使用ＴＭＳ３２０Ｃ５４２構(gòu)成數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

摘要：使用ＴＩ公司Ｃ５０００系列ＤＳＰ中的ＴＭＳ３２０Ｃ５４２構(gòu)成了一個(gè)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能、工作流程及設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：ＴＭＳ３２０Ｃ５４２ 數(shù)據(jù)采集處理 ＣＰＬＤ

近年來，隨著ＤＳＰ技術(shù)的普及，一大批低價(jià)格、高性能ＤＳＰ芯片的出現(xiàn)，越來越多的電子工程技術(shù)人員開始使用ＤＳＰ來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文以ＴＩ公司Ｃ５０００系列ＤＳＰ中的ＴＭＳ３２０Ｃ５４２為例，構(gòu)成一種數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。文中詳細(xì)地分析了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)、ＨＰＩ接口的工作原理與連接方法、系統(tǒng)的工作流程以及軟件編制中的注意事項(xiàng)。

１ ＴＭＳ３２０Ｃ５４２結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

ＴＭＳ３２０Ｃ５４２是ＴＩ公司Ｃ５０００系列ＤＳＰ中的一種，Ｃ５０００系列共有的特點(diǎn)如下：

·改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，包含一條程序總線，三條數(shù)據(jù)總線和四條地址總線

·高度并行的ＣＰＵ和針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化的硬件

·針對(duì)算法和高級(jí)語(yǔ)言優(yōu)化的指令集

·先進(jìn)的ＩＣ技術(shù)使其既高性能又低功耗

Ｃ５０００系列內(nèi)部硬件功能塊如圖１所示。其中，有：４０ｂｉｔ算數(shù)邏輯單元（ＡＬＵ）；兩個(gè)４０ｂｉｔ累加器Ａ和Ｂ；１７×１７ｂｉｔ乘加單元（４０ｂｉｔＭＡＣ，可作６４級(jí)ＦＩＲ運(yùn)算而不必考慮溢出；計(jì)算、選擇、存儲(chǔ)單元（ＣＣＳＵ），特別適合Ｖｉｔｅｒｂｉ等算法；４０ｂｉｔ桶型移位寄存器；片上雙存?。遥粒停繖C(jī)器周期可存取兩次；片上單存取ＲＡＭ，可同時(shí)訪問兩塊片上存儲(chǔ)區(qū)；片上外圍接口，包括串口、定時(shí)器、ＰＬＬ、ＨＰＩ接口等。
ＴＭＳ３２０Ｃ５４２自身特點(diǎn)如下：

·２５ｎｓ單周期定點(diǎn)指令執(zhí)行時(shí)間，５Ｖ供電

·１０Ｋ Ｗｏｒｄｓ１６ｂｉｔ片上雙存取ＲＡＭ

·６４Ｋ Ｗｏｒｄｓ程序，６４Ｋ Ｗｏｒｄｓ數(shù)據(jù)，６４Ｋ Ｗｏｒｄｓ Ｉ／Ｏ存儲(chǔ)空間

·２Ｋ Ｗｏｒｄｓ ＨＰＩ接口，可通過此接口方便地與主設(shè)備進(jìn)行信息交換，主設(shè)備也可通過此接口下載ＤＳＰ程序

·一個(gè)自動(dòng)緩沖的串口和一個(gè)ＴＤＭ串口，且都可用作標(biāo)準(zhǔn)同步串口

此外，Ｃ５０００系列ＤＳＰ可使用ＪＴＡＧ接口進(jìn)行調(diào)試，可完全控制ＤＳＰ上的所有資源，使用方便可靠。

２ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由ＴＭＳ３２０Ｃ５４２構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖２所示，以ＤＳＰ為中心，帶有６４Ｋ程序ＲＡＭ，６４Ｋ數(shù)據(jù)ＲＡＭ，并通過１６Ｋ×１６的ＦＩＦＯ將數(shù)據(jù)送到ＤＡ，１６Ｋ×１６的ＦＩＦＯ將ＡＤ采集的數(shù)據(jù)送到ＤＳＰ。與主機(jī)通過ＨＰＩ接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。對(duì)ＳＲＡＭ、ＦＩＦＯ、ＡＤ、ＤＡ的控制，ＤＳＰ所需各種狀態(tài)信息的獲取，以及與主機(jī)的其它一些聯(lián)系，都通過ＣＰＬＤＡ和ＣＰＬＤＢ來實(shí)現(xiàn)。

