（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的嵌入式多功能载波信号测试系统的研究.pdf

基于d s p 的嵌入式多功能载波信号测试系统的研究 a b s t r a c t c a r r i e rc o m m u n i c a t i o na n dh i g h f r e q u e n c y p r o t e c t i o n a r e v e r yi m p o r t a n ta n d w i d e l yu s e di np o w e rs y s t e mi n d u s t r y h o w e v e r ，t h ee x i s t i n gt e s t i n gi n s t r u m e n t sf o r c a r r i e rc h a n n e la n di n t e r r e l a t e de q u i p m e n t sa r el a g g e da n dn e e dt h ei m p r o v e m e n t u r g e n t 1y a sar e s u l t ，t h er e s e a r c ho nak i n do fd i g i t a li n t e l l i g e n tm u l t i f u n c t i o n a l t e s t i n gs y s t e m i sn e c e s s a r y o nt h e b a s i so f r e f e r r i n g t o m a n y l i t e r a t u r e sa n d d e e p l ya n a l y z i n g t h e c h a r a c t e r i s t i ca n ds h o r t c o m i n go fe x i s t i n gt e s t i n gi n s t r u m e n t s ，i nt h i s p a p e r , an e w d e s i g nm e t h o di sr a i s e d ，i nw h i c hd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) a n dp ct e c h n o l o g y a r ea d o p t e di ns i g n a lp r o c e s s i n ga n dm a n m a c h i n ei n t e r c o m m u n i c a t i o nr e s p e c t i v e l y a i m i n g a tc e r t a i nl i m i t a t i o n si n e x i s t i n gt e s t i n g i n s t r u m e n t s ，o n en e w m u l t i f u n c t i o n a lt e s t i n gs y s t e m 一一“e m b e d d e dm u l t i f u n c t i o n a lc a r r i e rw a v et e s t i n g s y s t e mb a s e do nd s p ”，h a sb e e ns t u d i e da n dd e s i g n e di n t h i sp a p e r f i r s t l y ，t h e d e v e l o p m e n t a n dc h a r a c t e r i s t i co fd s p t e c h n o l o g y a n de m b e d d e d s y s t e m a r e i n t r o d u c e d ，t h e nt h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no ft h i st e s t i n gs y s t e mi nt h i s p a p e r a r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，f i n a l l yt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga r i t h m e t i ca p p l i e di n t h i s t e s t i n gs y s t e mi ss t u d i e d o nt h eb a s i so ft i st m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 ，t h eh a r d w a r e d e s i g no f t h i st e s t i n gs y s t e ma p p l i e sm a n yn o v e ld i g i t a lc i r c u i t ，s u c ha sc p l d 、a d a n dd d s t h es o f t w a r ed e s i g no ft h i st e s t i n gs y s t e ma p p l i e st h ee m b e d d e dm u l t i t a s k r e a l