（信号与信息处理专业论文）嵌入式车载指挥通信系统的研究与实现.pdf

手两姜 d s p 芯片广泛应用在通信，雷达，语音处理，图像处理，仪器仪表，家电及控 制领域等。作为嵌入式处理器的一种，再辅以c p l d f p g 器件，是当前最受工程师 青睐的设计选择方式之一。一方面得益于集成电路的发展。d s p 和f p g a 芯片的价 格越来越低而性能却日益提高和完善。另一方面也是得益于巨大市场利益的诱惑。 简洁的接口控制和高速的数字信号处理能力为资本方赢来占领市场的先机。这种 d s p + f p g a c p l d 设计方案在短期内具有重大实用意义。 本课题来源于广州海格通信产业集团，在基于浮点d s p ( t m s 3 2 0 v c 3 3 ) 【及f p g a 芯片x c 3 s 4 0 0 2 】硬件平台基础上，实现了话音码制的转换和传输、命令传递、与外界 设备的拨号操作和通信( 包括键盘操作和v f d 显示) 、网络数据的收发等功能。在课 题过程中，实现了课题基本通信要求，为样机的产品化打下基础。 在本课题的设计中，所做的主要工作有： 1 提出了1 6k b p s 连续可变斜率增量调制( c v s d ) 3 - 7 】编码与6 4k b p sa 律p c m 8 】 编码相互转换算法。本文采用两倍因子内插和抽取滤波的方法，实现抽样率之间的 转化。在m a t l a b 7 0 下仿真了算法的可行性，并在d s p 的开发环境c cf o r t m s 3 2 0 c 3 x 4 x 下实现了算法。成功解决p c m 与c v s d 两种码制的相互转换问题。 本文算法和多路径搜索算法0 1 相比，后者所需要的运算量较大，耗时相对长，不利 于多路语音处理，每一次p c m 码转换成c v s d 码，需要做四次路径搜索和比较结果。 本文所实现的算法在运算量和实用效果上均可达到实用标准。就实时性而言，可以 同时实现四路语音通道的通信。 2 解决了a 律p c m 编码和线性p c m 编码相互之间的转换。在本课题的硬件 平台中，a d 芯片选用a 律的工作方式，由于a 律量化后的编码是八位的对数码， 只有把a 律的对数码转换为a 律的线性码，方可直接参与运算，对于a 律压缩和 扩展，依据g 7 1 1 国际标准【，分别采用建立查询表和折半查找的方法，在d s p 的 开发环境中，予以编程实现。把对数码扩展为线性码，是对模拟语音经a d 芯片后， 参与后续编码算法的第一步。而把线性码压缩为对数码，是最终实现数字信号的模 拟输出。 3 实现了通信系统中的通信协议、网络协议和接口标准。如嵌入式车载通信系 统和车内电台通信时所建立的键盘拨号协议，以及和外部电台通信时所需要的k 接 口通信标准，电台与电台间通过嵌入式车通的t c p i p 协议进行数据交换。依据所定 制的通信协议，结合键盘拨号操作和液晶显示，实现基本功能。 4 其它基本功能的实现。在研究过程中，实现了多路串口通信的初始化和数据 交互、c m d 文件的编写、中断向量表及中断处理、片外f l a s h 存储器的在线编程、 c 语言和汇编语言之间的互调等问题。 关键词：嵌入式系统；车载通信；数字信号处理器；c v s d ；内插与抽取 a b s t r a c t d s pc h i ph a v eb e e nw i d e l yu s e di nc o m m u n i c a t i o n s ，r a d a r , v o i c ep r o c e s s i n g ，i m a g e p r o c e s s i n g ，i n s t r u m e n t a t i o n ，c o n s u m e re l e c t r o n i c sa n dc o n t r o lf i e l d s ，a n d s oo n a sa l l e m b e d d e dp r o c e s s o ls u p p l e m e n t e db yc p l d f p gd e v i c e s ，d s pi sc u r r e n t l yo n eo ft h em o s t p o p u l a ro p t i o n so fd e s i g np l a n f o r e n g i n e e r s o nt h e o n eh a n d ，i tb e n e f i t sf r o mt h e d e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i t s t h ec o s to fd s pa n df p g a a r eb e c a m i n gm o r ea n dm o r e c h e a p l ya sw e l la st h ep e r f o r m a n c ei si m p r o v e d ；o nt h eo t h e rh a n d ，i tb e n e f i t sf r o mt h eg r e a t t e m p t a t i o no fh