基于TMS320F2812的雙機信息處理系統(tǒng)設計
關鍵詞：數(shù)字信號處理器(DSP)；TMS320F2812；雙機平臺；信息處理
1 引言
在信息處理系統(tǒng)中，對系統(tǒng)本身精度要求越來越高，所需處理的數(shù)據(jù)量越來越大，要求數(shù)據(jù)處理的速度越來越高，這就對系統(tǒng)的硬件提出了更高的要求。TMS320F2812(以下簡稱F2812)是美國德州儀器公司(TI)推出的功能強大、性能優(yōu)越的32位定點DSP，具有150 MI/s的處理能力和強大的事件管理及嵌入式控制能力，片內(nèi)集成有150 kxl6 bit存儲器、16通道12位高性能A/D轉換器、2個事件管理器(EVA和EVB)、3個32位定時器、5個串行接口(2個SCI、1個SPI、1個CAN、1個McBSP)，支持45個外設中斷(3個擴展中斷)，最多56個GPIO引腳，可外擴超過l Mxl6 bit的存儲器。該器件既具備數(shù)字信號處理器強大的數(shù)據(jù)處理能力，又像微處理器那樣具有適于控制的片內(nèi)外設及接口，可謂實現(xiàn)了數(shù)字信號處理器與微處理器的最佳結合。這一高度集成化的芯片為高精度控制應用提供了一整套的片上系統(tǒng)，極大地降低了系統(tǒng)成本，使系統(tǒng)功耗低，實時性高，靈活性強；另一方面，F(xiàn)2812與TMS320F24x/LF240x(以下簡稱F24x/240x)原代碼及部分功能相兼容，使其應用領域更加廣泛，從電機數(shù)字控制領域拓展到光學網(wǎng)絡、汽車控制、生物測定學等新興應用領域。具體有生物測定學應用領域中的人力資源管理、汽車及家庭安全系統(tǒng)和身體入口控制等?？傊?，憑借F2812強大的數(shù)據(jù)處理能力及高度集成化程度，其應用范圍還有很大的拓展空間。
在通常的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，采用單一CPU擔任數(shù)據(jù)采集和處理工作，但在實時性要求嚴格的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，單一CPU常常因為大量數(shù)據(jù)輸入/輸出和接口突發(fā)信號直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常工作，為了解決單一CPU系統(tǒng)在高速模數(shù)(A/D)或數(shù)模(D/A)轉換中的這一缺陷，本文采用兩片F(xiàn)2812構成雙機平臺(分別稱為A機和B機)，分別完成信號的轉換(A機)和與PC機的數(shù)據(jù)通信(B機)，而A機和B機之間通過雙口RAN進行數(shù)據(jù)交換。另外USB接口具有即插即用、熱插拔、傳輸速度快、通用性強、易擴展和性價比高等優(yōu)點，USB2.O接口的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達480Mb/s．通過USB2.0接口實現(xiàn)F2812 DSP雙機平臺與PC機的連接，不僅數(shù)據(jù)傳輸速率滿足要求，而且較為方便實用。這樣提高了整個系統(tǒng)的運算速度，使整機具有良好的性能提升空間。
限于篇幅有限，僅給出F2812 DSP雙機平臺、信號調(diào)理和A/D模塊的硬件設計和軟件流程。
2 F2812雙機平臺系統(tǒng)硬件設計
2.1 DSP雙機平臺模塊硬件設計
TMS320F2812 DSP雙機平臺功能框圖如圖l所示?，F(xiàn)將各部分的功能介紹如下：
(1)A機：主要完成4路模擬信號的實時A/D、 D/A轉換。需要擴展256 kxl6 bit RAM、16 kxl6 bit雙口RAM、高速4路12 bit D/A轉換器、1路RS-422異步串行接口(備用)，4路模擬輸入信號通過信號調(diào)理模塊連接A/D轉換器接口。
