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基于DSP與CPLD的數(shù)字電臺基帶處理硬件系統(tǒng)設計
摘要: 設計的這個DSP基帶處理平臺有相當?shù)耐ㄓ眯院涂蓴U充性,,通過改變寫入EEPROM中的程序和CPLD控制邏輯可以實現(xiàn)系統(tǒng)功能的改變與擴充。本設計不僅為外圍功能電路模塊如鍵盤模塊,、顯示模塊的擴展提供了平臺,,而且為軟件組件的更新與升級提供了平臺,可有效加強通信功能,。
關鍵詞: CPLD DSP 數(shù)字電臺
Abstract:
Key words :
         隨著DSP技術的發(fā)展與廣泛應用,,采用DSP技術的數(shù)字電臺,,技術成本和核心器件價格被廣大廠商接受,,相對傳統(tǒng)的模擬電臺,數(shù)字電臺的數(shù)據(jù)信號處理允許很復雜的算法在實時中使用并被嵌入產(chǎn)品內(nèi),,DSP相關芯片是軟件控制的,,在不改變硬件的情況下,可在系統(tǒng)內(nèi)改變它們的性能和任務,。在產(chǎn)品售出后的升級或另增加的特性可加到產(chǎn)品上,,不必把電臺返回到制造商。數(shù)字電臺控制精度更高,,沒有與模擬量元件有關的誤差問題,,功耗更低,實時性穩(wěn)定性更高,,目前市場上占據(jù)大部分中高端用戶,。
通過以分析可見,設計一套有相當通用性和可擴充性,,為軟件的升級和通信功能的擴展提供方便的數(shù)字電臺基帶處理硬件系統(tǒng)是很有必要的,。本設計便是考慮到這種市場與研究的需要,設計了基于TMS320C54XX系列的DSP來實現(xiàn)數(shù)字電臺基帶處理硬件系統(tǒng)的設計。本設計可以完成語音數(shù)字化,、數(shù)字語音信號和數(shù)據(jù)信號的處理和傳輸控制,。對于語音信號傳輸,從話筒來的語音模擬信號在語音編碼器中經(jīng)采樣,、編碼,,轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字流,經(jīng)過DSP多通道緩沖串口(McBSP)送入DSP,;對于數(shù)據(jù)傳輸,,設計通用異步收發(fā)(UART),主控機或上位機通過串口與基帶處理模塊的DSP數(shù)據(jù)交換,。語音數(shù)字化和編/解碼采用連續(xù)可變斜率增量編碼調(diào)制CVSD,,通過DSP芯片來實現(xiàn)語音基帶處理的功能。
本課題設計的這個DSP基帶處理平臺有相當?shù)耐ㄓ眯院涂蓴U充性,,通過改變寫入EEPROM中的程序和CPLD控制邏輯可以實現(xiàn)系統(tǒng)功能的改變與擴充,。本設計不僅為外圍功能電路模塊如鍵盤模塊、顯示模塊的擴展提供了平臺,,而且為軟件組件的更新與升級提供了平臺,,可有效加強通信功能。
一,、方案設計基礎
DSP方案設計包括硬件設計以及軟件設計兩部分,。硬件設計又稱為目標板設計,是基于算法需求分析,、成本,、體積、功耗等全面考慮的基礎上完成的設計,,如圖1-1是一個典型的DSP目標板結構圖,。

圖1-1 DSP目標板

二、數(shù)字電臺原理設計

采用CVSD(連續(xù)可變斜率增量調(diào)制)語音編解碼和UART數(shù)據(jù)接口,,送入基帶處理模塊的語音數(shù)據(jù)流最高為16kbps,,數(shù)據(jù)流最高為9.6kbpsDSP的基帶處理,,包括進行信道編/譯碼,、加入/提取信令、組/拆幀等,,送出64kbps數(shù)據(jù)到數(shù)字調(diào)制/解調(diào)電路,。

圖1-2

對于數(shù)字語音通信,從MIC(話筒)來的語音信號在語音編解碼器中,,經(jīng)過CVSD編碼變?yōu)?6kbps串行數(shù)字語音流,。通過VC5409的一個多通道緩沖串口(McBSP)接收引腳送入,再進行信道編碼,以增強糾錯能力,。

從VC5409上引出的16位數(shù)據(jù)線(D15-D0)與16位地址線(A15-A0),,經(jīng)過了一級總線驅(qū)動器(BUFFER),增強驅(qū)動能力,,以擴展足夠的外設,。

 

 
在此基帶處理模塊的設計中,需要擴展EEPROM存儲器與通用異步收發(fā)器(UART),。擴展EEPROM是為了存儲用戶的數(shù)據(jù)以及編制的軟件,,并在目標板上電時,通過Bootloader引導DSP片內(nèi)RAM,,完成用戶程序的自啟動,。擴展UART接口是針對數(shù)據(jù)通信任務,主控機或者上位機可通過UART接口與基帶處理模塊上的VC5409進行數(shù)據(jù)交換,。
對于上圖1-2,,本電臺基帶處理系統(tǒng)包括7個子模塊:語音前端、基帶DSP,、UART,、BUFFER、擴展存儲器,、CPLD控制單元,、電源。不包括下級處理模塊,,以及擴展的外設顯示屏,、鍵盤等。
三,、設計中每部分的作用
 1,、基帶DSP
TMS320VC5409芯片主要包括CPU、片內(nèi)存儲器和片內(nèi)外設三個部分,,它們通過片內(nèi)總線相互連接,交換數(shù)據(jù)信息和控制信息,。TMS320VC5409配置有片內(nèi)RAM 32K,片內(nèi)ROM 16K,三個串口,,一個并口。
VC5409的三個串口使用了其中的兩個,,一個用于接收和發(fā)送語音編碼信號,,另一個用于接收和發(fā)送標準輸入信號。由于DSP的串口是極其寶貴的資源,,所以需要剩下一個串口通過CPLD預留出來,,以備系統(tǒng)擴展。考慮到系統(tǒng)的完整性,,還預留了HPI接口(HD0-HD7),。
VC5409的總線均連接到了總線驅(qū)動器SN74LVTH16245上,所有外設的地址線和數(shù)據(jù)線連接到總線驅(qū)動器的另一端,,這樣連接的目的是數(shù)據(jù)緩沖和隔離保護DSP芯片VC5409,,避免DSP芯片被燒壞。
由于DSP芯片的程序一般是燒在存儲器中的,,但是這些非遺失性的存儲器(ROM)訪問速度較慢,,一般不能直接用做程序存儲器使用,需要在上電時引導到CPU的高速程序存儲器中,,這個過程稱為BOOTLOADER,。VC54xx系列DSP在片上ROM放有引導程序,使用該引導程序可以很方便的在DSP上電復位時將用戶的應用程序從外部存儲設備中裝入到DSP片內(nèi)存儲器和高速片外程序存儲器中,。本設計是將程序燒在EPROM中的,,所以采用的是EPROM并口引導方式。
2,、DSP電源設計

