DSP

DSP硬件设计学习之一: 硬件设计调研

2019-07-13 10:32发布

        在学习之前,想先通过调研回答自己心中的几个重要问题:(已有单片机基础,学过C51和STM32) 1.DSP是Digital Signal Processing(数字信号处理)的缩写,它到底是什么:一种信号处理方法,还是硬件或者软件?是硬件的话,是指的一类硬件比如单片机,还是具体的一款产品如C51和STM32? 2.DSP硬件设计需要哪些预备知识?如模电、数电、电工技术,汇编语言,PCB设计。 3.DSP硬件设计最终产品形式是什么?是一块集成了多种数字芯片的PCB板子吗?有没有成品可以看看长什么样。 4.有哪些比较好的教材,视频,案例可供学习? 5.DSP硬件设计的一般步骤是什么?有哪些值得关注的重点难点?         问题的答案: 1.第一问,即什么是DSP? 1)DSP是数字信号处理技术的简称,相对于模拟信号处理技术; 2)DSP芯片是指一类数字信号处理的芯片(硬件),不是具体的产品,和“单片机”属于同一层概念。“单片机”包括了C51和STM32等具体芯片产品,同样的,DSP也包括几种具体的芯片。以下从DSP芯片发展史可以对其有个清晰的概念划分。 1978 年,AMI 公司发布世界上第一个 DSP 芯片 S2811; 1979 年,美国 Intel 公司发布的商用可编程器件 2920 是 DSP 芯片的一个主要里程碑; 1980 年,日本 NEC 公司推出的 MPD7720 是第一个具有硬件乘法器的商用 DSP芯片,从而被认为是第一块单片 DSP 器件; 1982 年,世界上诞生了第一代 DSP 芯片 TMS32010 及其系列产品;                                                                                                                                            美国德州仪器公司的 TMS320 芯片 80 年代后期,第三代 DSP 芯片问世。 运算速度进一步提高; 90 年代 ,DSP 发展最快,相继出现了第四代和第五代 DSP 芯片。 第五代将 DSP 芯核及外围元件综合集成在单一芯片上,系统集成度更高; 21 世纪后,第六代 DSP 芯片横空出世。在性能上全面碾压第五代芯片,同时基于不同目的发展出了诸多个性化的分支,并开始逐渐拓展新的领域。 本小节参考资料:http://www.eefocus.com/mcu-dsp/412503 3)主要生产商,目前常用的几款DSP芯片: 目前, 世界上 DSP 芯片制造商主要有 3 家:德州仪器(Texas Instruments,简称TI,美国)、 模拟器件公司(Analog Devices Inc,简称ADI,美国)和摩托罗拉公司(Motorola Inc,美国),其中 TI 公司独占鳌头, 占据绝大部分的国际市场份额, ADI 和摩托罗拉公司也有一定市场。其余的公司有Lucent (朗讯,美国)和 Zilog(美国) 等。 当前广泛使用的通用DSP芯片包括: TI公司的TMS320系列; ADI公司ADSP21xx系列; Motorola公司的DSP56xx系列和DSP96xx系列; AT&T公司的DSP16/16A和DSP32/32C等。 具体参见:http://www.elecfans.com/emb/dsp/20160727429128.html 4)既然DSP用于数字信号处理,单片机也是处理数字信号的,那么两者有何区别? 本小节参考资料http://www.elecfans.com/news/dianzi/20170703529199.html 最重要的性能上的区别:DSP器件(DSP芯片+片上外设)是一种具有高速运算能力的嵌入式系统硬件设备。 单片机为冯诺依曼结构,顺序执行命令。不能进行很复杂的计算。如果要进行大量数据运算,比如图像处理就不适合用单片机;一般的工业控制用单片机即可。 DSP为哈弗结构,并行运算,有硬件乘法器,有的还硬件集成FFT,实时性强, 适合需要大量数据处理的场合。低端的DSP,如C2000系列,主要是用在电机控制上。