基于TMS320F2812的雙機信息處理系統設計

　　1 引言

　　在信息處理系統中，對系統本身精度要求越來(lái)越高，所需處理的數據量越來(lái)越大，要求數據處理的速度越來(lái)越高，這就對系統的硬件提出了更高的要求。TMS320F2812(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F2812)是美國德州儀器公司(TI)推出的功能強大、性能優(yōu)越的32位定點(diǎn)DSP，具有150 MI/s的處理能力和強大的事件管理及嵌入式控制能力，片內集成有150 kxl6 bit存儲器、16通道12位高性能A/D轉換器、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)外設中斷(3個(gè)擴展中斷)，最多56個(gè)GPIO引腳，可外擴超過(guò)l Mxl6 bit的存儲器。該器件既具備數字信號處理器強大的數據處理能力，又像微處理器那樣具有適于控制的片內外設及接口，可謂實(shí)現了數字信號處理器與微處理器的最佳結合。這一高度集成化的芯片為高精度控制應用提供了一整套的片上系統，極大地降低了系統成本，使系統功耗低，實(shí)時(shí)性高，靈活性強;另一方面，F2812與TMS320F24x/LF240x(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F24x/240x)原代碼及部分功能相兼容，使其應用領(lǐng)域更加廣泛，從電機數字控制領(lǐng)域拓展到光學(xué)網(wǎng)絡(luò )、汽車(chē)控制、生物測定學(xué)等新興應用領(lǐng)域。具體有生物測定學(xué)應用領(lǐng)域中的人力資源管理、汽車(chē)及家庭安全系統和身體入口控制等?？傊?，憑借F2812強大的數據處理能力及高度集成化程度，其應用范圍還有很大的拓展空間。

　　在通常的數據處理系統中，采用單一CPU擔任數據采集和處理工作，但在實(shí)時(shí)性要求嚴格的高速數據采集系統中，單一CPU常常因為大量數據輸入/輸出和接口突發(fā)信號直接影響數據采集系統的正常工作，為了解決單一CPU系統在高速模數(A/D)或數模(D/A)轉換中的這一缺陷，本文采用兩片F2812構成雙機平臺(分別稱(chēng)為A機和B機)，分別完成信號的轉換(A機)和與PC機的數據通信(B機)，而A機和B機之間通過(guò)雙口RAN進(jìn)行數據交換。另外USB接口具有即插即用、熱插拔、傳輸速度快、通用性強、易擴展和性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，USB2.O接口的最高數據傳輸速率可達480Mb/s.通過(guò)USB2.0接口實(shí)現F2812 DSP雙機平臺與PC機的連接，不僅數據傳輸速率滿(mǎn)足要求，而且較為方便實(shí)用。這樣提高了整個(gè)系統的運算速度，使整機具有良好的性能提升空間。

　　限于篇幅有限，僅給出F2812 DSP雙機平臺、信號調理和A/D模塊的硬件設計和軟件流程。

　　2 F2812雙機平臺系統硬件設計

　　2.1 DSP雙機平臺模塊硬件設計

　　TMS320F2812 DSP雙機平臺功能框圖如圖l所示?，F將各部分的功能介紹如下：

　　(1)A機：主要完成4路模擬信號的實(shí)時(shí)A/D、 D/A轉換。需要擴展256 kxl6 bit RAM、16 kxl6 bit雙口RAM、高速4路12 bit D/A轉換器、1路RS-422異步串行接口(備用)，4路模擬輸入信號通過(guò)信號調理模塊連接A/D轉換器接口。

　　(2)B機：主要完成USB2.O接口數據通訊、數據調整和操作-控制命令解析、系統工作狀態(tài)顯示。需要擴展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(pán)-聲光指示模塊、1路RS-422異步串行接口(備用)。

　　(3)A機和B機通過(guò)外擴雙口RAM器件共用存儲區實(shí)現數據交換，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(數字)、+3.3 V(數字)、+1.9 V(數字)。

　　(5)信號調理模塊：4路雙極性模擬輸入信號不能直接接入F2812 DSP的A/D輸入引腳，需要經(jīng)過(guò)信號調理模塊，將信號的最大電壓幅值調整到F2812 DSP A/D輸入允許的范圍之內(0 V~+3 Vp-p)，再輸入至ADC。

　　(6)D/A模塊：4路高速12 bit D/A轉換器輸出，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F2812 DSP(B機)與PC機的物理連接，實(shí)現F2812DSP與PC機平臺的數據交互。

　　(8)CPLD邏輯控制電路：實(shí)現F2812 DSP各個(gè)外部擴展功能模塊的片選地址譯碼。

　　該模塊是整個(gè)系統的核心部分。由于兩片F2812 DSP的引腳連接基本相同，按照通用性強、接口清晰簡(jiǎn)捷、資源引出最大化、兼顧構建雙機平臺的設計思想設計單一F2812 DSP模塊，再由單一F2812 DSP模塊組建雙機平臺原理樣機。這樣只需要設計出一種F2812 DSP的PCB板，降低了風(fēng)險，節省了時(shí)間和加工費用。在雙機平臺原理樣機調試通過(guò)、軟件調試通過(guò)和系統正常運行的基礎上，可以再進(jìn)行F2812 DSP雙機平臺的整體模塊二次設計。

