智能A/D采样及参数辨识
DSP模板
SCP-9809使用说明书
北京世纪超拓科技发展有限公司
二零零二年二月
智能A/D采样及参数辨识DSP模板
SCP-9809使用说明书
一, 概述
智能A/D采样及参数辨识DSP模板SCT-9809是按照标准4U机箱高度
设计的欧式插针控制板,采用TMS320C32 DSP芯片为主CPU,集中断控制,
A/D采样,开入开出,RS232/RS485通讯,同步通讯,CANBUS多功能于一身,
可以完成高速模拟量采集与计算,自动控制,数据通讯等复杂工业控制任务.其
显著特点是:高速,多功能,智能化.
本智能控制模板采用的高性能TMS320C32PCM60的DSP芯片,DSP即数
字信号处理器(Digital Signal Processor), 是目前应用最广泛的技术之一.所谓
信号处理就是对信号进行分析,变换,综合,识别等加工处理,以达到有效提取
信息和便于利用的目的.其主要特点是高速,在DSP中专门设置了乘法累加器
结构,从硬件上实现了乘法器和累加器的并行工作,可在单指令周期内完成一次
乘法并对乘积求和运算.DSP还有其它许多特点如内部操作,采用了时间上重叠
的流水线结构,大大提高了运算速度;特别的DSP指令集等等.广泛应用于语
音,视频,通讯,汽车,机器人,工业自动控制领域.运用计算机要想对语音和
音视频这一类频带较宽的信号进行实时处理是不现实的,即使今天的500MHz
时钟的奔腾计算机要进行复杂的实时处理也很困难.而采用DSP则是最好的处
理方案.
二, DSP简介
当今世界上生产DSP的公司主要有TI公司,AD公司, AT&T公司,
MOTOROLA公司等.其中以TI公司和AD公司的产品系列较为全面,而TI公
司的DSP市场占有率更达到40%.
TI公司的DSP产品全部以TMS320系列命名.早期的产品包括
TMS320C1x/2x/3x/C5x/C8x等系列;现在TI公司主推的产品包括三种新的DSP
系列,它们是:TMS320C2000,TMS320C5000,TMS320C6000系列.在老的
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TI DSP系列中,浮点C3x还是TI公司的主流产品(本板即采用浮点C32),TI
公司还在对这个系列型号作性能改进和制造廉价型,如新近推出的3.3V C33芯
片,采用0.18 m制造工艺,有1M RAM,速度为120Mflops. C33与其它C3X
器件代码兼容,所以用户可以保护其软件环境,在他们换用新器件时还可以减少
开发时间.
DSP芯片和半导体存储器,微处理器虽都属于半导体器件(SC),实际上
前者与后两者根本不同.DSP芯片需要依靠最先进的集成电路设计能力和最精密
的制造工艺,但更需要让芯片变"活",变成有"思维"能力,所谓的"活"和"思维"
就是能按照完成某一特定任务编制最佳的"程序",由DSP按此程序运作.DSP
技术包括两部分:一是算法(arithmetic)这是心脏;二是DSP器件本身是驱
体.
DSP的编程远比电脑软件编程复杂得多,现在的情况是计算机软件人才易
得,DSP人才难求,DSP人才必须懂得"算法"和"编程" (计算机编程和DSP编
程).上海交大在DSP人才培养方面已探索出一套方法,并与TI公司联合为社
会培训DSP应用人才,以适应我国电子产业发展的需要.
为了满足FFT,卷积等数字信号处理的特殊要求,当前的DSP大多在指令
系统中设置了"循环寻址"(Circular addressing)及"位倒序"(bit-reversed)指令和其
他特殊指令,使得在作这些运算时寻址,排序及计算速度大大提高.单片DSP
作1024点复数FFT所得时间已降到微秒量级.
高速数据传输能力是DSP作高速实时处理的关键之一.新型的DSP大多设
置了单独的DMA总线及其控制器,在不影响或基本不影响DSP处理速度的情
况下,作并行的数据传送,传送速率可以达到每秒数百兆字节,主要受到片外存
储器速度的限制.
随着应用的日益广泛,DSP已经成为了许多高级设计不可或缺的组成部分.
其结果,使DSP厂商的投资集小于DSP体系结构,智能化程度更高的编译程序,
更好的查错工具,以及更多的支持软件.
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最明显的结构改进在于提高"并行性",即在一个指令周期内,DSP所能完成
的操作的数量.一个突出例子是德克萨斯仪器公司(T1)1997年推出的带有8个功
能单元,使用超长指令字(VLIW,Very Long Instruction Word)的
DSP TMS320C6x.这种32bit定点运算DSP在每个周期内可以完成8个操作,
其运算速度达到了每秒执行20亿条指令(2000MIPS);如果片外存储器能够支持,
其DMA的数据传输能力可以达到每秒800MByte.
尽管当前的DSP已达到较高的水平,但在一些实时性要求很高的场合,单
片DSP的处理和能力还不能满足要求.因而,多处理器系统就成为提高应用性
能的重要途径之一.许多算法,例如数字滤波,FFT,矩阵运算等,都包含有建
立和-积形式的数列,或者是对矩阵一类规则结构作有序处理.在许多情况下,都
可以将算法分解为若干级,用串行或并行来加快处理速度.因此,新型DSP的
发展方向,是在提高单片DSP性能的同时,十分注重在结构设计上为多处理器
的应用提供方便.例如,TI的TMS320C40,设置了6个8bit的通信口,既可以
作级联,也可以作并行连接.每个口都有DMA能力.这就是专门为多处理器应
用而设计的.
