基于TMS320C6205的信號采集處理系統

　　0引言

　　典型的DSP(數字信號處理器)內部采用改進(jìn)的哈佛結構和流水線(xiàn)技術(shù)，可以在單指令周期內完成乘加運算，具有較高的處理能力。一個(gè)典型的基于DSP的信號采集處理系統，通常由DSP、A／D轉換器、存儲器和相應的接口電路組成，大都做成PCI(外設部件互連)接口插卡形式和主控計算機一起工作。各種控制信息通過(guò)PCI發(fā)送給DSP，采集處理后的結果再通過(guò)PCI接口發(fā)送回主控計算機。PCI接口部分一般需要采用接口芯片來(lái)完成，這樣會(huì )顯著(zhù)增加系統的設計調試難度，并使成本增加。而選用本身帶有PCI接口的DSP處理芯片就可以省去這一部分額外的電路，不但降低了開(kāi)發(fā)難度，也降低了設備成本。TMS320C6205就是這樣一種帶有PCI接口的DSP芯片，本文重點(diǎn)討論基于這種芯片的信號采集處理系統的實(shí)現方法。

　　1 TMS320C6205芯片的技術(shù)特點(diǎn)

　　TMS320C6205是基于TMS320C6000平臺的高性能DSP，TMS320C6205源自TMS320C6201 B，一種有新的PCI接口且性能提高的DSP芯片。TMS320C6205工作在200 MHz時(shí)的最大處理能力達到了1 600 MIPS(百萬(wàn)條指令每秒)。所有TMS320C6000系列DSP芯片在代碼上都有兼容性，TMS320C62x定點(diǎn)DSP都基于相同的CPU核心設計，通過(guò)指令的并行性獲得了較強的處理能力。該系列DSP芯片具有8個(gè)處理單元，包括2個(gè)乘法器和6個(gè)ALU(算術(shù)邏輯單元)，所有的處理單元都可以并行工作，因此在每一個(gè)時(shí)鐘周期內最多可以同時(shí)執行8條指令。

　　TMS320C6205和TMS320C6201及TMS320C6201B具有高度的兼容性，這幾種DSP芯片在以下幾個(gè)方面完全相同：TMS320C6205的CPU與TMS320C6201B完全相同，因此為T(mén)MS320C6201所寫(xiě)的代碼可以不加修改地在TMS320C6205上運行；多通道緩沖串口(McBSP)、時(shí)鐘、中斷選擇也完全相同；TMS320C6201與TMS320C6205的內部存儲空間也相同，都具有64kB的程序和數據存儲區。與TMS320C6201相比，TMS320C6205通過(guò)升級具有了更強的處理能力，升級后的TMS320C6205和TMS320C6201有以下不同：

　　a)EMIF(擴展存儲器接口總線(xiàn))做了簡(jiǎn)單修改，減少了芯片的引腳數。SDRAM(同步DRAM)和SB-SRAM(同步猝發(fā)SRAM)在EMIF上共用了相同的控制信號。這兩種信號是互斥的，因此在系統中只能在兩種類(lèi)型的存儲器中任選一種。

　　b)為提高DMA(直接存儲器訪(fǎng)問(wèn))的數據吞吐量，4通道的DMA控制器為每一個(gè)通道都配備了專(zhuān)用的FIFO，這樣就無(wú)需對FIFO信號進(jìn)行仲裁。

　　c)用PCI模塊代替了TMS320C6201B的HPI(主機接口)，PCI模塊具有高性能的32 bit主／從PCI即插即用功能，支持33 MHz的桌上電腦PCI接口，與PCI本地總線(xiàn)規格2.2版兼容，該接口模塊可作為具有33 MHz、32 bit寬度地址數據的PCI主從對象使用，該模塊包含配置寄存器、校驗生成、校驗和系統錯誤檢測和報告(PERR#，SERR#)以及電源管理能力。

