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[導(dǎo)讀]典型的DSP(數(shù)字信號處理器)內(nèi)部采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù),可以在單指令周期內(nèi)完成乘加運(yùn)算,具有較高的處理能力。一個典型的基于DSP的信號采集處理系統(tǒng),通常由DSP、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器和相應(yīng)的接口電路組成,大都做成PCI(外設(shè)部件互連)接口插卡形式和主控計(jì)算機(jī)一起工作。各種控制信息通過PCI發(fā)送給DSP,采集處理后的結(jié)果再通過PCI接口發(fā)送回主控計(jì)算機(jī)。PCI接口部分一般需要采用接口芯片來完成,這樣會顯著增加系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)試難度,并使成本增加。而選用本身帶有PCI接口的DSP處理芯片就可以省去這一部

0引言

典型的DSP(數(shù)字信號處理器)內(nèi)部采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù),可以在單指令周期內(nèi)完成乘加運(yùn)算,具有較高的處理能力。一個典型的基于DSP的信號采集處理系統(tǒng),通常由DSP、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器和相應(yīng)的接口電路組成,大都做成PCI(外設(shè)部件互連)接口插卡形式和主控計(jì)算機(jī)一起工作。各種控制信息通過PCI發(fā)送給DSP,采集處理后的結(jié)果再通過PCI接口發(fā)送回主控計(jì)算機(jī)。PCI接口部分一般需要采用接口芯片來完成,這樣會顯著增加系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)試難度,并使成本增加。而選用本身帶有PCI接口的DSP處理芯片就可以省去這一部分額外的電路,不但降低了開發(fā)難度,也降低了設(shè)備成本。TMS320C6205就是這樣一種帶有PCI接口的DSP芯片,本文重點(diǎn)討論基于這種芯片的信號采集處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

1 TMS320C6205芯片的技術(shù)特點(diǎn)

TMS320C6205是基于TMS320C6000平臺的高性能DSP,TMS320C6205源自TMS320C6201 B,一種有新的PCI接口且性能提高的DSP芯片。TMS320C6205工作在200 MHz時的最大處理能力達(dá)到了1 600 MIPS(百萬條指令每秒)。所有TMS320C6000系列DSP芯片在代碼上都有兼容性,TMS320C62x定點(diǎn)DSP都基于相同的CPU核心設(shè)計(jì),通過指令的并行性獲得了較強(qiáng)的處理能力。該系列DSP芯片具有8個處理單元,包括2個乘法器和6個ALU(算術(shù)邏輯單元),所有的處理單元都可以并行工作,因此在每一個時鐘周期內(nèi)最多可以同時執(zhí)行8條指令。

TMS320C6205和TMS320C6201及TMS320C6201B具有高度的兼容性,這幾種DSP芯片在以下幾個方面完全相同:TMS320C6205的CPU與TMS320C6201B完全相同,因此為TMS320C6201所寫的代碼可以不加修改地在TMS320C6205上運(yùn)行;多通道緩沖串口(McBSP)、時鐘、中斷選擇也完全相同;TMS320C6201與TMS320C6205的內(nèi)部存儲空間也相同,都具有64kB的程序和數(shù)據(jù)存儲區(qū)。與TMS320C6201相比,TMS320C6205通過升級具有了更強(qiáng)的處理能力,升級后的TMS320C6205和TMS320C6201有以下不同:

a)EMIF(擴(kuò)展存儲器接口總線)做了簡單修改,減少了芯片的引腳數(shù)。SDRAM(同步DRAM)和SB-SRAM(同步猝發(fā)SRAM)在EMIF上共用了相同的控制信號。這兩種信號是互斥的,因此在系統(tǒng)中只能在兩種類型的存儲器中任選一種。

b)為提高DMA(直接存儲器訪問)的數(shù)據(jù)吞吐量,4通道的DMA控制器為每一個通道都配備了專用的FIFO,這樣就無需對FIFO信號進(jìn)行仲裁。

