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1引言 隨著(zhù)智能儀器及控制系統對實(shí)時(shí)性信號處理的要求不斷提高和大規模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展。越來(lái)越迫切的要求有一種高性能的設計方案與之相適應，將DSP技術(shù)和ARM技術(shù)結合起來(lái)應用于嵌入式系統中，將會(huì )充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢以達到智能控制系統中對數據的實(shí)時(shí)性、高效性的通信要求。該嵌入式系統要求實(shí)時(shí)響應，具有嚴格的時(shí)序性。其工作環(huán)境可能非常惡劣，如高溫、低溫、潮濕等，所以系統還要求非常高的穩定性。 2嵌入式系統的總體設計 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強大的信號處理功能，實(shí)現高效性、實(shí)時(shí)性的信號處理及網(wǎng)絡(luò )通信功能。 EP7312是專(zhuān)為高性能、超低功耗產(chǎn)品而設計的微處理器，采用ARM7TDMI處理器內核，具有8kB高速緩沖存儲器，支持存儲器管理單元，片內集成了液晶顯示器控制器，鍵盤(pán)掃描器，數字音頻接口，完全的JTAG等功能，廣泛地應用于嵌入式領(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HPI（主機接口）。選擇這樣的SOC（片上系統）作為該系統的核心器件，使得其穩定可靠并具有廣泛的擴展功能。 2.2系統總體設計及工作原理 系統總體設計框圖如圖1所示。本系統主要是實(shí)現信號的實(shí)時(shí)性處理及傳輸，滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)及各種測量?jì)x器的高可靠性要求。ARM有豐富的片上資源，適合嵌入式系統的開(kāi)發(fā)，在該嵌入式系統中，ARM主要負責操作系統的運行、任務(wù)管理和協(xié)調以及DSP的控制任務(wù)，完成數據的遠程通信。擴展了外部擴展了多種外設，如通用串口、LCD顯示屏，以太網(wǎng)接口。通過(guò)連接以太網(wǎng)控制器實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化功能。在A(yíng)RM中移植了Linux操作系統和實(shí)現了系統外部硬件接口的驅動(dòng)程序。由DSP執行計算密集型操作，實(shí)現多種信號處理算法，然后將處理后的數字信號通過(guò)主機口接口（HPI）與ARM通信。再由ARM通過(guò)以太網(wǎng)控制器將數據傳輸到網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了遠程控制與監測。 
圖1 系統總體硬件框圖 3系統硬件具體設計方案 3.1ARM與DSP的接口設計 EP7312和TMS320VC5402連接的接口電路如圖2所示。VC5402通過(guò)HPI與ARM進(jìn)行連接。ARM先向DSP寫(xiě)入控制字，設置工作模式，然后將訪(fǎng)問(wèn)地址寫(xiě)入地址寄存器（HPIA），再對數據鎖存器（HPID）進(jìn)行讀寫(xiě)，即可讀出和寫(xiě)入指定的存儲單元。主機由兩根地址線(xiàn)A2、A1可以尋址到HPI接口的所有控制寄存器、地址寄存器和數據寄存器；由HBIL、HCNTL1、HCNTL0區分16位數據的高、低字節。當向HBIL=0的地址寫(xiě)入數據時(shí)，表示是第一個(gè)字節，向HBIL=1的地址寫(xiě)入數據表示第二個(gè)字節。尋址過(guò)程中HCS要為低電平。