DSP系统设计和软件开发是一个重要而困难的问题,往往需要相当规模的仿
真调试系统,包括在线仿真器,许多电缆,逻辑分析仪以及其他的测试设备.在
多处理器系统中,这个问题尤为突出.为了方便用户的设计与调试,许多DSP
在片上设置了仿真模块或仿真调试接口.
TI在其TMS320系列芯片上设置了符合IEEE1149标准的JTAG
(Joint Test Action Group)标准测试接口及相应的控制器,从而不但能控制和观察
多处理器系统中每一个处理器的运行,测试每一块芯片,还可以用这个接口来装
入程序.在PC机上插入一块调试插板,接通JTAG接口,就可以在PC上运行
一个软件去控制它.PC机上有多个窗口显示,每个窗口观察多个处理器中的一
个,这就极大地简化了多处理器系统开发的复杂性.在TMS320中,和JTAG测
试口同时工作的还有一个分析模块,它支持断点的设置和程序存储器,数据存储
器,DMA的访问,程序的单步运行和跟踪,以及程序的分支和外部中断的计数
等.
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DSP的处理速度越来越高,功能越来越强,但随之而付出的代价是功耗也
越来越大.而且,随着钟频的提高,功耗急速加大.尽管生产厂家几乎没有例外
地都采用了CMOS工艺等技术手段来降低功耗,但有的单片DSP的功耗已达10w
以上.随着DSP的大量使用,特别是在用电池供电的便携式设备中的大量使用,
例如便携式计算机,移动通信设备和便携式测试仪器等,迫切要求DSP在保持
与提高工作性能的同时,降低工作电压,减小功耗.为此,各DSP生产厂家正
积极研制并陆续推出低电压片种.在降低功耗方面,有的片种设置了IDLE或
WAIT状态,在等待中断到来期间,片内除时钟和外设以外的电路都停止工作;
有的片种设置了STOP状态,它比WAIT状态更进一步,连内部时钟也停止工作,
但保留了堆栈和外设的状态.总之,低工作电压和低功耗已成为DSP性能表征
的重要技术指标之一.
随着专用集成电路(ASIC,Application Specific Integrated Circuit)的广泛使
用,迫切要求将DSP的功能集成到ASIC中.例如,在磁盘/光盘驱动器,调制
解调器(Modem),移动通信设备和个人数字助理(PDA,Personal Digital Assistant)
等应用中,这种要求来得相当突出.为了顺应这种发展并更加深入地开拓DSP
市场,各DSP生产厂家相继提出了DSP核(DSP core)的概念并推出了相应的产品.
一般说来,DSP核是通用DSP器件中的CPU部分,再配以按照客户的需要所选
择的存储器(包括Cache,RAM;ROM,flash,EPROM等以及固化的用户软件)
和外设(包括串口,并口,主机接口,DMA,定时器等),组成用户的ASIC.DSP
核概念的提出与技术的发展,使用户得以将自己的设计,通过DSP厂家的专业
技术来加以实现,从而提高ASIC的水准,并大大缩短产品的上市时间.DSP核
的一个典型的应用是U.S.Robots公司利用TI的DSP核技术所开发的X2芯片,
最早成功地将56kbps的Modem推向了市场.除开TI公司的TMS320系列DSP
核之外,Motorola公司的DSP66xx系列和AD公司的ADSP21000系列等,也都
是得到成功应用的DSP核.
在DSP硬件结构和性能不断改善的同时,其开发环境和支持软件,也得到
了迅速的发展与不断的完善.
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各公司出品的DSP都有各自的汇编语言指令系统.使用汇编语言来编制DSP
应用软件是一件繁琐与困难的工作.随着DSP处理速度的加快与功能的增强,
其寻址空间越来越大,目标程序的规模也越来越大,从而使得用高级语言来对
DSP编程成为必须而且紧迫的任务.各公司陆续推出厂适用于DSP的高级语言
编译器,主要是C语言编译器,也有Ada,Pascal等编译器.它们能将高级语言
编写的程序,编译成相应的DSP汇编源程序.程序员可在这里对DSP源程序作
修改与优化,尤其是对实时处理要求很苛刻的部分作优化,然后汇编与连接,成
为DSP的目标代码.
在应用软件开发与调试环境方面,除开传统的,在硬件或软件仿真器上用
Debug来调试之外,各厂家陆续推出厂一些针对DSP的操作系统(例如TI的
Code Composer/Code Composer Studio).
这些操作系统运行在IBM-PC或其他的主机上为DSP应用软件的开发提供
良好的集成开发环境:用C语言等高级语言编写的程序的调试,用针对DSP的C
语言等编译器将其编译成相应的DSP汇编源程序,进一步的修改,调试与检查,
最后汇编与连接成DSP可执行目标代码.这些操作系统的适用范围正在扩大.
DSP的生产厂家和一些其他的软件公司,为DSP应用软件的开发准备了一
些适用的函数库与软件工具包,如针对数字滤波器和各种数字信号处理算法的子
程序.以及各种接口程序等.这些经过优化的子程序为用户提供了极大的方便.
随着专用集成电路(ASIC)技术的发展和DSP应用范围的迅速扩大,一些
EDA公司也将DSP的硬件和软件的开发纳入了EDA工作站的工作范畴,陆续
推出了一些大型软件包,为用户自行设计所需要的DSP芯片和软件提供了更为
良好的环境.
标签：AD,TI,公司
