基于TMS320F2812的雙機(jī)信息處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)；TMS320F2812；雙機(jī)平臺(tái)；信息處理
1 引言
在信息處理系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)本身精度要求越來(lái)越高，所需處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，要求數(shù)據(jù)處理的速度越來(lái)越高，這就對(duì)系統(tǒng)的硬件提出了更高的要求。TMS320F2812(以下簡(jiǎn)稱F2812)是美國(guó)德州儀器公司(TI)推出的功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的32位定點(diǎn)DSP，具有150 MI/s的處理能力和強(qiáng)大的事件管理及嵌入式控制能力，片內(nèi)集成有150 kxl6 bit存儲(chǔ)器、16通道12位高性能A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)事件管理器(EVA和EVB)、3個(gè)32位定時(shí)器、5個(gè)串行接口(2個(gè)SCI、1個(gè)SPI、1個(gè)CAN、1個(gè)McBSP)，支持45個(gè)外設(shè)中斷(3個(gè)擴(kuò)展中斷)，最多56個(gè)GPIO引腳，可外擴(kuò)超過(guò)l Mxl6 bit的存儲(chǔ)器。該器件既具備數(shù)字信號(hào)處理器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，又像微處理器那樣具有適于控制的片內(nèi)外設(shè)及接口，可謂實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理器與微處理器的最佳結(jié)合。這一高度集成化的芯片為高精度控制應(yīng)用提供了一整套的片上系統(tǒng)，極大地降低了系統(tǒng)成本，使系統(tǒng)功耗低，實(shí)時(shí)性高，靈活性強(qiáng)；另一方面，F(xiàn)2812與TMS320F24x/LF240x(以下簡(jiǎn)稱F24x/240x)原代碼及部分功能相兼容，使其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，從電機(jī)數(shù)字控制領(lǐng)域拓展到光學(xué)網(wǎng)絡(luò)、汽車控制、生物測(cè)定學(xué)等新興應(yīng)用領(lǐng)域。具體有生物測(cè)定學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中的人力資源管理、汽車及家庭安全系統(tǒng)和身體入口控制等?？傊瑧{借F2812強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力及高度集成化程度，其應(yīng)用范圍還有很大的拓展空間。
在通常的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，采用單一CPU擔(dān)任數(shù)據(jù)采集和處理工作，但在實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，單一CPU常常因?yàn)榇罅繑?shù)據(jù)輸入/輸出和接口突發(fā)信號(hào)直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常工作，為了解決單一CPU系統(tǒng)在高速模數(shù)(A/D)或數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換中的這一缺陷，本文采用兩片F(xiàn)2812構(gòu)成雙機(jī)平臺(tái)(分別稱為A機(jī)和B機(jī))，分別完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換(A機(jī))和與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信(B機(jī))，而A機(jī)和B機(jī)之間通過(guò)雙口RAN進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。另外USB接口具有即插即用、熱插拔、傳輸速度快、通用性強(qiáng)、易擴(kuò)展和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，USB2.O接口的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)480Mb/s．通過(guò)USB2.0接口實(shí)現(xiàn)F2812 DSP雙機(jī)平臺(tái)與PC機(jī)的連接，不僅數(shù)據(jù)傳輸速率滿足要求，而且較為方便實(shí)用。這樣提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算速度，使整機(jī)具有良好的性能提升空間。
限于篇幅有限，僅給出F2812 DSP雙機(jī)平臺(tái)、信號(hào)調(diào)理和A/D模塊的硬件設(shè)計(jì)和軟件流程。
2 F2812雙機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 DSP雙機(jī)平臺(tái)模塊硬件設(shè)計(jì)
TMS320F2812 DSP雙機(jī)平臺(tái)功能框圖如圖l所示?，F(xiàn)將各部分的功能介紹如下：
(1)A機(jī)：主要完成4路模擬信號(hào)的實(shí)時(shí)A/D、 D/A轉(zhuǎn)換。需要擴(kuò)展256 kxl6 bit RAM、16 kxl6 bit雙口RAM、高速4路12 bit D/A轉(zhuǎn)換器、1路RS-422異步串行接口(備用)，4路模擬輸入信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊連接A/D轉(zhuǎn)換器接口。
