1 引言
DSP作為可編程數字信號處理專用芯片是微型計算機發展的一個重要分支,也是數字信號處理理論實用化過程中的重要技術工具。隨著微電子技術和數字信號處理技術的迅速發展,DSP的性能價格比不斷提高,正在受到業界越來越廣泛的關注。尤其是在科學技術發展的今天,各種智能化系統的結構和控制算法越來越復雜,單純依靠PC機和單片機組成的計算機控制系統結構的設計格局正在逐漸發生變化,以局部高速信息處理和全局PC控制的復雜計算機控制系統以及以高速DSP為核心的具有復雜計算和控制的嵌入式控制系統設計電路正在逐漸興起。
2 系統設計方案
本系統的設計任務就是實現計算機上數據的無線傳輸,其關鍵技術在于計算機同DSP的數據交換以及數據的編碼調制。這里,采用的糾錯編碼方式為與交織結合的戈萊碼編碼方式,調制方式為4FTSK。但是,與傳統方法不同的是,該系統的數據交換是通過計算機的PCI總線來實現的,并且4FTSK的調制是通過DSP用數字合成頻率的方法實現的。同時,考慮到系統的可再開發性,模塊集成了調制和解調模塊。系統核心框圖如圖1所示。
圖1 系統核心框圖
3 系統硬件設計
3.1 系統硬件原理
系統的硬件原理框圖如圖2所示。系統選用TI公司的TMS320C5402作為處理芯片,PCI2040作為PCI接U芯片,利用DSP的HPI接口實現計算機和插卡之間的數據交換。同時,還選用高速的RAM, EPROM作為擴展數據、程序存儲器。DSP接收到計算機的數據后,根據數據存儲器里預先開辟的作為數字合成頻率正弦表的一塊內存實現FTSK的調制,并利用并行數模轉換芯片CA3338將FTSK調制數據轉變為模擬信號并通過放大器進行放大。這樣,就完成了計算機輸入數據的調制。為了保證系統的可靠性,采用MAX814作為看門狗電路。此外,選用一片CPLD對芯片進行邏輯控制,這樣,增強了系統的可擴展性。
圖2 系統硬件結構圖
3.2 硬件抗干擾設計
由于DSP是高速器件,因此在設計本系統的電路板時面臨著電磁干擾(EMI)的問題。印制電路板的抗干擾設計對PCB的電磁兼容性影響很大,為了使PCB上的電路正常工作,本系統采取了以下措施:1) 加粗電源線寬度,減少環路電阻。同時,使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致,這樣有助于增強抗噪聲能力;2) 數字地與模擬地分開,接地線盡量加粗, 接地線構成閉環路;3) 配置去耦電容可以抑制因負載變化而產生的噪聲,這是印制電路板的可靠性設計的一種常規做法;4) 對于DSP閑置的I/O口,不要懸空,接地或接電源,對DSP使用看門狗電路,盡量降低DSP的晶振和選用低速數字電路。
4 系統實現的關鍵技術
在系統的設計上,比較關鍵的技術是:DSP同計算機之間通過HPI接口和PCI總線進行數據交換、根據數字合成頻率的方法利用DSP實現數據的調制、上位機軟件實現數據的編碼交織、DSP的匯編程序設計和PCI接口卡驅動程序設計。
4.1 DSP同計算機數據交換的實現
DSP同計算機之間的數據交換有很多種方法:串口、并口、I/O接口還有HPI接口。為了方便并且快速的實現數據交換,在本系統中,采用TMS320C5402的HPI接口與計算機的PCI總線進行數據交換。
TMS320C5402是在類別上屬于TMS320C54x系列DSP。它由中央處理單元(CPU)、總線、存儲器、片內外設、以及外部總線接日等部分組成。TMS320C5402的外設有:軟件可編程等待狀態發件二器,有可編程的塊切換等待狀態;增強型的8位主機接口(HPI8 );兩個硬件定時器;擁有鎖相環(PLL)的時鐘發生器;一個直接存儲器(DMA)控制器;兩個多通道緩沖串行!l(McBSPs)等。HPI接口是一個8位并行口,用來與主設備或主處理器接口。TMS320C5402采用增強型主機接口。此主機接口同標準型主機接日相比主要區別在于:增強型可以訪問整個片內RAM。
在本系統中,PCI接口芯片選用TI公司的PCI2040。PCI2040可以實現8位HPI接口的TMS320C54X系列與高性能的PCI總線之間無縫連接的DSP-PCI橋。PCI2040提供了幾個外部接口:
