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近年來,隨著DSP技術的普及,一大批低價格、高性能DSP芯片的出現,越來越多的電子工程技術人員開始使用DSP來進行系統設計.本文以TI公司C5000系列DSP中的TMS320C542為例,構成一種數據采集處理系統.文中詳細地分析了系統的結構、設計的注意事項、HPI接口的工作原理與連接方法、系統的工作流程以及軟件編制中的注意事項. 1 TMS320C542結構及應用 TMS320C542是TI公司C5000系列DSP中的一種,C5000系列共有的特點如下: ·改進的哈佛結構,包含一條程序總線,三條數據總線和四條地址總線 ·高度并行的CPU和針對應用優化的硬件 ·針對算法和高級語言優化的指令集 ·先進的IC技術使其既高性能又低功耗 C5000系列內部硬件功能塊如圖1所示.其中,有:40bit算數邏輯單元(ALU);兩個40bit累加器A和B;17×17bit乘加單元(40bitMAC ,可作64級FIR運算而不必考慮溢出;計算、選擇、存儲單元(CCSU),特別適合Viterbi等算法;40bit桶型移位寄存器;片上雙存取RAM,每機器周期可存取兩次;片上單存取RAM,可同時訪問兩塊片上存儲區;片上外圍接口,包括串口、定時器、PLL、HPI接口等. TMS320C542自身特點如下: ·25ns單周期定點指令執行時間,5V供電 ·10K Words 16bit 片上雙存取RAM ·64K Words程序,64K Words數據,64K Words I/O存儲空間 ·2K Words HPI接口,可通過此接口方便地與主設備進行信息交換,主設備也可通過此接口下載DSP程序 ·一個自動緩沖的串口和一個TDM串口,且都可用作標準同步串口 此外,C5000系列DSP可使用JTAG接口進行調試,可完全控制DSP上的所有資源,使用方便可靠. 2 系統結構 由TMS320C542構成的數據采集處理系統的結構如圖2所示,以DSP為中心,帶有64K程序RAM,64K數據RAM,并通過16K×16的FIFO將數據送到DA,16K×16的FIFO將AD采集的數據送到DSP.與主機通過HPI接口進行數據交換.對SRAM、FIFO、AD、DA的控制,DSP所需各種狀態信息的獲取,以及與主機的其它一些聯系,都通過CPLDA和CPLDB來實現. C5000系列DSP關鍵的外部接口信號如下: ·A0～A15,地址總線 ·D0～D15,數據總線 ·/MSTRB,外部存儲器存取閘 ·/IOSTRB,I/O存取閘 ·R/W,讀寫信號 ·/PS,程序空間選擇 ·/DS,數據空間選擇 ·/IS,I/O空間選擇 ·READY,數據準備好 此外,還有/HOLD、/HOLDA等,本系統未用. 2.1 存儲器控制 程序存儲器和數據存儲器各使用一片64K×16的SRAM,為了使DSP對外存的操作盡量快,其速度等級為12ns.使用/PS作程序存儲器的片選,/DS作數據存儲器的片選,而兩片存儲器的讀寫信號如下: /OE=not(not(/MSTRB) and not(R/W)) /WR=not?not(/MSTRB) and (R/W) 出于高速的需要,采用了Xilinx公司的XC9536生成邏輯(CPLDA).XC9536管腳至管腳的延遲為5ns,內部有36個宏單元,可用管腳34個,可在線編程,使用起來有很多優點.通過這些措施,系統可零等待地存取程序和數據RAM,也就是說,存儲器讀可達40M×16bit,寫可達20M×16bit. 2.2 FIFO控制 用于DAFIFO的寫和ADFIFO的讀都由CPLDA產生,其邏輯方程為: /ADFIFOR=not(not(/IOSTRB) and not(R/W) and ADDR0x0) /DAFIFOW=not(not/IOSTRB) and R/W and ADDR0x0) 其中,ADDR0X0指DSP的A15～A13為零. DIFIFO由兩片容量16K×9bit、速度10ns的FIFO構成,ADFIFO亦如此.由于控制信號的低延遲和FIFO的高速,對FIFO的存取也達到了零等待,即:使用RPT或RPTZ指令時,可達20M×16bit/s. 2.3 A/D和D/A控制 A/D轉換器負責將外部模擬信號變換成DSP可處理的數字量,是DSP進行處理的基礎,在系統中具有十分重要的地位,采用的是10M采樣率、12bit分辨率的AD9220,如果需要,可在不改板的情況下換成20M或40M采樣率的A/D.而D/A則將DSP生成的數字信號變成模擬量,完成信號的輸出或對系統其他部分的控制,采用了100M速度的AD9762.A/D和D/A的控制信號如下: ·ADCLK和DACLK,分別是A/D轉換器和D/A轉換器的時鐘 ·ADFIFOW,將A/D轉換的數據寫入ADFIFO ·DAFIFOR,從DAFIFO讀出數據以供D/A轉換 ·DAFIFOMR和DAFIFORT,用于DAFIFO的清零和重傳 ·ADFIFOMR和ADFIFORT,用于ADFIFO的清零和重傳 此六個信號都由CPLDB產生,CPLDB采用的是Xilinx公司的XC95108,速度為10ns,有108個宏單元,可在線編程,因而有較高的靈活性.使用24MHz的晶振為CPLDB提供時鐘,由DSP通過I/O口向CPLDB寫入數據以控制ADCLK和DACLK的開關和頻率,并以I/O寫的方式產生FIFO的清零和重傳信號. 