HPI接口在腦電數據采集系統中的實(shí)現

　　1 引 言

　　TMS320VC5402是TI公司的一種16位數字信號處理器，以其獨有的低功耗和高性?xún)r(jià)比,受到用戶(hù)的歡迎。C54x操作靈活及運行速度高；使用改進(jìn)的哈佛結構，具有專(zhuān)用硬件邏輯的CPU、片內存儲器和外設接口，以及高度專(zhuān)業(yè)化的指令集。而且, C54系列DSP與主機連接通過(guò)HPI(Host Port Interface)接口，以邏輯電路設計簡(jiǎn)單、不需要額外的存儲器和程序更新方便優(yōu)點(diǎn)，可以應用靈活多樣的引導加載模式以實(shí)現接口和處理功能開(kāi)發(fā)。

　　HPI口是C54x DSP系列芯片內部的并行接口部件,用于與其他總線(xiàn)或CPU主機之間進(jìn)行連接通信，主機是HPI口的主控者,通過(guò)專(zhuān)用地址和數據寄存器、HPI控制寄存器以及外部數據和接口控制信號與HPI口通信。

　　本文基于對一個(gè)腦電信號采集系統中數字處理電路部分的研究，設計并實(shí)現了TMS320VC5402應用程序的HPI自舉加載，HPI方式通信，詳細介紹了調試方法與過(guò)程，對開(kāi)發(fā)

　　基于DSP處理芯片的腦電信號采集系統有很大的參考價(jià)值。

　　2 系統介紹

　　腦電信號(ＥＥＧ)是一種比較特殊的微弱信號。它是由腦神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生并且始終存在于中樞神經(jīng)系統的自發(fā)性電位活動(dòng)，含有豐富的大腦活動(dòng)信息。腦電信號的采集處理對于生物醫學(xué)工程學(xué)研究具有重要意義，可以為臨床手術(shù)中的麻醉鎮靜監護分析提供必要的數據。腦電信號數據采集系統主要功能是將人腦部的生物電信號通過(guò)腦電極提取出來(lái)，經(jīng)過(guò)放大處理，傳輸至上位機顯示并存儲。本文所研究的數字腦電采集系統就是基于DSP 芯片VC5402 處理能力強、實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)的應用。由系統模擬部分對腦電信號進(jìn)行放大和預處理，經(jīng)過(guò)A/D 變換后送往數字處理部分。數字處理部分由DSP 芯片和USB 等芯片構成，由DSP 控制實(shí)現對腦電數字信號的采集與處理，并完成DSP 與USB 芯片的通信，最后通過(guò)USB總線(xiàn)將數據送往上位機實(shí)時(shí)顯示與儲存。

　　系統的核心為T(mén)MS320VC5402，有三個(gè)功能：首先，控制整個(gè)系統模數轉換并設置各種模擬部分的參數；其次，對A/D變換后的數據進(jìn)行各種算法處理，包括信號濾波與分析等，也是高性能腦電數字信號采集器的重點(diǎn)；最后完成數據接口功能，把數據按一定的格式打包，通過(guò)高速的HPI總線(xiàn)把數據交給USB接口芯片并送往PC機。圖（1）為整個(gè)方案的原理圖，其中虛線(xiàn)部分為調試過(guò)程示意圖。調試過(guò)程中，通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境KEIL C51和CCS 5000系統，可視化的調試過(guò)程有利于整個(gè)方案的后期調試。

　　圖 1 系統方框圖

　　3 透明式USB通信設計

　　VC5402 自身提供了標準的串行口， 時(shí)分復用(TDM) 串行口和自動(dòng)緩沖串行口BSP(Auto-Buffered Serial Port)，這些接口必須通過(guò)PC 機的串口與PC 機進(jìn)行通信，而PC 機的串口無(wú)法滿(mǎn)足高速數據采集對速度的要求。本文采用CY7C68013A 芯片通過(guò)HPI(HostPort Interface)接口和DSP 芯片TMS320VC5402 相連，再由CY7C68013A 通過(guò)USB2.0 將數據傳送到PC 機上，方便滿(mǎn)足系統對傳輸速度的要求。

　　3.1 硬件

　　CY7C68013A芯片有56腳SSOP，56腳QFN，100腳TQFP以及128腳TQFP四種封裝形式。引腳少的芯片占用PCB面積小，價(jià)格低，功能基本滿(mǎn)足需要。但在開(kāi)發(fā)階段，選取100腳TQFP封裝形式以支持在線(xiàn)調試，可以節省開(kāi)發(fā)時(shí)間。實(shí)際生產(chǎn)階段，可以采用56腳封裝芯片來(lái)做實(shí)際電路應用。

