基于TMS320VC5409和Cygnal單片機(jī)構(gòu)成的移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)

1 引言
　　移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)主要應(yīng)用在小型或便攜儀器上。它能夠采集、處理和并通過無線移動(dòng)網(wǎng)傳送和接收數(shù)據(jù)。由于無線移動(dòng)網(wǎng)的費(fèi)用，應(yīng)使移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)壓縮功能，以減少通過移動(dòng)網(wǎng)傳送和接收數(shù)據(jù)量。另外由于儀器具有體積小、便于攜帶、較長(zhǎng)的工作時(shí)間，電池供電等特點(diǎn)，因而要求移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)有較低的功耗。為達(dá)到上述目的，本文設(shè)計(jì)了一種基于Ti公司低功耗DSP芯片和Cygnal低功耗的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)。

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　　該移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)（見圖1）由三個(gè)主要DSP單元、CPU單元，GSM單元組成。經(jīng)放大、濾波后模擬信號(hào)送入CPU單元進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。CPU單元將A/D轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)通過HPI總線送入DSP單元進(jìn)行多種數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)壓縮等大量的和高速的運(yùn)算（例如：FFT、小波變換、濾波、模式識(shí)別、編碼壓縮等）。運(yùn)算的結(jié)果再通過HPI總線送入CPU單元。CPU單元還可對(duì)由DSP單元送來的信號(hào)再進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理、分析。CPU單元還分別控制其他輔助單元（例：鍵盤單元、時(shí)鐘單元、LCD單元、LED單元等）工作。CPU單元通過串口控制GSM單元通過無線移動(dòng)網(wǎng)傳送和接收數(shù)據(jù)。所以移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)實(shí)際是一個(gè)以CPU為核心的數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)。
2 DSP單元
　　DSP單元將CPU單元通過HPI總線送來的A/D轉(zhuǎn)換后的原始數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行多種高速運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果再通過HPI總線送入CPU單元。DSP單元可以承擔(dān)信號(hào)預(yù)處理、信號(hào)的檢測(cè)及分類等實(shí)時(shí)性要求高、計(jì)算量大的算法。這里選用Ti公司TMS320-54系列DSP中的TMS320VC5409[1]芯片。TMS320C54X是為實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能和低成本而專門設(shè)計(jì)的定點(diǎn)DSP芯片。TMS320C54X的主要特點(diǎn)包括：
　?、?運(yùn)算速度快。指令周期為25/20/15/12.5/10ns，運(yùn)算能力為40/50/66/80/100 MIPS；
　　⑵ 優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu)。內(nèi)部有1個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元，2個(gè)40位的累加器，2個(gè)40位加法器，1個(gè)17×17的乘法器和1個(gè)40位的桶形移位器，允許16位帶／不帶符號(hào)的乘法。有4條內(nèi)部總線和2個(gè)地址產(chǎn)生器。此外，內(nèi)部還集成了維特比加速器，用于提高維特比編譯碼的速度。
　　⑶ 低功耗方式。TMS320C54X可以在3.3V電壓下工作，三個(gè)低功耗方式（IDLE1、IDLE2和IDLE3）可以節(jié)省DSP的功耗，TMS320C54X特別適合于無線移動(dòng)設(shè)備。
　　⑷ 智能外設(shè)。除了標(biāo)準(zhǔn)的串行口和時(shí)分復(fù)用（TDM）串行口外，TMS320C54X還提供了自動(dòng)緩沖串行口BSP（auto-Buffered Serial Port）和與外部處理器通信的HPI（Host Port Interface）接口。