(2)B機(jī)：主要完成USB2.O接口數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)調(diào)整和操作-控制命令解析、系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示。需要擴(kuò)展256 kxl6 bit RAM、16 kxl6 bit雙口RAM、512 kxl6 bit Flash、USB2.0接口模塊、液晶顯示屏-鍵盤-聲光指示模塊、1路RS-422異步串行接口(備用)。
(3)A機(jī)和B機(jī)通過(guò)外擴(kuò)雙口RAM器件共用存儲(chǔ)區(qū)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，共用30 MHz外部晶體振蕩器(時(shí)鐘源)。
(4)電源模塊提供5路直流電源：±12 V(模擬)、+5 V(數(shù)字)、+3.3 V(數(shù)字)、+1.9 V(數(shù)字)。
(5)信號(hào)調(diào)理模塊：4路雙極性模擬輸入信號(hào)不能直接接入F2812 DSP的A/D輸入引腳，需要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊，將信號(hào)的最大電壓幅值調(diào)整到F2812 DSP A/D輸入允許的范圍之內(nèi)(0 V~+3 Vp-p)，再輸入至ADC。
(6)D/A模塊：4路高速12 bit D/A轉(zhuǎn)換器輸出，建立時(shí)間小于120 ns。
(7)USB2.0接口模塊：通過(guò)USB2.0接口實(shí)現(xiàn)F2812 DSP(B機(jī))與PC機(jī)的物理連接，實(shí)現(xiàn)F2812DSP與PC機(jī)平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。
(8)CPLD邏輯控制電路：實(shí)現(xiàn)F2812 DSP各個(gè)外部擴(kuò)展功能模塊的片選地址譯碼。
該模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。由于兩片F(xiàn)2812 DSP的引腳連接基本相同，按照通用性強(qiáng)、接口清晰簡(jiǎn)捷、資源引出最大化、兼顧構(gòu)建雙機(jī)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)單一F2812 DSP模塊，再由單一F2812 DSP模塊組建雙機(jī)平臺(tái)原理樣機(jī)。這樣只需要設(shè)計(jì)出一種F2812 DSP的PCB板，降低了風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省了時(shí)間和加工費(fèi)用。在雙機(jī)平臺(tái)原理樣機(jī)調(diào)試通過(guò)、軟件調(diào)試通過(guò)和系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可以再進(jìn)行F2812 DSP雙機(jī)平臺(tái)的整體模塊二次設(shè)計(jì)。
單F2812 DSP的電源、地線、外部地址總線、外部數(shù)據(jù)總線、外部控制總線、外部中斷源、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、鎖相環(huán)、JTAG接口、A/D輸入、SCI-A/B串口、SPI串口、GPIO等連線原理圖如圖2所示。
2.2 F2812 DSP外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)
F2812的外部接口(XINTF)映像到5個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)空間。由于F2812采用統(tǒng)一尋址方式，擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)空間既可以作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，也可以作為程序存儲(chǔ)器。每個(gè)XINTF區(qū)都有一個(gè)片選信號(hào)，當(dāng)對(duì)一個(gè)特定區(qū)域進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)這些信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了擴(kuò)大F2812 DSP的存儲(chǔ)空間，合理分配DSP外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展空間，提高數(shù)據(jù)處理速度和處理能力，需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器。所以F2812 DSP的三個(gè)引腳XZCS0AND1、XZCS2、XZCS6AND7作為外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器的片選信號(hào)，這樣極大方便了外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。根據(jù)每個(gè)區(qū)容量的大小，外擴(kuò)了一片靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)，選用ISSI公司SRAM IS61LV-25616；同時(shí)考慮到編程需求以及升級(jí)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分利用了F2812 DSP良好的擴(kuò)展性能，將Flash擴(kuò)展至512 K，選用SST公司Flash存儲(chǔ)器SST39VF-800A；另外，外擴(kuò)的雙口RAM(DARAM)用來(lái)緩沖DSP和其他器件(可以是DSP構(gòu)成的雙機(jī)系統(tǒng))交換的數(shù)據(jù)，選用IDT公司的IDT70V27S/L。
IS61LV25616是256 Kxl6高速CMOS工藝3.3V單電源供電的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。SST39VF 800A是512 K×16的3.0 V~3.6 V單電源供電的Flash。IDT7OV27S/L是32 Kxl6高速3.3 V單電源供電雙端口靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器空間及映射地址范圍參見(jiàn)表l。
