基于ARM和DSP的嵌入式智能儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1　引言

隨著智能儀器及控制系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性信號處理的要求不斷提高和大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展。越來越迫切的要求有一種高性能的設(shè)計(jì)方案與之相適應(yīng)，將DSP技術(shù)和ARM技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，將會充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢以達(dá)到智能控制系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、高效性的通信要求。該嵌入式系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)響應(yīng)，具有嚴(yán)格的時(shí)序性。其工作環(huán)境可能非常惡劣，如高溫、低溫、潮濕等，所以系統(tǒng)還要求非常高的穩(wěn)定性。

2　嵌入式系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1　核心器件的主要功能

ARM和DSP分別選用Cirrus　Logic公司的EP7312、TI公司的TMS320VC5402。充分利用ARM豐富的片上資源和DSP強(qiáng)大的信號處理功能，實(shí)現(xiàn)高效性、實(shí)時(shí)性的信號處理及網(wǎng)絡(luò)通信功能。

EP7312是專為高性能、超低功耗產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的微處理器，采用ARM7TDMI處理器內(nèi)核，具有8kB高速緩沖存儲器，支持存儲器管理單元，片內(nèi)集成了液晶顯示器控制器，鍵盤掃描器，數(shù)字音頻接口，完全的JTAG等功能，廣泛地應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域。TMS320C54xDSP提供了McBSPs（多通道緩沖串口）；6通道的DMA控制器；可以與外部處理器直接通信的8位增強(qiáng)HPI（主機(jī)接口）。選擇這樣的SOC（片上系統(tǒng)）作為該系統(tǒng)的核心器件，使得其穩(wěn)定可靠并具有廣泛的擴(kuò)展功能。

2.2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作原理

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)信號的實(shí)時(shí)性處理及傳輸，滿足工業(yè)現(xiàn)場及各種測量儀器的高可靠性要求。ARM有豐富的片上資源，適合嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，在該嵌入式系統(tǒng)中，ARM主要負(fù)責(zé)操作系統(tǒng)的運(yùn)行、任務(wù)管理和協(xié)調(diào)以及DSP的控制任務(wù)，完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信。擴(kuò)展了外部擴(kuò)展了多種外設(shè)，如通用串口、LCD顯示屏，以太網(wǎng)接口。通過連接以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化功能。在ARM中移植了Linux操作系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)外部硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序。由DSP執(zhí)行計(jì)算密集型操作，實(shí)現(xiàn)多種信號處理算法，然后將處理后的數(shù)字信號通過主機(jī)口接口（HPI）與ARM通信。再由ARM通過以太網(wǎng)控制器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測。



圖1系統(tǒng)總體硬件框圖

3　系統(tǒng)硬件具體設(shè)計(jì)方案

3.1　ARM與DSP的接口設(shè)計(jì)

EP7312和TMS320VC5402連接的接口電路如圖2所示。VC5402通過HPI與ARM進(jìn)行連接。ARM先向DSP寫入控制字，設(shè)置工作模式，然后將訪問地址寫入地址寄存器（HPIA），再對數(shù)據(jù)鎖存器（HPID）進(jìn)行讀寫，即可讀出和寫入指定的存儲單元。主機(jī)由兩根地址線A2、A1可以尋址到HPI接口的所有控制寄存器、地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器；由HBIL、HCNTL1、HCNTL0區(qū)分16位數(shù)據(jù)的高、低字節(jié)。當(dāng)向HBIL=0的地址寫入數(shù)據(jù)時(shí)，表示是第一個(gè)字節(jié)，向HBIL=1的地址寫入數(shù)據(jù)表示第二個(gè)字節(jié)。尋址過程中HCS要為低電平。



