基于TMS320C6205的信号采集处理系统的实现方法

　典型的DSP（数字信号处理器）内部采用改进的哈佛结构和流水线技术，可以在单指令周期内完成乘加运算，具有较高的处理能力。
　　一个典型的基于DSP的信号采集处理系统，通常由DSP、A／D转换器、存储器和相应的接口电路组成，大都做成PCI（外设部件互连）接口插卡形式和主控计算机一起工作。各种控制信息通过PCI发送给DSP，采集处理后的结果再通过PCI接口发送回主控计算机。PCI接口部分一般需要采用接口芯片来完成，这样会显著增加系统的设计调试难度，并使成本增加。而选用本身带有PCI接口的DSP处理芯片就可以省去这一部分额外的电路，不但降低了开发难度，也降低了设备成本。TMS320C6205就是这样一种带有PCI接口的DSP芯片，本文重点讨论基于这种芯片的信号采集处理系统的实现方法。
　　1 TMS320C6205芯片的技术特点
　　TMS320C6205是基于TMS320C6000平台的高性能DSP，TMS320C6205源自TMS320C6201 B，一种有新的PCI接口且性能提高的DSP芯片。TMS320C6205工作在200 MHz时的最大处理能力达到了1 600 MIPS（百万条指令每秒）。所有TMS320C6000系列DSP芯片在代码上都有兼容性，TMS320C62x定点DSP都基于相同的CPU核心设计，通过指令的并行性获得了较强的处理能力。该系列DSP芯片具有8个处理单元，包括2个乘法器和6个ALU（算术逻辑单元），所有的处理单元都可以并行工作，因此在每一个时钟周期内最多可以同时执行8条指令。
　　TMS320C6205和TMS320C6201及TMS320C6201B具有高度的兼容性，这几种DSP芯片在以下几个方面完全相同：TMS320C6205的CPU与TMS320C6201B完全相同，因此为TMS320C6201所写的代码可以不加修改地在TMS320C6205上运行；多通道缓冲串口（McBSP）、时钟、中断选择也完全相同；TMS320C6201与TMS320C6205的内部存储空间也相同，都具有64kB的程序和数据存储区。与TMS320C6201相比，TMS320C6205通过升级具有了更强的处理能力，升级后的TMS320C6205和TMS320C6201有以下不同：
　　a）EMIF（扩展存储器接口总线）做了简单修改，减少了芯片的引脚数。SDRAM（同步DRAM）和SB-SRAM（同步猝发SRAM）在EMIF上共用了相同的控制信号。这两种信号是互斥的，因此在系统中只能在两种类型的存储器中任选一种。
　　b）为提高DMA（直接存储器访问）的数据吞吐量，4通道的DMA控制器为每一个通道都配备了专用的FIFO，这样就无需对FIFO信号进行仲裁。
　　c）用PCI模块代替了TMS320C6201B的HPI（主机接口），PCI模块具有高性能的32 bit主／从PCI即插即用功能，支持33 MHz的桌上电脑PCI接口，与PCI本地总线规格2.2版兼容，该接口模块可作为具有33 MHz、32 bit宽度地址数据的PCI主从对象使用，该模块包含配置寄存器、校验生成、校验和系统错误检测和报告（PERR#，SERR#）以及电源管理能力。
　　d）具备4线EEPROM串行接口，这样，PCI的控制空间寄存器就可以从外部的串行EEPROM加载配置，PCI模块无需DSP的干涉就可以实现自动初始化。
　　e）TMS320C6205的PLL有x1、x4、x6、x7、x8、x9、x10和x11等模式，这些模式可以通过CLKMODE0引脚和EMIF数据引脚的上推和下拉电阻来选择。
　　f）TMS320C6205使用15C05（0.15μm）处理技术，通过电池处理技术提供更低的核电压和功耗。
　　g）用上推和下拉电阻实现了自举模式配置。
　　2 信号采集处理系统硬件设计
　　该系统硬件部分主要由DSP、FPGA（现场可编程门阵列）和存储器构成，具体的硬件结构如图1所示。
　　
　　从图中可以看出，信号采集处理系统的核心部分是TMS320C6205的DSP处理器，该DSP除了担负信号处理任务外，还担负着接收数据和输出处理结果两项任务。信号采集处理系统中的FPGA主要担负数据采集和控制信号生成两项任务。该系统的设计针对的是接收机解调后输出的TCL电平的数字信号，因此数据采集部分比较简单，就是将数据的时钟作为触发信号，根据触发时刻的数据电平值来确定输入数据是“0”还是“1”，采集后的数据在FPGA内按照McBSP的数据规格成帧，然后通过McBSP写入SDRAM中。