DSP電源可以采用由TPS73HD318芯片組成的雙電源電路,,1.8V主要為VC5409的內(nèi)部邏輯提供電壓,包括CPU,、時鐘電路和所有外設,;3.3V電壓為外部接口引腳供電;它還帶有200ms寬脈沖的復位信號,,其中TPS-RS就是復位信號,,可利用此信號使DSPURAT復位,。電源電壓為12V,,12V的電源電壓通過穩(wěn)壓器78057905轉(zhuǎn)換為5V電壓。選用12V作為系統(tǒng)的電源電源是因為芯片MC3418需要的電壓是12V,,為所有芯片里面需呀供電電壓最高的,,而其他芯片只需5V甚至更低。

3,、語音前端設計

 

 

 

 

該功能模塊的主要任務是對輸入的低功率語音信號進行放大濾波,,轉(zhuǎn)換為負載所需的足夠的輸出功率信號。之后需要再對語音信號進行編碼,。語音前端可分為信號放大濾波電路與語音編解碼電路,。
語音信號放大濾波電路,是為了把信號增大到可利用的程度,。在語音編碼前端對信號進行放大選用LM356運算放大器,,其輸入性能比通常的運放增強一個數(shù)量級以上,,可以應用于采樣和同步電路、快速的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器,、寬帶,、低噪聲等放大器。
 
編/解碼芯片采用MC3418,。這但是單片MC3418只能工作在半雙工模式,。為了完成全雙工,采用了兩片MC3418,,分別用于編解碼電路,。
編碼和解碼電路的外圍電路相同,編碼電路將編/解碼選擇引腳(15腳)置高電平,,解碼電路將此引腳接地即處于低電平,。

4、UART部分

擴展設備UART包括電平轉(zhuǎn)換器和UART協(xié)議控制器,。電平轉(zhuǎn)換器將計算機串口送來的15v數(shù)據(jù)電平轉(zhuǎn)化為0~5V的TTL電平,。UART協(xié)議控制器選用的是TL160C550。

 
TL160C550的作用是對從外圍器件接收的信號實行串行到并行的轉(zhuǎn)換,,對從CPU接收的信號實行并行到串行的轉(zhuǎn)換,。在ACE(異步通信單元)工作的任何時候CPU都可以讀ACE(異步通信單元)的狀態(tài)。該接口使用TL16C550芯片是TL16C450異步通信單元(ACE)的升級產(chǎn)品,。TL16C550內(nèi)嵌完整的MODEM控制協(xié)議和處理器終端系統(tǒng),,減輕用戶在通信協(xié)議上的軟件編程以及管理工作。TL16C550還有可編程的片內(nèi)波特率產(chǎn)生器,,能對基準時鐘進行分頻并產(chǎn)生內(nèi)部發(fā)生器邏輯的16*時鐘,,DSP可以在任何時刻訪問其內(nèi)部寄存器。它使用1.8432MHz和3.072MHz晶體頻率的波特率產(chǎn)生器可得到各種的數(shù)據(jù)速率,。該系統(tǒng)把UART擴展在VC5409的I/O空間,。
TL16C550輸出的是TTL電平,所以在跟PC通信時需要進行電平轉(zhuǎn)換,,轉(zhuǎn)換為RS-232電平,。電平轉(zhuǎn)換使用MAX3238即多通道RS-232驅(qū)動器/接收器。

 

6,、總線驅(qū)動器

由于DSP芯片的地址總線和數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動能力有限,,從VC5409上引出的16為數(shù)據(jù)線(D15-D0)與16位地址線(A15-10),經(jīng)過一級總線驅(qū)動器(BUFFER),,可以有效增強驅(qū)動能力,以便擴展足夠的外設,。同時BUFFER起到隔離作用,,避免擴展的5V高電壓外設燒毀3.3V的低電壓VC5409,。總線驅(qū)動器器件選用SN74LVTH16245,,這是一種16位總線驅(qū)動器,,與地址、數(shù)據(jù)總線均為16位的VC5409匹配,。其中數(shù)據(jù)總線使用SN74LVTH16245來進行雙向驅(qū)動,,需要特別是針對數(shù)據(jù)總線進行加強驅(qū)動能力的設計;地址總線是單向的,,沒有方向的控制使用SN74LVTH16245單向驅(qū)動器就可以了,。

7、擴展存儲器

由于VC5409ROM型器件,,用戶的運行程序和數(shù)據(jù)在掉電后不能保留,,需要擴展FLASH EEPROM來加以存儲。

 

 

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