　　TMS320VC5409除了具有54X的特點(diǎn)外，它還有一個(gè)16位16 K的片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器, 一個(gè)16位32 K 的片內(nèi)雙操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，三個(gè)多通道緩沖串型接口（McBSPs），一個(gè)增強(qiáng)型的具有16位數(shù)據(jù)/地址驅(qū)動(dòng)功能的8位主機(jī)接口（HPI）[2]，一個(gè)16bit定時(shí)器和6個(gè)通道（DMA）控制器，操作速率達(dá)100MIPS，支持8 兆外部的程序空間，低功耗工作：3V和1.8V（內(nèi)核），特別適合電池供電設(shè)備。
    在移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)中，CPU以主機(jī)方式運(yùn)行，而VC5409以從機(jī)的方式運(yùn)行。CPU單元在啟動(dòng)時(shí)控制RESDSP信號(hào)復(fù)位VC5409，在復(fù)位時(shí)將放在DCM8512SRAM（圖5）中的VC5409用戶程序經(jīng)HPI總線傳送到VC5409的片內(nèi)高速RAM中，以提高DSP的執(zhí)行速度和減少功耗。由于VC5409的HINT和INT2相連，所以當(dāng)RESDSP信號(hào)為高時(shí)，VC5409引導(dǎo)程序（Bootloader）將以HPI[3]方式啟動(dòng)。 VC5409將自動(dòng)執(zhí)行由引導(dǎo)程序裝入在VC5409的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中程序。在其他時(shí)間VC5409經(jīng)HPI總線與CPU單元交換數(shù)據(jù)。為了滿足能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理需要，DSP工作頻率為100 MHz。
　　在系統(tǒng)功耗是系統(tǒng)設(shè)計(jì)首要考慮的情況下，應(yīng)盡可能地選擇低電壓供電的DSP器件。選擇3.3V低電壓供電的DSP除了能減小DSP本身的功耗以降低系統(tǒng)的總功耗外，還可以使外部邏輯電路功耗降低，這對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗有著重要的作用。另外在軟件上使用IDLE指令降低功耗。VC5409有IDLE1、IDLE2和IDLE3幾種降功耗模式。IDLE指令將CPU內(nèi)部操作掛起（suspend activity），但是仍保留內(nèi)部各部件邏輯的時(shí)鐘，允許串口等片內(nèi)外設(shè)繼續(xù)工作。在50MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，執(zhí)行IDLE2指令所需電流的典型值為2mA。若關(guān)閉內(nèi)部部件的輸入時(shí)鐘時(shí)執(zhí)行IDLE3指令，這時(shí)電流值僅為20μA。 
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3　無線移動(dòng)網(wǎng)接口　
　　移動(dòng)通信系統(tǒng)主要使用CDMA和GSM制式。GSM系統(tǒng)是笫二代移動(dòng)通信系統(tǒng)[4]。它提供多種業(yè)務(wù)，主要有話音、短消息、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。GSM系統(tǒng)是由幾個(gè)分系統(tǒng)組成的，并且可與各種公用通信網(wǎng)(PSTN公用電話網(wǎng)、ISDN綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)、PSPDN公用交換分組數(shù)據(jù)網(wǎng)等)互連互通，GSM系統(tǒng)能提供穿越國(guó)際邊界的自動(dòng)漫游功能。GSM有兩個(gè)并行的系統(tǒng)：GSM900和DCS1800，這兩個(gè)系統(tǒng)功能相同，主要是頻率不同。GSM移動(dòng)通信網(wǎng)能提供多種電信業(yè)務(wù)，主要有∶
　　電話業(yè)務(wù)是GSM移動(dòng)通信網(wǎng)提供的最重要業(yè)務(wù)。能為數(shù)字移動(dòng)客戶之間、數(shù)字蜂窩移動(dòng)電話網(wǎng)客戶、模蜂窩移動(dòng)電話網(wǎng)客戶之間以及與固定網(wǎng)客戶之間，提供實(shí)時(shí)雙向話音通信。
　　短消息業(yè)務(wù)又可分為包括移動(dòng)臺(tái)起始和移動(dòng)臺(tái)終止的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短消息業(yè)務(wù)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的小區(qū)廣播短消息業(yè)務(wù)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短消息業(yè)務(wù)，則可使GSM客戶接收由其它GSM客戶發(fā)送的短消息。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短消息業(yè)務(wù)是由短消息業(yè)務(wù)中心完成存儲(chǔ)和前轉(zhuǎn)功能的。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息發(fā)送或接收即可在MS處于呼叫狀態(tài)(話音或數(shù)據(jù))時(shí)進(jìn)行，也可在空閑狀態(tài)下進(jìn)行。當(dāng)其在控制信道內(nèi)傳送時(shí)，不用建立連接，因而服務(wù)費(fèi)低，但信息量限制為140個(gè)八位組(7比特編碼，160個(gè)字符)。