2.4 CPLDA和CPLDB的應用 由以上介紹可以看出,整個系統的邏輯都由CPLDA和CPLDB產生.此外,它還有以下功能: ·FIFO的所有狀態信號,系統外部送入的各種控制和狀態信號,都送入了CPLDB,可由DSP通過I/O方式讀取 ·DSP的四個外部中斷、NMI中斷都連至CPLDB,可通過I/O口實時控制哪個信號接入哪個中斷,具有較大的靈活性 ·DSP的通用I/O管腳BIO和XF連至CPLDA,可以查詢方式快速響應外部信號 ·主機對DSP的復位和其它一些特征的控制,對DSP的某些信息的讀取 ·DSP對其它一些外圍電路的控制 由于在硬件設計時,對實際應用的要求并不能完全了解,因此需要使系統有足夠的冗余和靈活性,使用CPLD可以達到這一要求.通過將可能需要的各種控制和狀態信號引入CPLD,并利用CPLD的大容量和現場可編程性,可根據不同的要求進行現場修改,從而使系統設計的成功率更大,并且有很大的靈活性. 系統中使用了兩片CPLD,而沒有用一片大容量的CPLD代替,是出于系統性能的考慮.因為存儲器和FIFO的讀寫信號需要較低的延遲才可滿足零等待的要求,而大容量的CPLD延遲大且價格高,因而用XC9536滿足系統對速度的要求,而用XC95108滿足系統復雜邏輯對容量的要求. 2.5 HPI接口 DSP可使用HPI(Host Port Interface 接口方便地與主設備或主處理器交換數據,而幾乎不需增加額外的器件.對40MHz主頻的320C542而言,通信速度最快可達64Mbps.而且C5000系列DSP通過某種連線方式,可利用HPI接口下載程序,從而使系統具有更大的靈活性.HPI接口的框圖如圖3所示,有HPIA(HPI地址寄存器)、HPID(數據寄存器)、HPIC(控制寄存器)三個16bit寄存器,主設備就是通過這些專用寄存器與HPI通信.在C542的10K內部RAM中,有2K字屬于HPI存儲塊.系統框圖如圖4所示,HD0～HD7是8位數據線,直接連到主設備的數據線上;HCS為片選信號;HDS1和HDS2為數據鎖存信號,在主設備的存取周期控制數據的傳輸,一般連至主設備的數據選通;HR/W決定當前操作是讀還是寫,可根據主設備的具體情況決定與何種信號相連;HCNTL0/1用于主設備選擇存取HPI的哪一個寄存器和對寄存器的存取類型,連至主設備的地址線;由于HPI寄存器是16位,而HPI與主設備僅以8位數據線相連,因而用HBIL決定當前存取的是一個字的第一還是第二字節,連至主設備的地址線. 對HPI進行操作,首先要將控制字寫入HPIC,然后將要存取的地址寫入HPIA,最后存取HPID,就可從HPI存儲塊讀數或將數據寫入HPI存儲塊.此外,還可選擇HPIA自動增加方式,將初始地址寫入HPIA后,可不再操作HPIA,每存取一次數據,地址都會自動加一,因而大大加快了存取速度. 在本系統中,主設備是AMD186構成的嵌入式系統,AMD與HPI的連接如圖5所示.由以上介紹可以看出,使用HPI也可與PC機的ISA總線方便地連接,用PC機作為主設備,通過PC機向DSP下載程序完成各種功能. 要使用HPI下載程序,只需在DSP復位時將程序通過HPI接口寫入HPI存儲塊從0X1000開始的存儲區,并在上電復位后的一段時間將HINT管腳的信號引至INT2管腳,DSP在Boot程序中檢測到后,就會自動跳轉至0X1000處開始執行. 3 系統工作流程及設計注意事項 系統通過實際測試,運行速度為40MIPS,程序和數據存儲器、所有I/O口都能全速運行,工作穩定可靠.其工作流程如下: (1)根據要求編寫DSP程序并調試通過. (2)復位DSP,并由主設備通過HPI接口向DSP下載程序. (3)復位信號失效,DSP在主設備的控制下開始工作. 由于系統工作于較高的頻率下(CPU為40MHz,外圍設備一般為20MHz,最高為40MHz),因而在系統設計中,必須注意高頻影響. 首先,系統要盡量簡單,要選擇大容量、表面封裝的元器件,以使元件數量少、體積小,降低信號反射并有利于布線. 其次,在設計PCB板時,要采用四層板,中間兩層作電源和地,并多加一些去耦電容.布線時不可用90度的拐彎,過孔要盡量少.數據和地址最好成組布線,以降低對其它信號的影響.一些關鍵的控制線,如存儲器讀寫信號和FIFO讀寫信號,最好在其兩邊加地線保護.特別是FIFO的讀寫信號,由于其對干擾特別敏感,要特別注意.對一些較長的引線,可串接一個30Ω的小電阻或加終端匹配以減小反射. 4 C5000系列DSP的軟件編程和調試 C5000系列DSP的編程工具,有C語言和匯編語言兩種,而匯編語言又有兩種指令集,一種叫記憶指令集(Mnemonic Instruction Set ,類似8086的匯編語言;一種叫代數指令集(Algebraic Instruction Set ,類似于C語言,使用起來比記憶指令集方便很多. 實際應用中,一般都是C和匯編混合編程,混合編程的方法,可查閱C5000系列DSP的手冊得到.TI公司還提供了一個運行庫(Runtime Lib ,用TI公司的JTAG調試器進行調試時,在DSP程序中調用運行庫的函數,可以打開PC機上的文件獲取數據,或將DSP的數據傳入PC機并存入文件,或通過PC機鍵盤向DSP傳遞信息和發送命令,總之,可以為調試帶來極大的方便. 在本系統中,由于既有A/D,又有D/A,構成了一個閉環,自發自收.可以由D/A生成模擬波形,由A/D實時采集,由DSP處理,對算法的設計和調試可帶來很大的幫助. |