　　單F2812 DSP的電源、地線(xiàn)、外部地址總線(xiàn)、外部數據總線(xiàn)、外部控制總線(xiàn)、外部中斷源、時(shí)鐘電路、復位電路、鎖相環(huán)、JTAG接口、A/D輸入、SCI-A/B串口、SPI串口、GPIO等連線(xiàn)原理圖如圖2所示。

　　2.2 F2812 DSP外部擴展存儲器接口設計

　　F2812的外部接口(XINTF)映像到5個(gè)獨立的存儲空間。由于F2812采用統一尋址方式，擴展的外部存儲空間既可以作為數據存儲器，也可以作為程序存儲器。每個(gè)XINTF區都有一個(gè)片選信號，當對一個(gè)特定區域進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)時(shí)這些信號就會(huì )出現。本系統設計為了擴大F2812 DSP的存儲空間，合理分配DSP外部存儲器擴展空間，提高數據處理速度和處理能力，需要外擴存儲器。所以F2812 DSP的三個(gè)引腳XZCS0AND1、XZCS2、XZCS6AND7作為外部擴展存儲器的片選信號，這樣極大方便了外部存儲器的擴展。根據每個(gè)區容量的大小，外擴了一片靜態(tài)存儲器(SRAM)，選用ISSI公司SRAM IS61LV-25616;同時(shí)考慮到編程需求以及升級，本系統設計充分利用了F2812 DSP良好的擴展性能，將Flash擴展至512 K，選用SST公司Flash存儲器SST39VF-800A;另外，外擴的雙口RAM(DARAM)用來(lái)緩沖DSP和其他器件(可以是DSP構成的雙機系統)交換的數據，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)隨機存儲器。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)隨機存儲器。外部擴展存儲器空間及映射地址范圍參見(jiàn)表l。

　　2.3 信號調理模塊

　　F2812片內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4路模擬輸入的雙極性信號進(jìn)行調理，調整到相應的范圍內，再輸入到F2812的ADC模塊。

　　信號調理電路采用運算放大器OP37或AD811構成一級反相放大電路，圖3給出了單通道信號調理電路原理圖。手動(dòng)調節電位器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，將運放輸出±1.5Vp-p以?xún)鹊碾p極性信號疊加+1.5 V直流偏置電壓，轉換為0 V～+3Vp-p單極性信號輸入ADC。

　　采取以下三種措施，基本消除了通道間的信號串音現象：模擬信號采用單芯屏蔽線(xiàn)傳輸;各個(gè)模擬通道獨立的電源濾波電路;各通道之間設置地線(xiàn)隔離。OP37是精密測量運算放大器，AD8ll是高速視頻運算放大器。

　　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、并行接口的數模轉換器。為實(shí)現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4路輸出與8路輸出的轉換。D/A模塊的原理圖如圖4所示。

　　3 F2812雙機平臺系統軟件設計

　　F2812 DSP得到Tl強大的軟件開(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，它能大大方便用戶(hù)編寫(xiě)多任務(wù)應用程序。使用DSP/BIOSTM后，同時(shí)還能增強對代碼執行效率的監控。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)間表及介于主機與目標DSP之間的RTDX(tm)數據鏈路。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雙機平臺中，A機和B機的分工不同，A機處于系統的最前端，直接面向物理信號，外設功能單一，具有任務(wù)量少、時(shí)序嚴格、及時(shí)響應的特點(diǎn)，其主要任務(wù)是A/D、D/A實(shí)時(shí)變換和數據實(shí)時(shí)傳輸;B機擴展了USB2.0高速接口模塊、液晶屏、鍵盤(pán)等外設，需要執行數據調整、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、B機各僅有一個(gè)中斷源，避免了因多中斷源形成隊列引發(fā)的實(shí)時(shí)性沖突。A機A/D轉換中斷服務(wù)程序流程圖、B機主程序流程圖分別如圖5、6所示。

　　4 結束語(yǔ)

　　本文采用兩片F2812 DSP構成雙機平臺(分別稱(chēng)為A機和B機)設計的信息處理系統，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的雙機平臺模塊提高了整個(gè)系統的數據采集和通信傳輸速度。該系統可作為面向實(shí)際信號的信號處理實(shí)驗平臺，可在此基礎上實(shí)現已有的處理算法和新型算法，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)各種應用軟件，其應用可拓展到依據需求構造信號處理系統、光學(xué)網(wǎng)絡(luò )、汽車(chē)控制、生物測定學(xué)等新興應用領(lǐng)域。