一種基于DSP和MCU的雙CPU數據處理系統(tǒng)設計

　　在嵌入式控制系統(tǒng)中經常需要對現場物理量進行數據采集與實時處理,且要求系統(tǒng)具有良好的人機交互功能,這時僅采用DSP處理器往往不能滿足要求。本文選擇以單片機為主處理單元(主要完成各種控制和接口功能)、DSP芯片為從處理單元(主要完成數據運算和處理)的系統(tǒng)結構方案,該系統(tǒng)可獨立使用,也可與上位PC機進行通信。

1 數據處理系統(tǒng)硬件總體設計方案

　　該數據處理系統(tǒng)是為一種信號檢測設備設計^[1-2]的,能快速采集兩路傳感器的信號并進行實時處理。系統(tǒng)由MCU處理器、DSP處理器、8位高速A/D轉換器以及FLASH存儲器等部分組成,傳感器的信號送入高速A/D轉換器進行模數轉換,結果送入DSP中。這里DSP芯片采用了TI公司具有高速數據運算和處理能力的TMS320VC5402,運算結果通過HPI傳送到單片機,利用單片機方便的接口電路和控制功能,輸出并顯示結果或送入PC機做進一步處理。圖1為該系統(tǒng)的結構框圖,其中FLASH用于存放自舉引導程序。

2 數據處理系統(tǒng)硬件接口設計

2.1 A/D接口電路設計

　　該數據處理系統(tǒng)首要的任務是將傳感器的信號經過調理后進行A/D轉換。為了實現高速、實時的數據采集轉換和處理,系統(tǒng)中A/D轉換模塊采用了TI公司的8位并行A/D器件TLC5510A^[3-4],最高頻率可達20MHz,能實現實時的數據采集。該模塊采用單一+4V電源供電,正常工作時的最大功耗為150mW,適合便攜式儀器儀表使用。傳感器的信號通過TLC5510A的模擬量輸入引腳送入,利用DSP內部定時器來控制A/D采樣率,在每次產生定時器中斷時對數據進行讀取,這樣可通過設置定時器的初始值來改變采樣率。圖2為A/D轉換接口電路圖,其中為片選端,低電平有效,時鐘由DSP內部時鐘提供,送入A/D芯片的CLK引腳。轉換后的8位數字量經電平轉換(A/D轉換器和DSP工作電壓不同)后直接送入DSP中,結合相關算法進行數據處理。

2.2 數據處理系統(tǒng)FLASH引導加載^[5]

　　由于系統(tǒng)用于便攜式儀器中,加電后要有獨立運行的能力,而所使用的DSP芯片內無永久性存儲器,所以系統(tǒng)運行時需進行自舉引導。DSP為脫機運行提供了五種引導模式,分別是:主機端口(HPI)引導模式;串行EEPROM引導模式;并行引導模式;標準串行口引導模式;I/O引導模式。其中并行引導方式在這里被認為是最佳的,因為HPI端口引導方式、串口引導方式、I/O引導方式只適用于由其他處理器為DSP TMS320VC5402提供運行代碼的多處理器系統(tǒng)中,SPI串行EEPROM引導方式和并行引導方式雖然都適用于以TMS320VC5402為核心的獨立系統(tǒng),但是SPI EEPROM引導方式價格偏高,而并行引導方式則可以采用FLASH,因為FLASH種類很多且價格較低,可以充分體現系統(tǒng)的性價比優(yōu)勢,故該系統(tǒng)中采用并行引導方式實現程序的自舉引導加載。

2.2.1 自舉引導過程

　　TMS320VC5402 DSP的引導加載選擇過程如圖3所示。系統(tǒng)上電或硬件復位后,首先判斷芯片的引腳。如果該引腳為高電平,則選擇微處理器模式,片內ROM從程序空間移去,DSP執(zhí)行FF80H處的跳轉命令,跳轉到F800H處的引導程序段并實現代碼移植功能,最后再次跳轉到加載的用戶程序起始地址并執(zhí)行應用程序;如果引腳為低電平,則選擇微計算機模式,片內ROM被映射到程序存儲器空間,DSP執(zhí)行FF80H處的跳轉命令,自動跳轉到內部引導程序入口地址F800H,啟動內部引導程序,選擇引導模式。本系統(tǒng)的引腳置低。

　　圖3為DSP自舉加載的流程,上電判斷為0后,依次檢測INT2、INT3,當滿足要求且并口有效時,即開始執(zhí)行并行引導程序。否則,按引導流程依次判斷,直到滿足條件為止。