高端的DSP,如C5000/C6000系列,一般都是做视频图像处理和通信设备这些需要大量运算的地方。 总结:DSP与MCU是不同的。结构上,前者采用哈佛结构,后者采用冯诺依曼结构;计算方法上,前者采用并行计算,后者采用顺序计算;功能上两者相似,可以把DSP看成一个超级快的MCU。   2.第二问,DSP硬件设计需要的预备知识 1)数电、模电和电路理论基础 2)DSP器件相关原理知识          明确DSP硬件系统组成,根据系统控制要求选择合适的DSP芯片,即DSP选型;设计DSP最小系统;DSP的结构和外设接口;最后进行固件开发,并在CCS上进行debug调试。 参考资料:https://jingyan.baidu.com/article/c35dbcb0ee45418916fcbcb3.html 3)原理图及PCB设计软件的使用方法
  3.第三问,DSP硬件设计最终产品形式 1)最简单的形式是,DSP核心板 2)明确设计任务:并非直接使用实验板或者开发板进行外围电路设计,而是一个“设计开发板”的过程。具体的设计过程可参考相关单片机核心板设计过程及方法。参考资料https://www.jianshu.com/p/c90190e93307                                                                                                                                     一种开发板产品形式及其主要组成 4.有哪些比较好的教材,视频,案例可供学习? 1)DSP电路设计的资料 注:设计资料最终来源于DSP技术手册、这部分也是最难的一部分。 随便网上找的都可以,目前不知道比较好的视频资料。待完善。 2)PCB设计资料 注:仅使用Altium这一款软件(前身Protel)即可完成电路原理图绘制、PCB设计;这部分相对简单。 资料1:PCB入门学习资料链接:https://pan.baidu.com/s/18JJwLcXFBWqFIPrAclTb_w 提取码:16wm (资料仅供个人学习交流,有效期只有七天,需要资料的可以联系我免费发送)
常用三大PCB设计软件:Altium Designer、PADS、Cadence allegro;其余的还有Cadstar ,CR5000,PCAD,Mentor EE,Mentor WG等软件。Altium Designer:软件的市场定位是一些简单的板子,如单片机类,简单的工业类,一些相对简单的板子,用这个软件比较多。相对是偏低端产品设计。本人此次设计即属于此类情况。 各个软件具体介绍见参考资料:https://zhidao.baidu.com/question/396289256374298405.html   5.DSP硬件设计的一般步骤是什么?有哪些值得关注的重点难点? 1)一般设计步骤: 注:设计步骤并不一定是严格按照以下顺序,常常是穿插进行的 ①确定硬件选型:根据实际功能需求来选择,包括DSP芯片,其余辅助芯片,外设接口设备(如驱动用固态继电器,调试用USB接口,程序下载接口,及其他外扩接口),电阻电感电容和三极管,晶振(全名晶体振荡器)等; ②设计电路原理图:这部分可以使用软件Altium来设计,包括了各个芯片电源电路,晶振电路等设计,和各硬件相互之间的联系电路; ③PCB电路设计:原理图出来后,这部分就相对比较简单了 ④硬件加工调试。 2)一些需要注意的重点和难点 DSP硬件设计也叫“系统集成”,指根据任务需要设计出一个以DSP芯片为核心的目标系统,除了DSP芯片,一般还包括时钟、扩展RAM及ROM、通信口、A/D及D/A等元器件。 具体设计时应该注意借鉴时钟电路、复位电路设计经验;未使用输入输出引脚的处理;在高频DSP设计时PCB板布线也需要着重考虑。 一些推荐网页资料:https://blog.csdn.net/wangshh03/article/details/73176284 http://bbs.21ic.com/icview-2562534-1-1.html?fromuser= 注:本文写作基于调研,其中内容不是很完善,只是一个总体上的理解,资料也不是很全,这将在实际设计过程中一步步完善。 2019.1.2-2019.1.11