Ｃ５０００系列ＤＳＰ關(guān)鍵的外部接口信號(hào)如下：

·Ａ０～Ａ１５，地址總線

·Ｄ０～Ｄ１５，數(shù)據(jù)總線

·／ＭＳＴＲＢ，外部存儲(chǔ)器存取閘

·／ＩＯＳＴＲＢ，Ｉ／Ｏ存取閘

·Ｒ／Ｗ，讀寫信號(hào)

·／ＰＳ，程序空間選擇

·／ＤＳ，數(shù)據(jù)空間選擇

·／ＩＳ，Ｉ／Ｏ空間選擇

·ＲＥＡＤＹ，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好

此外，還有／ＨＯＬＤ、／ＨＯＬＤＡ等，本系統(tǒng)未用。

２．１ 存儲(chǔ)器控制

程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各使用一片６４Ｋ×１６的ＳＲＡＭ，為了使ＤＳＰ對(duì)外存的操作盡量快，其速度等級(jí)為１２ｎｓ。使用／ＰＳ作程序存儲(chǔ)器的片選，／ＤＳ作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的片選，而兩片存儲(chǔ)器的讀寫信號(hào)如下：

／ＯＥ＝ｎｏｔ（ｎｏｔ（／ＭＳＴＲＢ） ａｎｄ ｎｏｔ（Ｒ／Ｗ））

／ＷＲ＝ｎｏｔｎｏｔ（／ＭＳＴＲＢ） ａｎｄ （Ｒ／Ｗ）

出于高速的需要，采用了Ｘｉｌｉｎｘ公司的ＸＣ９５３６生成邏輯（ＣＰＬＤＡ）。ＸＣ９５３６管腳至管腳的延遲為５ｎｓ，內(nèi)部有３６個(gè)宏單元，可用管腳３４個(gè)，可在線編程，使用起來有很多優(yōu)點(diǎn)。通過這些措施，系統(tǒng)可零等待地存取程序和數(shù)據(jù)ＲＡＭ，也就是說，存儲(chǔ)器讀可達(dá)４０Ｍ×１６ｂｉｔ，寫可達(dá)２０Ｍ×１６ｂｉｔ。

２．２ ＦＩＦＯ控制

用于ＤＡＦＩＦＯ的寫和ＡＤＦＩＦＯ的讀都由ＣＰＬＤＡ產(chǎn)生，其邏輯方程為：

／ＡＤＦＩＦＯＲ＝ｎｏｔ（ｎｏｔ（／ＩＯＳＴＲＢ） ａｎｄ ｎｏｔ（Ｒ／Ｗ） ａｎｄ ＡＤＤＲ０ｘ０）

／ＤＡＦＩＦＯＷ＝ｎｏｔ（ｎｏｔ／ＩＯＳＴＲＢ） ａｎｄ Ｒ／Ｗ ａｎｄ ＡＤＤＲ０ｘ０）

其中，ＡＤＤＲ０Ｘ０指ＤＳＰ的Ａ１５～Ａ１３為零。

ＤＩＦＩＦＯ由兩片容量１６Ｋ×９ｂｉｔ、速度１０ｎｓ的ＦＩＦＯ構(gòu)成，ＡＤＦＩＦＯ亦如此。由于控制信號(hào)的低延遲和ＦＩＦＯ的高速，對(duì)ＦＩＦＯ的存取也達(dá)到了零等待，即：使用ＲＰＴ或ＲＰＴＺ指令時(shí)，可達(dá)２０Ｍ×１６ｂｉｔ／ｓ。

