基于DSP和Cygnal單片機的移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)

1 引言
　　由于無線移動網(wǎng)的費用，應使移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)有較強的實時數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)壓縮功能，以減少通過移動網(wǎng)傳送和接收數(shù)據(jù)量。另外由于儀器具有體積小、便于攜帶、較長的工作時間，電池供電等特點，因而要求移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)有較低的功耗。為達到上述目的，本文設(shè)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(tǒng)級單片機移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)。

圖1移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)
　　該移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)（見圖1）由三個主要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單元進行A/D轉(zhuǎn)換。CPU單元將A/D轉(zhuǎn)換后的模擬信號通過HPI總線送入DSP單元進行多種數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)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(jié)果再通過HPI總線送入CPU單元。CPU單元還可對由DSP單元送來的信號再進行簡單的處理、分析。CPU單元還分別控制其他輔助單元（例：鍵盤單元、時鐘單元、LCD單元、LED單元等）工作。CPU單元通過串口控制GSM單元通過無線移動網(wǎng)傳送和接收數(shù)據(jù)。所以移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)實際是一個以CPU為核心的數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)。
　　2 DSP單元
　　DSP單元將CPU單元通過HPI總線送來的 A/D轉(zhuǎn)換后的原始數(shù)據(jù)信號進行多種高速運算，運算的結(jié)果再通過HPI總線送入CPU單元。DSP單元可以承擔信號預處理、信號的檢測及分類等實時性要求高、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是為實現(xiàn)低功耗、高性能和低成本而專門設(shè)計的定點DSP芯片。TMS320C54X的主要特點包括：
　?、?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；
　　⑵ 優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu)。內(nèi)部有1個40位的算術(shù)邏輯單元，2個40位的累加器，2個40位加法器，1個17×17的乘法器和1個40位的桶形移位器，允許16 位帶／不帶符號的乘法。有4條內(nèi)部總線和2個地址產(chǎn)生器。此外，內(nèi)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，三個低功耗方式（IDLE1、IDLE2和IDLE3）可以節(jié)省DSP的功耗，TMS320C54X特別適合于無線移動設(shè)備。
　?、?智能外設(shè)。除了標準的串行口和時分復用（TDM）串行口外，TMS320C54X還提供了自動緩沖串行口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的特點外，它還有一個16位16 K的片內(nèi)只讀存儲器, 一個16位32 K 的片內(nèi)雙操作數(shù)據(jù)存儲器，三個多通道緩沖串型接口（McBSPs），一個增強型的具有16位數(shù)據(jù)/地址驅(qū)動功能的8位主機接口（HPI）[2]，一個 16bit定時器和6個通道（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(nèi)核），特別適合電池供電設(shè)備。
　　在移動數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)中，CPU以主機方式運行，而VC5409以從機的方式運行。CPU單元在啟動時控制RESDSP信號復位VC5409，在復位時將放在DCM8512SRAM（圖5）中的VC5409用戶程序經(jīng)HPI總線傳送到VC5409的片內(nèi)高速RAM中，以提高DSP的執(zhí)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，VC5409引導程序（Bootloader）將以HPI[3]方式啟動。 VC5409將自動執(zhí)行由引導程序裝入在VC5409的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器中程序。在其他時間VC5409經(jīng)HPI總線與CPU單元交換數(shù)據(jù)。為了滿足能夠進行實時數(shù)字信號處理需要，DSP工作頻率為100 MHz。
　　在系統(tǒng)功耗是系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的總功耗外，還可以使外部邏輯電路功耗降低，這對實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗有著重要的作用。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(nèi)部操作掛起（suspend activity），但是仍保留內(nèi)部各部件邏輯的時鐘，允許串口等片內(nèi)外設(shè)繼續(xù)工作。在50MHz的系統(tǒng)時鐘時，執(zhí)行IDLE2指令所需電流的典型值為 2mA。若關(guān)閉內(nèi)部部件的輸入時鐘時執(zhí)行IDLE3指令，這時電流值僅為20μA。