　　為了滿足GSM移動(dòng)客戶對(duì)數(shù)據(jù)通信服務(wù)的需要。GSM系統(tǒng)不僅使移動(dòng)客戶之間能完成數(shù)據(jù)通信，更重要還能使GSM移動(dòng)通信網(wǎng)與其它公用數(shù)據(jù)網(wǎng)互通。 GSM提供2400bps、4800bps、9600bps的異步數(shù)據(jù)傳輸能力。
　　GSM引擎模塊提供的命令接口符合GSM07.05[5]和GSM07.07[6]規(guī)范。GSM07.07中定義的AT Command接口提供了一種移動(dòng)臺(tái)(MS)與數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)之間的通用接口，該指令集是由諾基亞、愛立信、摩托羅拉和HP等廠家共同為GSM系統(tǒng)研制的，GSM07.05對(duì)短消息作了詳細(xì)的規(guī)定。在短消息模塊收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的短消息時(shí)，能夠通過串口發(fā)送指示消息，數(shù)據(jù)終端設(shè)備可以向短消息模塊發(fā)送各種命令。目前，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始使用的模塊有Falcom系列，Wavecom系列，西門子系列模塊，而且這些模塊的功能、用法差別不大。利用GSM引擎模塊在GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎY(jié)合已有的系統(tǒng)通過RS232接口（圖3），可以僅使用TXD和RXD兩根線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。并且已有的系統(tǒng)硬件部分不需要做大的改動(dòng)，關(guān)鍵是做軟件部分的修改。

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　　西門子的TC35系列GSM引擎模塊[7]性價(jià)比較高，并且已經(jīng)有國(guó)內(nèi)的無線電設(shè)備入網(wǎng)證，TC35主要是由射頻天線、內(nèi)部Flash、GSM 基帶處理器、匹配電源和一個(gè)40腳的Zip插座組成。其中GSM基帶處理器是核心部件，它的作用相當(dāng)于一個(gè)協(xié)議處理器，用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送過來的AT指令。射頻天線部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，實(shí)現(xiàn)外部射頻信號(hào)與內(nèi)部基帶處理器之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換，匹配電源為處理器以及射頻部分提供所需的電源，插座是提供給用戶的應(yīng)用接口。TC35的用戶應(yīng)用接口采用40腳的Zip插座，其中包含的引腳功能有：3.3～5.5V峰值為2A的直流電源；模擬音頻輸入輸出接口；標(biāo)準(zhǔn)的RS232信號(hào)接口，共8個(gè)引腳；SIM卡連接引腳數(shù)為6個(gè)，符合GSM11.11標(biāo)準(zhǔn)。特別需要引起注意的是，RS232接口采用9位編碼格式，其中8 個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，沒有奇偶校驗(yàn)位，因此單片機(jī)一般采用工作方式1，支持1200-115200bps的速率（但標(biāo)準(zhǔn)的GSM網(wǎng)絡(luò)一般只支持9.6Kbps的速率）。

4 CPU單元
　　CPU單元的任務(wù)比較多，主要要完成對(duì)由DSP單元送來的信號(hào)再處理分析。CPU單元還分別控制鍵盤單元、時(shí)鐘單元、LCD單元、LED單元等輔助單元和GSM單元工作。對(duì)CPU單元的要求是高速和低功耗。這里選用美國(guó)Cygnal公司的C8051F020。C8051F020單片機(jī)[8]是集成在一塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)（圖4），芯片上有8個(gè)8位數(shù)字I/O端口，其中四個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)的8051的端口（P0、P1、P2、P3）相同，與5V兼容。I/O端口在功能上有所增強(qiáng)，每個(gè)I/O端口都可獨(dú)立地設(shè)置為推挽輸出或開漏輸出和弱上拉，這為一些低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了節(jié)省電源的手段。C8051F020單片機(jī)除了具有51系列單片機(jī)的特點(diǎn)外還有如下的特點(diǎn)：
　　(1) 25MPIS高速流水線式8051微控制器內(nèi)核；
　　(2) 12位、100KSPS、8通道帶可編程增益放大器的ADC，雙12位可程控更新的DAC；