u g em a r k e tp r o f i t s i m p l ec o n t r o li n t e r f a c ea n dh i g h - s p e e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gc a p a b i l i t yw o n t h ea d v a n t a g ei nt h em a r k e tf o rt h ec a p i t a ls i d e t h i sd s p + f p g a c p l dd e s i g no p t i o n si so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h es h o r tt e r m t h es u b j e c ts t e m sf r o mf r o mg u a n g z h o uh a i g ec o m m u n i c a t i o ng r o u p b a s e do nt h e h a r d w a r ep l a t f o r mo ff l o a t i n gd i g i t a lp r o c e s s i n gc h i pt m s 3 2 0 v c 3 3a n df p g ai cx c 3 s 4 0 0 ， m a i nc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n sh a v eb e e nr e a l i z e ds u c ha st h ec o n v e r s i o na n dt r a n s m i s s i o no f v o i c ec o d e ，t r a n s f e r r i n go r d e r s ，d i a l - u po p e r a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n sw i t ht h eo u t s i d ew o r l d e q u i p m e n t ( i n c l u d i n gk e y b o a r do p e r a t i o na n dv f dd i s p l a y ) ，t r a n s c e i v e ro ft h en e t w o r k d a t a 1 1 1t h ep r o c e s so fr e s e a r c h ，t h eb a s i cc o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t sh a v eb e e nr e a l i z e da n dl a y t h ef o u n d a t i o nf o rt h ep r o t o t y p eo ft h ep r o d u c t d u r i n gt h er e s e a r c h ，m a j o rr e s p o n s i b i l i t i e sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 p r o p o s et h ed ig i t a lc o d ec o n v e r s i o na l g o r i t h mb e t w e e n16k b p sc o n t i n u o u s l yv a r i a b l e s l o d ed e ：l t am o d u l a t i o n ( c v s d ) 3 - 7 c o d i n ga n d6 4k b p sa 1 a wp c m 【引c o d i n g t h i sp a p e r ， a p p l y i n gd o u b l e i n t e r p o l a t i o nf i l t e r i n ga n de x t r a c t i o nm e t h o d ，r e a l i z e st h ec o n v e r s i o n o f s a m p l er a t e t h ea l g o r i t h mw a sf e a s i b l y s i m u l a t e db ym a t l a b 7 0a n dr e a l i z e du n d e rt h e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fd s p c cf o rt m s 3 2 0 c 3 x 4 x t h em u t u a lc o n v e r s i o no fc v s d a n dp c mw a ss u c c e s s f u l l yr e s o l v e d c o m p a r e dw i t hm u l t i p a t