(2)B機：主要完成USB2.O接口數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)調(diào)整和操作-控制命令解析、系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示。需要擴展256 kxl6 bit RAM、16 kxl6 bit雙口RAM、512 kxl6 bit Flash、USB2.0接口模塊、液晶顯示屏-鍵盤-聲光指示模塊、1路RS-422異步串行接口(備用)。
(3)A機和B機通過外擴雙口RAM器件共用存儲區(qū)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，共用30 MHz外部晶體振蕩器(時鐘源)。
(4)電源模塊提供5路直流電源：±12 V(模擬)、+5 V(數(shù)字)、+3.3 V(數(shù)字)、+1.9 V(數(shù)字)。
(5)信號調(diào)理模塊：4路雙極性模擬輸入信號不能直接接入F2812 DSP的A/D輸入引腳，需要經(jīng)過信號調(diào)理模塊，將信號的最大電壓幅值調(diào)整到F2812 DSP A/D輸入允許的范圍之內(nèi)(0 V~+3 Vp-p)，再輸入至ADC。
(6)D/A模塊：4路高速12 bit D/A轉換器輸出，建立時間小于120 ns。
(7)USB2.0接口模塊：通過USB2.0接口實現(xiàn)F2812 DSP(B機)與PC機的物理連接，實現(xiàn)F2812DSP與PC機平臺的數(shù)據(jù)交互。
(8)CPLD邏輯控制電路：實現(xiàn)F2812 DSP各個外部擴展功能模塊的片選地址譯碼。
該模塊是整個系統(tǒng)的核心部分。由于兩片F(xiàn)2812 DSP的引腳連接基本相同，按照通用性強、接口清晰簡捷、資源引出最大化、兼顧構建雙機平臺的設計思想設計單一F2812 DSP模塊，再由單一F2812 DSP模塊組建雙機平臺原理樣機。這樣只需要設計出一種F2812 DSP的PCB板，降低了風險，節(jié)省了時間和加工費用。在雙機平臺原理樣機調(diào)試通過、軟件調(diào)試通過和系統(tǒng)正常運行的基礎上，可以再進行F2812 DSP雙機平臺的整體模塊二次設計。
單F2812 DSP的電源、地線、外部地址總線、外部數(shù)據(jù)總線、外部控制總線、外部中斷源、時鐘電路、復位電路、鎖相環(huán)、JTAG接口、A/D輸入、SCI-A/B串口、SPI串口、GPIO等連線原理圖如圖2所示。
2.2 F2812 DSP外部擴展存儲器接口設計
F2812的外部接口(XINTF)映像到5個獨立的存儲空間。由于F2812采用統(tǒng)一尋址方式，擴展的外部存儲空間既可以作為數(shù)據(jù)存儲器，也可以作為程序存儲器。每個XINTF區(qū)都有一個片選信號，當對一個特定區(qū)域進行訪問時這些信號就會出現(xiàn)。本系統(tǒng)設計為了擴大F2812 DSP的存儲空間，合理分配DSP外部存儲器擴展空間，提高數(shù)據(jù)處理速度和處理能力，需要外擴存儲器。所以F2812 DSP的三個引腳XZCS0AND1、XZCS2、XZCS6AND7作為外部擴展存儲器的片選信號，這樣極大方便了外部存儲器的擴展。根據(jù)每個區(qū)容量的大小，外擴了一片靜態(tài)存儲器(SRAM)，選用ISSI公司SRAM IS61LV-25616；同時考慮到編程需求以及升級，本系統(tǒng)設計充分利用了F2812 DSP良好的擴展性能，將Flash擴展至512 K，選用SST公司Flash存儲器SST39VF-800A；另外，外擴的雙口RAM(DARAM)用來緩沖DSP和其他器件(可以是DSP構成的雙機系統(tǒng))交換的數(shù)據(jù)，選用IDT公司的IDT70V27S/L。
IS61LV25616是256 Kxl6高速CMOS工藝3.3V單電源供電的靜態(tài)隨機存儲器。SST39VF 800A是512 K×16的3.0 V~3.6 V單電源供電的Flash。IDT7OV27S/L是32 Kxl6高速3.3 V單電源供電雙端口靜態(tài)隨機存儲器。外部擴展存儲器空間及映射地址范圍參見表l。
2.3 信號調(diào)理模塊
