基于DSP和Cygnal單片機的移動(dòng)數據處理傳輸系統

1 引言
　　由于無(wú)線(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)的費用，應使移動(dòng)數據處理傳輸系統有較強的實(shí)時(shí)數據處理和數據壓縮功能，以減少通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)傳送和接收數據量。另外由于儀器具有體積小、便于攜帶、較長(cháng)的工作時(shí)間，電池供電等特點(diǎn)，因而要求移動(dòng)數據處理傳輸系統有較低的功耗。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級單片機移動(dòng)數據處理傳輸系統。

圖1移動(dòng)數據處理傳輸系統
　　該移動(dòng)數據處理傳輸系統（見(jiàn)圖1）由三個(gè)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(jìn)行A/D轉換。CPU單元將A/D轉換后的模擬信號通過(guò)HPI總線(xiàn)送入DSP單元進(jìn)行多種數據處理和數據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(guò)HPI總線(xiàn)送入CPU單元。CPU單元還可對由DSP單元送來(lái)的信號再進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理、分析。CPU單元還分別控制其他輔助單元（例：鍵盤(pán)單元、時(shí)鐘單元、LCD單元、LED單元等）工作。CPU單元通過(guò)串口控制GSM單元通過(guò)無(wú)線(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)傳送和接收數據。所以移動(dòng)數據處理傳輸系統實(shí)際是一個(gè)以CPU為核心的數據采集、處理系統和傳輸系統。
　　2 DSP單元
　　DSP單元將CPU單元通過(guò)HPI總線(xiàn)送來(lái)的 A/D轉換后的原始數據信號進(jìn)行多種高速運算，運算的結果再通過(guò)HPI總線(xiàn)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(lèi)等實(shí)時(shí)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(shí)現低功耗、高性能和低成本而專(zhuān)門(mén)設計的定點(diǎn)DSP芯片。TMS320C54X的主要特點(diǎn)包括：
　?、?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；
　?、?優(yōu)化的CPU結構。內部有1個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元，2個(gè)40位的累加器，2個(gè)40位加法器，1個(gè)17×17的乘法器和1個(gè)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(xiàn)和2個(gè)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(gè)低功耗方式（IDLE1、IDLE2和IDLE3）可以節省DSP的功耗，TMS320C54X特別適合于無(wú)線(xiàn)移動(dòng)設備。
　?、?智能外設。除了標準的串行口和時(shí)分復用（TDM）串行口外，TMS320C54X還提供了自動(dòng)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(diǎn)外，它還有一個(gè)16位16 K的片內只讀存儲器, 一個(gè)16位32 K 的片內雙操作數據存儲器，三個(gè)多通道緩沖串型接口（McBSPs），一個(gè)增強型的具有16位數據/地址驅動(dòng)功能的8位主機接口（HPI）[2]，一個(gè) 16bit定時(shí)器和6個(gè)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(dòng)數據處理傳輸系統中，CPU以主機方式運行，而VC5409以從機的方式運行。CPU單元在啟動(dòng)時(shí)控制RESDSP信號復位VC5409，在復位時(shí)將放在DCM8512SRAM（圖5）中的VC5409用戶(hù)程序經(jīng)HPI總線(xiàn)傳送到VC5409的片內高速RAM中，以提高DSP的執行速度和減少功耗。由于VC5409的HINT和INT2相連，所以當RESDSP信號為高時(shí)，VC5409引導程序（Bootloader）將以HPI[3]方式啟動(dòng)。 VC5409將自動(dòng)執行由引導程序裝入在VC5409的片內數據存儲器中程序。在其他時(shí)間VC5409經(jīng)HPI總線(xiàn)與CPU單元交換數據。為了滿(mǎn)足能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)數字信號處理需要，DSP工作頻率為100 MHz。
　　在系統功耗是系統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的總功耗外，還可以使外部邏輯電路功耗降低，這對實(shí)現系統低功耗有著(zhù)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(shí)鐘，允許串口等片內外設繼續工作。在50MHz的系統時(shí)鐘時(shí)，執行IDLE2指令所需電流的典型值為 2mA。若關(guān)閉內部部件的輸入時(shí)鐘時(shí)執行IDLE3指令，這時(shí)電流值僅為20μA。

