【文章內容簡介】 a s hP C C 8 0 5 1 F 3 4 0U S BS P IM C B SP 0R ST M S 3 2 0 V C 5 4 1 6A P I驅 動 程 序 圖 12 系統(tǒng)結構框圖 系統(tǒng)硬件構架在系統(tǒng)硬件設計上主要分為三大部分：單片機應用系統(tǒng)的總體設計；DSP 最小系統(tǒng)的總體設計；自舉模塊與測試模塊的互聯(lián)設計。單片機應用系統(tǒng)的總體設計如圖 13 所示：西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文）6確定單片機應用系統(tǒng)的性能指標單片機及其外圍器件的選擇單片機應用系統(tǒng)總體設計單片機硬件設計及制作硬件測試 軟件代碼編譯連接與仿真單片機軟件設計及代碼軟硬件聯(lián)合在線方針調試單片機應用系統(tǒng)整體測試與驗證圖 13 單片機應用系統(tǒng)的總體設計其中 DSP 最小系統(tǒng)的總體設計框圖如圖 14 所示： D S P 及其外圍器件的選擇D S P 應用系統(tǒng)總體設計D S P 硬件設計及制作硬件測試 軟件代碼編譯連接與仿真D S P 軟件設計及代碼軟硬件聯(lián)合在線方針調試D S P 應用系統(tǒng)整體測試與驗證確定 D S P 應用系統(tǒng)的性能指標圖 14 DSP 應用系統(tǒng)的總體設計最小系統(tǒng)的設計是整個硬件設計的前提，本文是從最小系統(tǒng)開始，逐步向西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文）7應用系統(tǒng)擴展，最終完成以單片機的外圍擴展功能為核心的整個系統(tǒng)的設計。此外，在硬件設計中還連接一個將程序載入主芯片的 JTAG 下載端口。在再設計過程中將單片機的引腳用插針引出，以便于今后的擴展與使用。最后，按照從局部到整體的思想經(jīng)行系統(tǒng)調試，即先對系統(tǒng)中各個模塊進行調試，包括硬件調試和軟件調試；再級聯(lián)系統(tǒng)中相近模塊進行聯(lián)機調試，主要是軟件之間的級聯(lián)，最后進行整體調試，主要是驗證系統(tǒng)的整體設計要求。 器件介紹DSP 器件介紹當前業(yè)界中應用得最廣泛的是 TI 的 TMS320 系列 DSP，其中TMS320VC5416 是 TI 公司于近年推出的性價比極高的數(shù)字信號處理器 DSP[6]。如圖 15：圖 15 TMS320VC5416 的內部結構其主要特點如下：（1）144 引腳，操作速率達 160MIPS；（2）內置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器，三個多通道緩沖串行口(MCBSP),鎖相環(huán)（PLL）時鐘產(chǎn)生器，一個 16 位定時器以及 6 通道直接存?。?DMA）控制器，一個 8 位∕16 位并行與外部處理器通信的 HPI 口；（3）40 位算術邏輯單元（ALU）,包括一個 40 位桶形移位器和兩個 40 位累西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文）8加器；（4）一個 1717 乘法器和一個 40 位專用加法器，允許 16 位帶∕不帶符號的乘法；（5）先進的多總線結構，一條程序存儲器總線和三條 16 位數(shù)據(jù)存儲器總線；（6）8 個輔助寄存器及一個軟件棧，允許使用業(yè)界最先進的定點 DSP C 語言編譯器；（7）單周期正規(guī)化及指數(shù)化譯碼；（9）低功耗，工作電源為 （I∕O）和 （CORE） ，特別適合電池供電設備。TMS320VC5416 的管腳圖如圖 16 所示：圖 16 TMS320VC5416 管腳單片機器件介紹C8051F330[7]是 Silicon Laboratories 公司生產(chǎn)的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型單片機，是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。如圖 17：西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文）9圖 17 C8051F330 的內部結構其主要特點如下：（1）采用與 8051 兼容的高速、流水線結構的微控制器內核，速度可達48MIPS；全速、非侵入式的片內在線系統(tǒng)調試接口；（2）帶模擬多路器的真正 10 位 200 ksps 的單端/差分 ADC； （3）精確校準的12MHz內部振蕩器和4倍時鐘乘法器；（4）64KB 可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲器，F(xiàn)LASH 存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新 8051 固件；4352 字節(jié)片內 RAM；（5）具有 5 個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器 /定時器陣列（PCA） ；4 個通用的 16 位定時器；片內上電復位、VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器；片內電壓比較器；（6）硬件實現(xiàn)的 SMBus/ I2C、增強型 UART 和增強型 SPI 串行接口；（7）40 個可容許 5V 輸入的 I/O 端口；（8）可在工業(yè)溫度范圍（45℃到+85 ℃）內用 的電壓工作。