一種基于TMS320F2812智能接口板設(shè)計與實現(xiàn)

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路的集成度和性能有了非常大的提高，因此可以在單板上實現(xiàn)復(fù)雜的電路功能，本設(shè)計就是在TI公司高集成度的TMS320F2812處理器上設(shè)計外圍接口電路，實現(xiàn)多路高速ARINC429接口、高速RS422接口、高速RS232接口，由于該款DSP的卓越性能，該接口板具有強大的多路接口通訊實時處理能力，同時由于該接口板的通訊接口都是標準接口，物理結(jié)構(gòu)為PMC底板結(jié)構(gòu)，具有一定的通用性。

　　系統(tǒng)設(shè)計

　　接口板采用TMS320F2812處理器，對串行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送采用智能控制方式，它通過一個512K（32K×16）雙端口存儲器（DPRAM）實現(xiàn)與主處理機之間的數(shù)據(jù)交互，雙端口存儲器與主處理機之間為PCI總線接口，物理連接方式為PMC標準插座。模塊功能框圖見圖1。限于篇幅，本文主要介紹局部總線端電路設(shè)計，與主機接口端PCI設(shè)計另有文章介紹。

　　PCI總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實現(xiàn)對這一層的管理，并實現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時鐘頻率下保持高性能。PCI總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。

　　圖1 接口板功能框圖

　　接口板主要由如下功能部分組成：

　　處理器電路、數(shù)據(jù)處理器TMS320F2812，主頻150MHz，集成128K字容量程序FLASH、18K字容量SARAM；

　　雙口RAM IDT70V27，容量為32K×16bit；

　　時鐘和復(fù)位電路MAX791；

　　10路全雙工RS422串行接口電路TL16C554；

　　2路全雙工RS232串行接口電路；

　　4收2發(fā)ARINC429接口DEI1016A、BD429A；

　　PCI總線接口電路PCI9054；

　　邏輯控制電路XC95288XL；

　　提供＋5V轉(zhuǎn)＋15V、-15V電路DCP020515DP，負載80mA。

　　處理器及存儲電路

　　處理器

　　處理器選用TI公司的16位TMS320F2812芯片，主頻可達到150MHz。主要特點如下：

　　150MIPS運行速度；

　　集成128K字容量程序FLASH，18K字容量SARAM；

　　56路獨立的可編程多路復(fù)用I/O引腳；

　　鎖相環(huán)（PLL）模塊；

　　3個32位定時器

　　2個串行通信接口SCI；

　　1個串行外設(shè)接口SPI；

　　16路ADC（12bit）；

　　2路eCAN接口；

　　3個可屏蔽中斷；

　　JTAG接口；

　　哈佛結(jié)構(gòu)。

　　本接口板在設(shè)計中用到TMS320F2812處理器的數(shù)據(jù)處理功能、存儲器功能、通用IO功能、串行通信功能和JTAG接口。16位地址線A15~A0，16位數(shù)據(jù)線D15~D0。

　　TMS320F2812處理器地址空間映像如圖2所示。該接口板地址分配如表1。

　　圖2 地址映象

　　存儲電路

　　存儲器（Memory）是計算機系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。計算機中全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計算機程序、中間運行結(jié)果和最終運行結(jié)果都保存在存儲器中。它根據(jù)控制器指定的位置存入和取出信息。有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證正常工作。按用途存儲器可分為主存儲器（內(nèi)存）和輔助存儲器（外存），也有分為外部存儲器和內(nèi)部存儲器的分類方法。外存通常是磁性介質(zhì)或光盤等，能長期保存信息。內(nèi)存指主板上的存儲部件，用來存放當前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，但僅用于暫時存放程序和數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源或斷電，數(shù)據(jù)會丟失。傳統(tǒng)的并行接口和串行接口設(shè)計無論在通信速率，還是在可靠性方面都不易滿足要求。

　　構(gòu)成存儲器的存儲介質(zhì)，目前主要采用半導體器件和磁性材料。存儲器中最小的存儲單位就是一個雙穩(wěn)態(tài)半導體電路或一個CMOS晶體管或磁性材料的存儲元，它可存儲一個二進制代碼。由若干個存儲元組成一個存儲單元，然后再由許多存儲單元組成一個存儲器。 一個存儲器包含許多存儲單元，每個存儲單元可存放一個字節(jié)（按字節(jié)編址）。每個存儲單元的位置都有一個編號，即地址，一般用十六進制表示。一個存儲器中所有存儲單元可存放數(shù)據(jù)的總和稱為它的存儲容量。

