基于DSP的信號采集處理系統(tǒng)
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(gè)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(shí)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(gè)處理單元，包括2個(gè)乘法器和6個(gè)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)最多可以同時(shí)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(gè)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(shí)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(gè)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(cuò)誤檢測和報(bào)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。
3 基于DSP／BIOSⅡ的實(shí)時(shí)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(shí)基礎(chǔ)軟件提供了一個(gè)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(gè)核嵌入目標(biāo)DSP中。DSP／BIOSⅡ是性能得到提升的第2代實(shí)時(shí)基礎(chǔ)軟件，利用該軟件可以縮短實(shí)時(shí)信號處理軟件的開發(fā)時(shí)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(gè)配置過程都可以利用一個(gè)圖形化的界面來實(shí)現(xiàn)。首先，新建一個(gè)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(gè)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(gè)新的McBSP的配置控制項(xiàng)，這兩個(gè)控制項(xiàng)分別對應(yīng)McBSP0和McBSP1，然后設(shè)定這兩個(gè)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(shí)，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(shí)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(gè)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(gè)實(shí)時(shí)處理軟件的開發(fā)。
實(shí)時(shí)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)片，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)寫入就可以同時(shí)進(jìn)行，這是保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的一個(gè)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(shí)間，越適合進(jìn)行一些復(fù)雜的算法，這樣要付出的代價(jià)就是輸出延時(shí)比較長，同時(shí)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)同時(shí)工作，這時(shí)需要同時(shí)開辟多個(gè)緩沖區(qū)。為保證多個(gè)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)同時(shí)工作，主機(jī)在處理時(shí)采用了多線程技術(shù)，整個(gè)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)，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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)，由于多個(gè)采集處理系統(tǒng)可同時(shí)工作，整個(gè)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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