　　3　無線移動網(wǎng)接口　
　　移動通信系統(tǒng)主要使用CDMA和GSM制式。GSM系統(tǒng)是笫二代移動通信系統(tǒng)[4]。它提供多種業(yè)務，主要有話音、短消息、數(shù)據(jù)業(yè)務等。GSM系統(tǒng)是由幾個分系統(tǒng)組成的，并且可與各種公用通信網(wǎng)(PSTN公用電話網(wǎng)、 ISDN綜合業(yè)務數(shù)據(jù)網(wǎng)、PSPDN公用交換分組數(shù)據(jù)網(wǎng)等)互連互通，GSM系統(tǒng)能提供穿越國際邊界的自動漫游功能。GSM有兩個并行的系統(tǒng)：GSM900和DCS1800，這兩個系統(tǒng)功能相同，主要是頻率不同。GSM移動通信網(wǎng)能提供多種電信業(yè)務，主要有∶
　　電話業(yè)務是GSM移動通信網(wǎng)提供的最重要業(yè)務。能為數(shù)字移動客戶之間、數(shù)字蜂窩移動電話網(wǎng)客戶、模蜂窩移動電話網(wǎng)客戶之間以及與固定網(wǎng)客戶之間，提供實時雙向話音通信。
　　短消息業(yè)務又可分為包括移動臺起始和移動臺終止的點對點的短消息業(yè)務和點對多點的小區(qū)廣播短消息業(yè)務。點對點的短消息業(yè)務，則可使GSM客戶接收由其它 GSM客戶發(fā)送的短消息。點對點的短消息業(yè)務是由短消息業(yè)務中心完成存儲和前轉(zhuǎn)功能的。點對點的信息發(fā)送或接收即可在MS處于呼叫狀態(tài)(話音或數(shù)據(jù))時進行，也可在空閑狀態(tài)下進行。當其在控制信道內(nèi)傳送時，不用建立連接，因而服務費低，但信息量限制為140個八位組(7比特編碼，160個字符)。
　　為了滿足GSM移動客戶對數(shù)據(jù)通信服務的需要。GSM系統(tǒng)不僅使移動客戶之間能完成數(shù)據(jù)通信，更重要還能使GSM移動通信網(wǎng)與其它公用數(shù)據(jù)網(wǎng)互通。 GSM提供2400bps、4800bps、9600bps的異步數(shù)據(jù)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(guī)范。GSM07.07中定義的AT Command接口提供了一種移動臺(MS)與數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)之間的通用接口，該指令集是由諾基亞、愛立信、摩托羅拉和HP等廠家共同為GSM系統(tǒng)研制的，GSM07.05對短消息作了詳細的規(guī)定。在短消息模塊收到網(wǎng)絡發(fā)來的短消息時，能夠通過串口發(fā)送指示消息，數(shù)據(jù)終端設(shè)備可以向短消息模塊發(fā)送各種命令。目前，在國內(nèi)已經(jīng)開始使用的模塊有Falcom系列，Wavecom系列，西門子系列模塊，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)絡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，結(jié)合已有的系統(tǒng)通過RS232接口（圖3），可以僅使用TXD和RXD兩根線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。并且已有的系統(tǒng)硬件部分不需要做大的改動，關(guān)鍵是做軟件部分的修改。

　　西門子的TC35系列GSM引擎模塊[7]性價比較高，并且已經(jīng)有國內(nèi)的無線電設(shè)備入網(wǎng)證，TC35主要是由射頻天線、內(nèi)部Flash、GSM 基帶處理器、匹配電源和一個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協(xié)議處理器，用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送過來的AT指令。射頻天線部分主要實現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)，實現(xiàn)外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換，匹配電源為處理器以及射頻部分提供所需的電源，插座是提供給用戶的應用接口。TC35的用戶應用接口采用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個引腳；SIM卡連接引腳數(shù)為6個，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 個數(shù)據(jù)位，1個停止位，沒有奇偶校驗位，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)絡一般只支持 9.6Kbps的速率）。