　　3.2 開(kāi)發(fā)工具

　　本文選用Keil uVision3作為USB接口芯片固件程序的開(kāi)發(fā)工具能提高開(kāi)發(fā)效果。KeiluVision3是一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，擁有C51編譯器、A51匯編器以及BL連接定位器等工具和模擬仿真與調試器。它能夠支持C程序和匯編程序混合的編程工作，對軟件的開(kāi)發(fā)便利。

　　3.3 固件開(kāi)發(fā)與調試過(guò)程

　　在編寫(xiě)固件程序時(shí)需要用到大量的函數，可以應用CY7C68013A芯片的開(kāi)發(fā)工具包。該開(kāi)發(fā)包提供了開(kāi)發(fā)所需的固件框架程序以及一些例程，以簡(jiǎn)化其固件開(kāi)發(fā)過(guò)程。在Cypress C51固件框架程序下的主要工作有：

　　1、修改設備描述符表： USB 設備與主機建立通信前須先向主機提供具體配置，包括設備的廠(chǎng)商、產(chǎn)品識別號(VID，PID)，設備的供電方式以及能量消耗等系列信息。而有關(guān)設備的信息是通過(guò)設備描述符表提供給主機的，從而決定主機使用哪一個(gè)USB 設備驅動(dòng)和采用哪種方式建立與設備之間的連接。

　　2、CY7C68013A有可編程接口GPIF?？删幊探涌贕PIF是主機方式，可以由軟件編寫(xiě)讀寫(xiě)控制時(shí)序，幾乎可以和所有8/16 bit接口的控制器、存儲器和總線(xiàn)進(jìn)行無(wú)縫連接。在調試過(guò)程中，把CY7C68013A芯片的串口接到PC機的串口上，無(wú)需仿真器就能完成在線(xiàn)仿真工作。利用CYPRESS提供開(kāi)發(fā)工具包的Monitor程序，能對應用程序實(shí)施單步運行、斷點(diǎn)設置和變量查看等調試工作，既降低了固件程序的開(kāi)發(fā)難度，又加速了USB系統開(kāi)發(fā)的過(guò)程。

　　4 DSP部分設計

　　4.1 HPI方式自舉加載

　　VC5402片內ROM 固化有TI公司的自舉引導程序Bootloader，在上電復位時(shí)把用戶(hù)代碼從外部存儲器引導到片內RAM 并運行。VC5402支持多種引導方式，如HPI引導、并行EPROM引導、并行I／O引導、串行口引導等。DSP采用哪種引導模式取決于硬件設計。VC5402上電復位后，先檢測MP／MC引腳，如果MP／MC=“0”，表示使用片內ROM引導。此時(shí)，DSP從0xFF80處開(kāi)始執行TI的片內引導程序。進(jìn)入引導程序后，首先HINT引腳變?yōu)榈碗娖?，然后開(kāi)始檢測INT2是否為低電平(有效)。若INT2為低電平，則進(jìn)入HPI引導方式；否則，檢測其它引導方式是否有效。在硬件連接上，為了使VC5402復位后進(jìn)入HPI啟動(dòng)方式，直接使INT2接到HINT引腳上，使HPIENA引腳接高電平。對HPI接口的操作主要通過(guò)以下三個(gè)寄存器來(lái)完成：HPI地址寄存器（HPIA）、數據鎖存器（HPID）和控制寄存器（HPIC）。如當前進(jìn)行的是讀操作，則HPID中存放的是要從HPI存儲器中讀出的數據；如果當前進(jìn)行的是寫(xiě)操作，則HPID存放的是要寫(xiě)到HPI存儲器的數據。

　　4.2 軟件部分設計

　　CCS(Code Composer Studio)是TI開(kāi)發(fā)的一個(gè)DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。其集成了常規的開(kāi)發(fā)工具，如源程序編輯器、代碼生成工具（編譯器，連接器）以及調試環(huán)境等。CCS的編譯器和鏈接器生成COFF格式文件，用HEX轉化程序hex500.exe將COFF格式代碼轉換為標準的ASCII十六進(jìn)制格式TI Tagged，支持16位地址。轉換而成的Hex文件為ASCII碼形式的，不能用于HPI自舉，需將其轉換為二進(jìn)制(Bin)格式。

　　4.3 用戶(hù)代碼下載(HPI)