　　d)具備4線(xiàn)EEPROM串行接口，這樣，PCI的控制空間寄存器就可以從外部的串行EEPROM加載配置，PCI模塊無(wú)需DSP的干涉就可以實(shí)現自動(dòng)初始化。

　　e)TMS320C6205的PLL有x1、x4、x6、x7、x8、x9、x10和x11等模式，這些模式可以通過(guò)CLKMODE0引腳和EMIF數據引腳的上推和下拉電阻來(lái)選擇。

　　f)TMS320C6205使用15C05(0.15μm)處理技術(shù)，通過(guò)電池處理技術(shù)提供更低的核電壓和功耗。

　　g)用上推和下拉電阻實(shí)現了自舉模式配置。

　　2 信號采集處理系統硬件設計

　　該系統硬件部分主要由DSP、FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)陣列)和存儲器構成，具體的硬件結構如圖1所示。

　　從圖中可以看出，信號采集處理系統的核心部分是TMS320C6205的DSP處理器，該DSP除了擔負信號處理任務(wù)外，還擔負著(zhù)接收數據和輸出處理結果兩項任務(wù)。信號采集處理系統中的FPGA主要擔負數據采集和控制信號生成兩項任務(wù)。該系統的設計針對的是接收機解調后輸出的TCL電平的數字信號，因此數據采集部分比較簡(jiǎn)單，就是將數據的時(shí)鐘作為觸發(fā)信號，根據觸發(fā)時(shí)刻的數據電平值來(lái)確定輸入數據是"0"還是"1"，采集后的數據在FPGA內按照McBSP的數據規格成幀，然后通過(guò)McBSP寫(xiě)入SDRAM中。該系統可以同時(shí)采集兩路數字信號，在采集電路與DSP之間通過(guò)DMA方式交換數據，由于DSP中有專(zhuān)門(mén)的DMA控制器，因此在數據交換時(shí)無(wú)需DSP干預，具有較高的處理效率。DSP所需的摔制信號也由FPGA產(chǎn)生，由于數據采集部分比較簡(jiǎn)單，控制信號產(chǎn)生和數據采集可以共用同一片FPCA。DSP通過(guò)PC接口模塊與主機之間進(jìn)行數據交換，由于PCI接口模塊具有完整的PCI接口功能，無(wú)需額外添加外部電路，因此接口部分的電路設計相對來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。DSP與工控機進(jìn)行數據交換時(shí)采用主從方式，DSP為主設備，工控機為從設備，兩者之間利用中斷響應進(jìn)行數據通信，當DSP內部的輸出數據緩沖區被寫(xiě)滿(mǎn)后，會(huì )發(fā)送一個(gè)中斷請求到主機的PCI總線(xiàn)上，PCI總線(xiàn)驅動(dòng)程序響應該中斷并通過(guò)Windows的事件(Event)通知主機軟件讀出數據。為了擴充DSP的存儲空間，使DSP能滿(mǎn)足大速率信號的處理要求，信號采集處彈系統上集成了一片大容量存儲器，即SDRAM，具有較高的數據存取速度。信號采集處理系統上的Flash存儲器主要用來(lái)存儲DSP軟件，可通過(guò)PCI總線(xiàn)在主機端動(dòng)態(tài)加載，這樣該信號采集處理系統就可根據不同的輸人數據進(jìn)行不同處理，大大增加了系統使用時(shí)的靈活性。該系統還包括時(shí)鐘電路和電源電路，這些電路可以參照技術(shù)手冊的要求進(jìn)行設計，電源電路可選用現成的電源模塊，這樣就可進(jìn)一步降低電路設計難度。從總體上看，采用TMS320C6205構成的信號采集處理系統由于省去了額外的PCI接口電路，整個(gè)系統設計較簡(jiǎn)潔，開(kāi)發(fā)難度低，開(kāi)發(fā)周期短，是一種較理想的硬件設計方法。

　　3基于DSP／BIOSⅡ的實(shí)時(shí)信號處理技術(shù)