２．３ Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ控制

Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將外部模擬信號(hào)變換成ＤＳＰ可處理的數(shù)字量，是ＤＳＰ進(jìn)行處理的基礎(chǔ)，在系統(tǒng)中具有十分重要的地位，采用的是１０Ｍ采樣率、１２ｂｉｔ分辨率的ＡＤ９２２０，如果需要，可在不改板的情況下?lián)Q成２０Ｍ或４０Ｍ采樣率的Ａ／Ｄ。而Ｄ／Ａ則將ＤＳＰ生成的數(shù)字信號(hào)變成模擬量，完成信號(hào)的輸出或?qū)ο到y(tǒng)其他部分的控制，采用了１００Ｍ速度的ＡＤ９７６２。Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ的控制信號(hào)如下：

·ＡＤＣＬＫ和ＤＡＣＬＫ，分別是Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘

·ＡＤＦＩＦＯＷ，將Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)寫入ＡＤＦＩＦＯ

·ＤＡＦＩＦＯＲ，從ＤＡＦＩＦＯ讀出數(shù)據(jù)以供Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換

·ＤＡＦＩＦＯＭＲ和ＤＡＦＩＦＯＲＴ，用于ＤＡＦＩＦＯ的清零和重傳

·ＡＤＦＩＦＯＭＲ和ＡＤＦＩＦＯＲＴ，用于ＡＤＦＩＦＯ的清零和重傳

此六個(gè)信號(hào)都由ＣＰＬＤＢ產(chǎn)生，ＣＰＬＤＢ采用的是Ｘｉｌｉｎｘ公司的ＸＣ９５１０８，速度為１０ｎｓ，有１０８?jìng)€(gè)宏單元，可在線編程，因而有較高的靈活性。使用２４ＭＨｚ的晶振為ＣＰＬＤＢ提供時(shí)鐘，由ＤＳＰ通過Ｉ／Ｏ口向ＣＰＬＤＢ寫入數(shù)據(jù)以控制ＡＤＣＬＫ和ＤＡＣＬＫ的開關(guān)和頻率，并以Ｉ／Ｏ寫的方式產(chǎn)生ＦＩＦＯ的清零和重傳信號(hào)。

２．４ ＣＰＬＤＡ和ＣＰＬＤＢ的應(yīng)用

由以上介紹可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的邏輯都由ＣＰＬＤＡ和ＣＰＬＤＢ產(chǎn)生。此外，它還有以下功能：

·ＦＩＦＯ的所有狀態(tài)信號(hào)，系統(tǒng)外部送入的各種控制和狀態(tài)信號(hào)，都送入了ＣＰＬＤＢ，可由ＤＳＰ通過Ｉ／Ｏ方式讀取

·ＤＳＰ的四個(gè)外部中斷、ＮＭＩ中斷都連至ＣＰＬＤＢ，可通過Ｉ／Ｏ口實(shí)時(shí)控制哪個(gè)信號(hào)接入哪個(gè)中斷，具有較大的靈活性

·ＤＳＰ的通用Ｉ／Ｏ管腳ＢＩＯ和ＸＦ連至ＣＰＬＤＡ，可以查詢方式快速響應(yīng)外部信號(hào)
·主機(jī)對(duì)ＤＳＰ的復(fù)位和其它一些特征的控制，對(duì)ＤＳＰ的某些信息的讀取

·ＤＳＰ對(duì)其它一些外圍電路的控制

由于在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)實(shí)際應(yīng)用的要求并不能完全了解，因此需要使系統(tǒng)有足夠的冗余和靈活性，使用ＣＰＬＤ可以達(dá)到這一要求。通過將可能需要的各種控制和狀態(tài)信號(hào)引入ＣＰＬＤ，并利用ＣＰＬＤ的大容量和現(xiàn)場(chǎng)可編程性，可根據(jù)不同的要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修改，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功率更大，并且有很大的靈活性。

