基于DSP和Cygnal單片機的移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)

1 引言
　　由于無線移動網(wǎng)的費用，應使移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)有較強的實時數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)壓縮功能，以減少通過移動網(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、較長的工作時間，電池供電等特點，因而要求移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)有較低的功耗。為達到上述目的，本文設計了一種基于Ti公司低功耗DSP芯片和Cygnal低功耗的混合信號系統(tǒng)級單片機移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)。

圖1移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)
　　該移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)（見圖1）由三個主要DSP單元、CPU單元，GSM單元組成。經(jīng)放大、濾波后模擬信號送入CPU單元進行A/D轉換。CPU單元將A/D轉換后的模擬信號通過HPI總線送入DSP單元進行多種數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)壓縮等大量的和高速的運算（例如：FFT、小波變換、濾波、模式識別、編碼壓縮等）。運算的結果再通過HPI總線送入CPU單元。CPU單元還可對由DSP單元送來的信號再進行簡單的處理、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單元通過無線移動網(wǎng)傳送和接收數(shù)據(jù)。所以移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)實際是一個以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轉換后的原始數(shù)據(jù)信號進行多種高速運算，運算的結果再通過HPI總線送入CPU單元。DSP單元可以承擔信號預處理、信號的檢測及分類等實時性要求高、計算量大的算法。這里選用Ti公司TMS320-54系列DSP中的TMS320VC5409[1]芯片。TMS320C54X是為實現(xiàn)低功耗、高性能和低成本而專門設計的定點DSP芯片。TMS320C54X的主要特點包括：
　　⑴ 運算速度快。指令周期為25/20/15/12.5/10ns，運算能力為40/50/66/80/100 MIPS；
　　⑵ 優(yōu)化的CPU結構。內部有1個40位的算術邏輯單元，2個40位的累加器，2個40位加法器，1個17×17的乘法器和1個40位的桶形移位器，允許16 位帶／不帶符號的乘法。有4條內部總線和2個地址產(chǎn)生器。此外，內部還集成了維特比加速器，用于提高維特比編譯碼的速度。
　?、?低功耗方式。TMS320C54X可以在3.3V電壓下工作，三個低功耗方式（IDLE1、IDLE2和IDLE3）可以節(jié)省DSP的功耗，TMS320C54X特別適合于無線移動設備。
　　⑷ 智能外設。除了標準的串行口和時分復用（TDM）串行口外，TMS320C54X還提供了自動緩沖串行口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的特點外，它還有一個16位16 K的片內只讀存儲器, 一個16位32 K 的片內雙操作數(shù)據(jù)存儲器，三個多通道緩沖串型接口（McBSPs），一個增強型的具有16位數(shù)據(jù)/地址驅動功能的8位主機接口（HPI）[2]，一個 16bit定時器和6個通道（DMA）控制器，操作速率達100MIPS，支持8 兆外部的程序空間，低功耗工作：3V和1.8V（內核），特別適合電池供電設備。
　　在移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)中，CPU以主機方式運行，而VC5409以從機的方式運行。CPU單元在啟動時控制RESDSP信號復位VC5409，在復位時將放在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RESDSP信號為高時，VC5409引導程序（Bootloader）將以HPI[3]方式啟動。 VC5409將自動執(zhí)行由引導程序裝入在VC5409的片內數(shù)據(jù)存儲器中程序。在其他時間VC5409經(jīng)HPI總線與CPU單元交換數(shù)據(jù)。為了滿足能夠進行實時數(shù)字信號處理需要，DSP工作頻率為100 MHz。
　　在系統(tǒng)功耗是系統(tǒng)設計首要考慮的情況下，應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，這對實現(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內部操作掛起（suspend activity），但是仍保留內部各部件邏輯的時鐘，允許串口等片內外設繼續(xù)工作。在50MHz的系統(tǒng)時鐘時，執(zhí)行IDLE2指令所需電流的典型值為 2mA。若關閉內部部件的輸入時鐘時執(zhí)行IDLE3指令，這時電流值僅為20μA。