c)用PCI模塊代替了TMS320C6201B的HPI(主機(jī)接口),PCI模塊具有高性能的32 bit主/從PCI即插即用功能,支持33 MHz的桌上電腦PCI接口,與PCI本地總線規(guī)格2.2版兼容,該接口模塊可作為具有33 MHz、32 bit寬度地址數(shù)據(jù)的PCI主從對象使用,該模塊包含配置寄存器、校驗(yàn)生成、校驗(yàn)和系統(tǒng)錯誤檢測和報告(PERR#,SERR#)以及電源管理能力。

d)具備4線EEPROM串行接口,這樣,PCI的控制空間寄存器就可以從外部的串行EEPROM加載配置,PCI模塊無需DSP的干涉就可以實(shí)現(xiàn)自動初始化。

e)TMS320C6205的PLL有x1、x4、x6、x7、x8、x9、x10和x11等模式,這些模式可以通過CLKMODE0引腳和EMIF數(shù)據(jù)引腳的上推和下拉電阻來選擇。

f)TMS320C6205使用15C05(0.15μm)處理技術(shù),通過電池處理技術(shù)提供更低的核電壓和功耗。

g)用上推和下拉電阻實(shí)現(xiàn)了自舉模式配置。

2 信號采集處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件部分主要由DSP、FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)和存儲器構(gòu)成,具體的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

從圖中可以看出,信號采集處理系統(tǒng)的核心部分是TMS320C6205的DSP處理器,該DSP除了擔(dān)負(fù)信號處理任務(wù)外,還擔(dān)負(fù)著接收數(shù)據(jù)和輸出處理結(jié)果兩項(xiàng)任務(wù)。信號采集處理系統(tǒng)中的FPGA主要擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)采集和控制信號生成兩項(xiàng)任務(wù)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)針對的是接收機(jī)解調(diào)后輸出的TCL電平的數(shù)字信號,因此數(shù)據(jù)采集部分比較簡單,就是將數(shù)據(jù)的時鐘作為觸發(fā)信號,根據(jù)觸發(fā)時刻的數(shù)據(jù)電平值來確定輸入數(shù)據(jù)是"0"還是"1",采集后的數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)按照McBSP的數(shù)據(jù)規(guī)格成幀,然后通過McBSP寫入SDRAM中。該系統(tǒng)可以同時采集兩路數(shù)字信號,在采集電路與DSP之間通過DMA方式交換數(shù)據(jù),由于DSP中有專門的DMA控制器,因此在數(shù)據(jù)交換時無需DSP干預(yù),具有較高的處理效率。DSP所需的摔制信號也由FPGA產(chǎn)生,由于數(shù)據(jù)采集部分比較簡單,控制信號產(chǎn)生和數(shù)據(jù)采集可以共用同一片F(xiàn)PCA。DSP通過PC接口模塊與主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,由于PCI接口模塊具有完整的PCI接口功能,無需額外添加外部電路,因此接口部分的電路設(shè)計(jì)相對來說比較簡單。DSP與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時采用主從方式,DSP為主設(shè)備,工控機(jī)為從設(shè)備,兩者之間利用中斷響應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,當(dāng)DSP內(nèi)部的輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)被寫滿后,會發(fā)送一個中斷請求到主機(jī)的PCI總線上,PCI總線驅(qū)動程序響應(yīng)該中斷并通過Windows的事件(Event)通知主機(jī)軟件讀出數(shù)據(jù)。為了擴(kuò)充DSP的存儲空間,使DSP能滿足大速率信號的處理要求,信號采集處彈系統(tǒng)上集成了一片大容量存儲器,即SDRAM,具有較高的數(shù)據(jù)存取速度。信號采集處理系統(tǒng)上的Flash存儲器主要用來存儲DSP軟件,可通過PCI總線在主機(jī)端動態(tài)加載,這樣該信號采集處理系統(tǒng)就可根據(jù)不同的輸人數(shù)據(jù)進(jìn)行不同處理,大大增加了系統(tǒng)使用時的靈活性。該系統(tǒng)還包括時鐘電路和電源電路,這些電路可以參照技術(shù)手冊的要求進(jìn)行設(shè)計(jì),電源電路可選用現(xiàn)成的電源模塊,這樣就可進(jìn)一步降低電路設(shè)計(jì)難度。從總體上看,采用TMS320C6205構(gòu)成的信號采集處理系統(tǒng)由于省去了額外的PCI接口電路,整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)較簡潔,開發(fā)難度低,開發(fā)周期短,是一種較理想的硬件設(shè)計(jì)方法。