（9）片內 Silicon Labs 二線（C2）開發(fā)接口允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 MCU 進行非侵入式（不占用片內資源） 、全速、在系統(tǒng)調試。調試邏輯支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、單步、運行和停機命令。在使用C2 進行調試時，所有的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行。兩個 C2 接口引腳可西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文）10以與用戶功能共享，以使在系統(tǒng)調試功能不占用封裝引腳。端口I/O 和/RST引腳都容許5V的輸入信號電壓，采用48腳DIP封裝其管腳圖如下圖18 所示： 圖 18 C8051F340 管腳圖 軟件環(huán)境Code Composer Studio CCS(Code Composer Studio)是 TI 公司推出的用于開發(fā) DSP 芯片的集成開發(fā)環(huán)境，它采用 Windows 風格界面，集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調試以及實時跟蹤等功能于一體，能完成 DSP 系統(tǒng)開發(fā)過程的各個環(huán)節(jié)，極大地方便了 DSP 芯片的開發(fā)與設計，是目前使用最為廣泛的 DSP 開發(fā)軟件之一。 CCS 有兩種工作模式，即：軟件仿真器模式和硬件在線編程模式；前者可以脫離 DSP 芯片，在 PC 機上模擬 DSP 的指令集和工作機制，主要用于前期算法實現(xiàn)和調試；后者可以實時運行在 DSP 芯片上，與硬件開發(fā)板相結合在線編程和調試應用程序。 CCS 運行時的主窗口如圖 19 所示：CCS 的功能十分強大，它集成了代碼的編輯、編譯、鏈接和調試等諸多功能，而且支持 C／C++和匯編的混合編程，使用方便快捷 [8]。西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文）11圖 19 CCS 運行時的主窗口電路設計軟件 PROTEL DXP 介紹Protel DXP 是 Altium 公司于 2022 年 8 月推出的一套基于 Windows2022/XP環(huán)境下的桌面 EDA 開發(fā)工具。Protel DXP 不但兼容了以前所有版本的 Protel 軟件，而且集成了更多的工具，從而在電路原理圖設計、PCB 布局布線、電路仿真測試和 FPGA/CPLD 設計等方面較以前的版本有了極大的加強 [9]。Protel DXP 作為一款功能強大的電路設計軟件，它具有以下基本特點：（1）Protel DXP 包含電路原理設計、電路原理圖仿真測試、印刷電路板設計、自動布線器和 FPGA/CPLD 設計，覆蓋了以 PCB 為核心的整個物理設計 [10]。因此，Protel DXP 是真正意義上的 EDA 軟件，它的智能化、自動化較以前的版本有了極大的提高。（2）Protel DXP 提供了進行層次原理圖設計的環(huán)境，支持“自上而下”和“自下而上”的層次設計思想，從而使得多名電路設計人員進行并行開發(fā)成為可能。（3）Protel DXP 提供豐富的元件原理圖庫和 PCB 封裝庫，并且?guī)斓墓芾砗途庉嫻δ芨油晟?，操作更加簡便。電路設計人員通過 Protel DXP 提供的編輯工具，可方便地實現(xiàn)庫中沒有包含的元件原理圖以及 PCB 封裝地設計制作 [11]。（4）Protel DXP 提供了元件集成庫的 SPICE 仿真模型和信號完整性分析，這使得設計人員調用元件時能夠同時調用元件的原理圖符號和 PCB 封裝符號。西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文）12（5）Protel DXP 提供了豐富的設計檢查功能。它的設計檢查功能主要包括電路原理圖設計中的 ERC 和 PCB 設計中的 DRC，它們能夠使電路設計人員快速地查證錯誤，最大限度地減少設計差錯。（6）Protel DXP 提供了全新的 FPGA/CPLD 設計功能，并且支持 VHDL 設計和混合設計模式 [12] 。單片機開發(fā)軟件 Keil C51 簡介Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。與匯編相比，C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上都有明顯的優(yōu)勢，易學易用。用過匯編語言后再使用 C 來開發(fā)，體會更加深刻。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows 界面。