　　信號采集處理系統中的DSP不但要實(shí)現高速信號處理，還需要處理數據的輸入輸出和中斷請求，這都要用到基本的任務(wù)調度和輸入輸出服務(wù)，DSP／BIOS實(shí)時(shí)基礎軟件提供了一個(gè)小的具有基小運行服務(wù)的固件核，開(kāi)發(fā)者可以把這個(gè)核嵌入目標DSP中。DSP／BIOSⅡ是性能得到提升的第2代實(shí)時(shí)基礎軟件，利用該軟件可以縮短實(shí)時(shí)信號處理軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間，并且可以顯著(zhù)提高代碼的可重用性。

　　基于DSP／BIOSⅡ使信號處理技術(shù)實(shí)現起來(lái)比較簡(jiǎn)單，整個(gè)配置過(guò)程都可以利用一個(gè)圖形化的界面來(lái)實(shí)現。首先，新建一個(gè)DSP／BIOS的配置文件，然后在"Syetem"文件夾下選擇"MEM"，也就是存儲區管理模塊，在該模塊增加兩個(gè)新的MEM項，分別對應信號采集處理系統的SDRAM和Flash存儲器，設置好SDRAM和Flash存儲器的基地址和長(cháng)度，至此片外存儲區的設置就全部完成了。由于DSP和數據采集部分通過(guò)McBSP交換數據，因此還需要對McBSP行設置。找到"CSL"也就是芯片支持庫文件夾，在McBSP選項下的McBSP配置管理(MsBSP ConfigurationManager)增加兩個(gè)新的McBSP的配置控制項，這兩個(gè)控制項分別對應McBSP0和McBSP1，然后設定這兩個(gè)配置項的參數，最關(guān)鍵的是接收模式和輸出模式的設置，接收和輸出均采用無(wú)壓擴的LSB方式，對于有壓擴的話(huà)音數據，可以根據需要選擇μ律或A律壓擴，這樣在數據讀寫(xiě)的同時(shí)，利用DSP硬件也就完成了μ律或A律壓擴。McBSP可以實(shí)現數據的雙向傳輸，在本系統中只是從數據采集部分讀人數據，沒(méi)有用到其雙向數據傳輸功能。實(shí)際上，利用其雙向數據傳輸功能，結合μ律或A律可以很方便地實(shí)現話(huà)音的實(shí)時(shí)處理。所有配置都設置完后，將配置文件存盤(pán)加入當前工程，整個(gè)基于DSP／BIOS的配置便完成，在中斷響應函數配合下，就可實(shí)現整個(gè)實(shí)時(shí)處理軟件的開(kāi)發(fā)。

　　實(shí)時(shí)處理軟件的數據流如圖2所示。從圖中可以看出，數據從McBSP通過(guò)DMA方式寫(xiě)入SDRAM輸入緩沖區，整個(gè)輸入緩沖區劃分成若干片，數據處理部分按片進(jìn)行處理，由于McBSP寫(xiě)入的數據片與DSP處理的數據片不是同一個(gè)數據片，數據處理和數據寫(xiě)入就可以同時(shí)進(jìn)行，這是保證數據實(shí)時(shí)處理的一個(gè)關(guān)鍵。顯然，所分數據片數越多，可以有越長(cháng)的處理時(shí)間，越適合進(jìn)行一些復雜的算法，這樣要付出的代價(jià)就是輸出延時(shí)比較長(cháng)，同時(shí)需要大的DSP片外存儲空間。數據處理后的結果存放在輸出緩沖區，輸出緩沖區的大小與輸入相同，當輸出緩沖區寫(xiě)滿(mǎn)后，觸發(fā)PCI總線(xiàn)中斷處理函數，把處理后的結果通過(guò)PCI總線(xiàn)寫(xiě)到主機緩沖區，主機程序從該緩沖區將數據讀出，存儲到計算機硬盤(pán)上的制定文件中。