圖2EP7312與TMS320VC5402的連接

DSP的HPI接口片選信號使用EP7312擴(kuò)展片選信號nCS4，HPI各個(gè)特殊功能寄存器的映射地址如下：

#define　HPIC0　*(volatile　unsigned　char*)0x40000000

#define　HPIC1　*(volatile　unsigned　char*)0x40000001

#define　HPIA0　*(volatile　unsigned　char*)0x40000004

#define　HPIA1　*(volatile　unsigned　char*)0x40000005

#define　HPID0　*(volatile　unsigned　char*)0x40000006

#define　HPID1　*(volatile　unsigned　char*)0x40000007

設(shè)置好DSP的狀態(tài)后，DSP向ARM發(fā)送中斷，通知ARM已將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，等待ARM發(fā)中斷，DSP在中斷中對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。ARM在初始化后，等待DSP發(fā)送中斷通知ARM數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好。ARM在檢測到中斷后，先判斷中斷是否有效，再從HPI口讀寫數(shù)據(jù)，在完成向HPI口發(fā)送數(shù)據(jù)后，向DSP發(fā)送中斷通知DSP接收數(shù)據(jù)。ARM通過控制端口信號模擬接口時(shí)序，來完成對HPI口寄存器的訪問。由于DSP在BOOT過程中向ARM發(fā)送了中斷，所以ARM在初始化時(shí)要清除這個(gè)中斷，并且在數(shù)據(jù)交互之前要設(shè)置控制寄存器中的BOB位，指示高地址在前還是低地址在前。這一步在程序初始化時(shí)由ARM來完成。

3.2　ARM與以太網(wǎng)控制器之間的通信設(shè)計(jì)

系統(tǒng)平臺實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)接口。提供了以太網(wǎng)芯片的驅(qū)動(dòng)，支持網(wǎng)絡(luò)功能。以太網(wǎng)控制芯片的數(shù)據(jù)、地址和控制信號與EP7312的總線相連，如圖3所示。片選信號使用EP7312的擴(kuò)展片選信號nCS2。



圖3　以太網(wǎng)接口原理圖

RTL8019默認(rèn)的I/O基地址是300H，用到的地址空間為300H～3FFH，因此使用到EP7312的低4位地址線，將RTL8019上的SA19～SA10和SA7～SA5接為地，SA9、SA8接為VCC。RTL8019AS使用的是16位數(shù)據(jù)總線方式，因此，將RTL8019上的IOCS16B引腳通過10K的上拉電阻接為VCC；通過IO模式讀寫以太網(wǎng)控制器，所以SMEMRB和SMEMWB引腳通過上拉電阻接為VCC。

當(dāng)EP7312向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將一幀數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū)，然后發(fā)出傳送命令；當(dāng)RTL8019AS完成了上一幀的發(fā)送后，再開始此幀的發(fā)送。RTL8019AS接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較、CRC校驗(yàn)后，由FIFO存到接收緩沖區(qū)；收滿一幀后，以中斷的方式通知EP7312。FIFO邏輯對收發(fā)數(shù)據(jù)作16字節(jié)的緩沖，以減少對本地DMA請求的頻率。

以太網(wǎng)控制器有兩個(gè)指針寄存器來控制緩沖區(qū)的存儲過程，當(dāng)前頁面指針curr和邊界指針bnry。curr指向新接收到幀的起始頁面，即接收緩沖環(huán)的寫頁面指針；bnry指向讀過的最后一個(gè)頁面，即接收緩沖環(huán)讀頁面指針。自定義指針next_page，表示存儲分組緩沖區(qū)的邊界，初始值為next_page=bnry，讀取一頁數(shù)據(jù)后由軟件執(zhí)行bnry加1，curr自動(dòng)加1。curr不等于bnry時(shí)，表示有新的數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)中，讀取一包的前四個(gè)字節(jié)，前四個(gè)字節(jié)并不是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。分別表示數(shù)據(jù)包存放的頁地址和已接收的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。如果curr=0，表示讀取出錯(cuò)，返回null。如果bnry>0x7f，則bnry=0x4c。

4　嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1　BootLoader的設(shè)計(jì)

該嵌入式系統(tǒng)引入了Linux操作系統(tǒng)，可以給系統(tǒng)下的任務(wù)提供調(diào)度機(jī)制，簡化任務(wù)中的需求操作，當(dāng)需求變化時(shí)只需要改變?nèi)蝿?wù)內(nèi)容，然后重新和操作系統(tǒng)發(fā)布即可。

本系統(tǒng)中EP7312采用的是外部啟動(dòng)方式，也就是從CS[0]片選的外部NORFLASH啟動(dòng)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，執(zhí)行啟動(dòng)代碼，即初始化CPU、內(nèi)存控制器以及片上設(shè)備，然后配置存儲映射。啟動(dòng)代碼隨后執(zhí)行一個(gè)引導(dǎo)裝載程序bootloader，將內(nèi)核從FLASH中解壓到SRAM中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處執(zhí)行，內(nèi)核運(yùn)行。