3基于DSP/BIOSⅡ的實(shí)時信號處理技術(shù)

信號采集處理系統(tǒng)中的DSP不但要實(shí)現(xiàn)高速信號處理,還需要處理數(shù)據(jù)的輸入輸出和中斷請求,這都要用到基本的任務(wù)調(diào)度和輸入輸出服務(wù),DSP/BIOS實(shí)時基礎(chǔ)軟件提供了一個小的具有基小運(yùn)行服務(wù)的固件核,開發(fā)者可以把這個核嵌入目標(biāo)DSP中。DSP/BIOSⅡ是性能得到提升的第2代實(shí)時基礎(chǔ)軟件,利用該軟件可以縮短實(shí)時信號處理軟件的開發(fā)時間,并且可以顯著提高代碼的可重用性。

基于DSP/BIOSⅡ使信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來比較簡單,整個配置過程都可以利用一個圖形化的界面來實(shí)現(xiàn)。首先,新建一個DSP/BIOS的配置文件,然后在"Syetem"文件夾下選擇"MEM",也就是存儲區(qū)管理模塊,在該模塊增加兩個新的MEM項(xiàng),分別對應(yīng)信號采集處理系統(tǒng)的SDRAM和Flash存儲器,設(shè)置好SDRAM和Flash存儲器的基地址和長度,至此片外存儲區(qū)的設(shè)置就全部完成了。由于DSP和數(shù)據(jù)采集部分通過McBSP交換數(shù)據(jù),因此還需要對McBSP行設(shè)置。找到"CSL"也就是芯片支持庫文件夾,在McBSP選項(xiàng)下的McBSP配置管理(MsBSP ConfigurationManager)增加兩個新的McBSP的配置控制項(xiàng),這兩個控制項(xiàng)分別對應(yīng)McBSP0和McBSP1,然后設(shè)定這兩個配置項(xiàng)的參數(shù),最關(guān)鍵的是接收模式和輸出模式的設(shè)置,接收和輸出均采用無壓擴(kuò)的LSB方式,對于有壓擴(kuò)的話音數(shù)據(jù),可以根據(jù)需要選擇μ律或A律壓擴(kuò),這樣在數(shù)據(jù)讀寫的同時,利用DSP硬件也就完成了μ律或A律壓擴(kuò)。McBSP可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸,在本系統(tǒng)中只是從數(shù)據(jù)采集部分讀人數(shù)據(jù),沒有用到其雙向數(shù)據(jù)傳輸功能。實(shí)際上,利用其雙向數(shù)據(jù)傳輸功能,結(jié)合μ律或A律可以很方便地實(shí)現(xiàn)話音的實(shí)時處理。所有配置都設(shè)置完后,將配置文件存盤加入當(dāng)前工程,整個基于DSP/BIOS的配置便完成,在中斷響應(yīng)函數(shù)配合下,就可實(shí)現(xiàn)整個實(shí)時處理軟件的開發(fā)。

實(shí)時處理軟件的數(shù)據(jù)流如圖2所示。從圖中可以看出,數(shù)據(jù)從McBSP通過DMA方式寫入SDRAM輸入緩沖區(qū),整個輸入緩沖區(qū)劃分成若干片,數(shù)據(jù)處理部分按片進(jìn)行處理,由于McBSP寫入的數(shù)據(jù)片與DSP處理的數(shù)據(jù)片不是同一個數(shù)據(jù)片,數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)寫入就可以同時進(jìn)行,這是保證數(shù)據(jù)實(shí)時處理的一個關(guān)鍵。顯然,所分?jǐn)?shù)據(jù)片數(shù)越多,可以有越長的處理時間,越適合進(jìn)行一些復(fù)雜的算法,這樣要付出的代價就是輸出延時比較長,同時需要大的DSP片外存儲空間。數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果存放在輸出緩沖區(qū),輸出緩沖區(qū)的大小與輸入相同,當(dāng)輸出緩沖區(qū)寫滿后,觸發(fā)PCI總線中斷處理函數(shù),把處理后的結(jié)果通過PCI總線寫到主機(jī)緩沖區(qū),主機(jī)程序從該緩沖區(qū)將數(shù)據(jù)讀出,存儲到計(jì)算機(jī)硬盤上的制定文件中。

