摘 要： 为了满足工业控制领域对数字信号智能化实时采集和处理的要求，以ADSP-21262 DSP为核心处理器，设计了一种基于CPCI总线接口的多路智能采集卡。高性能的DSP实现信号的实时采集和处理，处理后的结果通过CPCI总线与主机进行通信，结合高效的DSP算法，实现了一种实时性好、可靠性高的智能采集处理卡。应用结果表明，该采集卡工作稳定可靠，能很好地满足系统要求。
关键词： ADSP-21262； CPCI总线； 多路； 智能； 采集
CPCI总线[1] 是在PCI总线基础上改进的一种32/64 bit的局部总线，最高带宽可达512 MB/s，具有高开放性、高可靠性、可热插拔等优点。目前，基于CPCI总线的嵌入式系统架构已广泛应用于石油探测等领域，其系统通常由嵌入式单板计算机和各种接口模块组成。随着控制系统复杂程度和智能化程度的提高，数据传输速率也不断提高，对外围接口模块智能性和灵活性提出了更高的要求。通过采用高性能的数字信号DSP控制器进行接口模块的智能化设计，可以满足这种要求。本文以ADI公司的高性能ADSP-21262为核心处理器，为满足系统实时性和多路信号采集的要求，提出了一种基于CPCI总线的多路数据采集卡的设计方法，实现了3路石油勘测信号的实时采集和处理。
1 工作原理
CPCI总线与3颗DSP分别通过3个DPRAM实现交互，DSP微控制器作为核心处理器，进行数据的采集和处理。系统上电后，3路DSP中的程序同时运行等待主机中断(同一时刻只会有一路收到中断)，DSP收到中断后，就会读取DPRAM指定位置的命令控制字(协议定义)并进行分析判断，假设命令控制字的意思是AD数据采集，DSP程序就控制进行数据采集,将采集到的数据经过一定的算法处理后写入DPRAM中,写完后给主机一个中断,主机收到中断后通过PCI9054访问DPRAM获取相关数据。该多路数据采集卡的原理框图如图1所示。
2 硬件设计
2.1 PCI9054与DPRAM接口电路
采集卡通过CPCI总线与主机进行通信，PCI9054[2]支持32 bit/33 MHz的PCI接口,最高带宽可达132 MB/s，支持两通道DMA突发传输,能够很好地满足采集卡带宽的要求。系统上电后，PCI9054读取EEPROM并对配置空间进行配置，可将PCI总线[3]指令(例如读写某个寄存器、memory空间、IO空间)翻译到本地地址空间，实现CPCI总线与Local总线的桥接。在Local bus端,有3颗DPRAM与9054通信,DPRAM采用32 k×16 bit的IDT70V27芯片，3颗DPRAM片选访问由9054地址线高位分配。PCI9054本地端采用C工作模式、PCI从模式，提供了非复用的地址线和数据线，Local bus工作在16 bit模式。PCI9054在CPCI端作为从设备，在Local bus端作为主设备，通过使能LHOLD请求使用Local bus，当得到LHOLDA后9054方可占用总线。在Local bus端没有其他主设备，因此总线的使用由9054独占，可以把LHOLD、LHOLDA下拉直连，只要有数据请求，9054就会立即得到总线控制权。其中中断、片选、读写控制信号、总线的申请和DMA功能扩展由CPLD0逻辑控制实现，具体实现见CPLD逻辑设计部分。PCI9054与DPRAM1的接口示意图如图2所示，PCI9054与DPRAM2、DPRAM3接口与图2相同。
2.2 DSP系统电路
根据系统性能指标要求，该智能数据采集卡选用ADI公司高性能的ADSP-21262[4] DSP为核心处理器。ADSP-21262 DSP是第三代SHARC可编程DSP系列中的第一成员，采用SHARC DSP内核，SIMD计算结构，同时集成了丰富的片上资源和外设接口，核心频率为200 MHz，处理速度可达1.2 GFLOPS。支持音频解码与后处理算法，内部包含了许多音频算法，在ROM里甚至包括多波段解码算法,在音频应用领域得到广泛的推广。
采集卡DSP的外部输入时钟为25 MHz，通过配置引脚CLKCFG1-0，使内部PLL将外部输入时钟8倍频，供给内核使用。工作电压为3.3 V，由背板提供，内核电压为1.2 V，由TPS54425电源转换芯片实现， DSP上电有4种BOOT方式，BOOT_CFC1-0选择初始化配置，本卡使用外部8 bit并口Flash加载，3颗DSP通过JTAG菊花链进行程序的在线下载和调试。本设计为DSP扩展了512 KB的SRAM和8 MB的Flash， DSP还外挂了一个CPLD，数据线宽度为16 bit，具体逻辑功能见CPLD逻辑设计部分。DSP有3个外部中断源IRQ0~2，IRQ0与IRQ1配置给AD/DA或者串口，IRQ2配置给DPRAM。DSP系统框图如图3所示。