另外重要的一點是 Keil C51 生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。基于 Keil C51 的所有這些優(yōu)點，在本文中選用其作為軟件設計環(huán)境。軟件ConfigAndConfig2Instal簡介交叉開關是一個多路選擇器，它用于為器件內部的硬件外設分配I/O端口。例如，它可以決定UART的RXD和TXD連到哪一個端口引腳 [13]。 交叉開關負責SMBus、SPI、UART、定時器捕捉模塊、外部PCA 輸入、比較器輸出、定時器外部輸入、/SYSCLK以及 A/D轉換啟動輸入的引腳分配 [14]。LabVIEW 簡介LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,實驗室虛擬儀器開發(fā)平臺）是美國 NI（National Instrument Company）公司推出的一種基于G 語言的虛擬軟件開發(fā)工具，虛擬儀器是有用戶定義，這種 “軟件即儀器”的思想增強了虛擬儀器的靈活性和可擴展性 [15]。LabVIEW 編程主要是用簡單、直觀、易懂的框圖來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的程序代碼，并且其編程過程和思維過程很相似。如今 LabVIEW 已應用到航空、電子、通信、工業(yè)、醫(yī)學等領域。 系統(tǒng)測試本次畢業(yè)設計的主要任務是完成 DSP 處理器 TMS320VC5416 便捷的標準串行自舉。系統(tǒng)調試的主要內容有以下幾點：西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文）13上位機格式轉換模塊的軟件調試；上位機與下位機 USB 通信的測試；SPI 通信系統(tǒng)的軟硬件調試。 論文章節(jié)安排本論文共分為五章：第一章是緒論，介紹了設計中的一些基本原理和相關軟件的介紹。第二章是系統(tǒng)硬件設計的介紹，包括了硬件的功能描述和硬件的總體設計和詳細設計。第三章是系統(tǒng)軟件的設計，在這章里將會對系統(tǒng)軟件的功能、總體設計和各個部分的具體設計實現(xiàn)作詳細的介紹。第四章是系統(tǒng)的調試與分析，這章主要對調試的過程作了詳盡的描述，并對調試過程中產(chǎn)生的問題進行了分析。第五章是系統(tǒng)設計的結論與展望，在這一章中，結論對系統(tǒng)的設計結果作了簡單的總結，展望則根據(jù)系統(tǒng)中存在的不足提出了一些相應的改進的方法。 第 2 章 硬件設計在設計過程中，將系統(tǒng)功能分為硬件和軟件兩部分來分別實現(xiàn)。本章主要對測試系統(tǒng)硬件的功能、測試系統(tǒng)硬件總體設計、測試系統(tǒng)硬件詳細設計進行介紹。其中測試系統(tǒng)硬件的詳細設計包括對 TMS320VC5416 最小系統(tǒng)和C8051F340 單片機系統(tǒng)及其外設擴展方案的硬件設計進行詳細介紹。 系統(tǒng)硬件功能描述該系統(tǒng)主要由上位機和下位機構成。由于上位機完全由軟件來實現(xiàn)，故硬西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文）14件部分只有下位機部分，下位機設計是本次硬件設計的核心，也是系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎。實現(xiàn)過程如圖 21。其中虛線框部分為本文的重要部分。 USB 通信 SPI 通信 圖 21 系統(tǒng)硬件總體功能流程圖系統(tǒng)硬件設計實現(xiàn)的功能為：搭建能使 C8051F340 單片機系統(tǒng)獨立工作的最小系統(tǒng)電路；提供與上位機通信的 USB 通信接口；提供與 DSP 自舉時與 DSP 通信的 SPI 接口。 硬件總體設計依據(jù)系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)的總體設計流程圖如圖 22 所示，本文主要解決自舉模塊部分。硬件設計包括單片機 C8051F340 部分和 DSP 處理器 TMS320VC5416 部分。其中 C8051F340 單片機部分包括供電電路、時鐘電路、復位電路、JTAG 電路。TMS320VC5416 部分包括：供電電路、復位電路、工作模式選擇電路、時鐘電路、JTAG 電路 [16]。DSP 處理器 TMS320VC5416 部分和 C8051F340 單片機部分采用 SPI 通信方式互聯(lián)。 在 DSP 與單片機互連設計中介紹了如何用這兩個最小系統(tǒng)搭建需要實現(xiàn)的自舉電路。 測試模塊 自舉模塊 自舉接口C8051F340單片機TMS320VC5416 最小系統(tǒng)PCTMS320VC5416 最小系統(tǒng)供電電路 C8051F340單片機工作模式選擇供電電路JTAG 接口電路西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文）15 圖 22 系統(tǒng)的整體設計的流程圖 硬件詳細設計這一部分主要介紹硬件電路中各自包含的模塊的具體電路、電路中元器件的選擇以及其工作條件等。 單片機