t i m ek e r n e lu c o s - i ia st h e o p e r a t i o ns y s t e m ，a n d t h ef u n c t i o ns o f t w a r ei s m o d u l a r i z e da n dt a s k e d t h i st e s t i n gs y s t e mc o m p r i s e sm a n yi n s t r u m e n t s f u n c t i o n s ， s u c ha sf r e q u e n c ys e l e c t i v el e v e lm e t e r ，o s c i l l a t o r ，f r e q u e n c ym e t e r , m i l l i s e c o n dm e t e r a n ds oo n a l l m e a s u r i n g d a t a s s a v i n g a n dp r o c e s s i n gi s a c c o m p l i s h e db y t h e a p p l i c a t i o ns o f to n t h ec o m p u t e r c o m p a r e dt oe x i s t i n gt e s t i n gi n s t r u m e n t s ，t h et e s t i n gs y s t e md e s i g n e di n t h i s p a p e ri s o n ev a l u a b l ei n t e l l i g e n td i g i t a lt e s t i n gs y s t e m ，w h i c hh a ss i m p l es t r u c t u r e ， h i g hi n t e g r a t i o na n dw o r k sr e l i a b l y k e y w o r d s ：c a r r i e r c o m m u n i c a t i o n ；h i g h f r e q u e n c yp r o t e c t i o n ； d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ；e m b e d d e dm u l t i t a s kr e a l t i m ek e r n e l ； l e v e l o s c i l l a t o r ；f r e q u e n c y s e l e c t i v el e v e lm e t e r 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：专9 角鸯 日期：汩弘年册f 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：寸y 年r 月f 。日 日期： 4 牛年，月o 日 鸯、似 、皿锔、一引闻 硕士学位论文 第1 章绪论 载波通信和高频保护在电力系统中应用十分广泛，有着很重要的作用。目前， 载波通道及相关设备的测试仪器种类繁多、技术水平落后，使得测试工作繁琐、 复杂，因此研究一种数字式智能化、工作可靠、使用方便的高频通道测试系统是 很有必要的。 1 1 引言 1 1 1 我国电力线载波通信的现状 电力线载波通信是利用高压电力线( 在电力载波领域通常指3 5 k v 及以上电 压等级) 、中压电力线( 指l o k v 电压等级) 或低压配电线( 3 8 0 2 2 0 v 用户线) 作 为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。 电力线载波通信以电力线为传输通道，具有通道可靠性高、投资少、见效快、 与电网建设同步等得天独厚的优点，经过几十年的发展，已具有相当的规模和水 平 2 1 。目前，电力线载波通信由于自身的优点在电力通信网中具有特殊的地位， 在电力专用通讯网中占有相当大的比重【3 l 。 ( 1 ) 电力线载波通信一直是电力通信网的基础网络，目前在3 5 k v 以上电压等 级的输电线路上多数已开通电力线载波通道，形成了庞大的电力线载波通信网。 ( 2 ) 电力线载波通信综合业务能力有了很大的发展，由过去单独的调度电话 业务发展到开放电话、远动、传真、高频保护、计算机信息等综合业务。 ( 3 ) 载波技术装备水平有了很大提高，近年来已推出了数字式载波机，在一 些重大工程中还陆续引进了一些具有国际先进水平的载波设备。 1 1 2 高频保护和高频通道的构成原理 高频保护是以输电线载波通道作为通信通道的众联保护，它是将线路两端的 电流相位( 或功率方向) 转化为高频信号，然后利用输电线路本身构成一高频电 流的通道，将此信号送至对端，进行比较【4 1 。因为它不动作于保护范围以外的故 障，在参数选择上也无需和下一条线路相配合，故高频保护的动作可不带延时。 目前，高频保护是2 2 0 k v 及以上电压复杂电网线路的主要保护方式。 为了实现线路的高频保护，必须解决利用输电线路作为高频通道的问题。高 频通道就是高频电流流通的路径，是用来传送高频信号的。利用“导线一大地” 构成高频通道是最经济的方案，因为它只需在一相线路上装设构成通道的设备， 目前在我国得到了广泛的应用。 