HPI接口在腦電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

　　1 引 言

　　TMS320VC5402是TI公司的一種16位數(shù)字信號(hào)處理器，以其獨(dú)有的低功耗和高性?xún)r(jià)比,受到用戶(hù)的歡迎。C54x操作靈活及運(yùn)行速度高；使用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專(zhuān)用硬件邏輯的CPU、片內(nèi)存儲(chǔ)器和外設(shè)接口，以及高度專(zhuān)業(yè)化的指令集。而且, C54系列DSP與主機(jī)連接通過(guò)HPI(Host Port Interface)接口，以邏輯電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、不需要額外的存儲(chǔ)器和程序更新方便優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用靈活多樣的引導(dǎo)加載模式以實(shí)現(xiàn)接口和處理功能開(kāi)發(fā)。

　　HPI口是C54x DSP系列芯片內(nèi)部的并行接口部件,用于與其他總線(xiàn)或CPU主機(jī)之間進(jìn)行連接通信，主機(jī)是HPI口的主控者,通過(guò)專(zhuān)用地址和數(shù)據(jù)寄存器、HPI控制寄存器以及外部數(shù)據(jù)和接口控制信號(hào)與HPI口通信。

　　本文基于對(duì)一個(gè)腦電信號(hào)采集系統(tǒng)中數(shù)字處理電路部分的研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了TMS320VC5402應(yīng)用程序的HPI自舉加載，HPI方式通信，詳細(xì)介紹了調(diào)試方法與過(guò)程，對(duì)開(kāi)發(fā)

　　基于DSP處理芯片的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)有很大的參考價(jià)值。

　　2 系統(tǒng)介紹

　　腦電信號(hào)(ＥＥＧ)是一種比較特殊的微弱信號(hào)。它是由腦神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生并且始終存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自發(fā)性電位活動(dòng)，含有豐富的大腦活動(dòng)信息。腦電信號(hào)的采集處理對(duì)于生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)研究具有重要意義，可以為臨床手術(shù)中的麻醉鎮(zhèn)靜監(jiān)護(hù)分析提供必要的數(shù)據(jù)。腦電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要功能是將人腦部的生物電信號(hào)通過(guò)腦電極提取出來(lái)，經(jīng)過(guò)放大處理，傳輸至上位機(jī)顯示并存儲(chǔ)。本文所研究的數(shù)字腦電采集系統(tǒng)就是基于DSP 芯片VC5402 處理能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)的應(yīng)用。由系統(tǒng)模擬部分對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行放大和預(yù)處理，經(jīng)過(guò)A/D 變換后送往數(shù)字處理部分。數(shù)字處理部分由DSP 芯片和USB 等芯片構(gòu)成，由DSP 控制實(shí)現(xiàn)對(duì)腦電數(shù)字信號(hào)的采集與處理，并完成DSP 與USB 芯片的通信，最后通過(guò)USB總線(xiàn)將數(shù)據(jù)送往上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示與儲(chǔ)存。

　　系統(tǒng)的核心為T(mén)MS320VC5402，有三個(gè)功能：首先，控制整個(gè)系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換并設(shè)置各種模擬部分的參數(shù)；其次，對(duì)A/D變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算法處理，包括信號(hào)濾波與分析等，也是高性能腦電數(shù)字信號(hào)采集器的重點(diǎn)；最后完成數(shù)據(jù)接口功能，把數(shù)據(jù)按一定的格式打包，通過(guò)高速的HPI總線(xiàn)把數(shù)據(jù)交給USB接口芯片并送往PC機(jī)。圖（1）為整個(gè)方案的原理圖，其中虛線(xiàn)部分為調(diào)試過(guò)程示意圖。調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境KEIL C51和CCS 5000系統(tǒng)，可視化的調(diào)試過(guò)程有利于整個(gè)方案的后期調(diào)試。

　　圖 1 系統(tǒng)方框圖

　　3 透明式USB通信設(shè)計(jì)

　　VC5402 自身提供了標(biāo)準(zhǔn)的串行口， 時(shí)分復(fù)用(TDM) 串行口和自動(dòng)緩沖串行口BSP(Auto-Buffered Serial Port)，這些接口必須通過(guò)PC 機(jī)的串口與PC 機(jī)進(jìn)行通信，而PC 機(jī)的串口無(wú)法滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù)采集對(duì)速度的要求。本文采用CY7C68013A 芯片通過(guò)HPI(HostPort Interface)接口和DSP 芯片TMS320VC5402 相連，再由CY7C68013A 通過(guò)USB2.0 將數(shù)據(jù)傳送到PC 機(jī)上，方便滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)傳輸速度的要求。

　　3.1 硬件

　　CY7C68013A芯片有56腳SSOP，56腳QFN，100腳TQFP以及128腳TQFP四種封裝形式。引腳少的芯片占用PCB面積小，價(jià)格低，功能基本滿(mǎn)足需要。但在開(kāi)發(fā)階段，選取100腳TQFP封裝形式以支持在線(xiàn)調(diào)試，可以節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。實(shí)際生產(chǎn)階段，可以采用56腳封裝芯片來(lái)做實(shí)際電路應(yīng)用。