系統(tǒng)中使用了兩片ＣＰＬＤ，而沒有用一片大容量的ＣＰＬＤ代替，是出于系統(tǒng)性能的考慮。因?yàn)榇鎯?chǔ)器和ＦＩＦＯ的讀寫信號(hào)需要較低的延遲才可滿足零等待的要求，而大容量的ＣＰＬＤ延遲大且價(jià)格高，因而用ＸＣ９５３６滿足系統(tǒng)對(duì)速度的要求，而用ＸＣ９５１０８滿足系統(tǒng)復(fù)雜邏輯對(duì)容量的要求。

２．５ ＨＰＩ接口

ＤＳＰ可使用ＨＰＩ（Ｈｏｓｔ Ｐｏｒｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ接口方便地與主設(shè)備或主處理器交換數(shù)據(jù)，而幾乎不需增加額外的器件。對(duì)４０ＭＨｚ主頻的３２０Ｃ５４２而言，通信速度最快可達(dá)６４Ｍｂｐｓ。而且Ｃ５０００系列ＤＳＰ通過某種連線方式，可利用ＨＰＩ接口下載程序，從而使系統(tǒng)具有更大的靈活性。ＨＰＩ接口的框圖如圖３所示，有ＨＰＩＡ（ＨＰＩ地址寄存器）、ＨＰＩＤ（數(shù)據(jù)寄存器）、ＨＰＩＣ（控制寄存器）三個(gè)１６ｂｉｔ寄存器，主設(shè)備就是通過這些專用寄存器與ＨＰＩ通信。在Ｃ５４２的１０Ｋ內(nèi)部ＲＡＭ中，有２Ｋ字屬于ＨＰＩ存儲(chǔ)塊。系統(tǒng)框圖如圖４所示，ＨＤ０～ＨＤ７是８位數(shù)據(jù)線，直接連到主設(shè)備的數(shù)據(jù)線上；ＨＣＳ為片選信號(hào)；ＨＤＳ１和ＨＤＳ２為數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，在主設(shè)備的存取周期控制數(shù)據(jù)的傳輸，一般連至主設(shè)備的數(shù)據(jù)選通；ＨＲ／Ｗ決定當(dāng)前操作是讀還是寫，可根據(jù)主設(shè)備的具體情況決定與何種信號(hào)相連；ＨＣＮＴＬ０／１用于主設(shè)備選擇存?。龋校傻哪囊粋€(gè)寄存器和對(duì)寄存器的存取類型，連至主設(shè)備的地址線；由于ＨＰＩ寄存器是１６位，而ＨＰＩ與主設(shè)備僅以８位數(shù)據(jù)線相連，因而用ＨＢＩＬ決定當(dāng)前存取的是一個(gè)字的第一還是第二字節(jié)，連至主設(shè)備的地址線。

對(duì)ＨＰＩ進(jìn)行操作，首先要將控制字寫入ＨＰＩＣ，然后將要存取的地址寫入ＨＰＩＡ，最后存取ＨＰＩＤ，就可從ＨＰＩ存儲(chǔ)塊讀數(shù)或?qū)?shù)據(jù)寫入ＨＰＩ存儲(chǔ)塊。此外，還可選擇ＨＰＩＡ自動(dòng)增加方式，將初始地址寫入ＨＰＩＡ后，可不再操作ＨＰＩＡ，每存取一次數(shù)據(jù)，地址都會(huì)自動(dòng)加一，因而大大加快了存取速度。

在本系統(tǒng)中，主設(shè)備是ＡＭＤ１８６構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)，ＡＭＤ與ＨＰＩ的連接如圖５所示。由以上介紹可以看出，使用ＨＰＩ也可與ＰＣ機(jī)的ＩＳＡ總線方便地連接，用ＰＣ機(jī)作為主設(shè)備，通過ＰＣ機(jī)向ＤＳＰ下載程序完成各種功能。