　　(3) 雙模擬比較器，片內(nèi)基準(zhǔn)電源；
　　(4) 64KB系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH存儲(chǔ)器，4352（4096+256）片內(nèi)RAM；
　　(5) 各自獨(dú)立的SPI、SMBUS/I2C和兩個(gè)UART串行接口；
　　(6) 5個(gè)16位通用定時(shí)器；
　　(7) 片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器；
　　(8) 工作電壓：2.7-3.6V，工作電流：10mA@20MHz。

  
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C8051F020使用采用了流水線式結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051相比它的指令執(zhí)行速度有極大的提高。在標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除了MUL和DIV所有的指令都需要12或24個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，最大的時(shí)鐘頻率12-24MHZ。相比較而言，C8051F020內(nèi)核70%的指令執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行 時(shí)間超過4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。C8051F020的MCU 在CIP-51內(nèi)核的內(nèi)部和外部有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)，提高 了整體性能，更易于在實(shí)際應(yīng)用中使用。擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)為CIP-51提供22個(gè)中斷源，而標(biāo)準(zhǔn)的8051只有7個(gè)中斷源。C8051F020允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。由中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需要較少的CPU干預(yù)，從而極大地提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度。特別是在多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，這些增加的中斷源非常有用。MCU內(nèi)部有一個(gè)能獨(dú)立工作的時(shí)鐘發(fā)生器。另外，MCU可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。由于C8051F020單片機(jī)自身帶有64K+128B的FLASH 程序存儲(chǔ)器，故不需再擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。
　　C8051F020的MCU具有4KB的RAM可映射在片內(nèi)，也可映射在64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間，還可同時(shí)映射到片內(nèi)和片外三種方式。對(duì)于后兩種存儲(chǔ)器工作模式需通過外部存儲(chǔ)器接口使用MOVX和DPTR或MOVX和R0（R1）指令訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器映像的I/O設(shè)備。但是對(duì)于高8位地址必須由外部存儲(chǔ)器接口寄存器（EMI0CN）提供。而EMIF控制寄存器可將外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口映射到低端口（P0-P3）或高端口（P4-P7），以及配置為復(fù)用模式或非復(fù)用模式等。
　　外部存儲(chǔ)器接口（EMI）映射為低端口（P0～3）即PRTSEL位（EMIOCH.5）置為0，此時(shí)如果EMIFLE位（XBR2.5）被設(shè)置為邏輯1，那么數(shù)字交*開關(guān)將不分配外部設(shè)備給P0.7(/WR)，P0.6(/RD)，P0.5（ALE）（如果EMI設(shè)置為復(fù)用模式）；如果EMIFLE位設(shè)為0，那么P0.7、P0.6、P0.5的功能將由交*開關(guān)或端口鎖存器來決定。外部存儲(chǔ)器接口只在執(zhí)行片外MOVX指令期間使用相關(guān)的端口引腳，一旦MOVX指令執(zhí)行完畢，端口鎖存器或交*開關(guān)又重新恢復(fù)對(duì)端口引腳的控制（端口3、2、1、0）。對(duì)于外部存儲(chǔ)器接口的配置只有擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器或具有存儲(chǔ)器映像的I/O部件時(shí)，才配置EMIF。