　　3.2 開(kāi)發(fā)工具

　　本文選用Keil uVision3作為USB接口芯片固件程序的開(kāi)發(fā)工具能提高開(kāi)發(fā)效果。KeiluVision3是一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，擁有C51編譯器、A51匯編器以及BL連接定位器等工具和模擬仿真與調(diào)試器。它能夠支持C程序和匯編程序混合的編程工作，對(duì)軟件的開(kāi)發(fā)便利。

　　3.3 固件開(kāi)發(fā)與調(diào)試過(guò)程

　　在編寫(xiě)固件程序時(shí)需要用到大量的函數(shù)，可以應(yīng)用CY7C68013A芯片的開(kāi)發(fā)工具包。該開(kāi)發(fā)包提供了開(kāi)發(fā)所需的固件框架程序以及一些例程，以簡(jiǎn)化其固件開(kāi)發(fā)過(guò)程。在Cypress C51固件框架程序下的主要工作有：

　　1、修改設(shè)備描述符表： USB 設(shè)備與主機(jī)建立通信前須先向主機(jī)提供具體配置，包括設(shè)備的廠(chǎng)商、產(chǎn)品識(shí)別號(hào)(VID，PID)，設(shè)備的供電方式以及能量消耗等系列信息。而有關(guān)設(shè)備的信息是通過(guò)設(shè)備描述符表提供給主機(jī)的，從而決定主機(jī)使用哪一個(gè)USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)和采用哪種方式建立與設(shè)備之間的連接。

　　2、CY7C68013A有可編程接口GPIF?？删幊探涌贕PIF是主機(jī)方式，可以由軟件編寫(xiě)讀寫(xiě)控制時(shí)序，幾乎可以和所有8/16 bit接口的控制器、存儲(chǔ)器和總線(xiàn)進(jìn)行無(wú)縫連接。在調(diào)試過(guò)程中，把CY7C68013A芯片的串口接到PC機(jī)的串口上，無(wú)需仿真器就能完成在線(xiàn)仿真工作。利用CYPRESS提供開(kāi)發(fā)工具包的Monitor程序，能對(duì)應(yīng)用程序?qū)嵤﹩尾竭\(yùn)行、斷點(diǎn)設(shè)置和變量查看等調(diào)試工作，既降低了固件程序的開(kāi)發(fā)難度，又加速了USB系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程。

　　4 DSP部分設(shè)計(jì)

　　4.1 HPI方式自舉加載

　　VC5402片內(nèi)ROM 固化有TI公司的自舉引導(dǎo)程序Bootloader，在上電復(fù)位時(shí)把用戶(hù)代碼從外部存儲(chǔ)器引導(dǎo)到片內(nèi)RAM 并運(yùn)行。VC5402支持多種引導(dǎo)方式，如HPI引導(dǎo)、并行EPROM引導(dǎo)、并行I／O引導(dǎo)、串行口引導(dǎo)等。DSP采用哪種引導(dǎo)模式取決于硬件設(shè)計(jì)。VC5402上電復(fù)位后，先檢測(cè)MP／MC引腳，如果MP／MC=“0”，表示使用片內(nèi)ROM引導(dǎo)。此時(shí)，DSP從0xFF80處開(kāi)始執(zhí)行TI的片內(nèi)引導(dǎo)程序。進(jìn)入引導(dǎo)程序后，首先HINT引腳變?yōu)榈碗娖剑缓箝_(kāi)始檢測(cè)INT2是否為低電平(有效)。若INT2為低電平，則進(jìn)入HPI引導(dǎo)方式；否則，檢測(cè)其它引導(dǎo)方式是否有效。在硬件連接上，為了使VC5402復(fù)位后進(jìn)入HPI啟動(dòng)方式，直接使INT2接到HINT引腳上，使HPIENA引腳接高電平。對(duì)HPI接口的操作主要通過(guò)以下三個(gè)寄存器來(lái)完成：HPI地址寄存器（HPIA）、數(shù)據(jù)鎖存器（HPID）和控制寄存器（HPIC）。如當(dāng)前進(jìn)行的是讀操作，則HPID中存放的是要從HPI存儲(chǔ)器中讀出的數(shù)據(jù)；如果當(dāng)前進(jìn)行的是寫(xiě)操作，則HPID存放的是要寫(xiě)到HPI存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。

　　4.2 軟件部分設(shè)計(jì)

　　CCS(Code Composer Studio)是TI開(kāi)發(fā)的一個(gè)DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。其集成了常規(guī)的開(kāi)發(fā)工具，如源程序編輯器、代碼生成工具（編譯器，連接器）以及調(diào)試環(huán)境等。CCS的編譯器和鏈接器生成COFF格式文件，用HEX轉(zhuǎn)化程序hex500.exe將COFF格式代碼轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的ASCII十六進(jìn)制格式TI Tagged，支持16位地址。轉(zhuǎn)換而成的Hex文件為ASCII碼形式的，不能用于HPI自舉，需將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制(Bin)格式。

