DSP与PC机的无线交换调制模块设计

      1  引言

　　DSP作为可编程数字信号处理专用芯片是微型计算机发展的一个重要分支，也是数字信号处理理论实用化过程中的重要技术工具。随着微电子技术和数字信号处理技术的迅速发展，DSP的性能价格比不断提高，正在受到业界越来越广泛的关注。尤其是在科学技术发展的今天，各种智能化系统的结构和控制算法越来越复杂，单纯依靠PC机和单片机组成的计算机控制系统结构的设计格局正在逐渐发生变化，以局部高速信息处理和全局PC控制的复杂计算机控制系统以及以高速DSP为核心的具有复杂计算和控制的嵌入式控制系统设计电路正在逐渐兴起。

　　2 系统设计方案

　　本系统的设计任务就是实现计算机上数据的无线传输，其关键技术在于计算机同DSP的数据交换以及数据的编码调制。这里，采用的纠错编码方式为与交织结合的戈莱码编码方式，调制方式为4FTSK。但是，与传统方法不同的是，该系统的数据交换是通过计算机的PCI总线来实现的，并且4FTSK的调制是通过DSP用数字合成频率的方法实现的。同时，考虑到系统的可再开发性，模块集成了调制和解调模块。系统核心框图如图1所示。

                                                                 　　图1 系统核心框图

　　3 系统硬件设计

　　3.1 系统硬件原理

　　系统的硬件原理框图如图2所示。系统选用TI公司的TMS320C5402作为处理芯片，PCI2040作为PCI接U芯片，利用DSP的HPI接口实现计算机和插卡之间的数据交换。同时，还选用高速的RAM, EPROM作为扩展数据、程序存储器。DSP接收到计算机的数据后，根据数据存储器里预先开辟的作为数字合成频率正弦表的一块内存实现FTSK的调制，并利用并行数模转换芯片CA3338将FTSK调制数据转变为模拟信号并通过放大器进行放大。这样，就完成了计算机输入数据的调制。为了保证系统的可靠性，采用MAX814作为看门狗电路。此外，选用一片CPLD对芯片进行逻辑控制，这样，增强了系统的可扩展性。

图2 系统硬件结构图

　　3.2 硬件抗干扰设计

　　由于DSP是高速器件，因此在设计本系统的电路板时面临着电磁干扰（EMI）的问题。印制电路板的抗干扰设计对PCB的电磁兼容性影响很大，为了使PCB上的电路正常工作，本系统采取了以下措施：1） 加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力；2） 数字地与模拟地分开，接地线尽量加粗， 接地线构成闭环路；3） 配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，这是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法；4） 对于DSP闲置的I/O口，不要悬空，接地或接电源，对DSP使用看门狗电路，尽量降低DSP的晶振和选用低速数字电路。

　　4 系统实现的关键技术

　　在系统的设计上，比较关键的技术是：DSP同计算机之间通过HPI接口和PCI总线进行数据交换、根据数字合成频率的方法利用DSP实现数据的调制、上位机软件实现数据的编码交织、DSP的汇编程序设计和PCI接口卡驱动程序设计。

　　4.1 DSP同计算机数据交换的实现

　　DSP同计算机之间的数据交换有很多种方法：串口、并口、I/O接口还有HPI接口。为了方便并且快速的实现数据交换，在本系统中，采用TMS320C5402的HPI接口与计算机的PCI总线进行数据交换。

　　TMS320C5402是在类别上属于TMS320C54X系列DSP。它由中央处理单元（CPU）、总线、存储器、片内外设、以及外部总线接日等部分组成。TMS320C5402的外设有：软件可编程等待状态发件二器，有可编程的块切换等待状态；增强型的8位主机接口（HPI8 ）;两个硬件定时器；拥有锁相环（PLL）的时钟发生器；一个直接存储器（DMA）控制器；两个多通道缓冲串行！l（McBSPs）等。HPI接口是一个8位并行口，用来与主设备或主处理器接口。TMS320C5402采用增强型主机接口。此主机接口同标准型主机接日相比主要区别在于：增强型可以访问整个片内RAM。

　　在本系统中，PCI接口芯片选用TI公司的PCI2040。PCI2040可以实现8位HPI接口的TMS320C54X系列与高性能的PCI总线之间无缝连接的DSP-PCI桥。PCI2040提供了几个外部接口：