2.2.2 實現自舉硬件接口電路的設計

　　根據設計的需要,FLASH采用TI公司的SST39VF040A。圖4為TMS320VC5402和FLASH的硬件接口電路^[5]。由于TMS320VC5402和FLASH都是3.3V供電,接口中TMS320VC5402的D0～D7直接與FLASH的D0～D7相連,二者的地址信號線A0～A17也相連,TMS320VC5402的DS接FLASH片選端CE,TMS320VC5402的和經邏輯組合后接FLASH的。由于FLASH是512K×8bit的芯片,地址線為18位,超過了Bootloader所能訪問的16位地址空間,而FLASH在被訪問時,高位的地址線必須是確定態(tài)(高或低),所以在訪問FLASH之前必須先對擴展頁寄存器XPC進行初始化,以使超出16位的地址線也具有確定的狀態(tài),通過設計邏輯電路滿足讀寫時序要求。

2.2.3 FLASH讀寫操作

2.2.3.1 FLASH的讀操作

　　FLASH的讀操作基本上與普通的存儲器讀操作一致,具體的讀周期時序如圖5(a)所示。當CE與OE為低電平時,DSP就可以讀取FLASH中的數據。要注意的是,信號是由DSP產生的,在讀取一個數據后,DSP必須在引腳給出一個上升沿標志,通知FLASH已經將數據讀取,之后FLASH會自動將下一個存儲單元的數據送到數據線上,重復以上過程,DSP可以將需要的數據依次讀出。

2.2.3.2 FLASH的寫操作

　　FLASH的寫操作相對復雜一些,它需要一串命令序列,通過對FLASH的命令寄存器寫入相應的命令字來完成寫入和擦除。對應的寫操作時序圖如圖5(b)所示。

3 主機接口(HPI)通信設計

　　主機接口^[6-7](HPI,Host Port Interface)是TMS320C54x系列定點芯片內部具有的一種接口部件,主要用于DSP與其他總線或CPU進行通信。HPI接口通過HPI控制寄存器(HPIC)、地址寄存器(HPIA)、數據鎖存器(HPID)和HPI內存實現與主機通信。其主要特點有:接口所需外圍硬件很少;HPI單元允許芯片直接利用一個或兩個數據選通信號、一個獨立或復用的地址總線以及一個獨立或復用的數據總線接到微控制單元MCU上;主機和DSP可獨立地對HPI接口進行操作;主機和DSP握手可通過中斷方式來完成。

　　由于本數據處理系統(tǒng)采用雙CPU(DSP+MCU),經A/D轉換后的信號先保存在DSP的存儲器中,DSP和MCU之間需進行數據通信,同時HPI方式還能讓單片機共享DSP內部的雙口RAM,彌補單片機內部RAM不足等缺陷。在硬件設計時,要注意單片機89C51是+5V供電,DSP是+3.3V供電,需進行電平轉換。

　　圖6為89C51與DSP HPI通信硬件接口圖。其中89C51的端口P0.1～P0.7與HPI的8位數據線(HD0～HD7)相連作為數據傳輸通道,P2.0～P2.4設置為輸出來控制HPI接口的操作。其中P2.0為讀寫控制選通信號連接P2.1連接字節(jié)識別信號HBIL,控制讀寫數據是屬于16位字的第一字節(jié)還是第二字節(jié);P2.2和P2.3分別連接HCNTL0和HCNTL1以實現對HPIC、HPIA和HPID寄存器的訪問;P2.4連接作為數據選通信號來鎖存有效的HCNTL0/1、HBIL和信號;P2.5與相連作為片選信號;INT0作為輸入與HPI的主機中斷信號一直接高電平。在數據交換過程中,89C51向HPI發(fā)送數據時通過置TMS320VC5402的HPI控制寄存器HPIC中的DSPINT位為1來中斷TMS320VC5402;89C51接收來自HPI的數據時通過查詢方式,當TMS320VC5402 DSP準備發(fā)送數據時置為低,89C51查詢到INT0為低時調用接收數據子程序來實現數據的接收。

4 系統(tǒng)調試及結果

　　為了調試該系統(tǒng),可以在A/D轉換器輸入端輸入一個確定信號,觀察其采集和輸出的情況。為此設計了A/D轉換和數據處理程序。將信號發(fā)生器DG2000的輸出轉換后存入DSP數據存儲器的連續(xù)單元中,設計了簡單明晰的頻率計算程序,通過零點檢測計算出信號的頻率,最終結果經HPI傳送給單片機并顯示出來。

　　測試中所用儀器為:RIGOL系列信號發(fā)生器DG2000。

　　將信號發(fā)生器DG2000的輸出經一個保護電阻接到A/D輸入端。波形輸入和LED顯示界面如圖7所示。

　　通過對不同信號和不同算法程序運行的實踐,LED的輸出顯示均與輸入量相符合,證明系統(tǒng)工作穩(wěn)定。由于本采集系統(tǒng)具有高速轉換器和DSP硬件基礎,只需根據采集信號種類的不同及輸出要求的不同設計相關的算法軟件,對所獲得信號進行處理即可?？梢栽诟鞣N工業(yè)生產過程和儀器儀表中應用該系統(tǒng),還可利用RS232串口實現與上位PC機之間的通信,對數據做進一步的處理。