圖2 EP7312與TMS320VC5402的連接 DSP的HPI接口片選信號使用EP7312擴展片選信號nCS4，HPI各個(gè)特殊功能寄存器的映射地址如下： #defineHPIC0*(volatileunsignedchar*)0x40000000 #defineHPIC1*(volatileunsignedchar*)0x40000001 #defineHPIA0*(volatileunsignedchar*)0x40000004 #defineHPIA1*(volatileunsignedchar*)0x40000005 #defineHPID0*(volatileunsignedchar*)0x40000006 #defineHPID1*(volatileunsignedchar*)0x40000007 設置好DSP的狀態(tài)后，DSP向ARM發(fā)送中斷，通知ARM已將數據準備好，等待ARM發(fā)中斷，DSP在中斷中對接收的數據進(jìn)行處理。ARM在初始化后，等待DSP發(fā)送中斷通知ARM數據已經(jīng)準備好。ARM在檢測到中斷后，先判斷中斷是否有效，再從HPI口讀寫(xiě)數據，在完成向HPI口發(fā)送數據后，向DSP發(fā)送中斷通知DSP接收數據。ARM通過(guò)控制端口信號模擬接口時(shí)序，來(lái)完成對HPI口寄存器的訪(fǎng)問(wèn)。由于DSP在BOOT過(guò)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，并且在數據交互之前要設置控制寄存器中的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(lái)完成。 3.2ARM與以太網(wǎng)控制器之間的通信設計 系統平臺實(shí)現了以太網(wǎng)接口。提供了以太網(wǎng)芯片的驅動(dòng)，支持網(wǎng)絡(luò )功能。以太網(wǎng)控制芯片的數據、地址和控制信號與EP7312的總線(xiàn)相連，如圖3所示。片選信號使用EP7312的擴展片選信號nCS2。
圖3以太網(wǎng)接口原理圖 RTL8019默認的I/O基地址是300H，用到的地址空間為300H～3FFH，因此使用到EP7312的低4位地址線(xiàn)，將RTL8019上的SA19～SA10和SA7～SA5接為地，SA9、SA8接為VCC。RTL8019AS使用的是16位數據總線(xiàn)方式，因此，將RTL8019上的IOCS16B引腳通過(guò)10K的上拉電阻接為VCC；通過(guò)IO模式讀寫(xiě)以太網(wǎng)控制器，所以SMEMRB和SMEMWB引腳通過(guò)上拉電阻接為VCC。 當EP7312向網(wǎng)上發(fā)送數據時(shí)，先將一幀數據通過(guò)遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區，然后發(fā)出傳送命令；當RTL8019AS完成了上一幀的發(fā)送后，再開(kāi)始此幀的發(fā)送。RTL8019AS接收到的數據通過(guò)MAC比較、CRC校驗后，由FIFO存到接收緩沖區；收滿(mǎn)一幀后，以中斷的方式通知EP7312。FIFO邏輯對收發(fā)數據作16字節的緩沖，以減少對本地DMA請求的頻率。 以太網(wǎng)控制器有兩個(gè)指針寄存器來(lái)控制緩沖區的存儲過(guò)程，當前頁(yè)面指針curr和邊界指針bnry。curr指向新接收到幀的起始頁(yè)面，即接收緩沖環(huán)的寫(xiě)頁(yè)面指針；bnry指向讀過(guò)的最后一個(gè)頁(yè)面，即接收緩沖環(huán)讀頁(yè)面指針。自定義指針next_page，表示存儲分組緩沖區的邊界，初始值為next_page=bnry，讀取一頁(yè)數據后由軟件執行bnry加1，curr自動(dòng)加1。curr不等于bnry時(shí)，表示有新的數據包在緩沖區中，讀取一包的前四個(gè)字節，前四個(gè)字節并不是以太網(wǎng)數據包的內容。分別表示數據包存放的頁(yè)地址和已接收的數據的字節數。如果curr=0，表示讀取出錯，返回null。如果bnry>0x7f，則bnry=0x4c。 4嵌入式系統軟件設計 4.1BootLoader的設計 該嵌入式系統引入了Linux操作系統，可以給系統下的任務(wù)提供調度機制，簡(jiǎn)化任務(wù)中的需求操作，當需求變化時(shí)只需要改變任務(wù)內容，然后重新和操作系統發(fā)布即可。 本系統中EP7312采用的是外部啟動(dòng)方式，也就是從CS[0]片選的外部NORFLASH啟動(dòng)，系統啟動(dòng)后，執行啟動(dòng)代碼，即初始化CPU、內存控制器以及片上設備，然后配置存儲映射。啟動(dòng)代碼隨后執行一個(gè)引導裝載程序bootloader，將內核從FLASH中解壓到SRAM中，然后跳轉到內核的第一條指令處執行，內核運行。 