　　PCI总线接口：PCI2040提供了与PCI总线规范完全兼容的32位总线接口。这些总线接口可以实现配置寄存器读写，内部存储器访问，并可以通过存储器映射空间访问HPI接口。

　　HPI接口：PCI2040的HPI接口用于访问TMS320C54X或TMS320C6X。连接到HPI接口的设备以存储器映射的方式映射到卞机存储区内。主机通过访问PCI2040访问HPI接口。

　　4.2 利用DSP实现数据的调制

　　由于本设计的调制主要是利用软件与硬件结合的方法实现，并且力求产生的信号精确，故系统选用了高速D/A（CA3338）转换芯片，用汇编语言编程实现调制信号输出。

　　4.2.1 硬件连接图

　　调制的硬件电路如图3所示。TMS320C5402的IOSTRB和IS相或后作为CA3338的片选信号，通过数据总线将数据送到CA3338中，D/A转换后模拟信号经过运算放大器后输出。

图3 DSP同D/A转换芯片的连接图

　　4.2.2 DSP调制程序设计

　　原始数据在DSP中进行FTSK调制，它是通过DSP的软件编程利用DDS（数字合成频率）的原理实现的。

　　1 实现方法。DDS（直接数字频率合成）技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的信号的合成技术。目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查寻表，然后通过高速DAC产生已经用数字形式存入的正弦波。在本系统中，首先，在DSP内部ROM开辟一段存储空间作为一个周期的正弦波抽样点存储器。通过软件对该存储器进行相位一幅值的转换，从而在给定的时间确定相应的输出幅值。发送一个周期的正弦波流程图如图4所示。

　　2 4FTSK信号的产生及输出。4FTSK信号包含4个频率的波形，因此先根据不同的频率，计算出相应的采样率，编写产生这四个频率正弦波的子程序。在主程序中，判断要调制的码元，决定发送的4个频率的顺序。

图4 发送一个频率的正弦波流程图

　　信号最终是通过r/o u输出到D/A转换芯片中实现从数字量到模拟量的转换。再经过低通滤波之后，便可得到频率纯净的模拟信号。

　　3信号的测试、分析。由于4FTSK信号的解调需要调制信号的精度很高，因此设计了测试电路测试发送信号的精确度。测量方法：通过控制输入计数频率值，来测量调制期间的时间长度，发送数据的长度是等于计数频率的周期值X计数值，即计数值除以频率值。

　　4.2.3 上位机软件实现编码及交织

　　对于本系统而言，在信道中传输中所引起的多次突发错误，对一个码组来说，码组中的差错完全可以看作是独立的。因而在计算输出误码率时，就可以按反映随机信道错误分布的二进制对称信道（BSC）模型计算。在BSC模型中，传输“1”和“0”两种信息，其传输错误的概率相同，均为Pe,传输正确的概率为1-Pe, Pe称为信道误码率。在BSC下，传输长度为n的码组时，正好出现m个差错的概率为 
                           （1）

　　码组内出现≧m个差错的概率为

             　　　　                                  　（2）

　　在本系统中，交织度为144,所使用差错控制码为Golay （23,12）码，可纠3位错码，因此根据上式，可得误码率为

　       　　　（3）

　　4.2.4 DSP的汇编程序设计

　　DSP的汇编程序设计包括两部分：系统的ROOT程序设计以及主程序设计。主程序主要是对寄存器的初始化。

　　4.2.5 PCI接口卡驱动程序设计

　　在设计和使用PCI设备时，经常要在PC机的软件中访问和控制硬件设备为了保证系统的安全性、稳定性和可移植性，对应用程序访问硬件资源加以限制，这就要求设计设备驱动程序以实现PC机的软件对PCI设备的访问。硬件设备驱动程序的基本功能就是完成设备的初始化、对端口的读写操作以及对内存的直接读写。

　　5 本文作者创新点

　　在用单片机实现的基础上，本文提出了以TMS320C5402为主控制器的无线数据调制模块的实现方法，并对其具体实现包括硬件及软件做了比较全面的介绍。可以看出：在速度、精度等很多方面DSP系统都优于单片机系统，而且DSP利用HPI 口和PCI总线，极大的方便了主机与DSP系统的数据交换。该系统灵活、简单，是一种比较先进的技术，具有一定的理论和实践意义。