PCI總線接口:PCI2040提供了與PCI總線規范完全兼容的32位總線接口。這些總線接口可以實現配置寄存器讀寫,內部存儲器訪問,并可以通過存儲器映射空間訪問HPI接口。
HPI接口:PCI2040的HPI接口用于訪問TMS320C54X或TMS320C6X。連接到HPI接口的設備以存儲器映射的方式映射到卞機存儲區內。主機通過訪問PCI2040訪問HPI接口。
4.2 利用DSP實現數據的調制
由于本設計的調制主要是利用軟件與硬件結合的方法實現,并且力求產生的信號精確,故系統選用了高速D/A(CA3338)轉換芯片,用匯編語言編程實現調制信號輸出。
4.2.1 硬件連接圖
調制的硬件電路如圖3所示。TMS320C5402的IOSTRB和IS相或后作為CA3338的片選信號,通過數據總線將數據送到CA3338中,D/A轉換后模擬信號經過運算放大器后輸出。
圖3 DSP同D/A轉換芯片的連接圖
4.2.2 DSP調制程序設計
原始數據在DSP中進行FTSK調制,它是通過DSP的軟件編程利用DDS(數字合成頻率)的原理實現的。
1 實現方法。DDS(直接數字頻率合成)技術是一種把一系列數字量形式的信號通過DAC轉換成模擬量形式的信號的合成技術。目前使用最廣泛的一種DDS方式是利用高速存儲器作查尋表,然后通過高速DAC產生已經用數字形式存入的正弦波。在本系統中,首先,在DSP內部ROM開辟一段存儲空間作為一個周期的正弦波抽樣點存儲器。通過軟件對該存儲器進行相位一幅值的轉換,從而在給定的時間確定相應的輸出幅值。發送一個周期的正弦波流程圖如圖4所示。
2 4FTSK信號的產生及輸出。4FTSK信號包含4個頻率的波形,因此先根據不同的頻率,計算出相應的采樣率,編寫產生這四個頻率正弦波的子程序。在主程序中,判斷要調制的碼元,決定發送的4個頻率的順序。在本系統中,頻率與碼元的對應關系如表1所示(fl:800; f2:1200; f3:1600; f4: 2000)
圖4 發送一個頻率的正弦波流程圖
信號最終是通過r/o u輸出到D/A轉換芯片中實現從數字量到模擬量的轉換。再經過低通濾波之后,便可得到頻率純凈的模擬信號。
3信號的測試、分析。由于4FTSK信號的解調需要調制信號的精度很高,因此設計了測試電路測試發送信號的精確度。測量方法:通過控制輸入計數頻率值,來測量調制期間的時間長度,發送數據的長度是等于計數頻率的周期值X計數值,即計數值除以頻率值。
4.2.3 上位機軟件實現編碼及交織
對于本系統而言,在信道中傳輸中所引起的多次突發錯誤,對一個碼組來說,碼組中的差錯完全可以看作是獨立的。因而在計算輸出誤碼率時,就可以按反映隨機信道錯誤分布的二進制對稱信道(BSC)模型計算。在BSC模型中,傳輸“1”和“0”兩種信息,其傳輸錯誤的概率相同,均為Pe,傳輸正確的概率為1-Pe, Pe稱為信道誤碼率。在BSC下,傳輸長度為n的碼組時,正好出現m個差錯的概率為
(1)
碼組內出現≧m個差錯的概率為
2)
在本系統中,交織度為144,所使用差錯控制碼為Golay (23,12)碼,可糾3位錯碼,因此根據上式,可得誤碼率為
(3)
4.2.4 DSP的匯編程序設計
DSP的匯編程序設計包括兩部分:系統的ROOT程序設計以及主程序設計。主程序主要是對寄存器的初始化。
4.2.5 PCI接口卡驅動程序設計
在設計和使用PCI設備時,經常要在PC機的軟件中訪問和控制硬件設備為了保證系統的安全性、穩定性和可移植性,對應用程序訪問硬件資源加以限制,這就要求設計設備驅動程序以實現PC機的軟件對PCI設備的訪問。硬件設備驅動程序的基本功能就是完成設備的初始化、對端口的讀寫操作以及對內存的直接讀寫。
5 本文作者創新點
在用單片機實現的基礎上,本文提出了以TMS320C5402為主控制器的無線數據調制模塊的實現方法,并對其具體實現包括硬件及軟件做了比較全面的介紹。可以看出:在速度、精度等很多方面DSP系統都優于單片機系統,而且DSP利用HPI 口和PCI總線,極大的方便了主機與DSP系統的數據交換。該系統靈活、簡單,是一種比較先進的技術,具有一定的理論和實踐意義。