bootloader完成從硬件啟動(dòng)到操作系統啟動(dòng)的過(guò)渡，用于初始化硬件和啟動(dòng)操作系統。在內核運行之前需要bootloader作為系統驅動(dòng)程序完成加載內核和一些輔助性的工作，然后跳轉到內核代碼的起始地址并執行。對于該系統來(lái)說(shuō)選擇EP7211所使用的bootloader—Shoehorn，然后做一些改動(dòng)。如調整系統各個(gè)寄存器的地址值；設定SDRAM控制器；調整UART1的波特率等。Shoehorn代碼分為host端和target端兩部分，一部分由eth.c、serial.c、shoehorn.c和util.c組成，由這些文件編譯生成host端的可執行文件shoehorn；另一部分由ini.s和loader.c組成，編譯生成一個(gè)小于2KB的文件loader.bin,這個(gè)二進(jìn)制文件會(huì )被下載到target端的SRAM中用來(lái)引導系統的啟動(dòng)。通過(guò)一系列的主機與開(kāi)發(fā)板之間的握手通信、下載程序的方式使得代碼相對分散，減小開(kāi)發(fā)板上起始代碼的大小，以滿(mǎn)足目標板上下載代碼的限制。 4.2內核的配置 該嵌入式系統選擇了較成熟穩定的Linux-2.4.13版本內核。為了避免修改內核定制代碼 時(shí)造成代碼的不穩定和失去代碼的靈活性，可以通過(guò)選擇合適的版本內核，修改該配置文件，裁剪不必要的功能，再編譯出符合新配置的內核，得到既滿(mǎn)足應用功能要求同時(shí)體積又小的內核，產(chǎn)生一個(gè)隱藏文件/usr/src/linux/.config。該文件記錄了對內核具體功能模塊的選擇和配置。 內核配置時(shí)，大部分的選項都可以使用缺省值，只有小部分需要根據需求選擇，將與內核關(guān)系比較近且經(jīng)常用到的功能代碼直接編譯進(jìn)內核；將不經(jīng)常用到的代碼編譯為可加載模塊，有利于減小內核的長(cháng)度，增加靈活性。 4.3驅動(dòng)程序的設計 在Linux操作系統中驅動(dòng)程序是操作系統內核與硬件設備直接的接口。驅動(dòng)程序屏蔽了硬件的細節。在應用程序看來(lái)硬件設備只是一個(gè)設備文件，應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進(jìn)行操作。 設備驅動(dòng)程序可以設計模塊化方式。不必編譯進(jìn)內核，而是被分別編譯并鏈接成一組目標文件，這些文件可以被載入正在運行的內核，或從正在運行的內核中卸載�？梢詼p少內核的長(cháng)度，具有很大的靈活性。 4.4DSP中信號處理算法的實(shí)現 多數傳感器對于溫度、濕度、電源的波動(dòng)等環(huán)境因素都存在著(zhù)交叉靈敏度，產(chǎn)生較大的誤差，測量精度和穩定性都受到一定的影響。在DSP中采用數據融合技術(shù)可以消除干擾，提高傳感器的測量精度。數據融合是通過(guò)組合，將傳感器數據之間進(jìn)行相關(guān)，以從輸出元素獲得更多的信息。保證在環(huán)境干擾變化很大的情況下也可以有較高的測量精度和穩定性。采用軟件方法對傳感器數據融合處理被證明是一種很好的方法。 該系統的網(wǎng)絡(luò )功能可以將多個(gè)功能相同或不同的嵌入式智能儀器連接在一起組成智能傳感器網(wǎng)絡(luò )。每個(gè)智能儀器節點(diǎn)都具有數據采集、數據處理和通信的功能。信息融合技術(shù)可以將來(lái)自多個(gè)傳感器的數據進(jìn)行多級別、多方面、多層次的處理，從而產(chǎn)生新的有意義的信息，而這種新信息是任何單一傳感器所無(wú)法獲得的準確度更高的表征客觀(guān)環(huán)境的信息。這種技術(shù)在傳感器網(wǎng)絡(luò )中有著(zhù)舉足輕重的作用。 5結束語(yǔ) 該嵌入式智能儀器系統的設計，為儀器儀表方便有效的接入以太網(wǎng)提供了很好的解決方案，實(shí)現了遠程控制和實(shí)時(shí)性的數據傳輸。由于采用并發(fā)多任務(wù)技術(shù)處理該嵌入式系統復雜的外部事件，以及控制軟件系統的復雜性，保證了系統的實(shí)時(shí)性能。該嵌入式系統的軟硬件配置精簡(jiǎn)，抗干擾能力符合環(huán)境要求；裝配結構便于檢修。這種嵌入式智能儀器系統的實(shí)現使嵌入式設計在數據處理及檢測控制領(lǐng)域里得到了很好的應用。 Source:互聯(lián)網(wǎng) |