　　该系统可以同时采集两路数字信号，在采集电路与DSP之间通过DMA方式交换数据，由于DSP中有专门的DMA控制器，因此在数据交换时无需DSP干预，具有较高的处理效率。DSP所需的摔制信号也由FPGA产生，由于数据采集部分比较简单，控制信号产生和数据采集可以共用同一片FPCA。DSP通过PC接口模块与主机之间进行数据交换，由于PCI接口模块具有完整的PCI接口功能，无需额外添加外部电路，因此接口部分的电路设计相对来说比较简单。DSP与工控机进行数据交换时采用主从方式，DSP为主设备，工控机为从设备，两者之间利用中断响应进行数据通信，当DSP内部的输出数据缓冲区被写满后，会发送一个中断请求到主机的PCI总线上，PCI总线驱动程序响应该中断并通过Windows的事件（Event）通知主机软件读出数据。
　　为了扩充DSP的存储空间，使DSP能满足大速率信号的处理要求，信号采集处弹系统上集成了一片大容量存储器，即SDRAM，具有较高的数据存取速度。信号采集处理系统上的Flash存储器主要用来存储DSP软件，可通过PCI总线在主机端动态加载，这样该信号采集处理系统就可根据不同的输人数据进行不同处理，大大增加了系统使用时的灵活性。该系统还包括时钟电路和电源电路，这些电路可以参照技术手册的要求进行设计，电源电路可选用现成的电源模块，这样就可进一步降低电路设计难度。从总体上看，采用TMS320C6205构成的信号采集处理系统由于省去了额外的PCI接口电路，整个系统设计较简洁，开发难度低，开发周期短，是一种较理想的硬件设计方法。
　　3基于DSP／BIOSⅡ的实时信号处理技术
　　信号采集处理系统中的DSP不但要实现高速信号处理，还需要处理数据的输入输出和中断请求，这都要用到基本的任务调度和输入输出服务，DSP／BIOS实时基础软件提供了一个小的具有基小运行服务的固件核，开发者可以把这个核嵌入目标DSP中。DSP／BIOSⅡ是性能得到提升的第2代实时基础软件，利用该软件可以缩短实时信号处理软件的开发时间，并且可以显著提高代码的可重用性。
　　基于DSP／BIOSⅡ使信号处理技术实现起来比较简单，整个配置过程都可以利用一个图形化的界面来实现。首先，新建一个DSP／BIOS的配置文件，然后在“Syetem”文件夹下选择“MEM”，也就是存储区管理模块，在该模块增加两个新的MEM项，分别对应信号采集处理系统的SDRAM和Flash存储器，设置好SDRAM和Flash存储器的基地址和长度，至此片外存储区的设置就全部完成了。由于DSP和数据采集部分通过McBSP交换数据，因此还需要对McBSP行设置。找到“CSL”也就是芯片支持库文件夹，在McBSP选项下的McBSP配置管理（MsBSP ConfigurationManager）增加两个新的McBSP的配置控制项，这两个控制项分别对应McBSP0和McBSP1，然后设定这两个配置项的参数，最关键的是接收模式和输出模式的设置，接收和输出均采用无压扩的LSB方式，对于有压扩的话音数据，可以根据需要选择μ律或A律压扩，这样在数据读写的同时，利用DSP硬件也就完成了μ律或A律压扩。McBSP可以实现数据的双向传输，在本系统中只是从数据采集部分读人数据，没有用到其双向数据传输功能。实际上，利用其双向数据传输功能，结合μ律或A律可以很方便地实现话音的实时处理。所有配置都设置完后，将配置文件存盘加入当前工程，整个基于DSP／BIOS的配置便完成，在中断响应函数配合下，就可实现整个实时处理软件的开发。
　　实时处理软件的数据流如图2所示。从图中可以看出，数据从McBSP通过DMA方式写入SDRAM输入缓冲区，整个输入缓冲区划分成若干片，数据处理部分按片进行处理，由于McBSP写入的数据片与DSP处理的数据片不是同一个数据片，数据处理和数据写入就可以同时进行，这是保证数据实时处理的一个关键。显然，所分数据片数越多，可以有越长的处理时间，越适合进行一些复杂的算法，这样要付出的代价就是输出延时比较长，同时需要大的DSP片外存储空间。数据处理后的结果存放在输出缓冲区，输出缓冲区的大小与输入相同，当输出缓冲区写满后，触发PCI总线中断处理函数，把处理后的结果通过PCI总线写到主机缓冲区，主机程序从该缓冲区将数据读出，存储到计算机硬盘上的制定文件中。