hs e a r c h i n ga l g o r i t h m g q0 ，t h i s w a yr e d u c e sm u c ht i m ea n do b t a i n st h es a m eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o n t h el a t t e rn e e d sd o f o u rt i m e ss e a r c ha n dt oc o m p a r et h er e s u l t se a c hp a t hw h i c hm e a n sal a r g ea m o u n to f c o m p u t i n ga n dar e l a t i v e l yl o n gt i m e ，a n di sn o tc o n d u c i v et om u l t i c h a n n e lv o i c ep r o c e s s i n g i ne n g i n e e r i n g t h em e t h o di n t h i s p a p e rc a na c h i e v ep r a c t i c a l s t a n d a r d si nc o m p u t i n g c a p a c i t ya n dp r a c t i c a l e f f e c t a sf o rt h er e a l t i m e ，i tc a ns a t i s f yt h ec o m m u n i c a t i o no f o v e r f o u rm u l t i p l ev o i c ec h a n n e l s i i i 2 s o l v et h em u t u a lc o n v e r s i o no fa l a wp c mc o d i n ga n dl i n e a rp c mc o d i n g o nt h e h a r d w a r ep l a t f o r mo f t h i ss u b j e c t ，u s i n ga dc h i pi st oc h o o s ea l a wm e t h o do f w o r k a st h e c o d i n go fa l a wa f t e rq u a n t i z a t i o ni so nt h ed i g i t a le i g h t ，t h ed i g i t a lc o d i n go fa - l a wm u s tb e c o n v e n e di n t ot h el i n e a rc o d i n go fa l a wb e f o r eb e i n gd i r e c t l yi n v o l v e di nt h eo p e r a t i o n t h e c o m p r e s s i o na n de x p a n s i o no fa 1 a wi s b a s e do ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r dg 7 11 11 】a n d r e s p e c t i v e l ye s t a b l i s ht a b l ev i e wa n dh a l fw a y i nd s p d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t or e a l i z e b yp r o g r a m m i n g t h ee x p a n s i o no ft h ed i g i t a lc o d ei n t ol i n e a rc o d ei st h ef i r s ts t e pi nt h e f o l l o w u pc o d i n ga l g o r i t h ma f t e ra n a l o g yv o i c eo ft h ea d ，w h i l et h ec o m p r e s s i o no fl i n e a r c o d et ol o g a r i t h m i co n ei st h eu l t i m a t er e a l i z a t i o no ft h ed i g i t a ls i g n a la n a l o go u t p u t 3 a c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h en e t w o r k p r o t o c o la n dki n t e r f a c es t a n d a r d s ，s u c ha st h ek e y b o a r dd i a l - u pa g r e e m e n te s t a b l i s h