　　表1 地址分配表

　　雙端口RAM芯片有兩套完全獨立的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫控制線，因而可使兩個處理器分時獨立訪問其內(nèi)部RAM資源。由于兩個CPU同時訪問時的仲裁邏輯電路全部集成在雙端口RAM內(nèi)部，因而需要實際設(shè)計的電路比較簡單。同時通過“busy”引腳告知該CPU以使之根據(jù)需要對該單元重新訪問或撤銷訪問。雙端口RAM的優(yōu)點是通訊速度快、實時性強、接口比較簡單、兩邊CPU都可主動進行數(shù)據(jù)傳輸；缺點是成本高，需要克服競爭現(xiàn)象。

　　共享存儲器選用雙口內(nèi)存IDT7027,存儲容量為32K×16bit。共享存儲器具有兩組獨立的地址、控制、I/O引腳，允許從任一組引腳發(fā)出的信號對內(nèi)存中的任何位置進行讀或?qū)懙漠惒皆L問。雙口內(nèi)存IDT7027具有防止雙口競爭的功能，該功能可以免去為避免雙口競爭增加的硬件邏輯，通過使用芯片上的信號量可以獲得芯片的控制權(quán)，只有獲權(quán)的一組引腳上的信號才能訪問內(nèi)存，另外通過信號量的使用還可以將雙口內(nèi)存劃分為大小不同的區(qū)。

　　在此模塊設(shè)計中，雙口存儲器一邊由DSP處理器控制，另一邊由PCI總線進行控制，而芯片本身自帶的BUSY通過邏輯設(shè)計接READY來實現(xiàn)雙口存儲器產(chǎn)生競爭時的應(yīng)答。

　　雙口存儲器讀操作訪問

　　雙口存儲器的讀操作時序如圖3所示，/CE為讀寫數(shù)據(jù)操作的片選信號，低電平有效；/OE為輸出控制信號，由系統(tǒng)讀信號控制，低電平有效；/UB、/LB是高/低字節(jié)有效控制信號，低電平有效，設(shè)計中將這兩信號下拉；R/*W信號在讀操作中保持高電平。

　　雙口存儲器寫操作訪問

　　雙口存儲器的寫操作時序如圖4

　　所示，/CE為寫數(shù)據(jù)操作的片選信號，低電平有效；/UB、/LB是高/低字節(jié)有效控制信號，低電平有效，設(shè)計中將這兩信號下拉；R/*W為輸入控制信號，由系統(tǒng)寫信號控制，低電平有效。

　　雙口存儲器BUSY信號使用及時序

　　A/B通道對雙口存儲器的某一個單元同時進行訪問時會出現(xiàn)競爭冒險，要避免這種情況的出現(xiàn)必須對訪問信號判斷優(yōu)先級，IDT7025雙口存儲器通過自身硬件的BUSY信號引腳告知該CPU以使之根據(jù)需要對該單元重新訪問或撤消訪問，BUSY信號低電平有效，R/W為讀寫信號。

圖3 讀操作及時序

圖4 寫操作及時序

　　圖5 讀寫操作時序

　　時鐘和復(fù)位電路

　　時鐘電路

　　F2812處理器上有基于PLL的時鐘模塊，為器件及各種外設(shè)提供時鐘信號。鎖相環(huán)有4位倍頻設(shè)置位，可以為處理器提供各種頻率的時鐘。時鐘模塊提供兩種操作模式，如圖6所示。

　　內(nèi)部振蕩器：如果使用內(nèi)部振蕩器，則必須在X1/XCLKIN和X2引腳之間連接一個石英晶體，這種石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時會產(chǎn)生機械振動，當交變電場的頻率與田英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC（線圈和電容）諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點，被應(yīng)用于家用電器和通信設(shè)備中。石英諧振器因具有極高的頻率穩(wěn)定性，故主要用在要求頻率十分穩(wěn)定的振蕩電路中作諧振元件

