摘　要： 使用ti.com.cn/">TI公司C5000系列DSP中的TMS320C542構成了一個數據采集處理系統，介紹了系統的結構、性能、工作流程及設計的注意事項。
　　關鍵詞： TMS320C542 數據采集處理 CPLD

　　近年來，隨著DSP技術的普及，一大批低價格、高性能DSP芯片的出現，越來越多的電子工程技術人員開始使用DSP來進行系統設計。本文以TI公司C5000系列DSP中的TMS320C542為例，構成一種數據采集處理系統。文中詳細地分析了系統的結構、設計的注意事項、HPI接口的工作原理與連接方法、系統的工作流程以及軟件編制中的注意事項。
1 TMS320C542結構及應用
　　TMS320C542是TI公司C5000系列DSP中的一種，C5000系列共有的特點如下：
　　·改進的哈佛結構，包含一條程序總線，三條數據總線和四條地址總線
　　·高度并行的CPU和針對應用優化的硬件
　　·針對算法和高級語言優化的指令集
　　·先進的IC技術使其既高性能又低功耗

　　C5000系列內部硬件功能塊如圖1所示。其中，有：40bit算數邏輯單元(ALU)；兩個40bit累加器A和B；17×17bit乘加單元(40bitMAC)，可作64級FIR運算而不必考慮溢出；計算、選擇、存儲單元(CCSU)，特別適合Viterbi等算法；40bit桶型移位寄存器；片上雙存取RAM，每機器周期可存取兩次；片上單存取RAM，可同時訪問兩塊片上存儲區；片上外圍接口，包括串口、定時器、PLL、HPI接口等。
　　TMS320C542自身特點如下：
　　·25ns單周期定點指令執行時間，5V供電
　　·10K Words(16bit)片上雙存取RAM
　　·64K Words程序，64K Words數據，64K Words I/O存儲空間
　　·2K Words HPI接口，可通過此接口方便地與主設備進行信息交換，主設備也可通過此接口下載DSP程序
　　·一個自動緩沖的串口和一個TDM串口，且都可用作標準同步串口
　　此外，C5000系列DSP可使用JTAG接口進行調試，可完全控制DSP上的所有資源，使用方便可靠。
2 系統結構