e d b e t w e e nr a d i oa n dr a d i ow h e nc o m m u n i c a t i n g ，ki n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d sw h e n c o m m u n i c a t i n gw i t ht h ee x t e r n a lr a d i os t a t i o n s ，t c p i pp r o t o c o le m b e d d e di nc a rf o rt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nr a d i os t a t i o n sa n dr a d i os t a t i o n s b a s e do nt h ec u s t o m i z e d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，w i t ht h ek e y b o a r dd i a l - u po p e r a t i o na n dl c dd i s p l a y , t h e s e f u n c t i o n sc a nb ea c h i e v e d 4 r e a l i z a t i o no fo t h e r b a s i cf u n c t i o n s i nt h ep r o c e s so fs t u d y , m a n yp r o b l e m sh a v eb e e n r e s o l v e ds u c c e s s f u l l y s u c ha st h ei n i t i a l i z a t i o no ft h em u l t i c h a n n e ls e r i a lc o m m u n i c a t i o na n d d a t ai n t e r a c t i o n ，w r i t i n go fi n t e r r u p tv e c t o r sa n dc m df i l ei n t e r r u p t i o nh a n d l i n g ，t h eo n l i n e p r o g r a m m i n go ff l a s hm e m o r yc h i p ，t h ei n t e r m e d i a t i o n so fcl a n g u a g ea n dt h ea s s e m b l e r l a n g u a g ea n ds oo n k e yw o r d s ：e m b e d e ds y s t e m ；v e h i c l es t a t i o n ；d s p ；c v s d ；d e c i m a t i o n a n d i n t e r p o l a t i o n i v 本人声明 我声明，本论文及其研究工作由本人在导师指导下独立完成，完成 论文所用的一切资料均已在参考文献中列出。 作者：秦传波 签字：狲丸 2 0 0 8 年3 月2 0 日 五邑大学硕士学位论文 1 1 课题来源及研究背景 第一章绪论 本课题来源于广州海格通信产业集团导航事业部( 原国营7 5 0 厂) 专题项目。 1 2 嵌入式车载通信系统研究现状 嵌入式系统已经成为这些年来的一个热点，尤其是在国防军事中得以广泛应用。 嵌入式车载通信系统【l2 】就是其中的一个应用实例。为了适应当代信息化、数字化军队 建设的步伐，不但要满足坦克、装甲车、指挥车的内部调度、通话，还要通过电台或 有线电话对外通信，满足大容量数据信息的传输需要。 车载通信系统是装甲部队赖以生存的重要依托。为适应未来现代化立体战争指 挥的需要，提高我军装甲通信指挥水平，广州海格通信产业集团经充分调研、论证 后，于2 0 0 1 年2 月立项并自筹资金研制车内综合通信系统。经过多年的努力和研究， 具备一定的技术和经验积累，并研制出一系列比较成熟的军品。 自从“十五”项目以来，由于k 接口本身的技术优势，在部队的通信设备中已 经得到广泛的应用。从军方的需求调研来看，该项技术也将广泛应用于未来的电台 产品中。原数字车载通信系统也必须进行相应的改进。通过增加k 接口的功能，通 过中心控制系统与外部电台进行话音和数据通信，以便和最新推广使用的统型电台 更好的连接。 1 2 1 产品升级所要解决的问题 由于要实现更多功能，原有的硬件平台已不能满足所需，必需重新设计一个新 的硬件平台。选择不同的硬件处理器和不同的辅助芯片。所带来的主要问题有： 1 原平台代码的移植和驱动程序更新 首先是d s p 平nf p g a 的更换，原平台使用的是t m s 3 2 0 c 3 2 型浮点d s p 矛n 一片 c p l d 。现用t m s 3 2 v c 3 3 1 5 0 浮点d s p 和一片四十万门f p g a ，并要求实现四路数据、 命令和话音共传的k 接口通道。