TMS320C6205在信号采集处理系统中的应用

出处：丁锋，董晖发布于：2011-08-28 18:00:04

　　近年来，数字信号处理技术逐渐成为信号处理领域的主力，而高速信号采集处理对于任何数字信号处理系统来说是必不可少的。DSP以其在数字信号处理领域中独特的优越性，在数字信号处理中扮演越来越重要的角色；USB2.0则以其高数据传输率、使用方便、低成本、支持热插拔等特点，被广泛应用在外设与计算机的接口中。随着嵌入式开发技术的发展和相关参考资料逐渐增多，嵌入式系统的开发难度已经大大降低，使得自行开发一款基于高性能嵌入式的视频压缩卡成为可能。在嵌入式微处理器中， DSP以其算法密集性着称，特别适合复杂算法处理的应用。而在数字视频图像处理系统中需要用到对图像的实时分析、压缩、解压等大量的处理运算，利用DSP 作为其嵌入式平台，可以发挥其性能优势，实时满足图像处理需要。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是美国TI 公司于1997 推出的高端DSP 芯片，它主要包括两大主要系列：TMS320C62xx 定点DSP和TMS320C67xx 浮点DSP.这两种DSP 的主要结构和指令集都是基本相同的，区别主要在于C67xx 系列DSP 增加了浮点运算单元和相应的浮点运算指令。2000 年3 月，TI 公司又在C62xxDSP 的基础上发布了C64xx 内核，其处理速度是C62x 系列的10 倍，成为世界上性能的DSP 系列芯片。TMS320C6205系列DSP 初是为了移动通信基站的信号处理而推出的超级处理芯片，它比传统的DSP 的处理速度要快一个数量级，因此在民用和军用领域都有很广阔的应用前景。另一方面，由于多媒体技术的发展和相应需求的增加，C6000DSP 越来越广泛的应用在多媒体视频音频的处理中。MPEG4 硬件编码芯片采用INTIME 公司的IME6400.IME6400 是一款4 通道MPEG4 数字声像压缩芯片。它们是现有的MPEG4 硬件编码芯片中的主流芯片之一，并具有价格低，实时性好的特点。同SAA7114 一致，一帧图像分辨率设置为720×576, 输入数据色彩格式为4:2:2.IME6400 具有符合工业标准的视频数字编码器无缝接口， 16b 的复合主机接口，分别用来与视频采集芯片和微控制器芯片通信。

　　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（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

　　数字信号处理（Digital Signal Processing,简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是值得称道的两大特色。

　　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，并且可以显着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，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。

　　显然，该信号处理软软件中关键的是McBSP的DMA中断响应函数和PCI中断响应函数，下面分别介绍这两个函数。

　　DMA中断响应函数的主要代码如下：

基于TMS320C6205的信号采集处理系统

　　从代码中可以看出，DMA中断响应函数的部分是按照给定条件初始化DMA控制器，然后启动DMA通道，开始接收数据。这里的给定条件主要是保证 DMA的写入地址符合要求，特别是在循环写入的情况下不致发生地址冲突。DSP与主机缓冲区之间的数据交换也是通过中断响应方式进行的，与通过DMA方式从McBSP读数据不同，PCI接口工作在猝发方式，其中断响应函数在输出缓冲区全部写满后将缓冲区内的全部数据写到主机缓冲区，因此，输出缓冲区无需分片。采用这种方式可以减少PCI接口读写次数，提高数据传输效率。