一种基于DSP的张力、深度、速度测量系统（2） 数据采集, 计算机, 处理器, 工控机, 嵌入式

yuyang911220

在一款嵌入式数据采集系统的设计中，采用TMS320VC5409 DSP作为对多路信号的采集与预处理，处理后的数据送至12.7 Cm(5in)的工控计算机中进行分析与保存。因为工控机的总线为PC104，因此需要设计PC104与DSP之间的通信接口。系统中以Altera公司的一片FPGA芯片EPlK50来对该接口和数据采集过程中的逻辑控制与FIFO进行设计。下面主要阐述该通信接口的设计。

1 DSP的HP0接口
TMS320VC5409 DSP的HPI是一个8位的并行接口，主要用来与主设备或主处理器接口。DSP内部有一定数量的双访问RAM，除了DSP本身可以访问该RAM区域外，主机也可以通过HPI口实现对双访问RAM的访问，从而实现主机与DSP的通信。

HPI接口通过HPI控制寄存器HPIC、地址寄存器HPIA、数据寄存器HPID等3个HPI寄存器进行控制和实现数据传输。这3个寄存器都是16位的，因此主机访问这些寄存器时需要分两次操作才能完成。

HPIC只有4位用于控制HPI的操作，这4位分别位于高字节和低字节的低4位，并规定HPIC的高低字节必须相同：
Bit0／8(BOB)一一用于字节顺序控制，BOB=1表示第1个字节为低字节，否则第1个字节为高字节；
Bitl／9(SMOD)一一访问模式控制，SMOD=l表示共享访问模式(SAM)，否则为主机访问模式(HOM)；
Bit2／10(DSPINT)一一主机通过将该位写l来向DSP发送1次HPI中断；
Bit3／11(H1NT)一一DSP通过向该位置l，使外部引脚HINT产生一个低电子作为给主机的中断，中断的清除必须由主机向该位写l来清除。

HPID是数据寄存器，主机通过读写该寄存器来实现对共享RAM的读写，RAM的地址则由HPIA地址寄存器的内容来决定。因此，主机对DSP的访问过程是，先往HPI地址寄存器HPIA写入欲访问的地址，然后再对数据寄存器HPID进行读或写访问。

HPI接口信号包括：
HAS一一输入，地址锁存信号，可连接到高电平；
HBIL一一输入，字节识别信号，用来识别传输的是高电平还是低电平；
HCNTL[1..0]一一输入，HPI寄存器的访问地址信号，主机用来选择访问的HPI寄存器。如表l所列；

HCS一一输入，HPI片选信号，低电平有效；
HD[7..0]一一双向三态数据总线；
HDS1/HDS2一一数据输入选通信号，可将其中一个接低电平，另一个接逻辑控制；
HINT一一输出，给主机的中断信号，由HPIC寄存器的HINT位控制；
HRDY一一输出，HPI准备好，高电子有效；
HR／W一一输入，读写控制信号，高电子表示主机进行读操作，低电子表示主机进行写操作。
HPI的访问时序如图l所示。如前所述，访问寄存器时需要分两次操作才能完成。


2 PC104总线
PC104总线是从ISA总线衍生而来的，主要是为了适应嵌入式系统的需要。在8.89 cm(3.5 in)和12.7cm(5in)工控主板中，大多使用PC104总线作为标准接口总线。PC104总线共有104根引脚，其中绝大多数与ISA总线信号特性完全一致，只有极个别的信号有区别，因此在应用中完全可以按ISA总线使用。PC104总线与ISA总线一样，是一个16位和8位同时兼容的总线。在本系统中，使用的是8位的方式，将DSP的HPI口作为PC104总线的8位I／O设备。PC104总线的I／O访问时序如图2和图3所示。





根据PC104总线的I／O访问时序，只需使用以下的总线信号，即可完成8位总线的通信设计：
SD[7．．0]一一PC104数据总线；
SA[9..0]一一PC104地址总线；
IOW一一PC104端口写控制，低电平有效，表示对I／0口写操作，由OUT指令执行；
IOR一PC104端口读控制，低电子有效，表示对I／O口读操作，由IN指令执行；
SYSCLK一一PC104总线时钟；
ALE一一地址锁存信号，在此不用作地址锁存，而是用作总线周期的开始同步，它的下降沿表示总线周期开始；
IOCHRDY一一I／0设备就绪信号，当将该电平为低(无效状态)时，表示I／0设备要延长总线周期，信号由三态门或集电极开路门驱动；
IRQ一一中断请求信号，当I／O设备需要向PC机通信或是采集的信号已经准备好后，向PC发起中断，申请通信，PC将数据读走。

3 接口设计
根据前面的分析，得出接口原理如图4所示。

图4中，FPGA为EPlK50。EPlK50内部拥有2880个逻辑单元，40 960位的RAM。在本系统中，不仅作为HPI和PC104的接口逻辑，还有其他功能，如FIFO、A／D控制等。

EP1K50的内核供电电压为2.5 V，I／O供电电压为3.3 V，可以直接与I／O供电电压也是3.3 V的TMS320VC5409 DSP相连．另外，EPIK50能承受-0.7~5.75V的输入电子，输出则与TTL电平兼容，因此EP1K50也可以直接与5 VTTL电平的PC104总线相连，从而在DSP和PC104总线之间起电平转换的作用，不需再使用其他的电子转换器件，简化了电路设计。

对于接口设计来说，最主要的就是时序设计。时序设计正确了，系统就能正确地工作。在综合了HPI的访问时序与PC104总线的读写时序后，得出以下设计方法：
①对于HPI寄存器的访问可以通过地址编码实现，偶地址对应寄存器的低字节，奇地址对应寄存器的高字节，如表2所列。

于是相应信号关系为：
HCNTL[1．．0]=SA[2．．1]
HBIL=SA[0]
当SA[9．．0]=0x350~0x357时，HCS=0，SA[9..0]
为其他值时，HCS=1。
②HD[7..O]和SD[7..0]设计成双向总线。
③HR／W的产生：当PCI04进行读操作时，HR／W=1；当PC104进行写操作时，HR／W=0。于是：
HR／W=0，当IOR=1且IOW=0时；
HR／W=1，当IOR=0且IOW=1时。
④在DSP上将HDS2直接接低电子，HDSl在HBIL为0和HBIL为1时，分别产生一个变化沿，用以选通数据。该信号的产生是接口设计成功的关键。在此使用PCI04总线的系统时钟信号SYSCLK来计数产生。详细过程可参见VHDL代码。
⑤PCI04总线的中断请求信号IRQ=HINT取非。因为PC104设置为上升沿中断。
⑥PC104总线的外部I／0准备好信号IORDY在地址选通有效过程中接HPI口的HRDY信号，地址选通无效时置为高阻态。

4 代码设计
代码包括接口设计的VHDL源码和验证的X86汇编语言代码，代码内容见本刊网站(WWW.dpj.com.cn)。VHDL代码在Altera公司的开发工具QuartusII下编译，经下载电缆下载到FPGA后，可在Debug中用汇编语言对DSP进行读写验证。

结 语
本文使用VHDL语言和FPGA，设计了PC104总线与DSP之间的接口。之所以使用FPGA，是因为在系统中FPGA还包含有其他的功能设计。如果只有PC104总线与DSP之间的接口设计，使用CPLD即可完成，而不必浪费FPGA的资源。