更换平台涉及到多路串口芯片的驱动、网口控制器 的驱动更换、片p b f l a s h 存储器的编程、中断向量表及中断响应的处理程序更新、网 络协议的修改、k 接1 5 1 通信的实现、s l i p 协议实现等。由于集成开发环境和编程语 五邑大学硕士学位论文 言的差异，而且原平台由于源代码过于庞大( 几万余行) 且全部是汇编语言实现， 给移植带来高难度。 2 多路c v s d 码和p c m 码的相互转换 如果从f p g a 读取的命令或语音数据是来自k 接口的。对于命令数据的处理相 对容易，可以简单的使用中断来解析命令。但是语音数据则有一个码制转换的问题。 其语音数据采用c v s d 编码，c v s d 是增量调制的一种，广泛应用于军事领域。它是 抽样率为1 6k h z 的数字语音信号。经过编码处理后，串行输出为1 6k b i t s 的0 1 码序 列。而我们的硬件平台p c m 语音的抽样率为8 k h z ，编码为8 位的6 4k b i t s 的p c m 码。 必须把c v s d 码转换成p c m 码，方可传送到通话对像。反之，需把p c m 码译成c v s d 码，才能实现与外部电台的实时话音传输。这种码制的转换多采用多路径搜索的办 法，其计算量偏大，相对耗时，不利于多路k 接口通信的实现，在课题中采用内插 与抽取的办法，大大减少运算量，并取得良好语音效果。 3 k 接口技术及通信协议的实现 为满足统型电台特殊接口的功能需求，实现k 接口协议和s l i p 协议是至关重要 的。这部份工作主要由f p g a 来完成，包括协议打包和解压的处理，而s l i p 协议在 d s p q b 实现。k 接口是野战地域网工程标准中制定的一种单路有线入1 ：3 。高级数据链 路控f l ；t h d l c l l 3 1 协议具有很强的差错检错、高效和同步传输的特点，广泛应用于数 据通信领域。本文采用x i l i n x 公司的f p g a 芯片x c 3 s 4 0 0 ，在i s e 7 1 集成丌发环境下， 使用v h d l 语言和图形输入的混合设计实现th d l c 电路的设计。k 接口通信系统 已成功应用于通信样机中。 1 3 本论文的内容安排 第一章绪论。先介绍了课题来源和研究背景。阐述本课题所要进行研究的工作 和技术攻关难题。 第二章系统硬件平台综述。介绍了本系统的硬件架构和各个功能模块的作用。 第三章系统中的网络协议简介。对于所用到的网络协议，拨号协议，以及在 f p g a 中实现的h d l d 协议做了简单介绍。这一部分协议内容是实现通信的灵魂所 在。 第四章语音编解码算法及原理。在本章节中，首先介绍了两种码制相互转换的 总体思路，而后各个部分的原理和算法过程做了详尽分析。并就本所提出来的算法 2 五邑大学硕士学位论文 和已有使用的多路径搜索算法做了对比。 第五章系统功能d s p 实现。讲述在d s p 下如何实现各个功能。包括a 律压扩， c v s d 编解码，p c m 与c v s d 的相互转换实现，串口操作，网口控制器的操作，键 盘读写，f l a s h 存储器的编程等。 第六章系统测试方法及要求。回顾整个研发过程，介绍系统的要求和标准以及 调试的方法和策略。 最后是课题总结与展望。总结了在研发过程中所遇到的技术难点以及解决的方 法。对整个系统的实用意义，所存在的问题做了总结。并提出进一步完善实现产品 的思路。 五邑大学硕士学位论文 第二章系统硬件平台综述 统型车通是新型装甲车辆指挥控制系统，主要用于各种通信功能( 包含车内、 车外通信) 的综合集成，实现通信和指控系统的设备互连、数据适配、信息交换、 车内通话、系统管理与监控等功能，提高通信设备利用率和通信效率。支持话音、 数据、网络等业务的接入。 2 1 系统总体功z 月q 匕5 佃4 4 4 - 述 统型车通的对外接口主要包括多个k 接口、以太网接口及交换电路、车通与电 台接口、直流电源接口、扬声器接口和坦克帽接口等。系统的基本配置包括1 个中 心控制盒，乘员盒若干个，多个扩展盒，同时提供多个数字模拟的电台接口用于接 入电台，1 个遥控单元接口，配套电缆等。系统可以通过扩展口进行扩展，用以挂 接更多的设备。 2 2 中心控制盒的硬件架构 本课题主要研究对象为中心控制盒，是车载综合通信系统的核心，主要装备于坦 克、自行火炮、通信舱、武装直升机，供车内乘员内部通话。使用电台及有线电话 对外通信，包括话音和数据通信，将战场信息和车辆位置通过电台报告给指挥部或 协同部队，为车内数据终端设备之间提供有线传输通道。本系统作为通用的综合通 信平台，能提供多种通信手段和方式。图2 一l 是车载通信系统中心控制盒的硬件平 台架构。它主要由一片浮点d s p ，一片f p g a ，四路u a r t 的串口芯片，四路c o d e c 和四路k 接口组成，再辅以键盘，旋钮开关操作和液晶v f d 显示。d s p 配套使用 两片并行片外s r a m ，及一片最终支持自举的f l a s h 存储器，使得程序运行时，把 f l a s h 存储器的数据搬移到外部s r a m 以及可能的片内r a m 运行。四路语音c o d e c 用于传输和采集不同操作下的语音数据。