　　外部時鐘：如果使用外部時鐘，可以把時鐘信號直接接到X1/XCLKIN引腳上，X2懸空。

　　外部XPLLDIS引腳用來選擇系統(tǒng)時鐘源。當XPLLDIS為低電平時，系統(tǒng)直接采用外部時鐘作為系統(tǒng)時鐘；當XPLLDIS為高電平時，外部時鐘經(jīng)過PLL倍頻后，為系統(tǒng)提供時鐘。系統(tǒng)通過鎖相環(huán)控制寄存器來選擇鎖相環(huán)的工作模式和倍頻系數(shù)，如表2所示。

　　表2 鎖相環(huán)控制寄存器位定義

　　該接口板采用30M石英晶體提供時鐘，XPLLDIS引腳上拉使能PLL模塊，倍頻選擇最大的XCLKIN×5＝150MHz。

　　復(fù)位電路

　　復(fù)位電路為確保微機系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般微機電路正常工作需要供電電源為5V±5%，即4.75～5.25V。由于微機電路是時序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時鐘信號，因此在電源上電時，只有當VCC超過4.75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時，復(fù)位信號才被撤除，微機電路開始正常工作。F2812的復(fù)位可由外部復(fù)位管腳引起。

　　F2812外部復(fù)位源采用MAX706芯片進行復(fù)位，MAX706復(fù)位的產(chǎn)生條件有以下3種情況：

　　上電復(fù)位，當Vcc>4.40V（典型值）時產(chǎn)生復(fù)位，并保持200ms復(fù)位有效；

　　掉電復(fù)位，當Vcc4.40V（典型值）時產(chǎn)生復(fù)位，此時可防止對存儲器進行錯誤寫入；

　　手動復(fù)位，當手動復(fù)位信號有效，產(chǎn)生復(fù)位，用于調(diào)試。

　　MAX706的復(fù)位信號形成F2812的上電復(fù)位輸入，使系統(tǒng)所有資源復(fù)位。復(fù)位電路如圖7所示。

　　串行總線處理電路

　　通用串行總線（Universal Serial Bus, USB）是連接外部設(shè)備的一個串口總線標準，補充標準（On-The-Go）使其能夠用于在便攜設(shè)備之間直接交換數(shù)據(jù)。本模塊串行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送都采用TL16C554協(xié)議芯片來完成，RS422和RS232總線傳輸通過不同的接口芯片完成電平轉(zhuǎn)換，其功能框圖如圖8所示。

圖6 DSP時鐘輸入電路


圖7 復(fù)位電路

　　圖8 串行數(shù)據(jù)功能實現(xiàn)電路

　　16C554通過對各個寄存器的編程完成串行數(shù)據(jù)的初始化及傳輸，在完成上電BIT后，主機可通過改變雙口存儲器的初始化參數(shù)來滿足自身對串行數(shù)據(jù)格式的約定，16C554各寄存器地址分配如表3，各個寄存器對應(yīng)的訪問地址為該串行通道分配的基地址加上偏移地址，即：各寄存器訪問地址=BASE+[A2A1A0]16。

　　表3 協(xié)議芯片寄存器地址分配

　　串行協(xié)議芯片通過有效的初始化才能實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的正確接收和發(fā)送，在進行初始化的時候確保串行通道沒有接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。其初始化流程如表4所示。

　　表4 串行協(xié)議芯片初始化

　　控制邏輯電路

　　控制邏輯電路負責整個DSP數(shù)據(jù)處理模塊上控制和狀態(tài)信號的產(chǎn)生，負責PCI總線時序控制和邏輯譯碼。該邏輯功能由CPLD可編程邏輯器件實現(xiàn)，邏輯描述由VHDL語言完成?？刂七壿嬰娐分饕瓿梢韵鹿δ埽?/P>

　　a. TMS320F2812總線時序支持電路；

　　b.系統(tǒng)總線接口時序支持電路；

　　c.地址譯碼；

　　d.地址轉(zhuǎn)換及地址三態(tài)控制；

　　e.實現(xiàn)對數(shù)據(jù)總線管理邏輯的控制；

　　f.系統(tǒng)總線復(fù)位。

　　結(jié)束語

　　根據(jù)以上原理，我們研制了該智能接口板，通用性強，接口簡單，可以滿足大多數(shù)應(yīng)用條件，經(jīng)使用證明設(shè)計合理，穩(wěn)定可靠，為以后對各種創(chuàng)新打下堅實的基礎(chǔ)。