基于DMA方式的實時數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

當(dāng)前，越來越多的設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域要求具有高精度的A／D轉(zhuǎn)換和實時處理功能。在實時數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計中，一般需要考慮數(shù)據(jù)采集以及對采集數(shù)據(jù)的處理。而對于大數(shù)據(jù)量的實時數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)來說，保持?jǐn)?shù)據(jù)高速傳輸也是該系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

采用TMS320VC5402和轉(zhuǎn)換器ADuC841構(gòu)成雙CPU處理器平臺，充分利用TMS320VC5402的對大容量數(shù)據(jù)和復(fù)雜算法的處理能力，ADuC841接口的控制能力以及各自擁有的DMA控制器構(gòu)建實時數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。雙CPU通過DMA方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，將數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)控制分開，提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，降低了處理器負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)運行效率。采用此解決方案。大大提高了系統(tǒng)的信號采集和處理能力。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ADuC841簡介

ADuC841是ADI公司ADuC84X系列中性能最完善的一款微轉(zhuǎn)換器，它具有單周期指令，20 MI／s的8052內(nèi)核；內(nèi)置一個8通道、高速420 Ks／s、高精度自校正、12位逐次逼近的ADC，具有DMA控制：2通道12位DAC；2通道PWM方式∑-△型DAC；片上15 ppm／℃高穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)；片上溫度傳感器；62 KB片內(nèi)Flash／EE程序存儲器；4 KB的片內(nèi)Flash／EE數(shù)據(jù)存儲器。還包括看門狗定時器和電源監(jiān)控器、ADC與數(shù)據(jù)存儲器之間的DMA方式、存儲保護功能、通用異步串行收發(fā)器(UART)、SPI和I2C總線接口等功能模塊。

ADuC841片內(nèi)的ADC的轉(zhuǎn)換速率為2.38μs／次(420 kHz的采樣率)。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換時，ADuC841必須在2μs內(nèi)讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果并將其傳輸且存儲到外部存儲器中以便后續(xù)處理，否則將導(dǎo)致下一個轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)后丟失前一個轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于中斷服務(wù)子程序中存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果和微轉(zhuǎn)換器跳轉(zhuǎn)到ADC的中斷服務(wù)子程序都需要時間，因此很多應(yīng)用無法響應(yīng)高的中斷速率。采用ADC的DMA方式傳輸數(shù)據(jù)能夠解決上述問題，通過設(shè)置特殊功能寄存器ADCCON2中的中斷響應(yīng)位即可使能ADC的DMA方式。這種方式下，無需CPU的軟件中斷響應(yīng)干預(yù)，可通過硬件直接檢測相應(yīng)控制位就能將ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果直接輸出并存儲到片外的靜態(tài)RAM中，并提供了一個高速數(shù)據(jù)傳輸通道，從而保證了ADC能以最高速率(420 kHz)完成數(shù)據(jù)采樣和轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行高速信號傳輸。

2.2數(shù)字信號處理器TMS320VC5402簡介

TMS320VC5402 是 TI 公 司 的TMS320C5000系列之一，它采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線，采用4級流水線作業(yè)，其運行速度可達(dá)100 MI／S，具有高速運行的特點。同時提供豐富的指令集，增強的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有通用性，拓展了應(yīng)用領(lǐng)域。TMS320VC5402可尋址3個獨立的存儲空間，包括1 MB×16的程序空間，64 KB×16的數(shù)據(jù)空間以及64 KB×16位的I／O端口空間。片內(nèi)提供16 KB×16的雙存取RAM和4 KB×16的ROM，并具有直接存儲器訪問(DMA)功能，通過HOLD允許對外部程序、數(shù)據(jù)以及I／O空間進(jìn)行直接存儲器訪問。TMS320VC5402存儲器直接存儲控制DMA可在不占用CPU資源的情況下，實現(xiàn)DSP存儲器間數(shù)據(jù)的自由傳輸。TMS320VC5402有6個可獨立編程的DMA通道，每個DMA通道由各自的寄存器控制。

2.3系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

設(shè)計DMA共享存儲器實現(xiàn)雙機通訊需要考慮以下幾點：(1)設(shè)計ADuC841和TMS320VC5402之間數(shù)據(jù)總線和地址總線的隔離電路。隔離電路在雙CPU不通信時隔離地址總線和數(shù)據(jù)總線，而在DMA通信時則選通。(2)設(shè)計ADuC841和TMS320VC5402都能對存儲器讀寫的選通信號和讀寫信號。(3)設(shè)計控制TMS320VC5402信號及其響應(yīng)信號。