基于d s p 的嵌入式多功能载波信号涮试系统的研究 输电线路高频保护所用的载波通道，其简单构成如图1 1 所示： 略ss 妇 1 一阻波器；2 一结合电容器；3 一连接滤过器 4 一电缆；5 一高频收发信机；6 - - 刀闸 图1 1 高频通道构成示意图 4 1 现将其主要元件及作用分述如下： ( 1 ) 阻波器：阻波器是一个由电感线圈和可变电容器并联组成的高频谐振回 路，其作用是使高频信号被限制在被保护输电线路的范围以内，不能穿越到相邻 线路上去，但对5 0 h z 的工频电流而言，阻波器仅呈现电感线圈的阻抗，数值很 小( 为0 0 4 q 左右) ，并不影响它的传输。 ( 2 ) 结合电容器：结合电容器与连接滤过器共同配合，将载波信号传递至输 电线路，同时使高频收发信机与工频高压线路绝缘。由于结合电容器对于工频电 流呈现极大的阻抗，故由它所导致的工频泄漏电流极小。 ( 3 ) 连接滤波器：连接滤波器由一个可调节的空心变压器及连接至高频电缆 一侧的电容器组成。结合电容器与连接滤波器共同组成一个四端网络的“带通滤 波器”，使所需频带的高频电流通过。带通滤波器从线路一侧看入的阻抗与输电 线路的波阻抗( 约为4 0 0 0 ) 匹配，而从电缆一侧看入的阻抗，则应与高频电缆 的波阻抗( 约为1 0 0 q ) 相匹配。这样，就可以避免高频信号的电磁波在传送过 程中产生发射，因而减小高频能量的附加衰耗。 ( 4 ) 高频收、发信机：发信机部分是由继电保护来控制，通常都是在电力系 统发生故障时，保护部分启动之后才发出信号，但有时也可采用长期发信、故障 时停信或改变信号频率的方式。由发信机发出的信号，通过高频通道送到对端的 收信机中，也可为本端的收信机所接收，高频收信机接受由本端和对端所发送的 高频信号，经过比较判断之后，实现内部故障保护跳闸，外部故障闭锁保护出口。 硕士学位论文 l 。1 3 现有载波设备测试仪器概述 目前载波通道及相关设备的测试用仪器仪表主要有：电平振荡器、选频电平 表、频率计、真空管毫伏表和时间测量仪( 毫秒计) 、标准电阻和标准电容等。 这些仪器仪表大多是由晶体管电路组成，调试复杂、性能不稳定。由于测试 用仪器仪表繁多，给现场测试人员带来极大的不便，不仅耗费大量时间，而且还 可能造成载波通信设备的调试质量不高或导致检修时间延长。 近年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及其在电子测量领域中的应用， 一些科研单位和生产厂家对此作了一些研究并推出了一些新的产品t 5 , 6 】。这些新产 品大致有两种形式：一种是单台的选频表和振荡器：另一种是将选频表和振荡器 合为一台仪器。这些新产品采用了一些新技术，主要体现在： ( 1 1 振荡器中采用直接数字合成( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ，d d s ) 技术来设 计高频信号发生器。 f 2 ) 采用单片机控制操作接口，通过装置面板的按键直接输入频率、电平和 其他一些控制量等。 由于这些新技术的采用，装置的性能比早期的产品有了一定的改善，在操作 上也简单方便许多。但是由于技术的局限性，这些新产品仍存在许多不足之处， 主要表现为： ( 1 ) 选频电平表除了采用单片机控制参数输入外，其他电路与早期产品相比 没有改善，仍然采用模拟电路实现，电路复杂、调试难度高、性能不稳定。 ( 2 ) 在电平振荡器的电平调节方式上，仍然采用由电阻组成的衰减电路，与 早期的产品没有区别。 ( 3 ) 组合式仪器的组合程度低，基本只有电平振荡器和选频电平表两种功能。 而测试用仪器仪表还有频率计、时间测量仪( 毫秒计) 、标准电阻和标准电容等， 在现场试验时仍需同时使用，导致测试复杂、效率低。 ( 4 ) 与早期产品一样，不具备测试规程的融入功能( 如提示测试入员测试项 目、测试接线、测试步骤、测试方法和测试要求等) 、测试数据记录和测试报告编 写功能等。 因为现有载波设备测试仪器的这些缺点给载波设备测试工作带来很多不便， 所以研究开发一种完善的、适合现场使用的数字式智能化的多功能载波信号测试 系统是很有必要的。 1 2 本文研究课题的背景与意义 “基于d s p 的嵌入式多功能信号测试系统的研究”为湖南大学教育部输变电 新技术工程研究中心的实际课题。该课题主要针对目前载波设备测试仪器的不足， - 3 基于o s p 的嵌入式多功能载波信号测试系统的研究 研制种适合现场使用、性能完善的载波设备测试系统。 基于d s p 的嵌入式多功能信号测试系统是为载波通道及相关设备的测试而 研制的，它是一种完善的、适合现场全方位使用的数字式智能化测试系统，集成 了载波设备测试所需的多种仪器于一体，具有友好的人机交互界面。 该系统在硬件方面使用了先进的数字技术，如d s p ( 数字信号处理) 芯片 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 、d d s ( 直接数字合成) 芯片a d 9 8 5 0 以及快速a d 芯片a d 9 2 4 0 等，使得系统相比于早期产品具有更高的可靠性和稳定性：在软件方面，将嵌入 式实时操作系统u c o s i i 移植于t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 中，使系统工作任务化、模块 化。与目前现有的载波设备测试仪器相比，具有以下优点： ( 1 ) 实现了载波设备测试所需多种仪器的集成，体积小、重量轻、可靠性高， 并且操作方便灵活。 ( 2 ) 大量使用数字电路和采用数字信号处理算法代替模拟电路功能，结构简 单、调试方便、性能稳定。 ( 3 ) 采用友好的上位机操作软件，具有测试规程的融入功能、测试数据记录 和测试报告编写功能等，使用方便。 