顯然,該信號處理軟軟件中最關(guān)鍵的是McBSP的DMA中斷響應(yīng)函數(shù)和PCI中斷響應(yīng)函數(shù),下面分別介紹這兩個函數(shù)。

DMA中斷響應(yīng)函數(shù)的主要代碼如下:


從代碼中可以看出,DMA中斷響應(yīng)函數(shù)最核心的部分是按照給定條件初始化DMA控制器,然后啟動DMA通道,開始接收數(shù)據(jù)。這里的給定條件主要是保證DMA的寫入地址符合要求,特別是在循環(huán)寫入的情況下不致發(fā)生地址沖突。DSP與主機(jī)緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)交換也是通過中斷響應(yīng)方式進(jìn)行的,與通過DMA方式從McBSP讀數(shù)據(jù)不同,PCI接口工作在猝發(fā)方式,其中斷響應(yīng)函數(shù)在輸出緩沖區(qū)全部寫滿后將緩沖區(qū)內(nèi)的全部數(shù)據(jù)寫到主機(jī)緩沖區(qū),因此,輸出緩沖區(qū)無需分片。采用這種方式可以減少PCI接口讀寫次數(shù),提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

4基于多線程的主機(jī)處理技術(shù)

DSP數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的處理結(jié)果需要輸出到主機(jī),主機(jī)可以對處理結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步處理。主機(jī)程序最關(guān)鍵的部分是要將主機(jī)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀出來,再寫到硬盤上的文件中。DSP數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的驅(qū)動程序在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中開辟主機(jī)緩沖區(qū),在一臺主機(jī)上可以允許多個數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)同時工作,這時需要同時開辟多個緩沖區(qū)。為保證多個數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)同時工作,主機(jī)在處理時采用了多線程技術(shù),整個主機(jī)處理軟件利用C++Builder開發(fā),在該開發(fā)環(huán)境下很容易實(shí)現(xiàn)多線程處理技術(shù)。

主機(jī)處理軟件的核心代碼如下:

從代碼中可以看出,主機(jī)多線程處理技術(shù)的核心是一個線程執(zhí)行函數(shù)(Execute()),該函數(shù)將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)寫到文件中,在多個數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)同時工作時,該處理函數(shù)以輪循的方式將對應(yīng)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入不同的文件句柄(g_hFiles[i][0]),也就是寫入不同的文件,這樣就不會在數(shù)據(jù)寫入時發(fā)生沖突。

主機(jī)程序除了將數(shù)據(jù)寫入指定文件外,還可以控制每一個數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的啟動和停止,并具備在線加載并配置DSP程序的能力,用戶可以通過修改DSP程序的參數(shù)來執(zhí)行不同的處理任務(wù)。所有這些功能都是由該系統(tǒng)的硬件驅(qū)動程序提供,該硬件驅(qū)動程序已封裝成一個庫函數(shù),調(diào)用起來較為方便。這樣,用戶就可根據(jù)自己的需要開發(fā)不同的主機(jī)應(yīng)用程序。 5結(jié)束語

基于TMS320C6205的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中獲得了良好的效果,特別是該系統(tǒng)可以通過加載不同的DSP處理程序進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)處理,大大拓展了該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,充分體現(xiàn)了基于DSP的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)在應(yīng)用上的靈活性。同時,由于多個采集處理系統(tǒng)可同時工作,整個處理系統(tǒng)可以適合不同應(yīng)用場合的需要,可以勝任不同處理能力的需要。

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