　　由于Intel的HEX代碼格式是分段的，本文編寫(xiě)的代碼段，是將一個(gè)Intel 的HEX代碼段通過(guò)HPI接口寫(xiě)入DSP RAM中。下面代碼段為HPI加載子程序，count為要寫(xiě)入代碼的長(cháng)度，addrESS為起始地址，EP2FIFOBUF是指向HEX代碼段的指針，HPI_WriteA子程序功能是寫(xiě)HPI地址寄存器，HPI_WriteD2完成部分程序的寫(xiě)入。代碼如下：

　　4.4 寫(xiě)入DSP入口地址并運行

　　在TMS320VC5402進(jìn)入HPI啟動(dòng)模式后，它將一直檢查0X007F這個(gè)地址是否為0，如不為0，則跳轉到0X007F指向的地址處執行代碼。在將DSP的代碼寫(xiě)入之后，只需將程序的入口地址寫(xiě)入0X007F這個(gè)地址，DSP將自動(dòng)跳轉到入口執行程序。程序的入口地址可以在CCS生成的.map文件中看到，其格式如：ENTRY POINT SYMBOL: "_c_int00" address: 000020be。

　　由于調用的是HPI_WriteD2()函數寫(xiě)數據，而HPI_WriteD2()在寫(xiě)數據之前，會(huì )自動(dòng)將地址+1，所以在調用之前寫(xiě)入地址時(shí)，調用的是HPI_WriteA(0x007E)，這樣，最后調用HPI_WriteD2(m_dat)時(shí)，地址會(huì )自動(dòng)指向0X007F。

　　4.5 觀(guān)察寫(xiě)入代碼

　　TMS320VC5402 在仿真時(shí)候其HPI接口也是正常工作的，這就方便了對HPI啟動(dòng)方式的調試。首先把5402連接到仿真器上，然后打開(kāi)CCS5000集成環(huán)境。此時(shí)可以利用CCS5000的MemoryView來(lái)觀(guān)察5402的內部RAM數據。調試中，先通過(guò)HPI接口把DSP的代碼下載進(jìn)去，再通過(guò)CCS5000集成環(huán)境觀(guān)察，同時(shí)用UltraEdit十六進(jìn)制編輯器打開(kāi)由HEX500.EXE生成的.HEX文件。由于兩者都是以ASCII碼形式顯示，可以直觀(guān)地比較各個(gè)地址空間中的代碼是否完全相同以及下載的代碼是否完全正確。

　　4.6 整體方案測試效果

　　上述的各個(gè)模塊調試通過(guò)后，又編寫(xiě)了上位機應用程序。上位機應用程序功能包括：建立USB 通信、加載DSP 代碼、讀取DSP 代碼、寫(xiě)入口地址、數據采集與保存等功能。在把各個(gè)?？爝B接之后，用控制臺通過(guò)HPI 接口加載DSP 代碼5402 Code.i00，并寫(xiě)入程序入口地址0x20BE，啟動(dòng)下位機進(jìn)入采集過(guò)程。圖2 為上位機控制臺應用程序截圖。

　　圖2 應用程序截圖

　　5 結 論

　　利用 C54x 的HPI 接口在腦電數據采集系統中的設計與實(shí)現，可用于自發(fā)腦電信號實(shí)時(shí)準確的高速采集。如從DSP 的實(shí)際應用環(huán)境出發(fā)，利用DSP 的HPI 加載方式和JTAG 調試相結合的開(kāi)發(fā)模式，可以在線(xiàn)調試該電路板的制作，自行編制相應的主機軟件，設計DSP KERNEI和HPI 接口邏輯，還可以實(shí)現開(kāi)發(fā)基于HPI 自舉和通信的DSP 應用設計方案。這樣做可以縮短開(kāi)發(fā)周期，且硬件資源透明。該透明化開(kāi)發(fā)過(guò)程更利于學(xué)習者理解和掌握DSP 的軟硬件原理。該方案還可以從腦電采集系統設計推廣到其它領(lǐng)域。

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn):在于將USB接口芯片CY7C68013A（100引腳）的在線(xiàn)仿真和DSP芯片TMS320VC5402的JTAG仿真結合起來(lái)，設計VC5402基于USB2.0和HPI自舉加載的腦電采集系統。通過(guò)CCS5000集成環(huán)境，能即刻查看DSP內部HPI加載代碼，使該方案設計的采集系統直觀(guān)地調試并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。該方案還可以從腦電采集系統設計方面推廣到其它領(lǐng)域。