2.4 其他电路
本采集卡板载3个频率分别为33 MHz、25 MHz和1.843 2 MHz的晶体振荡器,时钟输出经过SN74LVC244A斯密特整形和驱动后供给各电路使用，其中33 MHz时钟提供给各个AD/DA接口CPLD。该时钟可以用于AD和DA采样速率分频的源时钟，还提供给PCI9054的Local bus端时钟源;25 MHz是DSP外部时钟源;1.843 2 MHz作为CPLD中串口RS232通信时钟源。
根据本卡电路设计需要，除了使用背板提供的电源外， 还通过TPS54425将5 V转换为1.2 V供给DSP内核使用; 通过LT1763S8将12 V转换为5 V, LT1175S8将-12 V转换为-5 V，供给关于AD和DA的模拟电路部分使用，本采集卡对上电顺序没有要求。
复位电路主要通过CPLD和复位芯片实现，复位链如图5所示。
3 CPLD逻辑设计
本采集卡使用了4颗Altera的EPM1270逻辑器件，CPLD逻辑使用Verilog[5]代码实现,第一颗CPLD主要实现PCI9054 LOCAL端与3个DPRAM之间的一些逻辑控制，例如3个DPRAM的片选、复位、读写信号的产生，以及LOCAL端总线的申请和DMA功能的扩展等。其他3颗CPLD实现的功能基本相同，主要实现DSP处理器与周围扩展电路的粘合，例如DSP周围挂接的CPLD、Flash、DPRAM、SRAM片选信号的产生，FIFO模式的设置，AD、DA、串口时钟的产生，串口通信状态机的实现。除此之外，还映射了一些读写寄存器，这些寄存器主要实现FIFO数据的读写，FIFO中断阈值设定及状态读取，FIFO读写使能控制及复位，AD、DA分频系数设定(即采样时钟的设定)，AD溢出和DA睡眠状态读取，板卡相关信息读取等。Flash在擦除和写之前首先需要向其发送擦除和写命令，读并不需要。而由于用DMA访问外部设备时有以4 B为单位进行数据传输的限制，故CPLD在此做了特殊处理，当DSP向Flash发送擦除和写命令时，DSP发送4 B，CPLD会滤除前3 B，Flash实际只收到最后一个字节。
4 DSP程序设计
通过ADI提供的Visualdsp++5.0集成开发环境[6]进行DSP软件的开发，充分利用DSP强大的信号处理优势，结合具体项目应用中所需的数据处理算法采用C语言进行编程。编译后的DSP程序通过JTAG链烧写到DSP外扩的Flash中，系统上电后一段512 B的boot kernel自动加载到DSP内存中运行，然后将应用程序引导到内存中运行。DSP程序主要包括系统初始化、系统自检、数据采集和处理以及数据存储4个部分，系统初始化主要完成DSP本身正常运行所需的环境配置；系统自检主要完成对DSP外接SRAM、双口RAM、Flash、CPLD和串口读写检测，并将检测后的状态放到双口RAM的指定位置供主机读取；数据采集和处理主要完成将AD转化后的数据读取到DSP内存中，并经过一定的算法处理；数据存储主要完成将采集到的数据写到双口RAM中，给主机一个中断，通知主机进行读取。DSP程序工作流程如图6所示。
该多路智能采集卡设计灵活，可以根据需要添加一些功能，在软硬件设计时充分考虑了系统的可靠性和稳定性，实现了对油井勘测数据的实时采集和处理，满足了项目的要求，达到了预期的性能指标。实际应用表明，该采集系统运行稳定可靠。
参考文献
[1] PIGMG. Compact PCI specification 2.0 R3.0[S]. October 1,1999.
[2] PLX.PCI9054 Data book version 2.1[Z].January,2000.
[3] 李贵山,陈金鹏.PCI局部总线及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.
[4] ADI.ADSP-2126x SHARC processor hardware reference reversion 5.0[Z].August,2010.
[5] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.
[6] 罗勇江,刘书明,肖科.VisualDSP++集成开发环境实用指南[M].北京.电子工业出版社,2008.