　　本數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)使用512k*8bit的SRAM作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，使用高端口、復(fù)用模式（即P7端口數(shù)據(jù)D0-D7和地址A0-A7復(fù)用，P6端口輸出地址A8-A15）、片外存儲(chǔ)器方式（不使用片內(nèi)存儲(chǔ)器）。DCM8512是512k*8bit自帶掉電保護(hù)的SRAM，用于存放數(shù)據(jù)和VC5409用戶程序，需19條地址線（A0-A18），而C8051F020外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器只支持64k Byte（A0-A15），故使用P5端口來擴(kuò)充地址線（A16-A20）。
　　C8051F020最突出的優(yōu)點(diǎn)之一就是使用交*開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。交*開關(guān)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)了可以控制片內(nèi)數(shù)字資源與外部I/O引腳相連的。通過設(shè)置交*開關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)的數(shù)字資源如計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部其他數(shù)字資源配置為端口I/O引腳，這就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用將通用I/O端口與所需要數(shù)字資源相結(jié)合。
　　CPU單元工作原理（見圖5）。C8051F020的工作頻率為11.0592MHz。模擬信號(hào)連接至C8051F020的AIN0.0- AIN0.7腳，進(jìn)行12位A/D轉(zhuǎn)換。由C8051F020中的時(shí)鐘單元產(chǎn)生可以變動(dòng)的抽樣頻率。CPU單元通過HPI總線將A/D轉(zhuǎn)換后的心電信號(hào)送到DSP單元進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果再通過HPI總線送入CPU單元。HPI總線內(nèi)包括數(shù)據(jù)線D0-D7、地址線A0-A3、DSP片選線DSP-addr、讀寫線WR，RD、DSP復(fù)位線及中斷線INT0組成。地址線A0-A3選擇DSP的HPI寄存器；數(shù)據(jù)線D0-D7用于C8051F020和DSP交換數(shù)據(jù)；當(dāng)C8051F020向DSP寫數(shù)據(jù)時(shí)，將在DSP內(nèi)部產(chǎn)生中斷，該中斷將DSP從IDLE狀態(tài)中喚醒，中斷服務(wù)程序還將從DSP特定地址的內(nèi)部存儲(chǔ)器中讀CPU寫的數(shù)據(jù)；當(dāng)DSP向C8051F020寫數(shù)據(jù)時(shí)，DSP置中斷線INT0=0，C8051F020的INT0中斷服務(wù)程序?qū)腄SP的HPI數(shù)據(jù)寄存器讀數(shù)據(jù)。

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　　CPU單元通過RS232接口線TX0和RX0與GSM模塊進(jìn)行硬件連接，用于通過無線移動(dòng)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)信息。C8051F020單片機(jī)和GSM引擎之間采用AT指令實(shí)現(xiàn)互相之間的通信，更詳細(xì)的資料可以參考GSM07.05和GSM07.07規(guī)范。例如使用短信方式時(shí)，CPU單元發(fā)出短信的過程大體如下：用預(yù)先設(shè)置好的短信息中心地址、短信息的接受地址和要發(fā)售的報(bào)警數(shù)據(jù)，形成PDU格式短信；然后發(fā)出指令"AT+CMGF=0r"設(shè)置GSM引擎為PDU方式；再發(fā)出指令"AT+CMGS=r "，當(dāng)受到回答信號(hào)后，發(fā)送已形成PDU格式短信。
5 小結(jié)
　　本文設(shè)計(jì)了一種基于Ti公司低功耗DSP芯片和Cygnal低功耗的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)，它能夠采集、處理和通過無線移動(dòng)網(wǎng)傳送和接收數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要由DSP、CPU，GSM三個(gè)單元組成，并以CPU單元為核心。Cygnal單片機(jī)可以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，CPU單元將A/D轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)通過HPI總線送入DSP單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；處理的結(jié)果再通過HPI總線送入CPU單元。CPU單元通過串口控制GSM單元通過無線移動(dòng)網(wǎng)傳送和接收數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)具有體積小、便于攜帶、功耗低、可使用電池供電的特點(diǎn)，因而主要應(yīng)用于要求移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸?shù)男⌒突虮銛y儀器上使用。