　　顯然，該信號處理軟軟件中最關(guān)鍵的是McBSP的DMA中斷響應函數和PCI中斷響應函數，下面分別介紹這兩個(gè)函數。 

　　DMA中斷響應函數的主要代碼如下：

　　從代碼中可以看出，DMA中斷響應函數最核心的部分是按照給定條件初始化DMA控制器，然后啟動(dòng)DMA通道，開(kāi)始接收數據。這里的給定條件主要是保證DMA的寫(xiě)入地址符合要求，特別是在循環(huán)寫(xiě)入的情況下不致發(fā)生地址沖突。DSP與主機緩沖區之間的數據交換也是通過(guò)中斷響應方式進(jìn)行的，與通過(guò)DMA方式從McBSP讀數據不同，PCI接口工作在猝發(fā)方式，其中斷響應函數在輸出緩沖區全部寫(xiě)滿(mǎn)后將緩沖區內的全部數據寫(xiě)到主機緩沖區，因此，輸出緩沖區無(wú)需分片。采用這種方式可以減少PCI接口讀寫(xiě)次數，提高數據傳輸效率。

　　4基于多線(xiàn)程的主機處理技術(shù) 

　　DSP數據采集處理系統的處理結果需要輸出到主機，主機可以對處理結果進(jìn)行進(jìn)一步處理。主機程序最關(guān)鍵的部分是要將主機緩沖區的數據讀出來(lái)，再寫(xiě)到硬盤(pán)上的文件中。DSP數據采集處理系統的驅動(dòng)程序在計算機內存中開(kāi)辟主機緩沖區，在一臺主機上可以允許多個(gè)數據采集處理系統同時(shí)工作，這時(shí)需要同時(shí)開(kāi)辟多個(gè)緩沖區。為保證多個(gè)數據采集處理系統同時(shí)工作，主機在處理時(shí)采用了多線(xiàn)程技術(shù)，整個(gè)主機處理軟件利用C++Builder開(kāi)發(fā)，在該開(kāi)發(fā)環(huán)境下很容易實(shí)現多線(xiàn)程處理技術(shù)。

　　主機處理軟件的核心代碼如下：

　　從代碼中可以看出，主機多線(xiàn)程處理技術(shù)的核心是一個(gè)線(xiàn)程執行函數(Execute())，該函數將緩沖區內的數據寫(xiě)到文件中，在多個(gè)數據采集處理系統同時(shí)工作時(shí)，該處理函數以輪循的方式將對應緩沖區的數據寫(xiě)入不同的文件句柄(g_hFiles[i][0])，也就是寫(xiě)入不同的文件，這樣就不會(huì )在數據寫(xiě)入時(shí)發(fā)生沖突。
　　主機程序除了將數據寫(xiě)入指定文件外，還可以控制每一個(gè)數據采集處理系統的啟動(dòng)和停止，并具備在線(xiàn)加載并配置DSP程序的能力，用戶(hù)可以通過(guò)修改DSP程序的參數來(lái)執行不同的處理任務(wù)。所有這些功能都是由該系統的硬件驅動(dòng)程序提供，該硬件驅動(dòng)程序已封裝成一個(gè)庫函數，調用起來(lái)較為方便。這樣，用戶(hù)就可根據自己的需要開(kāi)發(fā)不同的主機應用程序。 

　　5結束語(yǔ)

　　基于TMS320C6205的數據采集處理系統已經(jīng)在實(shí)際應用中獲得了良好的效果，特別是該系統可以通過(guò)加載不同的DSP處理程序進(jìn)行不同的數據處理，大大拓展了該系統的應用范圍，充分體現了基于DSP的數據采集處理系統在應用上的靈活性。同時(shí)，由于多個(gè)采集處理系統可同時(shí)工作，整個(gè)處理系統可以適合不同應用場(chǎng)合的需要，可以勝任不同處理能力的需要。