本测试系统采用了微电子高频通信、d s p 嵌入式操作系统、d d s 数字合成和 数字滤波等技术，并且充分结合了现场及实验室测试的实际情况，与目前现有的 载波设备测试仪器相比具有很大的优势，是载波设备测试仪器理想的换代产品， 将获得广泛的运用。 1 3 论文所做的工作 基于d s p 的嵌入式多功能载波信号测试系统是在深入地研究国内外现有载 波设备测试仪器的不足以及充分结合现场和实验室测试的实际情况的基础上，采 用大量先进技术研制而成的。 本文围绕测试系统的开发做了大量有一定创新意义的研究工作，主要分为系 统的硬件设计、系统的软件设计和系统的算法设计三大部分。 1 测试系统的硬件设计 ( 1 ) 基于d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 的信号控制和数字处理系统的电路设计。 ( 2 ) 基于c p l d f p g a 的信号采样系统、频率铡量系统、时间铡量系统和开 关量输出控制系统的电路设计。 ( 3 ) 基于d d s 的信号发生电路的设计。 2 测试系统的软件设计 ( 1 ) 嵌入式实时操作系统u c o s i i 在t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 上的移植。 ( 2 ) 系统软件的结构安排、任务划分及其内存和优先级的配景。 ( 3 ) c p l d f p g a 芯片的软件设计，使用硬件编程语言v h d l 。 硕士学位论文 ( 4 ) 用户操作软件的设计，使用可视化编程语言c + + b u i l d e r 6 0 。 3 测试系统的算法设计 ( 1 ) 选频电平表中的窄带滤波器设计，使用数字滤波器代替模拟滤波器。 ( 2 ) 频率测量的算法设计。 ( 3 ) 时间测量的算法设计a - 5 - 基于d s p 的嵌入式多功能载波信号测试系统的研究 第2 章d s p 技术和嵌入式操作系统u c o s i i 基于d s p 的嵌入式多功能载波信号测试系统是一个典型的嵌入式应用系统， 采用高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 作为嵌入式微处理器，而嵌入式操作系统 则使用实时多任务内核u c o s i i 。本章首先介绍了d s p 技术和嵌入式操作系统 u c o s i i ，然后讨论了u c o s i i 在t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 中的移植。 2 1d s p 技术概述 2 1 1d s p 应用系统的构成与特点 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 是一门涉及许多学科而又广 泛应用于许多领域的新兴学科。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以 数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得 到符合人们需要的信号形式i 7 j 。 随着信息技术的飞速发展，数字信号处理技术也得到了迅速的发展，目前数 字信号处理技术已经在通信等领域得到了极为广泛的应用。下面分别介绍d s p 应 用系统的构成与特点。 2 1 1 1d s p 应用系统的构成 如图2 1 所示，是一个典型的d s p 应用系统。图中，输入信号可以有多种形 式，例如可以是麦克风输出的语音信号或者是电话线传来的已调数据信号。 抗 平滑 输入 混叠d s p 滤波 加 d a滤波 芯片 电路 电路 图2 1 典型的d s p 应用系统f 7 j 上图所示的d s p 应用系统是一个典型模型，但并不是所有的d s p 应用系统 都必须包括模型中的所有部件。如语音识别系统在输出端并不是连续的波形，而 是识别结果( 如数字、文字等) ，系统就不需要d a 变换和平滑滤波电路：有些 输入信号本身就是数字信号( 如c d ，c o m p a c td i s k ) ，系统就不需进行d 变换。 一般输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行a d ( a n a l o g t od i g i t a l ) 变换，将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，对低通模拟信号，为 硕士学位论文 保持信息的不丢失，抽样频率必须至少是输入带限信号最高频率的2 倍。 d s p 芯片的输入是a d 变换后得到的数字信号，d s p 芯片对输入的数字信号 进行某种形式的处理，如滤波、压缩等。最后，经过处理后的数字样值再经d a ( d i g i t a lt oa n a l o g ) 变换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续 的模拟波形。 2 1 1 2d s p 应用系统的特点 d s p 系统是以数字信号处理为基础的，因此具有数字处理的全部优点： n 1 接口方便：d s p 应用系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都 是相互兼容的，它与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接 口要容易得多。 