2.3 信號(hào)調(diào)理模塊
F2812片內(nèi)ADC模塊的模擬輸入電壓范圍為0 V~+3 Vp-p，其引腳最大輸入電壓范圍是-0.3V~+4.6 V。因此需要對(duì)4路模擬輸入的雙極性信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，調(diào)整到相應(yīng)的范圍內(nèi)，再輸入到F2812的ADC模塊。
信號(hào)調(diào)理電路采用運(yùn)算放大器OP37或AD811構(gòu)成一級(jí)反相放大電路，圖3給出了單通道信號(hào)調(diào)理電路原理圖。手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器Wl和WFl可以獲得0.1~10倍的反相增益，C1、R3、R4、Dl、D2組成直流偏置電路，將運(yùn)放輸出±1.5Vp-p以內(nèi)的雙極性信號(hào)疊加+1.5 V直流偏置電壓，轉(zhuǎn)換為0 V～+3Vp-p單極性信號(hào)輸入ADC。
采取以下三種措施，基本消除了通道間的信號(hào)串音現(xiàn)象：模擬信號(hào)采用單芯屏蔽線傳輸；各個(gè)模擬通道獨(dú)立的電源濾波電路；各通道之間設(shè)置地線隔離。OP37是精密測(cè)量運(yùn)算放大器，AD8ll是高速視頻運(yùn)算放大器。
2.4 D/A模塊
本模塊采用DAC8544，DAC8544是采用+2.7V～+5.5 V單電源供電、16位分辨率、電壓輸出、4通道、并行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。為實(shí)現(xiàn)8通道并行輸出，要使用兩片DAC8544。為了可選擇4路輸出，加入了單刀雙擲模擬開(kāi)關(guān)MAX4780，它具有+1.6 V～+4.2 V單電源供電、快速開(kāi)關(guān)(Ton=20 ns，Toff=8 ns)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)開(kāi)關(guān)關(guān)掉一個(gè)DAC8544的輸出，就可以實(shí)現(xiàn)4路輸出與8路輸出的轉(zhuǎn)換。D/A模塊的原理圖如圖4所示。
3 F2812雙機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
F2812 DSP得到Tl強(qiáng)大的軟件開(kāi)發(fā)工具的支持。CCS(Code Composer Studio)是TI開(kāi)發(fā)的一個(gè)完整的DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，也是目前使用最為廣泛的DSP開(kāi)發(fā)軟件之一?，F(xiàn)在，TI所有的DSP都可以使用該軟件工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在CCS中，不僅集成了常規(guī)的開(kāi)發(fā)工具，如源程序編輯器、代碼生成工具(編譯、連接器)及調(diào)試環(huán)境，還提供了DSP/BIOSTM開(kāi)發(fā)工具。DSP/BIOSTM是一個(gè)簡(jiǎn)易的嵌入式操作系統(tǒng)，它能大大方便用戶編寫(xiě)多任務(wù)應(yīng)用程序。使用DSP/BIOSTM后，同時(shí)還能增強(qiáng)對(duì)代碼執(zhí)行效率的監(jiān)控。目前，DSP/BIOSTM已經(jīng)成為DSP開(kāi)發(fā)過(guò)程中最重要的工具。作為DSP的實(shí)時(shí)分析工具，DSP/BIOSTM提供了優(yōu)先次序時(shí)間表及介于主機(jī)與目標(biāo)DSP之間的RTDX(tm)數(shù)據(jù)鏈路。借助于CCS及DSP/BIOSTM這兩大工具，可大大縮短DSP產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，加速產(chǎn)品投向市場(chǎng)。
F2812 DSP雙機(jī)平臺(tái)中，A機(jī)和B機(jī)的分工不同，A機(jī)處于系統(tǒng)的最前端，直接面向物理信號(hào)，外設(shè)功能單一，具有任務(wù)量少、時(shí)序嚴(yán)格、及時(shí)響應(yīng)的特點(diǎn)，其主要任務(wù)是A/D、D/A實(shí)時(shí)變換和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸；B機(jī)擴(kuò)展了USB2.0高速接口模塊、液晶屏、鍵盤等外設(shè)，需要執(zhí)行數(shù)據(jù)調(diào)整、傳輸通訊，命令解析，狀態(tài)顯示等任務(wù)。
需要說(shuō)明的是A機(jī)、B機(jī)各僅有一個(gè)中斷源，避免了因多中斷源形成隊(duì)列引發(fā)的實(shí)時(shí)性沖突。A機(jī)A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序流程圖、B機(jī)主程序流程圖分別如圖5、6所示。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文采用兩片F(xiàn)2812 DSP構(gòu)成雙機(jī)平臺(tái)(分別稱為A機(jī)和B機(jī))設(shè)計(jì)的信息處理系統(tǒng)，具有先進(jìn)性、新穎性、實(shí)用性、通用性、開(kāi)放性等特點(diǎn)?；贔2812 DSP的雙機(jī)平臺(tái)模塊提高了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和通信傳輸速度。該系統(tǒng)可作為面向?qū)嶋H信號(hào)的信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)已有的處理算法和新型算法，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用軟件，其應(yīng)用可拓展到依據(jù)需求構(gòu)造信號(hào)處理系統(tǒng)、光學(xué)網(wǎng)絡(luò)、汽車控制、生物測(cè)定學(xué)等新興應(yīng)用領(lǐng)域。
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