基于A(yíng)RM和DSP的嵌入式智能儀器系統

1　引言
　　隨著(zhù)智能儀器及控制系統對實(shí)時(shí)性信號處理的要求不斷提高和大規模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展。越來(lái)越迫切的要求有一種高性能的設計方案與之相適應，將DSP技術(shù)和ARM技術(shù)結合起來(lái)應用于嵌入式系統中，將會(huì )充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢以達到智能控制系統中對數據的實(shí)時(shí)性、高效性的通信要求。該嵌入式系統要求實(shí)時(shí)響應，具有嚴格的時(shí)序性。其工作環(huán)境可能非常惡劣，如高溫、低溫、潮濕等，所以系統還要求非常高的穩定性。
　　2　嵌入式系統的總體設計
　　2.1　核心器件的主要功能
　　ARM和DSP分別選用Cirrus Logic公司的EP7312、TI公司的TMS320VC5402。充分利用ARM豐富的片上資源和DSP強大的信號處理功能，實(shí)現高效性、實(shí)時(shí)性的信號處理及網(wǎng)絡(luò )通信功能。
　　EP7312是專(zhuān)為高性能、超低功耗產(chǎn)品而設計的微處理器，采用ARM7TDMI處理器內核，具有8kB高速緩沖存儲器，支持存儲器管理單元，片內集成了液晶顯示器控制器，鍵盤(pán)掃描器，數字音頻接口，完全的JTAG等功能，廣泛地應用于嵌入式領(lǐng)域。TMS320C54xDSP提供了McBSPs（多通道緩沖串口）；6通道的DMA控制器；可以與外部處理器直接通信的8位增強HPI（主機接口）。選擇這樣的SOC（片上系統）作為該系統的核心器件，使得其穩定可靠并具有廣泛的擴展功能。
　　2.2　系統總體設計及工作原理
　　系統總體設計框圖如圖1所示。本系統主要是實(shí)現信號的實(shí)時(shí)性處理及傳輸，滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)及各種測量?jì)x器的高可靠性要求。ARM有豐富的片上資源，適合嵌入式系統的開(kāi)發(fā)，在該嵌入式系統中，ARM主要負責操作系統的運行、任務(wù)管理和協(xié)調以及DSP的控制任務(wù)，完成數據的遠程通信。擴展了外部擴展了多種外設，如通用串口、LCD顯示屏，以太網(wǎng)接口。通過(guò)連接以太網(wǎng)控制器實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化功能。在A(yíng)RM中移植了Linux操作系統和實(shí)現了系統外部硬件接口的驅動(dòng)程序。由DSP執行計算密集型操作，實(shí)現多種信號處理算法，然后將處理后的數字信號通過(guò)主機口接口（HPI）與ARM通信。再由ARM通過(guò)以太網(wǎng)控制器將數據傳輸到網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了遠程控制與監測。

圖1 系統總體硬件框圖

　　3　系統硬件具體設計方案
　　3.1　ARM與DSP的接口設計
　　EP7312和TMS320VC5402連接的接口電路如圖2所示。VC5402通過(guò)HPI與ARM進(jìn)行連接。ARM先向DSP寫(xiě)入控制字，設置工作模式，然后將訪(fǎng)問(wèn)地址寫(xiě)入地址寄存器（HPIA），再對數據鎖存器（HPID）進(jìn)行讀寫(xiě)，即可讀出和寫(xiě)入指定的存儲單元。主機由兩根地址線(xiàn)A2、A1可以尋址到HPI接口的所有控制寄存器、地址寄存器和數據寄存器；由HBIL、HCNTL1、HCNTL0區分16位數據的高、低字節。當向HBIL=0的地址寫(xiě)入數據時(shí)，表示是第一個(gè)字節，向HBIL=1的地址寫(xiě)入數據表示第二個(gè)字節。尋址過(guò)程中HCS要為低電平。

圖2 EP7312與TMS320VC5402的連接

　　DSP的HPI接口片選信號使用EP7312擴展片選信號nCS4，HPI各個(gè)特殊功能寄存器的映射地址如下：
　　#define　HPIC0　*(volatile　unsigned　char*)0x40000000
　　#define　HPIC1　*(volatile　unsigned　char*)0x40000001
　　#define　HPIA0　*(volatile　unsigned　char*)0x40000004
　　#define　HPIA1　*(volatile　unsigned　char*)0x40000005
　　#define　HPID0　*(volatile　unsigned　char*)0x40000006
　　#define　HPID1　*(volatile　unsigned　char*)0x40000007
　　設置好DSP的狀態(tài)后，DSP向ARM發(fā)送中斷，通知ARM已將數據準備好，等待ARM發(fā)中斷，DSP在中斷中對接收的數據進(jìn)行處理。ARM在初始化后，等待DSP發(fā)送中斷通知ARM數據已經(jīng)準備好。ARM在檢測到中斷后，先判斷中斷是否有效，再從HPI口讀寫(xiě)數據，在完成向HPI口發(fā)送數據后，向DSP發(fā)送中斷通知DSP接收數據。ARM通過(guò)控制端口信號模擬接口時(shí)序，來(lái)完成對HPI口寄存器的訪(fǎng)問(wèn)。由于DSP在BOOT過(guò)程中向ARM發(fā)送了中斷，所以ARM在初始化時(shí)要清除這個(gè)中斷，并且在數據交互之前要設置控制寄存器中的BOB位，指示高地址在前還是低地址在前。這一步在程序初始化時(shí)由ARM來(lái)完成。