基于TMS320VC5409和Cygnal單片機(jī)構(gòu)成的移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)

1 引言
　　移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)主要應(yīng)用在小型或便攜儀器上。它能夠采集、處理和并通過(guò)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)傳送和接收數(shù)據(jù)。由于無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)的費(fèi)用，應(yīng)使移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)壓縮功能，以減少通過(guò)移動(dòng)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(zhǎng)的工作時(shí)間，電池供電等特點(diǎn)，因而要求移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)有較低的功耗。為達(dá)到上述目的，本文設(shè)計(jì)了一種基于Ti公司低功耗DSP芯片和Cygnal低功耗的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)。

　　該移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)（見圖1）由三個(gè)主要DSP單元、CPU單元，GSM單元組成。經(jīng)放大、濾波后模擬信號(hào)送入CPU單元進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。CPU單元將A/D轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)通過(guò)HPI總線送入DSP單元進(jìn)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(yùn)算（例如：FFT、小波變換、濾波、模式識(shí)別、編碼壓縮等）。運(yùn)算的結(jié)果再通過(guò)HPI總線送入CPU單元。CPU單元還可對(duì)由DSP單元送來(lái)的信號(hào)再進(jìn)行簡(jiǎn)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(shí)鐘單元、LCD單元、LED單元等）工作。CPU單元通過(guò)串口控制GSM單元通過(guò)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)傳送和接收數(shù)據(jù)。所以移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)實(shí)際是一個(gè)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(guò)HPI總線送來(lái)的A/D轉(zhuǎn)換后的原始數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行多種高速運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果再通過(guò)HPI總線送入CPU單元。DSP單元可以承擔(dān)信號(hào)預(yù)處理、信號(hào)的檢測(cè)及分類等實(shí)時(shí)性要求高、計(jì)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(shí)現(xiàn)低功耗、高性能和低成本而專門設(shè)計(jì)的定點(diǎn)DSP芯片。TMS320C54X的主要特點(diǎn)包括：
　　⑴ 運(yùn)算速度快。指令周期為25/20/15/12.5/10ns，運(yùn)算能力為40/50/66/80/100 MIPS；
　?、?優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu)。內(nèi)部有1個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元，2個(gè)40位的累加器，2個(gè)40位加法器，1個(gè)17×17的乘法器和1個(gè)40位的桶形移位器，允許16位帶／不帶符號(hào)的乘法。有4條內(nèi)部總線和2個(gè)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。
　　⑶ 低功耗方式。TMS320C54X可以在3.3V電壓下工作，三個(gè)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(wú)線移動(dòng)設(shè)備。
　　⑷ 智能外設(shè)。除了標(biāo)準(zhǔn)的串行口和時(shí)分復(fù)用（TDM）串行口外，TMS320C54X還提供了自動(dòng)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(diǎn)外，它還有一個(gè)16位16 K的片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器, 一個(gè)16位32 K 的片內(nèi)雙操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，三個(gè)多通道緩沖串型接口（McBSPs），一個(gè)增強(qiáng)型的具有16位數(shù)據(jù)/地址驅(qū)動(dòng)功能的8位主機(jī)接口（HPI）[2]，一個(gè)16bit定時(shí)器和6個(gè)通道（DMA）控制器，操作速率達(dá)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(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)中，CPU以主機(jī)方式運(yùn)行，而VC5409以從機(jī)的方式運(yùn)行。CPU單元在啟動(dòng)時(shí)控制RESDSP信號(hào)復(fù)位VC5409，在復(fù)位時(shí)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(dāng)RESDSP信號(hào)為高時(shí)，VC5409引導(dǎo)程序（Bootloader）將以HPI[3]方式啟動(dòng)。 VC5409將自動(dòng)執(zhí)行由引導(dǎo)程序裝入在VC5409的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中程序。在其他時(shí)間VC5409經(jīng)HPI總線與CPU單元交換數(shù)據(jù)。為了滿足能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)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(jì)首要考慮的情況下，應(yīng)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(duì)實(shí)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(shí)鐘，允許串口等片內(nèi)外設(shè)繼續(xù)工作。在50MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，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(shí)鐘時(shí)執(zhí)行IDLE3指令，這時(shí)電流值僅為20μA。