O(shè)置必須占用兩個(gè)字指令，這個(gè)兩字指令可加入 4 位的（ 0～ 15， 16）移位指令加入操作。另一個(gè)直接尋址方式是采用頁(yè)次尋址方式，由于程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寬為 16 位，出了指令碼占用 7～ 8 位外，直接尋址僅可設(shè)置 7 位，另一個(gè)位 I 作為作為直接或間接尋址的設(shè)置碼，因此 7位直接尋址必須與狀態(tài)寄存器 ST0的 D8～D0 搭配，這 9 位的 A15～ A7 作為高 9 位頁(yè)次尋址組裝成 16 位尋址，因此對(duì)應(yīng) ALU的直接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址 DMA 與 ACC 操作指令就可組裝相當(dāng)多的指令群，但有些