四路k 接口接收由外部电台传输过来的各 种类型数据。网口控制负责系统内部各个接点由网络收发的数据处理。在本系统中， 采用3 2 位浮点d s p 处理器t m s 3 2 0 v c 3 3 1 5 0 ，编程环境为c cf o rt m s 3 2 0 c 3 x 4 x ； 语音编解码器采用m o t o r o l a 的m c l 4 5 4 8 0 芯片，a 律和律可选，可工作在同 步或异步状态；并使用x i l i n x 公司一片4 0 万门f p g a 芯片x c 3 s 4 0 0 作为时序控制， 外设地址选通读取，键盘读写操作，网络协议打包和解压等，语音传输仅为其中一部 4 五邑大学硕士学位论文 分，使用i s e7 1 i 版本；串口可用于升级程序、烧写f l a s h 存储器和与p c 通信。使用 芯片为t i 公司4 通道异步通信单元t l l 6 c 5 5 4 ；网口控制器为常用c s 8 9 0 0 a 。 图2 1中控盒简化框图 由f p g a 产生一个间隔1 2 5 t x s 的周期性中断，d s p 响应中断进入中断处理程序， 参照国际a 律p c m 帧基群结构，向总线发出读写操作。实现p c m 码到c v s d 码 转换时，f p g a 把串行的p c m 码转换成并行的8 位p c m 码，d s p 读取相应数据后， 首先做a 律扩展，再调用p c m 转c v s d 程序。因内插使每次转换的结果为2 位c v s d 码，置于总线高两2 位后发出，最后把转换的c v s d 码送给f p g a 做串并转换并接 收缓存，依据所需格式，以1 6k h z 速率打包发出。c v s d 转p c m 时，f p g a 每次 发给d s p 总线2 位，以适应p c m 的8 k h z 的抽样率，过程与p c m 转c v s d 相反。 在下文中，各部分主要元件的电气特性和功能，以及它们各自在本系统的作用 均做了详细介绍。 五邑大学硕士学位论文 2 2 1 浮点d s p 处理器 t m 3 2 0 v c 3 3 15 0 1 】是美国t i 公司推出的第三代处理器的升级产品，该芯片为 3 2 位高性能浮点d s p ( 0 1 8 u m 技术，1 4 4 引脚，l q f p 封装) ，是目前国内应用最为 广泛的d s p 芯片之一。 外部供电电压3 3 v ，内核1 8 v 。功耗低于2 0 0 m w ，主频7 5 m h z ，指令周期达 1 3 n s ，处理速度为1 5 0 m f l o p s ，7 5 m i p s 。片内有3 4 k 3 2 位的双通道随机s r a m ， 单周期内可访问两次。程序总线，地址总线和d m a 总线分开，允许并行取指和独 立d m a 操作。指令及数据字长为3 2 位，地址宽度2 4 位，总存贮空间可扩展1 6 m 3 2 位；个硬件乘法器一个算术逻辑单元a l u ，单周期内完成2 4 位整数或3 2 位浮点 数乘法，3 2 位的逻辑运算，并行指令的乘法和加法运算。8 个扩展精度寄存器，可 寄存3 2 位整数或4 0 位浮点数。3 2 位桶形移位寄存器，单周期左移或右移3 2 位。2 个地址发生器并带有8 个辅助寄存器和2 个辅助寄存器逻辑单元，用于产生地址。 一路独立于c p u 的d m a ，支持片内直接存储器的访问而不降低c p u 速度。一个同 步串口，支持8 1 6 3 2 位数据的传输。片内有两个3 2 位的定时器，有四个外部中断、 串行1 ：3 接收及发送中断、两个定时器中断和一个d m a 中断。内含5 倍频的锁相环 ( p l l ) 时钟发生器。 在本系统中，d s p 主要实现语音编解码算法和数据的接收和发送。如对键盘和 旋钮开关操作的读取，液晶显示的编程实现，p c m 码和c v s d 码的相互转换，t c p i p 协议的打包和解包过程的处理，s l i p 协议的实现，命令组合的解析，f l a s h 存储器 的最终自举程序编写等。 2 2 2f p g a 技术的应用 现场可编程门阵列( f p g a ) 是在专用a s i c 的基础上发展出来的，具有很强的 灵活性，其内部的具体逻辑功能可以根据需要编程配置，对电路的修改和维护很方 便。是解决系统级设计的重要选择方案之一。 本系统中，采用x i l i n x 公司f p g a ，所选型号为s p a r t a ni i i 系列器件x c 3 s 4 0 0 弘1 ， 开发集成环境为i s e 7 i ，一个完整的f p g a c p l d 设计流程包括电路设计与输入、 功能仿真、设计综合、综合后仿真、实现与布线、时序仿真仿真和最终文件的加载 配置、下载板子调试等主要步骤。图2 2 是本系统的f p g a 实现的顶层原理图。 x c 3 s 4 0 0 提供2 8 8k b i t s 的块存储器结构，每个块的结构为1 8k x l 位的可配置、 6 五邑大学硕士学位论文 同步、全双口存储器。专用硬件乘法器有1 6 个，每个允许两个1 8 位的二进制作为 输入。