基于DMA方式的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

當(dāng)前，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域要求具有高精度的A／D轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)處理功能。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般需要考慮數(shù)據(jù)采集以及對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理。而對(duì)于大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，保持?jǐn)?shù)據(jù)高速傳輸也是該系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

采用TMS320VC5402和轉(zhuǎn)換器ADuC841構(gòu)成雙CPU處理器平臺(tái)，充分利用TMS320VC5402的對(duì)大容量數(shù)據(jù)和復(fù)雜算法的處理能力，ADuC841接口的控制能力以及各自擁有的DMA控制器構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。雙CPU通過(guò)DMA方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，將數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)控制分開(kāi)，提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，降低了處理器負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。采用此解決方案。大大提高了系統(tǒng)的信號(hào)采集和處理能力。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ADuC841簡(jiǎn)介

ADuC841是ADI公司ADuC84X系列中性能最完善的一款微轉(zhuǎn)換器，它具有單周期指令，20 MI／s的8052內(nèi)核；內(nèi)置一個(gè)8通道、高速420 Ks／s、高精度自校正、12位逐次逼近的ADC，具有DMA控制：2通道12位DAC；2通道PWM方式∑-△型DAC；片上15 ppm／℃高穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)；片上溫度傳感器；62 KB片內(nèi)Flash／EE程序存儲(chǔ)器；4 KB的片內(nèi)Flash／EE數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。還包括看門(mén)狗定時(shí)器和電源監(jiān)控器、ADC與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的DMA方式、存儲(chǔ)保護(hù)功能、通用異步串行收發(fā)器(UART)、SPI和I2C總線接口等功能模塊。

ADuC841片內(nèi)的ADC的轉(zhuǎn)換速率為2.38μs／次(420 kHz的采樣率)。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換時(shí)，ADuC841必須在2μs內(nèi)讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果并將其傳輸且存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器中以便后續(xù)處理，否則將導(dǎo)致下一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)后丟失前一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于中斷服務(wù)子程序中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果和微轉(zhuǎn)換器跳轉(zhuǎn)到ADC的中斷服務(wù)子程序都需要時(shí)間，因此很多應(yīng)用無(wú)法響應(yīng)高的中斷速率。采用ADC的DMA方式傳輸數(shù)據(jù)能夠解決上述問(wèn)題，通過(guò)設(shè)置特殊功能寄存器ADCCON2中的中斷響應(yīng)位即可使能ADC的DMA方式。這種方式下，無(wú)需CPU的軟件中斷響應(yīng)干預(yù)，可通過(guò)硬件直接檢測(cè)相應(yīng)控制位就能將ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果直接輸出并存儲(chǔ)到片外的靜態(tài)RAM中，并提供了一個(gè)高速數(shù)據(jù)傳輸通道，從而保證了ADC能以最高速率(420 kHz)完成數(shù)據(jù)采樣和轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行高速信號(hào)傳輸。

2.2數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC5402簡(jiǎn)介

TMS320VC5402 是 TI 公 司 的TMS320C5000系列之一，它采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線，采用4級(jí)流水線作業(yè)，其運(yùn)行速度可達(dá)100 MI／S，具有高速運(yùn)行的特點(diǎn)。同時(shí)提供豐富的指令集，增強(qiáng)的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有通用性，拓展了應(yīng)用領(lǐng)域。TMS320VC5402可尋址3個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，包括1 MB×16的程序空間，64 KB×16的數(shù)據(jù)空間以及64 KB×16位的I／O端口空間。片內(nèi)提供16 KB×16的雙存取RAM和4 KB×16的ROM，并具有直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)功能，通過(guò)HOLD允許對(duì)外部程序、數(shù)據(jù)以及I／O空間進(jìn)行直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)。TMS320VC5402存儲(chǔ)器直接存儲(chǔ)控制DMA可在不占用CPU資源的情況下，實(shí)現(xiàn)DSP存儲(chǔ)器間數(shù)據(jù)的自由傳輸。TMS320VC5402有6個(gè)可獨(dú)立編程的DMA通道，每個(gè)DMA通道由各自的寄存器控制。

2.3系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)DMA共享存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)雙機(jī)通訊需要考慮以下幾點(diǎn)：(1)設(shè)計(jì)ADuC841和TMS320VC5402之間數(shù)據(jù)總線和地址總線的隔離電路。隔離電路在雙CPU不通信時(shí)隔離地址總線和數(shù)據(jù)總線，而在DMA通信時(shí)則選通。(2)設(shè)計(jì)ADuC841和TMS320VC5402都能對(duì)存儲(chǔ)器讀寫(xiě)的選通信號(hào)和讀寫(xiě)信號(hào)。(3)設(shè)計(jì)控制TMS320VC5402信號(hào)及其響應(yīng)信號(hào)。

考慮上述問(wèn)題，采用ADuC841與TMS320VC5402的雙CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。存儲(chǔ)器HM62256既是TMS320VC5402的全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器，又是ADuC841的外部存儲(chǔ)器。A15為片選信號(hào)，地址范圍為8000H～FFFFH。兩個(gè)CPU分別通過(guò)總線和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器HM62256相連，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器共享。

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