基于TMS320F2812的双机信息处理系统设计

摘要：介绍了基于TI公司TMS320F2812型DSP的信息处理系统的设计。采用2片TMS320F-2812 DSP，利用其丰富的片上资源和较高的数据处理能力，建立了一个具有速度快、功能强、价格低廉，通用性强等特点的信息处理系统双机平台。该平台弥补了单个DSP系统在处理大量数据输入/输出和接口突发信号时，引起系统不稳定从而造成数据丢失这一缺陷，提高了系统的稳定性。TMS320F2812-DSP双机平台可作为嵌入式系统硬件平台，进一步开发各种应用软件，其应用可拓展到光学网络、汽车控制、生物测定学等新兴应用领域。
关键词：数字信号处理器(DSP)；TMS320F2812；双机平台；信息处理

1 引言
    在信息处理系统中，对系统本身精度要求越来越高，所需处理的数据量越来越大，要求数据处理的速度越来越高，这就对系统的硬件提出了更高的要求。TMS320F2812(以下简称F2812)是美国德州仪器公司(TI)推出的功能强大、性能优越的32位定点DSP，具有150 MI/s的处理能力和强大的事件管理及嵌入式控制能力，片内集成有150 kxl6 bit存储器、16通道12位高性能A/D转换器、2个事件管理器(EVA和EVB)、3个32位定时器、5个串行接口(2个SCI、1个SPI、1个CAN、1个McBSP)，支持45个外设中断(3个扩展中断)，最多56个GPIO引脚，可外扩超过l Mxl6 bit的存储器。该器件既具备数字信号处理器强大的数据处理能力，又像微处理器那样具有适于控制的片内外设及接口，可谓实现了数字信号处理器与微处理器的最佳结合。这一高度集成化的芯片为高精度控制应用提供了一整套的片上系统，极大地降低了系统成本，使系统功耗低，实时性高，灵活性强；另一方面，F2812与TMS320F24x/LF240x(以下简称F24x/240x)原代码及部分功能相兼容，使其应用领域更加广泛，从电机数字控制领域拓展到光学网络、汽车控制、生物测定学等新兴应用领域。具体有生物测定学应用领域中的人力资源管理、汽车及家庭安全系统和身体入口控制等。总之，凭借F2812强大的数据处理能力及高度集成化程度，其应用范围还有很大的拓展空间。
    在通常的数据处理系统中，采用单一CPU担任数据采集和处理工作，但在实时性要求严格的高速数据采集系统中，单一CPU常常因为大量数据输入/输出和接口突发信号直接影响数据采集系统的正常工作，为了解决单一CPU系统在高速模数(A/D)或数模(D/A)转换中的这一缺陷，本文采用两片F2812构成双机平台(分别称为A机和B机)，分别完成信号的转换(A机)和与PC机的数据通信(B机)，而A机和B机之间通过双口RAN进行数据交换。另外USB接口具有即插即用、热插拔、传输速度快、通用性强、易扩展和性价比高等优点，USB2.O接口的最高数据传输速率可达480Mb/s．通过USB2.0接口实现F2812 DSP双机平台与PC机的连接，不仅数据传输速率满足要求，而且较为方便实用。这样提高了整个系统的运算速度，使整机具有良好的性能提升空间。
    限于篇幅有限，仅给出F2812 DSP双机平台、信号调理和A/D模块的硬件设计和软件流程。

2 F2812双机平台系统硬件设计
2.1 DSP双机平台模块硬件设计
    TMS320F2812 DSP双机平台功能框图如图l所示。现将各部分的功能介绍如下：

    (1)A机：主要完成4路模拟信号的实时A/D、 D/A转换。需要扩展256 kxl6 bit RAM、16 kxl6 bit双口RAM、高速4路12 bit D/A转换器、1路RS-422异步串行接口(备用)，4路模拟输入信号通过信号调理模块连接A/D转换器接口。
    (2)B机：主要完成USB2.O接口数据通讯、数据调整和操作-控制命令解析、系统工作状态显示。需要扩展256 kxl6 bit RAM、16 kxl6 bit双口RAM、512 kxl6 bit Flash、USB2.0接口模块、液晶显示屏-键盘-声光指示模块、1路RS-422异步串行接口(备用)。
    (3)A机和B机通过外扩双口RAM器件共用存储区实现数据交换，共用30 MHz外部晶体振荡器(时钟源)。
    (4)电源模块提供5路直流电源：±12 V(模拟)、+5 V(数字)、+3.3 V(数字)、+1.9 V(数字)。
    (5)信号调理模块：4路双极性模拟输入信号不能直接接入F2812 DSP的A/D输入引脚，需要经过信号调理模块，将信号的最大电压幅值调整到F2812 DSP A/D输入允许的范围之内(0 V~+3 Vp-p)，再输入至ADC。
    (6)D/A模块：4路高速12 bit D/A转换器输出，建立时间小于120 ns。
    (7)USB2.0接口模块：通过USB2.0接口实现F2812 DSP(B机)与PC机的物理连接，实现F2812DSP与PC机平台的数据交互。
    (8)CPLD逻辑控制电路：实现F2812 DSP各个外部扩展功能模块的片选地址译码。
    该模块是整个系统的核心部分。由于两片F2812 DSP的引脚连接基本相同，按照通用性强、接口清晰简捷、资源引出最大化、兼顾构建双机平台的设计思想设计单一F2812 DSP模块，再由单一F2812 DSP模块组建双机平台原理样机。这样只需要设计出一种F2812 DSP的PCB板，降低了风险，节省了时间和加工费用。在双机平台原理样机调试通过、软件调试通过和系统正常运行的基础上，可以再进行F2812 DSP双机平台的整体模块二次设计。
    单F2812 DSP的电源、地线、外部地址总线、外部数据总线、外部控制总线、外部中断源、时钟电路、复位电路、锁相环、JTAG接口、A/D输入、SCI-A/B串口、SPI串口、GPIO等连线原理图如图2所示。