逻辑单元有8 ，0 6 4 个，可配置逻辑块( c l b ) 8 9 6 个，有8 个全局时钟输入 g c k o g c k 7 ，4 个数字时钟管理器( d c m ) ，内部时钟频率可达3 2 6 m h z 。系统门 个为4 0 0 k 。2 6 4 个用户i o 口。支持多达1 7 种的单端接口标准和6 种差分接口标准。 x c 3 s 4 0 0 主要用来进行地址译码、定时计数、数据f i f o 缓冲、时钟管理、总线转 换、数据调制解调、k 接口协议。 旦蚓i 堡f 剑! ! 凼三l = i 虹兰蚓哼纠纠必一，璺l 翼匮i = _ j 剿 匿型i 生l i ! 兰i 墨l 到) l 呈j i 孽j 全i 粤是：l 烈。：迫耋量拳筌l 璺1 霎j 篓l 攀i 姜1 粤i 一l 一一l ：一一j n 一 。涮蓁 f ； c = 客 弓c q di 晕$ 爿i “”j = ) - 爿： 。到 = 箍： 剩 ：避。虿鹭舅舅 1 一号七寻吨= ；纠肇。匕刈i 至r r ，汀 丁1 型难烈摹剖莉部8 一l 一 兰孽马三g i=p。 广l f c = = ，广j e 盘l 广一 j c b 三 一17 争习【j ，一9 i 辟匿 f 重芒= j 爿爿 ；，蛩- 蔼羁争攀警j 鼾 答d 三呈瑟爿矧马 习e 一习巨二一 堇习 量乏 墨“l s k m ! | ：熊雹尝芸兰业里氅司 4 3 1 6 5 1 2 0 】 图2 24 路k 接口的f p g a 顶层电路图 2 。2 3 网口控制器的使用 以太网接口控制器芯片采用c s 8 9 0 0 a 【14 1 。该芯片是c i r m s l o g i c 公司生产的一种 局域网信号处理芯片，内部集成了片上r a m ，其模拟前端包括曼彻斯特编解码器、 时钟恢复电路、1 0 b a s e 2 t 收发器和滤波器及一个a u if a t t a c h m e n tu n i ti n t e r f a c e ) 接 口。c s 8 9 0 0 a 的m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n tr o l ，媒体访问控制) 引擎负责以太网数 据帧的发送和接收、检测和处理冲突，生成和检测帧引导头( p r e a m b l e ) ，自动生成和 校验c r c ( c y c l i c a lr e d u n d a n c y c h e c k ，循环冗余校验) 码。芯片在网络物理层符合 i e e e 8 0 2 3 以太网标准，支持全双工操作，是嵌入式平台实现10m b p s 以太网连接的 五邑大学硕士学位论文 首选方案。其初始化在d s p q b 完成，地址由f p g a 中分配。系统上电时，首先对 c s 8 9 0 0 a 进行初始化，写寄存器l i n e c t l 、r x c t l 、r x c f g 、b u s c t l 。发送数据时， 写入控制寄存器r t x c m d ，并将发送数据长度写) k t x l e n g t h ，然后将数据依次写入 p o r t o 口，数据就可以发送出去了。接收到数据时，c s 8 9 0 0 a 将触发中断，在其中 断处理程序中可以接收数据并处理。 2 2 4 多路串口芯片简介 四路串口芯片使用1 6 c 5 5 4 d ，波特率为1 9 2 k b p s ，用m a x 2 3 2 实现电平转换后 可直接与p c 机串口连接。芯片的每路传输和接收单元都提供了独立的串并转换和 并串转换，以实现串行异步数据接收。串行数据流的同步通过添加起始位和停止位 实现，而数据的完整性通过校验位来确认，在同一块芯片上要集成这种多路串行通 讯是较为复杂的，提供了1 6 字节的接收和发送f i f o ，这就允许外部c p u 在给定的 时间内处理更多的在线任务，并减少了全局的u a r t 中断服务时间。 串口初使化在d s p 中完成。由f p g a 分配地址和控制号。数据线和地址线直接 挂在相应d s p 总线上。在串行通讯中，为了保证传输可靠性和数据实时性，发送常 采用查询方式，接收常采用中断方式。可用它来外挂接收机，也可用串口来升级程 序。 2 2 5 调制解调器 本系统中，k 接口协议在f g p a 中实现。芯片外部通过双绞线，使用m t 9 17 2 芯片设计数据调制解调器。它是z a r l i n k 半导体公司采用其专利制造技术i s 0 2c m o s 工艺生产的一种数字网络接口电路( 简称d n i c ) ，可以在一对双绞线线上以8 0k b i t s 或1 6 0k b i t s 的最高速率全双工传输数据。线路上的传输码型为二相差分码，在本系 统中设定为1 2 8 k b i t s ，具有定时信息丰富、便于不停业务的误码测试的优点。该芯 片支持i s d n 数据格式，可以用于窄带i s d n 中，作为网络终端设备( n t l ) 的用户 线接口；也可以应用于需要在两根线上高速传输数据的其他各种场合。采用m t 9 1 7 2 可以实现兼备语音和数字功能的智能电话设备，也可以用较低的价格完成计算机网 络内的连接。由于其数据传输的透明性，这种芯片还能被设计成高速的数据基带调 制解调器。 