要使用ＨＰＩ下載程序，只需在ＤＳＰ復(fù)位時(shí)將程序通過ＨＰＩ接口寫入ＨＰＩ存儲(chǔ)塊從０Ｘ１０００開始的存儲(chǔ)區(qū)，并在上電復(fù)位后的一段時(shí)間將ＨＩＮＴ管腳的信號(hào)引至ＩＮＴ２管腳，ＤＳＰ在Ｂｏｏｔ程序中檢測(cè)到后，就會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至０Ｘ１０００處開始執(zhí)行。

３ 系統(tǒng)工作流程及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

系統(tǒng)通過實(shí)際測(cè)試，運(yùn)行速度為４０ＭＩＰＳ，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、所有Ｉ／Ｏ口都能全速運(yùn)行，工作穩(wěn)定可靠。其工作流程如下：

（１）根據(jù)要求編寫ＤＳＰ程序并調(diào)試通過。

（２）復(fù)位ＤＳＰ，并由主設(shè)備通過ＨＰＩ接口向ＤＳＰ下載程序。

（３）復(fù)位信號(hào)失效，ＤＳＰ在主設(shè)備的控制下開始工作。

由于系統(tǒng)工作于較高的頻率下（ＣＰＵ為４０ＭＨｚ，外圍設(shè)備一般為２０ＭＨｚ，最高為４０ＭＨｚ），因而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須注意高頻影響。

首先，系統(tǒng)要盡量簡(jiǎn)單，要選擇大容量、表面封裝的元器件，以使元件數(shù)量少、體積小，降低信號(hào)反射并有利于布線。

其次，在設(shè)計(jì)ＰＣＢ板時(shí)，要采用四層板，中間兩層作電源和地，并多加一些去耦電容。布線時(shí)不可用９０度的拐彎，過孔要盡量少。數(shù)據(jù)和地址最好成組布線，以降低對(duì)其它信號(hào)的影響。一些關(guān)鍵的控制線，如存儲(chǔ)器讀寫信號(hào)和ＦＩＦＯ讀寫信號(hào)，最好在其兩邊加地線保護(hù)。特別是ＦＩＦＯ的讀寫信號(hào)，由于其對(duì)干擾特別敏感，要特別注意。對(duì)一些較長(zhǎng)的引線，可串接一個(gè)３０Ω的小電阻或加終端匹配以減小反射。

４ Ｃ５０００系列ＤＳＰ的軟件編程和調(diào)試

Ｃ５０００系列ＤＳＰ的編程工具，有Ｃ語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言兩種，而匯編語(yǔ)言又有兩種指令集，一種叫記憶指令集（Ｍｎｅｍｏｎｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ，類似８０８６的匯編語(yǔ)言；一種叫代數(shù)指令集（Ａｌｇｅｂｒａｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ，類似于Ｃ語(yǔ)言，使用起來比記憶指令集方便很多。

實(shí)際應(yīng)用中，一般都是Ｃ和匯編混合編程，混合編程的方法，可查閱Ｃ５０００系列ＤＳＰ的手冊(cè)得到。ＴＩ公司還提供了一個(gè)運(yùn)行庫(kù)（Ｒｕｎｔｉｍｅ Ｌｉｂ，用ＴＩ公司的ＪＴＡＧ調(diào)試器進(jìn)行調(diào)試時(shí)，在ＤＳＰ程序中調(diào)用運(yùn)行庫(kù)的函數(shù)，可以打開ＰＣ機(jī)上的文件獲取數(shù)據(jù)，或?qū)ⅲ模樱械臄?shù)據(jù)傳入ＰＣ機(jī)并存入文件，或通過ＰＣ機(jī)鍵盤向ＤＳＰ傳遞信息和發(fā)送命令，總之，可以為調(diào)試帶來極大的方便。

在本系統(tǒng)中，由于既有Ａ／Ｄ，又有Ｄ／Ａ，構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)，自發(fā)自收?？梢杂桑模辽赡M波形，由Ａ／Ｄ實(shí)時(shí)采集，由ＤＳＰ處理，對(duì)算法的設(shè)計(jì)和調(diào)試可帶來很大的幫助。