2.2 F2812 DSP外部扩展存储器接口设计
    F2812的外部接口(XINTF)映像到5个独立的存储空间。由于F2812采用统一寻址方式，扩展的外部存储空间既可以作为数据存储器，也可以作为程序存储器。每个XINTF区都有一个片选信号，当对一个特定区域进行访问时这些信号就会出现。本系统设计为了扩大F2812 DSP的存储空间，合理分配DSP外部存储器扩展空间，提高数据处理速度和处理能力，需要外扩存储器。所以F2812 DSP的三个引脚XZCS0AND1、XZCS2、XZCS6AND7作为外部扩展存储器的片选信号，这样极大方便了外部存储器的扩展。根据每个区容量的大小，外扩了一片静态存储器(SRAM)，选用ISSI公司SRAM IS61LV-25616；同时考虑到编程需求以及升级，本系统设计充分利用了F2812 DSP良好的扩展性能，将Flash扩展至512 K，选用SST公司Flash存储器SST39VF-800A；另外，外扩的双口RAM(DARAM)用来缓冲DSP和其他器件(可以是DSP构成的双机系统)交换的数据，选用IDT公司的IDT70V27S/L。
    IS61LV25616是256 Kxl6高速CMOS工艺3.3V单电源供电的静态随机存储器。SST39VF 800A是512 K×16的3.0 V~3.6 V单电源供电的Flash。IDT7OV27S/L是32 Kxl6高速3.3 V单电源供电双端口静态随机存储器。外部扩展存储器空间及映射地址范围参见表l。
2.3 信号调理模块
    F2812片内ADC模块的模拟输入电压范围为0 V~+3 Vp-p，其引脚最大输入电压范围是-0.3V~+4.6 V。因此需要对4路模拟输入的双极性信号进行调理，调整到相应的范围内，再输入到F2812的ADC模块。
    信号调理电路采用运算放大器OP37或AD811构成一级反相放大电路，图3给出了单通道信号调理电路原理图。手动调节电位器Wl和WFl可以获得0.1~10倍的反相增益，C1、R3、R4、Dl、D2组成直流偏置电路，将运放输出±1.5Vp-p以内的双极性信号叠加+1.5 V直流偏置电压，转换为0 V～+3Vp-p单极性信号输入ADC。

    采取以下三种措施，基本消除了通道间的信号串音现象：模拟信号采用单芯屏蔽线传输；各个模拟通道独立的电源滤波电路；各通道之间设置地线隔离。OP37是精密测量运算放大器，AD8ll是高速视频运算放大器。
2.4 D/A模块
    本模块采用DAC8544，DAC8544是采用+2.7V～+5.5 V单电源供电、16位分辨率、电压输出、4通道、并行接口的数模转换器。为实现8通道并行输出，要使用两片DAC8544。为了可选择4路输出，加入了单刀双掷模拟开关MAX4780，它具有+1.6 V～+4.2 V单电源供电、快速开关(Ton=20 ns，Toff=8 ns)等优点。通过开关关掉一个DAC8544的输出，就可以实现4路输出与8路输出的转换。D/A模块的原理图如图4所示。

3 F2812双机平台系统软件设计
    F2812 DSP得到Tl强大的软件开发工具的支持。CCS(Code Composer Studio)是TI开发的一个完整的DSP集成开发环境，也是目前使用最为广泛的DSP开发软件之一。现在，TI所有的DSP都可以使用该软件工具进行开发。在CCS中，不仅集成了常规的开发工具，如源程序编辑器、代码生成工具(编译、连接器)及调试环境，还提供了DSP/BIOSTM开发工具。DSP/BIOSTM是一个简易的嵌入式操作系统，它能大大方便用户编写多任务应用程序。使用DSP/BIOSTM后，同时还能增强对代码执行效率的监控。目前，DSP/BIOSTM已经成为DSP开发过程中最重要的工具。作为DSP的实时分析工具，DSP/BIOSTM提供了优先次序时间表及介于主机与目标DSP之间的RTDX(tm)数据链路。借助于CCS及DSP/BIOSTM这两大工具，可大大缩短DSP产品开发周期，加速产品投向市场。
    F2812 DSP双机平台中，A机和B机的分工不同，A机处于系统的最前端，直接面向物理信号，外设功能单一，具有任务量少、时序严格、及时响应的特点，其主要任务是A/D、D/A实时变换和数据实时传输；B机扩展了USB2.0高速接口模块、液晶屏、键盘等外设，需要执行数据调整、传输通讯，命令解析，状态显示等任务。
    需要说明的是A机、B机各仅有一个中断源，避免了因多中断源形成队列引发的实时性冲突。A机A/D转换中断服务程序流程图、B机主程序流程图分别如图5、6所示。

4 结束语
    本文采用两片F2812 DSP构成双机平台(分别称为A机和B机)设计的信息处理系统，具有先进性、新颖性、实用性、通用性、开放性等特点。基于F2812 DSP的双机平台模块提高了整个系统的数据采集和通信传输速度。该系统可作为面向实际信号的信号处理实验平台，可在此基础上实现已有的处理算法和新型算法，进一步开发各种应用软件，其应用可拓展到依据需求构造信号处理系统、光学网络、汽车控制、生物测定学等新兴应用领域。