 
　　3　無線移動網(wǎng)接口　
　　移動通信系統(tǒng)主要使用CDMA和GSM制式。GSM系統(tǒng)是笫二代移動通信系統(tǒng)[4]。它提供多種業(yè)務，主要有話音、短消息、數(shù)據(jù)業(yè)務等。GSM系統(tǒng)是由幾個分系統(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)能提供穿越國際邊界的自動漫游功能。GSM有兩個并行的系統(tǒng)：GSM900和DCS1800，這兩個系統(tǒng)功能相同，主要是頻率不同。GSM移動通信網(wǎng)能提供多種電信業(yè)務，主要有∶
　　電話業(yè)務是GSM移動通信網(wǎng)提供的最重要業(yè)務。能為數(shù)字移動客戶之間、數(shù)字蜂窩移動電話網(wǎng)客戶、模蜂窩移動電話網(wǎng)客戶之間以及與固定網(wǎng)客戶之間，提供實時雙向話音通信。
　　短消息業(yè)務又可分為包括移動臺起始和移動臺終止的點對點的短消息業(yè)務和點對多點的小區(qū)廣播短消息業(yè)務。點對點的短消息業(yè)務，則可使GSM客戶接收由其它 GSM客戶發(fā)送的短消息。點對點的短消息業(yè)務是由短消息業(yè)務中心完成存儲和前轉功能的。點對點的信息發(fā)送或接收即可在MS處于呼叫狀態(tài)(話音或數(shù)據(jù))時進行，也可在空閑狀態(tài)下進行。當其在控制信道內傳送時，不用建立連接，因而服務費低，但信息量限制為140個八位組(7比特編碼，160個字符)。
　　為了滿足GSM移動客戶對數(shù)據(jù)通信服務的需要。GSM系統(tǒng)不僅使移動客戶之間能完成數(shù)據(jù)通信，更重要還能使GSM移動通信網(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臺(MS)與數(shù)據(jù)終端設備(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對短消息作了詳細的規(guī)定。在短消息模塊收到網(wǎng)絡發(fā)來的短消息時，能夠通過串口發(fā)送指示消息，數(shù)據(jù)終端設備可以向短消息模塊發(fā)送各種命令。目前，在國內已經(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)絡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，結合已有的系統(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，關鍵是做軟件部分的修改。

　　西門子的TC35系列GSM引擎模塊[7]性價比較高，并且已經(jīng)有國內的無線電設備入網(wǎng)證，TC35主要是由射頻天線、內部Flash、GSM 基帶處理器、匹配電源和一個40腳的Zip插座組成。其中GSM基帶處理器是核心部件，它的作用相當于一個協(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現(xiàn)信號的調制與解調，實現(xiàn)外部射頻信號與內部基帶處理器之間的信號轉換，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用接口。TC35的用戶應用接口采用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；標準的RS232信號接口，共8個引腳；SIM卡連接引腳數(shù)為6個，符合GSM11.11標準。特別需要引起注意的是，RS232接口采用9位編碼格式，其中8 個數(shù)據(jù)位，1個停止位，沒有奇偶校驗位，因此單片機一般采用工作方式1，支持1200-115200bps的速率（但標準的GSM網(wǎng)絡一般只支持 9.6Kbps的速率）。[!--empirenews.page--]4 CPU單元
　　CPU單元的任務比較多，主要要完成對由DSP單元送來的信號再處理分析。 CPU單元還分別控制鍵盤單元、時鐘單元、LCD單元、LED單元等輔助單元和GSM單元工作。對CPU單元的要求是高速和低功耗。這里選用美國 Cygnal公司的C8051F020。C8051F020單片機[8]是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機（圖4），芯片上有8個8位數(shù)字I/O 端口，其中四個與標準的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，每個I/O端口都可獨立地設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)設計提供了節(jié)省電源的手段。C8051F020單片機除了具有51系列單片機的特點外還有如下的特點：
(1) 25MPIS高速流水線式8051微控制器內核；
(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，片內基準電源；
(4) 64KB系統(tǒng)內可編程FLASH存儲器，4352（4096+256）片內RAM；
(5) 各自獨立的SPI、SMBUS/I2C和兩個UART串行接口；
(6) 5個16位通用定時器；
(7) 片內看門狗定時器、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。
 　　C8051F020使用采用了流水線式結構，與標準的8051相比它的指令執(zhí)行速度有極大的提高。在標準的8051中，除了MUL和DIV所有的指令都需要12或24個系統(tǒng)時鐘周期，最大的時鐘頻率12-24MHZ。相比較而言，C8051F020內核70%的指令執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有4 條指令的執(zhí)行 時間超過4個系統(tǒng)時鐘周期。C8051F020的MCU 在CIP-51內核的內部和外部有幾項關鍵性的改進，提高了整體性能，更易于在實際應用中使用。擴展的中斷系統(tǒng)為CIP-51提供22個中斷源，而標準的8051只有7個中斷源。C8051F020允許大量的模擬和數(shù)字外設中斷微控制器。由中斷驅動的系統(tǒng)需要較少的CPU干預，從而極大地提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度。特別是在多任務實時系統(tǒng)中，這些增加的中斷源非常有用。MCU內部有一個能獨立工作的時鐘發(fā)生器。另外，MCU可以關閉單個或全部外設以節(jié)省功耗。由于C8051F020單片機自身帶有64K+128B的 FLASH 程序存儲器，故不需再擴展程序存儲器。

