基于ARM和DSP的嵌入式智能儀器系統(tǒng)

1　引言
　　隨著智能儀器及控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性信號(hào)處理的要求不斷提高和大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展。越來越迫切的要求有一種高性能的設(shè)計(jì)方案與之相適應(yīng)，將DSP技術(shù)和ARM技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，將會(huì)充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)以達(dá)到智能控制系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、高效性的通信要求。該嵌入式系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)響應(yīng)，具有嚴(yán)格的時(shí)序性。其工作環(huán)境可能非常惡劣，如高溫、低溫、潮濕等，所以系統(tǒng)還要求非常高的穩(wěn)定性。
　　2　嵌入式系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
　　2.1　核心器件的主要功能
　　ARM和DSP分別選用Cirrus Logic公司的EP7312、TI公司的TMS320VC5402。充分利用ARM豐富的片上資源和DSP強(qiáng)大的信號(hào)處理功能，實(shí)現(xiàn)高效性、實(shí)時(shí)性的信號(hào)處理及網(wǎng)絡(luò)通信功能。
　　EP7312是專為高性能、超低功耗產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的微處理器，采用ARM7TDMI處理器內(nèi)核，具有8kB高速緩沖存儲(chǔ)器，支持存儲(chǔ)器管理單元，片內(nèi)集成了液晶顯示器控制器，鍵盤掃描器，數(shù)字音頻接口，完全的JTAG等功能，廣泛地應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域。TMS320C54xDSP提供了McBSPs（多通道緩沖串口）；6通道的DMA控制器；可以與外部處理器直接通信的8位增強(qiáng)HPI（主機(jī)接口）。選擇這樣的SOC（片上系統(tǒng)）作為該系統(tǒng)的核心器件，使得其穩(wěn)定可靠并具有廣泛的擴(kuò)展功能。
　　2.2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作原理
　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)性處理及傳輸，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)及各種測(cè)量?jī)x器的高可靠性要求。ARM有豐富的片上資源，適合嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，在該嵌入式系統(tǒng)中，ARM主要負(fù)責(zé)操作系統(tǒng)的運(yùn)行、任務(wù)管理和協(xié)調(diào)以及DSP的控制任務(wù)，完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信。擴(kuò)展了外部擴(kuò)展了多種外設(shè)，如通用串口、LCD顯示屏，以太網(wǎng)接口。通過連接以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化功能。在ARM中移植了Linux操作系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)外部硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序。由DSP執(zhí)行計(jì)算密集型操作，實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)處理算法，然后將處理后的數(shù)字信號(hào)通過主機(jī)口接口（HPI）與ARM通信。再由ARM通過以太網(wǎng)控制器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)。

圖1 系統(tǒng)總體硬件框圖

　　3　系統(tǒng)硬件具體設(shè)計(jì)方案
　　3.1　ARM與DSP的接口設(shè)計(jì)
　　EP7312和TMS320VC5402連接的接口電路如圖2所示。VC5402通過HPI與ARM進(jìn)行連接。ARM先向DSP寫入控制字，設(shè)置工作模式，然后將訪問地址寫入地址寄存器（HPIA），再對(duì)數(shù)據(jù)鎖存器（HPID）進(jìn)行讀寫，即可讀出和寫入指定的存儲(chǔ)單元。主機(jī)由兩根地址線A2、A1可以尋址到HPI接口的所有控制寄存器、地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器；由HBIL、HCNTL1、HCNTL0區(qū)分16位數(shù)據(jù)的高、低字節(jié)。當(dāng)向HBIL=0的地址寫入數(shù)據(jù)時(shí)，表示是第一個(gè)字節(jié)，向HBIL=1的地址寫入數(shù)據(jù)表示第二個(gè)字節(jié)。尋址過程中HCS要為低電平。

圖2 EP7312與TMS320VC5402的連接

　　DSP的HPI接口片選信號(hào)使用EP7312擴(kuò)展片選信號(hào)nCS4，HPI各個(gè)特殊功能寄存器的映射地址如下：
　　#define　HPIC0　*(volatile　unsigned　char*)0x40000000
　　#define　HPIC1　*(volatile　unsigned　char*)0x40000001
　　#define　HPIA0　*(volatile　unsigned　char*)0x40000004
　　#define　HPIA1　*(volatile　unsigned　char*)0x40000005
　　#define　HPID0　*(volatile　unsigned　char*)0x40000006
　　#define　HPID1　*(volatile　unsigned　char*)0x40000007
　　設(shè)置好DSP的狀態(tài)后，DSP向ARM發(fā)送中斷，通知ARM已將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，等待ARM發(fā)中斷，DSP在中斷中對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。ARM在初始化后，等待DSP發(fā)送中斷通知ARM數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好。ARM在檢測(cè)到中斷后，先判斷中斷是否有效，再?gòu)腍PI口讀寫數(shù)據(jù)，在完成向HPI口發(fā)送數(shù)據(jù)后，向DSP發(fā)送中斷通知DSP接收數(shù)據(jù)。ARM通過控制端口信號(hào)模擬接口時(shí)序，來完成對(duì)HPI口寄存器的訪問。由于DSP在BOOT過程中向ARM發(fā)送了中斷，所以ARM在初始化時(shí)要清除這個(gè)中斷，并且在數(shù)據(jù)交互之前要設(shè)置控制寄存器中的BOB位，指示高地址在前還是低地址在前。這一步在程序初始化時(shí)由ARM來完成。