五邑大学硕士学位论文 2 2 6 语音编解码器 对于语音信号的采集和回放，本系统采用p c m 编码解码器m c l 4 c 5 4 8 0 1 5 】。 m c l 4 5 4 8 0 是单信道p c m 编码解码滤波器，它具有按“律或a 律压扩的可选引脚， 利用此器件可实现p c m 系统所要求的语音数字化和频带限制及平滑。片内含有精确 基准电压，并带有预采样滤波器和重构滤波器，既可用于同步传输也可用于异步传 输的设计中。当m c l 4 5 4 8 0 中的输入运算放大器的输出输入到编码器时，编码器将 立即通过一个有源r c 滤波器，对模拟信号进行低通滤波以消除甚高频噪声。经滤 波后的模拟信号变为差分信号，从而降低了正向反向信号路径中的噪声分量。在差 分转换器后，可通过一个差分电容带通滤波器，使模拟信号的带宽为2 0 0 h z - - 3 4 0 0 h z ，同时差分压缩a d 转换器对模拟信号进行数字化。解码器接收到p c m 数 据后，将通过一个差分d a 转换器加以扩展，d a 的输出是3 4 0 0 h z 以下的低通滤 波输出，可由差分开关电容滤波器作补偿，然后再由有源r c 滤波器滤波以消除开 关电容滤波器的能带输出。此外，m c l 4 5 4 8 0 还带有一对连接成推挽结构的功率放 大器，能够驱动3 0 0 q 负载到+ 1 2 d b m 。m c l 4 5 4 8 0p c m 编码解码滤波器可容纳各 种时钟格式，如短帧同步、长帧同步、i d l 以及g c i 定时等。 2 2 7 系统片外f l a s h 存储器 在脱离仿真器的环境中，必须先将目标程序的可执行代码写进片外的e p r o m 或f l a s h 存储器中存储起来。d s p 芯片每次在系统上电或复位后自动进行自举 ( b o o t l o a d ) ，通过固化在片内r o m 的b o o tl o a d e r 程序，将片外的e p r o m 或f l a s h 存储器中的可执行代码以某种方式搬移到片内或片外的r a m 存储区，并自动执行。 在硬件平台中采用的f l a s h 存储器为s s t 2 9 v f 0 4 0 1 6 ，是s s t 公司生产的一种 5 1 2 8bf l a s h 存储器，它有1 0 万次以上的擦写寿命。其参数在表2 1 中，它的读操 作与一般的r a m 一样，只是写操作不同，在对其片选、写信号进行配置后，还必 须在相应的地址写入对应的控制字，类似的擦除也一样。 五邑大学硕士学位论文 表2 1s s t 2 9 v f 0 4 0 的软件指令序列 1s t b b s 2 n d b u s 3 r d b u 54 t h b u s5 t h b t l s6 t h b u s w r i t e c y c l e w r i t e c y c l e w r i t e c y c l e w r i t e c y c l ew r i t e c y c l ew r i t e c y c l e c o m m a n d a d d rd a t aa d d rd a t a a d d rd a t aa d d rd a t aa d d rd a t a a d d rd a t a b y t e - p r o g r a m 5 5 5 ha a h2 a a h5 5 h5 5 5 ha o hb a 2 d a t a s e c t o r e r a s e 5 5 5 ha a h2 a a h 5 5 h5 5 5 h8 0 h5 5 5 ha a h2 a a h5 5 hs a x 32 0 h c h i p e r a s e 5 5 5 ha a h2 a a h 5 5 h 5 5 5 h8 0 h5 5 5 h a a h2 a a h5 5 h5 5 5 h1 0 h s o f t w a r e i d e n t r y5 5 5 ha a h2 a a h 5 5 h5 5 5 h9 0 h s o f t w a r e l de x i tx x hf o h s o f t w a r e l de x i t5 5 5 ha a h2 a a h5 5 h5 5 5 hf o h 在进行数据编程操作时，它支持以下三种方式：内部定时( i n t e r n a lt i m e r ) 、数 据查询( d a t ap o l l i n g ) 、跳变位( t o g g l eb i t ) ，用以检测内部编程操作是否完成。本 文的烧写程序采用内部软件定时的方式，其中用到的时间参数有c h i p e r a s et i m e ： t c e = 7 0m s ( t y p i c a l ) 、b y t e - p r o g r a mt i m e ：t b p 2 14p s ( t y p i c a l ) 、t i m ef o rp o w e r u pt o p r o g r a m e r a s eo p e r a t i o n ：t p u w r i t e = 1 0 0l x s 。f l a s h 存储器软件擦除指令为6 字节加 载指令，该指令执行后