圖4 C8051F020單片機
　　C8051F020的MCU具有4KB的RAM可映射在片內，也可映射在64KB外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間，還可同時映射到片內和片外三種方式。對于后兩種存儲器工作模式需通過外部存儲器接口使用MOVX和DPTR或MOVX和R0（R1）指令訪問外部數(shù)據(jù)存儲器和存儲器映像的I/O設備。但是對于高8位地址必須由外部存儲器接口寄存器（EMI0CN）提供。而EMIF控制寄存器可將外部數(shù)據(jù)存儲器接口映射到低端口（P0-P3）或高端口（P4-P7），以及配置為復用模式或非復用模式等。
　　外部存儲器接口（EMI）映射為低端口（P0～3）即PRTSEL位（EMIOCH.5）置為0，此時如果EMIFLE位（XBR2.5）被設置為邏輯1，那么數(shù)字交*開關將不分配外部設備給 P0.7(/WR)，P0.6(/RD)，P0.5（ALE）（如果EMI設置為復用模式）；如果EMIFLE位設為0，那么P0.7、P0.6、 P0.5的功能將由交*開關或端口鎖存器來決定。外部存儲器接口只在執(zhí)行片外MOVX指令期間使用相關的端口引腳，一旦MOVX指令執(zhí)行完畢，端口鎖存器或交*開關又重新恢復對端口引腳的控制（端口3、2、1、0）。對于外部存儲器接口的配置只有擴展外部存儲器或具有存儲器映像的I/O部件時，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)存儲器，使用高端口、復用模式（即P7端口數(shù)據(jù)D0-D7和地址A0-A7復用，P6端口輸出地址A8-A15）、片外存儲器方式（不使用片內存儲器）。DCM8512是512k*8bit自帶掉電保護的 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)存儲器只支持64k Byte（A0-A15），故使用P5端口來擴充地址線（A16-A20）。
　　C8051F020最突出的優(yōu)點之一就是使用交*開關網(wǎng)絡。交*開關網(wǎng)絡改進了可以控制片內數(shù)字資源與外部I/O引腳相連的。通過設置交*開關控制寄存器，將片內的數(shù)字資源如計數(shù)器/定時器、串行總線、硬件中斷、 ADC轉換啟動輸入、比較器輸出以及微控制器內部其他數(shù)字資源配置為端口I/O引腳，這就允許用戶根據(jù)自己的特定應用將通用I/O端口與所需要數(shù)字資源相結合。
　　CPU單元工作原理（見圖5）。C8051F020的工作頻率為11.0592MHz。模擬信號連接至C8051F020的 AIN0.0- AIN0.7腳，進行12位A/D轉換。由C8051F020中的時鐘單元產(chǎn)生可以變動的抽樣頻率。CPU單元通過HPI總線將A/D轉換后的心電信號送到DSP單元進行運算，運算的結果再通過HPI總線送入CPU單元。HPI總線內包括數(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C8051F020向DSP寫數(shù)據(jù)時，將在DSP內部產(chǎn)生中斷，該中斷將DSP從IDLE狀態(tài)中喚醒，中斷服務程序還將從DSP特定地址的內部存儲器中讀CPU寫的數(shù)據(jù)；當DSP向C8051F020寫數(shù)據(jù)時，DSP置中斷線INT0=0，C8051F020的INT0中斷服務程序將從 DSP的HPI數(shù)據(jù)寄存器讀數(shù)據(jù)。

 　　CPU單元通過RS232接口線TX0和RX0與GSM模塊進行硬件連接，用于通過無線移動網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)信息。C8051F020單片機和GSM引擎之間采用AT指令實現(xiàn)互相之間的通信，更詳細的資料可以參考GSM07.05和GSM07.07規(guī)范。例如使用短信方式時，CPU單元發(fā)出短信的過程大體如下：用預先設置好的短信息中心地址、短信息的接受地址和要發(fā)售的報警數(shù)據(jù)，形成PDU格式短信；然后發(fā)出指令"AT+CMGF=0r"設置GSM引擎為 PDU方式；再發(fā)出指令"AT+CMGS=r "，當受到回答信號后，發(fā)送已形成PDU格式短信。
　　5 小結
　　本文設計了一種基于 Ti公司低功耗DSP芯片和Cygnal低功耗的混合信號系統(tǒng)級單片機移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)，它能夠采集、處理和通過無線移動網(wǎng)傳送和接收數(shù)據(jù)。