bootloader完成從硬件啟動(dòng)到操作系統(tǒng)啟動(dòng)的過渡，用于初始化硬件和啟動(dòng)操作系統(tǒng)。在內(nèi)核運(yùn)行之前需要bootloader作為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序完成加載內(nèi)核和一些輔助性的工作，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核代碼的起始地址并執(zhí)行。對于該系統(tǒng)來說選擇EP7211所使用的bootloader—Shoehorn，然后做一些改動(dòng)。如調(diào)整系統(tǒng)各個(gè)寄存器的地址值；設(shè)定SDRAM控制器；調(diào)整UART1的波特率等。Shoehorn代碼分為host端和target端兩部分，一部分由eth.c、serial.c、shoehorn.c和util.c組成，由這些文件編譯生成host端的可執(zhí)行文件shoehorn；另一部分由ini.s和loader.c組成，編譯生成一個(gè)小于2KB的文件loader.bin,這個(gè)二進(jìn)制文件會被下載到target端的SRAM中用來引導(dǎo)系統(tǒng)的啟動(dòng)。通過一系列的主機(jī)與開發(fā)板之間的握手通信、下載程序的方式使得代碼相對分散，減小開發(fā)板上起始代碼的大小，以滿足目標(biāo)板上下載代碼的限制。

4.2　內(nèi)核的配置

該嵌入式系統(tǒng)選擇了較成熟穩(wěn)定的Linux-2.4.13版本內(nèi)核。為了避免修改內(nèi)核定制代碼

時(shí)造成代碼的不穩(wěn)定和失去代碼的靈活性，可以通過選擇合適的版本內(nèi)核，修改該配置文件，裁剪不必要的功能，再編譯出符合新配置的內(nèi)核，得到既滿足應(yīng)用功能要求同時(shí)體積又小的內(nèi)核，產(chǎn)生一個(gè)隱藏文件/usr/src/linux/.config。該文件記錄了對內(nèi)核具體功能模塊的選擇和配置。

內(nèi)核配置時(shí)，大部分的選項(xiàng)都可以使用缺省值，只有小部分需要根據(jù)需求選擇，將與內(nèi)核關(guān)系比較近且經(jīng)常用到的功能代碼直接編譯進(jìn)內(nèi)核；將不經(jīng)常用到的代碼編譯為可加載模塊，有利于減小內(nèi)核的長度，增加靈活性。

4.3　驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

在Linux操作系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件設(shè)備直接的接口。驅(qū)動(dòng)程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)。在應(yīng)用程序看來硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以設(shè)計(jì)模塊化方式。不必編譯進(jìn)內(nèi)核，而是被分別編譯并鏈接成一組目標(biāo)文件，這些文件可以被載入正在運(yùn)行的內(nèi)核，或從正在運(yùn)行的內(nèi)核中卸載。可以減少內(nèi)核的長度，具有很大的靈活性。

4.4　DSP中信號處理算法的實(shí)現(xiàn)

多數(shù)傳感器對于溫度、濕度、電源的波動(dòng)等環(huán)境因素都存在著交叉靈敏度，產(chǎn)生較大的誤差，測量精度和穩(wěn)定性都受到一定的影響。在DSP中采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以消除干擾，提高傳感器的測量精度。數(shù)據(jù)融合是通過組合，將傳感器數(shù)據(jù)之間進(jìn)行相關(guān)，以從輸出元素獲得更多的信息。保證在環(huán)境干擾變化很大的情況下也可以有較高的測量精度和穩(wěn)定性。采用軟件方法對傳感器數(shù)據(jù)融合處理被證明是一種很好的方法。

該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能可以將多個(gè)功能相同或不同的嵌入式智能儀器連接在一起組成智能傳感器網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)智能儀器節(jié)點(diǎn)都具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和通信的功能。信息融合技術(shù)可以將來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行多級別、多方面、多層次的處理，從而產(chǎn)生新的有意義的信息，而這種新信息是任何單一傳感器所無法獲得的準(zhǔn)確度更高的表征客觀環(huán)境的信息。這種技術(shù)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中有著舉足輕重的作用。

5　結(jié)束語

該嵌入式智能儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為儀器儀表方便有效的接入以太網(wǎng)提供了很好的解決方案，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)傳輸。由于采用并發(fā)多任務(wù)技術(shù)處理該嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜的外部事件，以及控制軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。該嵌入式系統(tǒng)的軟硬件配置精簡，抗干擾能力符合環(huán)境要求；裝配結(jié)構(gòu)便于檢修。這種嵌入式智能儀器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)使嵌入式設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)處理及檢測控制領(lǐng)域里得到了很好的應(yīng)用。

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