F2812片內(nèi)ADC模塊的模擬輸入電壓范圍為0 V~+3 Vp-p，其引腳最大輸入電壓范圍是-0.3V~+4.6 V。因此需要對4路模擬輸入的雙極性信號進行調(diào)理，調(diào)整到相應的范圍內(nèi)，再輸入到F2812的ADC模塊。
信號調(diào)理電路采用運算放大器OP37或AD811構成一級反相放大電路，圖3給出了單通道信號調(diào)理電路原理圖。手動調(diào)節(jié)電位器Wl和WFl可以獲得0.1~10倍的反相增益，C1、R3、R4、Dl、D2組成直流偏置電路，將運放輸出±1.5Vp-p以內(nèi)的雙極性信號疊加+1.5 V直流偏置電壓，轉換為0 V～+3Vp-p單極性信號輸入ADC。
采取以下三種措施，基本消除了通道間的信號串音現(xiàn)象：模擬信號采用單芯屏蔽線傳輸；各個模擬通道獨立的電源濾波電路；各通道之間設置地線隔離。OP37是精密測量運算放大器，AD8ll是高速視頻運算放大器。
2.4 D/A模塊
本模塊采用DAC8544，DAC8544是采用+2.7V～+5.5 V單電源供電、16位分辨率、電壓輸出、4通道、并行接口的數(shù)模轉換器。為實現(xiàn)8通道并行輸出，要使用兩片DAC8544。為了可選擇4路輸出，加入了單刀雙擲模擬開關MAX4780，它具有+1.6 V～+4.2 V單電源供電、快速開關(Ton=20 ns，Toff=8 ns)等優(yōu)點。通過開關關掉一個DAC8544的輸出，就可以實現(xiàn)4路輸出與8路輸出的轉換。D/A模塊的原理圖如圖4所示。
3 F2812雙機平臺系統(tǒng)軟件設計
F2812 DSP得到Tl強大的軟件開發(fā)工具的支持。CCS(Code Composer Studio)是TI開發(fā)的一個完整的DSP集成開發(fā)環(huán)境，也是目前使用最為廣泛的DSP開發(fā)軟件之一。現(xiàn)在，TI所有的DSP都可以使用該軟件工具進行開發(fā)。在CCS中，不僅集成了常規(guī)的開發(fā)工具，如源程序編輯器、代碼生成工具(編譯、連接器)及調(diào)試環(huán)境，還提供了DSP/BIOSTM開發(fā)工具。DSP/BIOSTM是一個簡易的嵌入式操作系統(tǒng)，它能大大方便用戶編寫多任務應用程序。使用DSP/BIOSTM后，同時還能增強對代碼執(zhí)行效率的監(jiān)控。目前，DSP/BIOSTM已經(jīng)成為DSP開發(fā)過程中最重要的工具。作為DSP的實時分析工具，DSP/BIOSTM提供了優(yōu)先次序時間表及介于主機與目標DSP之間的RTDX(tm)數(shù)據(jù)鏈路。借助于CCS及DSP/BIOSTM這兩大工具，可大大縮短DSP產(chǎn)品開發(fā)周期，加速產(chǎn)品投向市場。
F2812 DSP雙機平臺中，A機和B機的分工不同，A機處于系統(tǒng)的最前端，直接面向物理信號，外設功能單一，具有任務量少、時序嚴格、及時響應的特點，其主要任務是A/D、D/A實時變換和數(shù)據(jù)實時傳輸；B機擴展了USB2.0高速接口模塊、液晶屏、鍵盤等外設，需要執(zhí)行數(shù)據(jù)調(diào)整、傳輸通訊，命令解析，狀態(tài)顯示等任務。
需要說明的是A機、B機各僅有一個中斷源，避免了因多中斷源形成隊列引發(fā)的實時性沖突。A機A/D轉換中斷服務程序流程圖、B機主程序流程圖分別如圖5、6所示。
4 結束語
本文采用兩片F(xiàn)2812 DSP構成雙機平臺(分別稱為A機和B機)設計的信息處理系統(tǒng)，具有先進性、新穎性、實用性、通用性、開放性等特點?；贔2812 DSP的雙機平臺模塊提高了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和通信傳輸速度。該系統(tǒng)可作為面向實際信號的信號處理實驗平臺，可在此基礎上實現(xiàn)已有的處理算法和新型算法，進一步開發(fā)各種應用軟件，其應用可拓展到依據(jù)需求構造信號處理系統(tǒng)、光學網(wǎng)絡、汽車控制、生物測定學等新興應用領域。
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