　　由TMS320C542構成的數據采集處理系統的結構如圖2所示，以DSP為中心，帶有64K程序RAM，64K數據RAM，并通過16K×16的FIFO將數據送到DA，16K×16的FIFO將AD采集的數據送到DSP。與主機通過HPI接口進行數據交換。對SRAM、FIFO、AD、DA的控制，DSP所需各種狀態信息的獲取，以及與主機的其它一些聯系，都通過CPLDA和CPLDB來實現。
　　C5000系列DSP關鍵的外部接口信號如下：
　　·A0～A15，地址總線
　　·D0～D15，數據總線
　　·/MSTRB，外部存儲器存取閘
　　·/IOSTRB，I/O存取閘
　　·R/W，讀寫信號
　　·/PS，程序空間選擇
　　·/DS，數據空間選擇
　　·/IS，I/O空間選擇
　　·READY，數據準備好
　　此外，還有/HOLD、/HOLDA等，本系統未用。
2.1 存儲器控制
　　程序存儲器和數據存儲器各使用一片64K×16的SRAM，為了使DSP對外存的操作盡量快，其速度等級為12ns。使用/PS作程序存儲器的片選，/DS作數據存儲器的片選，而兩片存儲器的讀寫信號如下：
　　/OE＝not(not(/MSTRB) and not(R/W))
　　/WR＝not(not(/MSTRB) and R/W)
　　出于高速的需要，采用了Xilinx公司的XC9536生成邏輯(CPLDA)。XC9536管腳至管腳的延遲為5ns，內部有36個宏單元，可用管腳34個，可在線編程，使用起來有很多優點。通過這些措施，系統可零等待地存取程序和數據RAM，也就是說，存儲器讀可達40M×16bit，寫可達20M×16bit。
2.2 FIFO控制
　　用于DAFIFO的寫和ADFIFO的讀都由CPLDA產生，其邏輯方程為：
　　/ADFIFOR＝not(not(/IOSTRB) and not(R/W) and ADDR0x0)
　　/DAFIFOW＝not(not/IOSTRB) and R/W and ADDR0x0)
　　其中，ADDR0X0指DSP的A15～A13為零。
　　DIFIFO由兩片容量16K×9bit、速度10ns的FIFO構成，ADFIFO亦如此。由于控制信號的低延遲和FIFO的高速，對FIFO的存取也達到了零等待，即：使用RPT或RPTZ指令時，可達20M×16bit/s。
2.3 A/D和D/A控制
　　A/D轉換器負責將外部模擬信號變換成DSP可處理的數字量，是DSP進行處理的基礎，在系統中具有十分重要的地位，采用的是10M采樣率、12bit分辨率的AD9220，如果需要，可在不改板的情況下換成20M或40M采樣率的A/D。而D/A則將DSP生成的數字信號變成模擬量，完成信號的輸出或對系統其他部分的控制，采用了100M速度的AD9762。A/D和D/A的控制信號如下：
　　·ADCLK和DACLK，分別是A/D轉換器和D/A轉換器的時鐘
　　·ADFIFOW，將A/D轉換的數據寫入ADFIFO
　　·DAFIFOR，從DAFIFO讀出數據以供D/A轉換
　　·DAFIFOMR和DAFIFORT，用于DAFIFO的清零和重傳
　　·ADFIFOMR和ADFIFORT，用于ADFIFO的清零和重傳
　　此六個信號都由CPLDB產生，CPLDB采用的是Xilinx公司的XC95108，速度為10ns，有108個宏單元，可在線編程，因而有較高的靈活性。使用24MHz的晶振為CPLDB提供時鐘，由DSP通過I/O口向CPLDB寫入數據以控制ADCLK和DACLK的開關和頻率，并以I/O寫的方式產生FIFO的清零和重傳信號。
2.4 CPLDA和CPLDB的應用
　　由以上介紹可以看出，整個系統的邏輯都由CPLDA和CPLDB產生。此外，它還有以下功能：
　　·FIFO的所有狀態信號，系統外部送入的各種控制和狀態信號，都送入了CPLDB，可由DSP通過I/O方式讀取
　　·DSP的四個外部中斷、NMI中斷都連至CPLDB，可通過I/O口實時控制哪個信號接入哪個中斷，具有較大的靈活性
　　·DSP的通用I/O管腳BIO和XF連至CPLDA，可以查詢方式快速響應外部信號
　　·主機對DSP的復位和其它一些特征的控制，對DSP的某些信息的讀取
　　·DSP對其它一些外圍電路的控制
　　由于在硬件設計時，對實際應用的要求并不能完全了解，因此需要使系統有足夠的冗余和靈活性，使用CPLD可以達到這一要求。通過將可能需要的各種控制和狀態信號引入CPLD，并利用CPLD的大容量和現場可編程性，可根據不同的要求進行現場修改，從而使系統設計的成功率更大，并且有很大的靈活性。
　　系統中使用了兩片CPLD，而沒有用一片大容量的CPLD代替，是出于系統性能的考慮。因為存儲器和FIFO的讀寫信號需要較低的延遲才可滿足零等待的要求，而大容量的CPLD延遲大且價格高，因而用XC9536滿足系統對速度的要求，而用XC95108滿足系統復雜邏輯對容量的要求。
2.5 HPI接口
　　DSP可使用HPI(Host Port Interface)接口方便地與主設備或主處理器交換數據，而幾乎不需增加額外的器件。對40MHz主頻的320C542而言，通信速度最快可達64Mbps。而且C5000系列DSP通過某種連線方式，可利用HPI接口下載程序，從而使系統具有更大的靈活性。HPI接口的框圖如圖3所示，有HPIA(HPI地址寄存器)、HPID(數據寄存器)、HPIC(控制寄存器)三個16bit寄存器，主設備就是通過這些專用寄存器與HPI通信。在C542的10K內部RAM中，有2K字屬于HPI存儲塊。系統框圖如圖4所示，HD0～HD7是8位數據線，直接連到主設備的數據線上；為片選信號；和為數據鎖存信號，在主設備的存取周期控制數據的傳輸，一般連至主設備的數據選通；HR/決定當前操作是讀還是寫，可根據主設備的具體情況決定與何種信號相連；HCNTL0/1用于主設備選擇存取HPI的哪一個寄存器和對寄存器的存取類型，連至主設備的地址線；由于HPI寄存器是16位，而HPI與主設備僅以8位數據線相連，因而用HBIL決定當前存取的是一個字的第一還是第二字節，連至主設備的地址線。

