【文章內(nèi)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(qū) 動 程 序 圖 12 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)硬件構(gòu)架在系統(tǒng)硬件設(shè)計上主要分為三大部分：單片機應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計；DSP 最小系統(tǒng)的總體設(shè)計；自舉模塊與測試模塊的互聯(lián)設(shè)計。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖 13 所示：西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）6確定單片機應(yīng)用系統(tǒng)的性能指標(biāo)單片機及其外圍器件的選擇單片機應(yīng)用系統(tǒng)總體設(shè)計單片機硬件設(shè)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(shè)計及代碼軟硬件聯(lián)合在線方針調(diào)試單片機應(yīng)用系統(tǒng)整體測試與驗證圖 13 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計其中 DSP 最小系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖 14 所示： D S P 及其外圍器件的選擇D S P 應(yīng)用系統(tǒng)總體設(shè)計D S P 硬件設(shè)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(shè)計及代碼軟硬件聯(lián)合在線方針調(diào)試D S P 應(yīng)用系統(tǒng)整體測試與驗證確定 D S P 應(yīng)用系統(tǒng)的性能指標(biāo)圖 14 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計最小系統(tǒng)的設(shè)計是整個硬件設(shè)計的前提，本文是從最小系統(tǒng)開始，逐步向西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）7應(yīng)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(shè)計。此外，在硬件設(shè)計中還連接一個將程序載入主芯片的 JTAG 下載端口。在再設(shè)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(diào)試，即先對系統(tǒng)中各個模塊進行調(diào)試，包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試；再級聯(lián)系統(tǒng)中相近模塊進行聯(lián)機調(diào)試，主要是軟件之間的級聯(lián)，最后進行整體調(diào)試，主要是驗證系統(tǒng)的整體設(shè)計要求。 器件介紹DSP 器件介紹當(dāng)前業(yè)界中應(yīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)其主要特點如下：（1）144 引腳，操作速率達 160MIPS；（2）內(nèi)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(shù)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)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(jié)構(gòu)，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(shè)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）9圖 17 C8051F330 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)其主要特點如下：（1）采用與 8051 兼容的高速、流水線結(jié)構(gòu)的微控制器內(nèi)核，速度可達48MIPS；全速、非侵入式的片內(nèi)在線系統(tǒng)調(diào)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(zhǔn)的12MHz內(nèi)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(nèi) 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(nèi)上電復(fù)位、VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器；片內(nèi)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(nèi)用 的電壓工作。（9）片內(nèi) Silicon Labs 二線（C2）開發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 MCU 進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源） 、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c、單步、運行和停機命令。在使用C2 進行調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。兩個 C2 接口引腳可西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）10以與用戶功能共享，以使在系統(tǒng)調(diào)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(fēng)格界面，集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調(diào)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(shè)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(diào)試；后者可以實時運行在 DSP 芯片上，與硬件開發(fā)板相結(jié)合在線編程和調(diào)試應(yīng)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(diào)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）11圖 19 CCS 運行時的主窗口電路設(shè)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(shè)計、PCB 布局布線、電路仿真測試和 FPGA/CPLD 設(shè)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(shè)計軟件，它具有以下基本特點：（1）Protel DXP 包含電路原理設(shè)計、電路原理圖仿真測試、印刷電路板設(shè)計、自動布線器和 FPGA/CPLD 設(shè)計，覆蓋了以 PCB 為核心的整個物理設(shè)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(shè)計的環(huán)境，支持“自上而下”和“自下而上”的層次設(shè)計思想，從而使得多名電路設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計人員調(diào)用元件時能夠同時調(diào)用元件的原理圖符號和 PCB 封裝符號。西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）12（5）Protel DXP 提供了豐富的設(shè)計檢查功能。它的設(shè)計檢查功能主要包括電路原理圖設(shè)計中的 ERC 和 PCB 設(shè)計中的 DRC，它們能夠使電路設(shè)計人員快速地查證錯誤，最大限度地減少設(shè)計差錯。（6）Protel DXP 提供了全新的 FPGA/CPLD 設(shè)計功能，并且支持 VHDL 設(shè)計和混合設(shè)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(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上都有明顯的優(yōu)勢，易學(xué)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(diào)試工具，全Windows 界面。另外重要的一點是 Keil C51 生成的目標(biāo)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?；?Keil C51 的所有這些優(yōu)點，在本文中選用其作為軟件設(shè)計環(huán)境。軟件ConfigAndConfig2Instal簡介交叉開關(guān)是一個多路選擇器，它用于為器件內(nèi)部的硬件外設(shè)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(guān)負(fù)責(zé)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(zhuǎn)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(yīng)用到航空、電子、通信、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。 系統(tǒng)測試本次畢業(yè)設(shè)計的主要任務(wù)是完成 DSP 處理器 TMS320VC5416 便捷的標(biāo)準(zhǔn)串行自舉。系統(tǒng)調(diào)試的主要內(nèi)容有以下幾點：西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）13上位機格式轉(zhuǎn)換模塊的軟件調(diào)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(diào)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(shè)計中的一些基本原理和相關(guān)軟件的介紹。第二章是系統(tǒng)硬件設(shè)計的介紹，包括了硬件的功能描述和硬件的總體設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計。第三章是系統(tǒng)軟件的設(shè)計，在這章里將會對系統(tǒng)軟件的功能、總體設(shè)計和各個部分的具體設(shè)計實現(xiàn)作詳細(xì)的介紹。第四章是系統(tǒng)的調(diào)試與分析，這章主要對調(diào)試的過程作了詳盡的描述，并對調(diào)試過程中產(chǎn)生的問題進行了分析。第五章是系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)論與展望，在這一章中，結(jié)論對系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果作了簡單的總結(jié)，展望則根據(jù)系統(tǒng)中存在的不足提出了一些相應(yīng)的改進的方法。 第 2 章 硬件設(shè)計在設(shè)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(shè)計、測試系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計進行介紹。其中測試系統(tǒng)硬件的詳細(xì)設(shè)計包括對 TMS320VC5416 最小系統(tǒng)和C8051F340 單片機系統(tǒng)及其外設(shè)擴展方案的硬件設(shè)計進行詳細(xì)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(gòu)成。由于上位機完全由軟件來實現(xiàn)，故硬西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）14件部分只有下位機部分，下位機設(shè)計是本次硬件設(shè)計的核心，也是系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。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(shè)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(shè)計依據(jù)系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)的總體設(shè)計流程圖如圖 22 所示，本文主要解決自舉模塊部分。硬件設(shè)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(fù)位電路、JTAG 電路。TMS320VC5416 部分包括：供電電路、復(fù)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(shè)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）15 圖 22 系統(tǒng)的整體設(shè)計的流程圖 硬件詳細(xì)設(shè)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