DSP和FPGA的電視觀瞄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FPGA的基準(zhǔn)時(shí)鐘為來(lái)自DSP輸出的32MHz時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)片內(nèi)數(shù)字時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)(PLL)，可以得到系統(tǒng)所需要的多種時(shí)鐘。

圖文混合主要是控制觀瞄系統(tǒng)顯示屏的顯示內(nèi)容與相應(yīng)的位置。利用EP2S30F484的內(nèi)部RAM配置了許多獨(dú)立的小RAM塊，DSP根據(jù)不同的控制命令向這些RAM塊寫入不同的顯示內(nèi)容。FPGA再根據(jù)顯示位置的分布，以記數(shù)的方式在屏幕上控制顯示內(nèi)容輸出，達(dá)到圖文混合。

由于StratixII FPGA使用SRAM來(lái)存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)，而SRAM存儲(chǔ)器在掉電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，因此每次StratixII FPAG上電時(shí)，必須下載一次配置數(shù)據(jù)。選擇正確、合適的配置方案是利用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。Altera公司的FPGA共有多種配置方案，其中FPP、AS、PS、PPA和JTAG 配置方案適用于Stratix II系列FPGA。本設(shè)計(jì)采用了一種Advanced configuration Combine的配置方案。因?yàn)樵谙到y(tǒng)研發(fā)階段，考慮到要頻繁地向FPGA寫入設(shè)計(jì)文件，和EP2S30F484直接相連的標(biāo)準(zhǔn)JTAG必不可少，ByteMasterMV下載線一端接PC的并口，另一端與板上引出的JTAG底座連接。存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)并完成自動(dòng)配置的是EPCS16，它是Altera專為StratixII設(shè)計(jì)的增強(qiáng)型配置器件。當(dāng)設(shè)計(jì)完成后，利用ByteMasterMV下載線直接將QuartusII輸出的配置信息直接寫入增強(qiáng)型配置器件中，以后在獨(dú)立工作狀態(tài)下，系統(tǒng)一上電啟動(dòng)，就開(kāi)始了AS(FAST)方式的自動(dòng)配置。

使用JTAG配置電路時(shí)，主要用到4個(gè)必需的管腳：TDI、TDO、TMS和TCK及一個(gè)可選的管腳TRST。在電路板上，要根據(jù)JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的要求，引出2×5的JTAG底座。要注意的是，TMS和TDI管腳必須接1kΩ的上拉電阻。

QuartusII 5.0中一個(gè)非常實(shí)用的工具是軟邏輯分析儀，它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)JTAG的方式就提供給用戶可視化的在線分析能力。只要把ByteMasterMV電纜連接在EP2S30F484的JTAG頭上，添加邏輯分析文件，在里面定義好要觀察的信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)、方式，時(shí)鐘，采樣深度等參數(shù)，編譯完成后從JTAG下載到FPGA內(nèi)部，就可以運(yùn)行，并實(shí)時(shí)的獲得圖形化的分析結(jié)果。

● DSP設(shè)計(jì)

ADSP2183是的高速增強(qiáng)定點(diǎn)16位數(shù)字信號(hào)處理芯片。作為主控芯片，ADSP2183的接口主要可分為圖像串行傳輸接口、串行通信接口、TL16C552A控制接口、字節(jié)存儲(chǔ)區(qū)間接口、I/O空間接口、重疊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)間接口、EZ-ICE控制接口及其他一些IO接口。對(duì)DSP主要就是設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器地址空間，ADSP2183有4個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)空間：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、字節(jié)存儲(chǔ)器、I/O存儲(chǔ)器。它們都有相應(yīng)的片選，支持外部訪問(wèn)。其中，字節(jié)存儲(chǔ)器空間達(dá)到4MB，支持從廉價(jià)的8位存儲(chǔ)器引導(dǎo)和實(shí)時(shí)存取。如圖3所示，ADSP2183的所有數(shù)據(jù)線、地址線、存儲(chǔ)器片選、中斷控制和部分I/O都連到了EP2S30F484上。DSP可以像訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器一樣，訪問(wèn)在FPGA內(nèi)部配置出的RAM塊，與FPGA高速的傳送數(shù)據(jù)。DSP的三個(gè)外部中斷源是有優(yōu)先級(jí)安排的。因?yàn)槿绻谝粓?chǎng)的20ms時(shí)間里面不能協(xié)助完成圖像旋轉(zhuǎn)所需要的計(jì)算，則會(huì)發(fā)生圖像停滯或者跳變，嚴(yán)重影響觀瞄效果。所以場(chǎng)中斷是外部中斷源中優(yōu)先級(jí)最高的，接下來(lái)是UART產(chǎn)生的中斷，因?yàn)樗苯佑绊憣?shí)時(shí)的圖文混合與顯示結(jié)果，最后才是控制臺(tái)產(chǎn)生的中斷，人手操作的時(shí)間和人眼感受變化的時(shí)間畢竟和以上兩種相比有比較大的差異。



圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

工作頻率是26.32MHz，所以這里接一個(gè)16MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，其內(nèi)部自動(dòng)輸出一個(gè)精確的32MHz時(shí)鐘到CLKOUT，同時(shí)給FPGA作為全局時(shí)鐘使用。ADSP2183使用一個(gè)2×7的Emulator接口進(jìn)行調(diào)試和仿真。
觀瞄系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的精確角度值由系統(tǒng)中的方位解算器產(chǎn)生，以粗通道、精通道各高8位的方式表示，其中解算器是36速比的。FPGA通過(guò)組合CS0、CS1、INH這三個(gè)片選信號(hào)發(fā)送給方位解算器，然后一次連續(xù)從總線上讀回粗通道高、粗通道低、精通道高、精通道低總共四個(gè)8位二進(jìn)制值的角度值，DSP按順序把四個(gè)值組合成一個(gè)19位的完整角度值。這樣的角度值最高精度達(dá)到 0.02個(gè)密位(6000個(gè)密位表示360°)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出的精度要求。由DSP完成消像旋的協(xié)同計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果通過(guò)DSP的數(shù)據(jù)總線返回至FPGA。

ADSP2183內(nèi)部沒(méi)有非易失性存儲(chǔ)器，程序和數(shù)據(jù)必須依靠外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器。在系統(tǒng)加電或復(fù)位時(shí)，如果ADSP2183的BMODE和MMAP都為低，就會(huì)以BDMA(字節(jié)DMA)的方式通過(guò)DSP的引導(dǎo)加載(Boot loader)機(jī)制將程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到片上存儲(chǔ)器中執(zhí)行。過(guò)程是：ADSP2183從字節(jié)存儲(chǔ)器空間裝載最前的32個(gè)程序存儲(chǔ)器字，然后開(kāi)始執(zhí)行。裝載程序就在這32個(gè)字中。裝載程序連續(xù)的從字節(jié)口裝載，直到整個(gè)程序裝載完成為止。這里使用的是SST公司的SST29LE010，8位的1Mbit EEPROM作為DSP的字節(jié)存儲(chǔ)器。它是3.3V單電源，可以分頁(yè)，每頁(yè)128字節(jié)，最多1024頁(yè)，支持Page-Write(頁(yè)寫)和JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的在線編程，使用起來(lái)方便可靠。

紅外熱像儀及其控制電路以RS422方式發(fā)送串行數(shù)據(jù)，TL16C552A按照通信協(xié)議接收到，自動(dòng)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，ADSP2183直接用程序方式從數(shù)據(jù)總線上讀回。DSP發(fā)送給熱像儀的串行數(shù)據(jù)也是經(jīng)過(guò)TL16C552A并串轉(zhuǎn)換，再由RS422驅(qū)動(dòng)的。考慮到ADSP2183和外部的通信任務(wù)就是控制命令、工作參數(shù)的發(fā)送和狀態(tài)字的返回，數(shù)據(jù)傳輸需求較低且數(shù)據(jù)流零散的特點(diǎn)，這里使用德州儀器公司的TL16C552A雙異步通信器就可以勝任了。

另外，系統(tǒng)中還加入了一個(gè)串行EEPROM器件，Microchip公司93LC66B Microwire 串行EEPROM。因?yàn)殡娨曈^瞄系統(tǒng)中需要一些動(dòng)態(tài)的參數(shù)，來(lái)進(jìn)行不同的處理以適應(yīng)特殊的場(chǎng)合需求。比如不同光學(xué)機(jī)構(gòu)的零位角度不同、命令的調(diào)整、系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程對(duì)特定參數(shù)或者錯(cuò)誤信息的記錄，等等。都需要系統(tǒng)每次能夠記錄這些參數(shù)，并且在斷電以后存儲(chǔ)這些參數(shù)。由于參數(shù)并不多，所以不需要額外設(shè)計(jì)復(fù)雜的FLASH存儲(chǔ)空間。93LC66B的使用十分方便，確定好EEPROM的ORG狀態(tài)，就只需要把93LC66B的DI、DO、SCK和CS這幾根引腳與ADSP2183的Flag引腳正確連接，然后在DSP中對(duì)Flag編程，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)EEPROM的各種操作。

● 電源設(shè)計(jì)

現(xiàn)在以ASIC、DSP、FPGA等組成的系統(tǒng)中芯片都是低功耗設(shè)計(jì)，供電部分也變得越來(lái)越復(fù)雜。不僅對(duì)不同電平值的電壓精度、輸出電流、紋波、沖擊等要求十分嚴(yán)格，而且同一個(gè)芯片的不同電平的上電時(shí)序也有了要求。整個(gè)系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)都采用了美國(guó)德州儀器公司的電源器件。

ADSP2183的供電相對(duì)比較簡(jiǎn)單，這里主要討論FPGA的供電。手冊(cè)規(guī)定，EP2S30F484的電源基本分為這幾種：核心供電(Vccint)為1.2V；各個(gè)BANK的I/O口供電(Vccio)，鎖相環(huán)數(shù)字供電(Vccpll_d)為1.2V，鎖相環(huán)模擬供電(Vccpll_a)為1.2V。還有Vccpd為3.3V)，它是StratixII FPGA新定義的一個(gè)供電，其作用是為所有相關(guān)的3.3V/2.5V的配置輸入緩沖器和JTAG相關(guān)引腳提供穩(wěn)定可靠的供電。它要求從0～3.3V的抬升時(shí)間必須小于100ms，否則Stratix II FPAG將不能配置成功。但是如果確實(shí)不能保障這樣苛刻的要求，就必須人為地把nCONFIG信號(hào)強(qiáng)制拉低，直到其他電源達(dá)到設(shè)計(jì)的可靠狀態(tài)，以確保配置過(guò)程的正確完成。
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