　　對HPI進行操作，首先要將控制字寫入HPIC，然后將要存取的地址寫入HPIA，最后存取HPID，就可從HPI存儲塊讀數或將數據寫入HPI存儲塊。此外，還可選擇HPIA自動增加方式，將初始地址寫入HPIA后，可不再操作HPIA，每存取一次數據，地址都會自動加一，因而大大加快了存取速度。
　　在本系統中，主設備是AMD186構成的嵌入式系統，AMD與HPI的連接如圖5所示。由以上介紹可以看出，使用HPI也可與PC機的ISA總線方便地連接，用PC機作為主設備，通過PC機向DSP下載程序完成各種功能。

　　要使用HPI下載程序，只需在DSP復位時將程序通過HPI接口寫入HPI存儲塊從0X1000開始的存儲區，并在上電復位后的一段時間將HINT管腳的信號引至INT2管腳，DSP在Boot程序中檢測到后，就會自動跳轉至0X1000處開始執行。
3 系統工作流程及設計注意事項
　　系統通過實際測試，運行速度為40MIPS，程序和數據存儲器、所有I/O口都能全速運行，工作穩定可靠。其工作流程如下：
　　(1)根據要求編寫DSP程序并調試通過。
　　(2)復位DSP，并由主設備通過HPI接口向DSP下載程序。
　　(3)復位信號失效，DSP在主設備的控制下開始工作。
　　由于系統工作于較高的頻率下(CPU為40MHz，外圍設備一般為20MHz，最高為40MHz)，因而在系統設計中，必須注意高頻影響。
　　首先，系統要盡量簡單，要選擇大容量、表面封裝的元器件，以使元件數量少、體積小，降低信號反射并有利于布線。
　　其次，在設計PCB板時，要采用四層板，中間兩層作電源和地，并多加一些去耦電容。布線時不可用90度的拐彎，過孔要盡量少。數據和地址最好成組布線，以降低對其它信號的影響。一些關鍵的控制線，如存儲器讀寫信號和FIFO讀寫信號，最好在其兩邊加地線保護。特別是FIFO的讀寫信號，由于其對干擾特別敏感，要特別注意。對一些較長的引線，可串接一個30Ω的小電阻或加終端匹配以減小反射。
4 C5000系列DSP的軟件編程和調試
　　C5000系列DSP的編程工具，有C語言和匯編語言兩種，而匯編語言又有兩種指令集，一種叫記憶指令集(Mnemonic Instruction Set)，類似8086的匯編語言；一種叫代數指令集(Algebraic Instruction Set)，類似于C語言，使用起來比記憶指令集方便很多。
　　實際應用中，一般都是C和匯編混合編程，混合編程的方法，可查閱C5000系列DSP的手冊得到。TI公司還提供了一個運行庫(Runtime Lib)，用TI公司的JTAG調試器進行調試時，在DSP程序中調用運行庫的函數，可以打開PC機上的文件獲取數據，或將DSP的數據傳入PC機并存入文件，或通過PC機鍵盤向DSP傳遞信息和發送命令，總之，可以為調試帶來極大的方便。
　　在本系統中，由于既有A/D，又有D/A，構成了一個閉環，自發自收。可以由D/A生成模擬波形，由A/D實時采集，由DSP處理，對算法的設計和調試可帶來很大的幫助。
參考文獻
1 TMS320C54X DSP User＇s Guide.TI公司，1994
2 TMS320C54X DSP Reference Set.TI公司，1994