　　4.3 用戶(hù)代碼下載(HPI)

　　由于Intel的HEX代碼格式是分段的，本文編寫(xiě)的代碼段，是將一個(gè)Intel 的HEX代碼段通過(guò)HPI接口寫(xiě)入DSP RAM中。下面代碼段為HPI加載子程序，count為要寫(xiě)入代碼的長(zhǎng)度，addrESS為起始地址，EP2FIFOBUF是指向HEX代碼段的指針，HPI_WriteA子程序功能是寫(xiě)HPI地址寄存器，HPI_WriteD2完成部分程序的寫(xiě)入。代碼如下：

　　4.4 寫(xiě)入DSP入口地址并運(yùn)行

　　在TMS320VC5402進(jìn)入HPI啟動(dòng)模式后，它將一直檢查0X007F這個(gè)地址是否為0，如不為0，則跳轉(zhuǎn)到0X007F指向的地址處執(zhí)行代碼。在將DSP的代碼寫(xiě)入之后，只需將程序的入口地址寫(xiě)入0X007F這個(gè)地址，DSP將自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到入口執(zhí)行程序。程序的入口地址可以在CCS生成的.map文件中看到，其格式如：ENTRY POINT SYMBOL: "_c_int00" address: 000020be。

　　由于調(diào)用的是HPI_WriteD2()函數(shù)寫(xiě)數(shù)據(jù)，而HPI_WriteD2()在寫(xiě)數(shù)據(jù)之前，會(huì)自動(dòng)將地址+1，所以在調(diào)用之前寫(xiě)入地址時(shí)，調(diào)用的是HPI_WriteA(0x007E)，這樣，最后調(diào)用HPI_WriteD2(m_dat)時(shí)，地址會(huì)自動(dòng)指向0X007F。

　　4.5 觀(guān)察寫(xiě)入代碼

　　TMS320VC5402 在仿真時(shí)候其HPI接口也是正常工作的，這就方便了對(duì)HPI啟動(dòng)方式的調(diào)試。首先把5402連接到仿真器上，然后打開(kāi)CCS5000集成環(huán)境。此時(shí)可以利用CCS5000的MemoryView來(lái)觀(guān)察5402的內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)。調(diào)試中，先通過(guò)HPI接口把DSP的代碼下載進(jìn)去，再通過(guò)CCS5000集成環(huán)境觀(guān)察，同時(shí)用UltraEdit十六進(jìn)制編輯器打開(kāi)由HEX500.EXE生成的.HEX文件。由于兩者都是以ASCII碼形式顯示，可以直觀(guān)地比較各個(gè)地址空間中的代碼是否完全相同以及下載的代碼是否完全正確。

　　4.6 整體方案測(cè)試效果

　　上述的各個(gè)模塊調(diào)試通過(guò)后，又編寫(xiě)了上位機(jī)應(yīng)用程序。上位機(jī)應(yīng)用程序功能包括：建立USB 通信、加載DSP 代碼、讀取DSP 代碼、寫(xiě)入口地址、數(shù)據(jù)采集與保存等功能。在把各個(gè)?？爝B接之后，用控制臺(tái)通過(guò)HPI 接口加載DSP 代碼5402 Code.i00，并寫(xiě)入程序入口地址0x20BE，啟動(dòng)下位機(jī)進(jìn)入采集過(guò)程。圖2 為上位機(jī)控制臺(tái)應(yīng)用程序截圖。

　　圖2 應(yīng)用程序截圖

　　5 結(jié) 論

　　利用 C54x 的HPI 接口在腦電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可用于自發(fā)腦電信號(hào)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的高速采集。如從DSP 的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，利用DSP 的HPI 加載方式和JTAG 調(diào)試相結(jié)合的開(kāi)發(fā)模式，可以在線(xiàn)調(diào)試該電路板的制作，自行編制相應(yīng)的主機(jī)軟件，設(shè)計(jì)DSP KERNEI和HPI 接口邏輯，還可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)基于HPI 自舉和通信的DSP 應(yīng)用設(shè)計(jì)方案。這樣做可以縮短開(kāi)發(fā)周期，且硬件資源透明。該透明化開(kāi)發(fā)過(guò)程更利于學(xué)習(xí)者理解和掌握DSP 的軟硬件原理。該方案還可以從腦電采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)推廣到其它領(lǐng)域。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn):在于將USB接口芯片CY7C68013A（100引腳）的在線(xiàn)仿真和DSP芯片TMS320VC5402的JTAG仿真結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)VC5402基于USB2.0和HPI自舉加載的腦電采集系統(tǒng)。通過(guò)CCS5000集成環(huán)境，能即刻查看DSP內(nèi)部HPI加載代碼，使該方案設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)直觀(guān)地調(diào)試并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。該方案還可以從腦電采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面推廣到其它領(lǐng)域。