　　3　無(wú)線(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)接口　
　　移動(dòng)通信系統主要使用CDMA和GSM制式。GSM系統是笫二代移動(dòng)通信系統[4]。它提供多種業(yè)務(wù)，主要有話(huà)音、短消息、數據業(yè)務(wù)等。GSM系統是由幾個(gè)分系統組成的，并且可與各種公用通信網(wǎng)(PSTN公用電話(huà)網(wǎng)、 ISDN綜合業(yè)務(wù)數據網(wǎng)、PSPDN公用交換分組數據網(wǎng)等)互連互通，GSM系統能提供穿越國際邊界的自動(dòng)漫游功能。GSM有兩個(gè)并行的系統：GSM900和DCS1800，這兩個(gè)系統功能相同，主要是頻率不同。GSM移動(dòng)通信網(wǎng)能提供多種電信業(yè)務(wù)，主要有∶
　　電話(huà)業(yè)務(wù)是GSM移動(dòng)通信網(wǎng)提供的最重要業(yè)務(wù)。能為數字移動(dòng)客戶(hù)之間、數字蜂窩移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)客戶(hù)、模蜂窩移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)客戶(hù)之間以及與固定網(wǎng)客戶(hù)之間，提供實(shí)時(shí)雙向話(huà)音通信。
　　短消息業(yè)務(wù)又可分為包括移動(dòng)臺起始和移動(dòng)臺終止的點(diǎn)對點(diǎn)的短消息業(yè)務(wù)和點(diǎn)對多點(diǎn)的小區廣播短消息業(yè)務(wù)。點(diǎn)對點(diǎn)的短消息業(yè)務(wù)，則可使GSM客戶(hù)接收由其它 GSM客戶(hù)發(fā)送的短消息。點(diǎn)對點(diǎn)的短消息業(yè)務(wù)是由短消息業(yè)務(wù)中心完成存儲和前轉功能的。點(diǎn)對點(diǎn)的信息發(fā)送或接收即可在MS處于呼叫狀態(tài)(話(huà)音或數據)時(shí)進(jìn)行，也可在空閑狀態(tài)下進(jìn)行。當其在控制信道內傳送時(shí)，不用建立連接，因而服務(wù)費低，但信息量限制為140個(gè)八位組(7比特編碼，160個(gè)字符)。
　　為了滿(mǎn)足GSM移動(dòng)客戶(hù)對數據通信服務(wù)的需要。GSM系統不僅使移動(dòng)客戶(hù)之間能完成數據通信，更重要還能使GSM移動(dòng)通信網(wǎng)與其它公用數據網(wǎng)互通。 GSM提供2400bps、4800bps、9600bps的異步數據傳輸能力。
　　GSM引擎模塊提供的命令接口符合GSM07.05[5]和GSM07.07[6]規范。GSM07.07中定義的AT Command接口提供了一種移動(dòng)臺(MS)與數據終端設備(DTE)之間的通用接口，該指令集是由諾基亞、愛(ài)立信、摩托羅拉和HP等廠(chǎng)家共同為GSM系統研制的，GSM07.05對短消息作了詳細的規定。在短消息模塊收到網(wǎng)絡(luò )發(fā)來(lái)的短消息時(shí)，能夠通過(guò)串口發(fā)送指示消息，數據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(kāi)始使用的模塊有Falcom系列，Wavecom系列，西門(mén)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(luò )進(jìn)行數據傳輸的方法，結合已有的系統通過(guò)RS232接口（圖3），可以?xún)H使用TXD和RXD兩根線(xiàn)，實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。并且已有的系統硬件部分不需要做大的改動(dòng)，關(guān)鍵是做軟件部分的修改。

　　西門(mén)子的TC35系列GSM引擎模塊[7]性?xún)r(jià)比較高，并且已經(jīng)有國內的無(wú)線(xiàn)電設備入網(wǎng)證，TC35主要是由射頻天線(xiàn)、內部Flash、GSM 基帶處理器、匹配電源和一個(gè)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(gè)協(xié)議處理器，用來(lái)處理外部系統通過(guò)串口發(fā)送過(guò)來(lái)的AT指令。射頻天線(xiàn)部分主要實(shí)現信號的調制與解調，實(shí)現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(hù)的應用接口。TC35的用戶(hù)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(gè)引腳；SIM卡連接引腳數為6個(gè)，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(gè)數據位，1個(gè)停止位，沒(méi)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(luò )一般只支持 9.6Kbps的速率）。