分层结构数字信号系统设计

　　摘要：本文介绍了一种具有分层结构数字信号处理嵌入式系统，该系统中的不同层次能够完成具有不同实时性要求与复杂程度高的任务。详术了基于tms320vc33的嵌入式系统的实现过程和关键技术应用。

　　关键词：分层结构 数字信号 设计

　　中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）02-0007-01

　　目前，数字信号处理（dsp）应用系统的研发一般都要昂贵的专扇开发系统，而且大多功能与用途特殊的产品，同时，其批量小，且成本主要花在长时间研发方面。对于民用品，时间就是市场占有率和金钱；对于军用品，时间就是战斗力和生命。分层结构高速数字信号处理嵌入式系统的硬件和软件在很大程度上具有着通用性，具有广阔的市场前景，极大地降低了该类产品的研发难度与研发周期。

　　一、系统组成

　　1.设计思路

　　一个工业测控仪表产品首先要具备友好的人机界面、实时的数据采集与控制，高速数字信号处理dsp专用芯片虽然有强大的数字信号处理功能，但用于人机界面设计将事倍功半，用于强实时控制则极易被一个简单任务耗尽其资源。因此，系统最佳设计方案是：采用体积小、结构紧凑可靠的pci04工控机来实现人机界面，以高速dsp芯片进行实时数字信号处理，强实时信号处理任务由复杂可编程逻辑器件(cpld)和专用芯片(asic)来完成。

　　2.分层式的系统结构

　　根据以上思路，系统宜采用分层式结构，自定义系统总线(类似于gpib总线)及接口模块实现主机对多个信号处理模块的监控。对于监控主机，在通过了调试阶段，可用单片机替代之以进一步减小体积重量，降低成本。在信号处理器模块，dsp芯片及其ram与eprom组成的最小系统构成了第二层次，其硬件／软件都有通用性。真正与具体产品特定功能的是第三层次，它是由cpld、asic芯片级联工作的从处理器构成的应用硬件模块。随着软件无线电技术器件的发展，非通用性功能越来越趋向用软件实现，而应用硬件模块则主要是高速cpld模转换器。因此第三层次具有一定的通用性。

　　3.系统的特点

　　系统结构分层次变得比较灵活，易于扩展。对于多通道并行数据处理，例如材料分选，可采用多个信号处理器并联结构；对于单通道高速数据处理，如雷达脉冲信号分选，采用多个处理器级联结构。分层结构系统的功能较强大。第三层次可以处理纳秒级事件，如高速脉冲信号的瞬态参数测量值；第二层次可以处理微秒、毫秒级事件，例如数字滤波及高精度参数估计算法实现；第一层次可处理非实时但比较复杂的事件，例如实现图形用户界面、存盘打印、数据库管理以及网络功能等。

　　二、硬件、软件协同设计过程

　　将上述具有通用性和分层结构的高速数字信号处理系统应用于具体产品设计时，首先要对硬件、软件功能方面进行合理的划分，这实际上是一个硬件、软件协同设计的过程。第一步，确定应用系统具体的功能及性能指标要求。第二步，应用独立于任何硬件、软件的功能性规格方法对系统进行描述，例如有限态自动机(fsm)、统一化的规格语言(csp、hdls、c、…)或其它基于图形图像的表示工具。其作用是对硬件、软件统一表示，便于进行功能划分。第三步，从系统功能要求和限制条件出发，依据一定的算法，进行硬件、软件方面的功能划分。第四步，对划分结果作出评估。一种是性能评估(a)，另一种是对硬件、软件综合系统依据指令级评价参数作出评估(b)。如果评估结果不满足要求，则需重复第三步，重新划分硬件、软件的功能，直至获得一个最佳的硬件、软件实现为止。

　　一个大的科研项目需要分工协作，实际上也是总从体上为硬件组与软件组所做的任务分配。在进行硬件系统基本功能调试同时，软件组可以编写人机界面程序、数据库操作程序、模拟数据与处理脱机版程序。由于用规格语言对实际硬件、软件功能描述存在着失真情况，设计阶段的硬件、软件功能划分也难免有不合理处，这可在联机调试中得以修正。

　　三、关键技术

　　用TI公司高速处理器芯片tms320vc33实现通用数字信号处理嵌入式系统。dsp-bios软件是实现数字信号处理嵌入式系统通用性的关键所在。系统调试一般包括两个过程：基本功能调试与正式应用功能调试。

　　1.基本功能调试步骤如下：1)按设计编程烧写dsp主板上的可编程逻辑器件(cpld)，确认cpld器件已正常工作。调试dsp芯片。h1和h3信号是所有片内功能块时序的同步时钟，是测量关键点。把dsp-bios软件烧写入flash-rom，调试确认dsp的boot-load过程。2)dsp与pc机接口的调试。在分层系统结构中，同处层次二多个信号处理模块是多块dsp板。各dsp板上都有拨码开关设置的“id”标识，主机发送的每个命令中都带板选码，只有“id”标识与板选码相符的dsp才能响应该命令。因此，只要确认pc机能对一个dsp进行正常复位与其它控制即可。通信调试的关键是检查各标志信号。3)dsp外设调试。包括dsp板上的主内存，应用板上的ram、i／o口及asic器件的控制接口等。

　　2.正式应用功能调试步骤如下：1)按设计编程烧写dsp主板上的可编程逻辑器件(cpld)，确认cpld器件已正常工作。2)调试确认dsp芯片。h1和h3信号是所有片内功能块时序的同步时钟，是测量关键点。把dsp-bios软件烧写入flash-rom，调试确认dsp的boot-load过程。3)dsp与pc机接口的调试。在分层系统结构中，同处层次二的多个信号处理模块是多块dsp板。dsp板上都有拨码开关设置的“id”标识，主机发送的每个命令都带有板选码，只有“id”标识与板选码相符的dsp才会响应该命令。因此，只需确认pc机能对一个dsp进行正常复位与其它控制即可。通信调试的关键是检查各标志信号。4)dsp外设的调试。包括dsp板上主内存，应用板上的ram、i／o口及asic器件的控制接口等。其调试主要目的是：排除应用软件与应用板上硬件系统存在的错误，测试评估整个系统的功能与性能。

　　整个系统的功能与性能测试。若无法达到设计要求时，分析问题之所在，尽快修改应用软件或硬件，甚至重新设计制作硬件系统。

　　精简优化，去掉调试阶段的冗余设计部分。但在用户使用过程中仍有可能提出更高的要求，因此始终保持一定的资源余留是很有必要的。因该系统硬件的通用性与软件模块化等特点，故其仍将是高端仪器设备产品开发和装备研制的首选。

　　饶君英

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