考慮上述問題，采用ADuC841與TMS320VC5402的雙CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。存儲器HM62256既是TMS320VC5402的全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲器，又是ADuC841的外部存儲器。A15為片選信號，地址范圍為8000H～FFFFH。兩個CPU分別通過總線和數(shù)據(jù)存儲器HM62256相連，實現(xiàn)存儲器共享。

隔離電路采用4片74LVC245雙向緩沖器實現(xiàn)，由于ADuC841的P0口是分時復(fù)用的地址／數(shù)據(jù)總線，所以需采用一片74LVC373地址鎖存器將P0端口的地址信號從地址／數(shù)據(jù)總線中分離出來。而ADuC841的16位數(shù)據(jù)總線需要雙向緩沖，由于ADuC841要對HM62256進(jìn)行讀寫操作，所以緩沖器的方向由ADuC841的讀信號RD控制，當(dāng)ADuC841讀數(shù)據(jù)時，RD為低電平，使數(shù)據(jù)緩沖方向為HM62256至ADuC841；寫數(shù)據(jù)時，RD為高電平，數(shù)據(jù)緩沖方向為ADuC841至HM62256。緩沖器的使能線由A15反向信號控制，當(dāng)A15為高電平時，選通緩沖器，否則緩沖器為高阻態(tài)。A15還是HM62256的片選信號，若要ADuC841和TMS320VC5402都能選通HM62256，需將A15和PS的與非信號作為HM62256的片選信號。ADuC841選通時，PS為高電平，ADuC841的A15有效。TMS320VC5402選通時，當(dāng)A15為低電平時，PS有效。

ADuC841通過P3.5、P3.2(INT0)分別與TMS320VC5402的HOLD、XF引腳相連，P3.5向TMS320VC5402申請總線控制，TMS320 VC5402響應(yīng)ADuC841的請求后，HOLDA信號變低，TMS320VC5402的CPU掛起，并出讓外部總線。ADuC841通過A15打開總線驅(qū)動器，并經(jīng)與非門后選中HM62256，獲得HM62256的控制權(quán)，實現(xiàn)對HM62256的讀寫操作。而TMS320VC5402可通過XF向ADuC841請求中斷，ADuC841在響應(yīng)中斷INT0后，通過P3.5將HOLD信號轉(zhuǎn)換為高電平，此時總線控制權(quán)重新交給TMS320VC5402。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電時，ADuC841由P3.5向DSP申請總線控制HM62256，設(shè)置DMA方式，通過配置3個特殊功能寄存器ADCCON1～ADCCON3，ADuC841的ADC工作在不同模式下。其中在DMA模式下，ADC可連續(xù)轉(zhuǎn)換，并將采樣值直接輸出并存儲到片外的HM62256中而無需來自CPU的任何軟件干預(yù)，從而保證ADC能以最高速度(420 kHz)完成采樣和轉(zhuǎn)換并進(jìn)行高速信號傳輸。A／D轉(zhuǎn)換后，ADuC841通過ADC中斷，P3.5發(fā)送高電平至TMS320VC5402的HOLD引腳，向TMS320VC5402申請放棄總線控制，HM62256的總線控制權(quán)重新交換給TMS320VC5402，由TMS320VC5402進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)TMS320VC5402處理完數(shù)據(jù)后，首先將運算結(jié)果放回HM62256，然后通過XF信號線通知ADuC841，ADuC841響應(yīng)后，向DSP申請總線控制接管HM62256，讀出運算結(jié)果，然后進(jìn)行下一步處理。以下是ADuC841的部分DMA接口程序代碼：

4 結(jié)束語

對于實時數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，選取合理有效的核心算法是至關(guān)重要的，然而，選擇數(shù)據(jù)傳輸方法也是相當(dāng)重要，在一些實際情況下，數(shù)據(jù)傳輸時間可能超過數(shù)據(jù)處理的時間。通過合理使用DMA高速數(shù)據(jù)傳輸是提高數(shù)據(jù)傳輸效率的一種途徑，有助于產(chǎn)品的開發(fā)。