f 2 ) 编程方便：d s p 应用系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程 中灵活方便地对软件进行修改和升级。 f 3 1 稳定性好：d s p 应用系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影 响较小、可靠性高。 ( 4 ) 精度高：1 6 位数字系统可以达到1 0 4 级的精度。 ( 5 1 可重复性好：模拟系统的性能受元器件参数变化的影响比较大，而数字 系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。 f 6 、集成方便：d s p 应用系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集 成。 d s p 应用系统的这些突出优点已经使其在通信、语音、图像、雷达、生物医 学、工业控制、仪器仪表等领域得到越来越多的应用。 2 1 2d s p 芯片的发展 世界上第一片d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的个主要里程碑。但是，这两种 芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。在此之后，美、日两国 又相继推出了一些功能改进的商用d s p 芯片。 目前，最成功的d s p 芯片当数美国t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司的一系列产 品。t i 的系列d s p 产品已经成为当今世界上最有影响的d s p 芯片，其市场份额 接近全世界份额的5 0 ，其中尤以t m s 3 2 0 系列最为流行。 如图2 2 所示，为t m s 3 2 0 系列的发展进程。1 9 8 2 年t i 公司推出t m s 3 2 0 系列的第一个产品t m s 3 2 0 1 0 ，这是一种定点d s p ，当年被“电子产品”杂志评 选为“年度最佳产品”。迄今。t m s 3 2 0 系列已有了几代产品：定点d s p 有 c 2 0 x ，c 2 4 x c 2 8 x 、c 5 x ，c 5 4 x ，c 5 5 x 和c 6 2 x i c 6 4 x ；浮点d s p 有c 3 x c 4 x 和c 6 7 x ； 多微处理器d s p 有c 8 x 。 基于d s p 的嵌入式多功能载波信号测试系统的研究 图2 2t m s 3 2 0 系列的发展进程【8 】 在d s p 的发展历程中，还有许多公司扮演着极其重要的角色。例如：日本的 h i t a c h i 公司在d s p 芯片的设计中第一个引入了浮点运算功能；m o t o r o l a 公 司于1 9 8 4 年推出了与i e e e 浮点格式兼容的浮点d s p 芯片：美国a d ( a n a l o g d e v i c e ) 公司在d s p 芯片市场上也有比较大的份额。 随着通信技术和现代技术的迅速发展，d s p 技术不断地更新换代，而且随着 d s p 芯片性价比的不断提离，d s p 芯片在更多领域内将得到更为广泛的应用。总 的说来，d s p 芯片一般具有如下主要特点1 9 ： ( 1 ) 快速的运算速度； ( 2 ) 在一个摆令周期内可完成一次乘法和一次加法运算； ( 3 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 4 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 5 ) 具有低开销或无开销循环及硬件支持； ( 6 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； ( 7 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 8 ) 可以并行执行多个操作； ( 9 ) 支持流水线操作，取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 2 1 3d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 介绍 2 131t m s 3 2 0 c 5 4 x 芯片系列的性能及特点 t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列为1 6 b i t 定点d s p 芯片，是t i 公司为实现低功耗、高性 能而专门设计的，主要应用在通信等系统中。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 的中央处理单元( c p u ) 采用优化的哈佛结构，包含一条程序 总线、三条数据总线和四条地址总线、算术逻辑单元a l u 、专用硬件逻辑、片内 存储器、片内外设和高度专业化的指令集，使芯片运行速度更高，操作更灵活。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列的主要特点如下： 硕士学位论文 ( 1 ) 运算速度快；运算速度可达4 0 2 0 0 m i p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o np e rs e c o n d ) 。 ( 2 ) 优化的c p u 结构：内部有一个4 0 位的算术逻辑单元，2 个4 0 位的累加 器，1 个1 7 x 1 7 的乘法器和1 个4 0 位的桶形移位器：有4 条内部总线和2 个地 址产生器；内部集成了维特比加速器，用于提高维特比编译码的速度。 ( 3 ) 低功耗方式：t m s 3 2 0 c 5 4 x 可以在3 3 v 、2 5 v 、1 8 v 的低电压下工作， 三个低功耗方式( i d l e l 、i d l e 2 和i d l e 3 ) 可以节省d s p 的功耗。 f 4 ) 智能外设：除了标准的串行口和时分复用( t d m ) 串行口外，t m s 3 2 0 c 5 4 x 还提供了自动缓冲串行口b s p ( b u f f e r e ds e r i a lp o r t ) 、多通道缓冲串行口m c b s p ( m u l t i c h a n n e lb s p ) 和与外部处理器通信的h p i ( h o s tp o r ti n t e r f a c e ) 接口。 2 1 3 2t m $ 3 2 0 v c 5 4 0 9 芯片的结构 本测试系统中使用了d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 ，为t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列的一 种。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 采用3 3 w 1 8 v 供电，运行频率1 0 0 m h z ，t q f p 1 4 4 封装。 除具有t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列d s p 芯片的基本特点外，它还具有自身特色，下面分 c p u 、存储器、片内外设三部分介绍其基本结构。 1 - c p u t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 的c p u 由以下几部分组成： ( 1 ) 算术逻辑单元( a l u ) ：包括一个4 0 位的a l u ，一个比较、选择和存储 单元( c s s u ) _ 稻一个指数编码器。 ( 2 ) 累加器：包括两个独立的4 0 位累加器a c c a 和a c c b ，可以存放a l u 或m a c 单元的运算结果，也可以作为a l u 的一个输入。 ( 3 ) 移位寄存器：4 0 位的桶形移位寄存器主要用于累加器或数据区操作数的 定标，移位位数范围为。1 6 3 1 ( 移位位数为正对应于左移，反之对应于右移) 。 ( 4 ) 乘累加单元( m a c ) ：包括一个1 7 x1 7 位的乘法器和一个4 0 位的专用加 法器。m a c 单元具有强大的乘累加功能，在一个流水线周期内可以完成一次乘法 运算和一次加法运算。 ( 5 ) 寻址单元：t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 具有高效灵活的寻址方式，分为程序和数据 两种寻址模式。程序寻址采用程序计数器( p c ) 寻址；数据寻址包括立即数寻址、 绝对地址寻址、累加器寻址、直接寻址、阔接寻址、存储器映射寄存器寻址、堆 栈寻址。 2 存储器 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 包括1 9 2 k 1 6 b i t 的可寻址存储器空间：6 4 k x l 6 b i t 数据 空间、6 4 k x l 6 b i t 数据空间和6 4 k x l 6 b i t i o 空间，其中通过扩展寻址模式，程 序空间可以达到8 m x1 6 b i t 。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 片内包括1 6 k x l 6 b i tr o m 和3 2 k 1 6 b i td a r a m ( d u a l 基于d s p 的嵌入式多功能载波信号测试系统的研究 a c c e s sr a m ) ，存储器映射区间如图2 3 所示： m p 赢- _ il ； o 协l o p f o c e ，罐删* f 队，喇州h q o o t d n ”肝；舶h 一1 f f f h 口h 蹦扣2 0 自o r l 一3 f f 讯 n r 圳2 ：4 0 0 0 h 一5 f f f ；t d “”柑扣6 口h 一7 # f i ；1 1 图2 3t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 存储器映射区间【1 0 设置存储器映射寄存器p m s t 的m p m c b i t 可以选择处理器的工作方式： n ) m p m c - - 0 ；工作在微计算机方式，片内r o m 映射到程序空间。 ( 2 ) m p m c = 1 ：工作在微处理器方式，片内r o m 被禁止。 设置寄存器p m s t 的o v l * b i t 可以选择片内d a r a m 的映射方式： ( 1 ) o v l y = 0 ：映射到数据空间，片内d a r a m 只能用作数据存储器。 ( 2 ) o v l y = i ：同时映射到数据空间和程序空间，此时访问程序区也可以使用 访问数据区的指令。 3 片内外设 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 具有如下片内外设： ( 1 ) 通用i o 引脚( x f 和b i o ) ：x f 是一个由软件控制的外部标志输出引脚， 由存储器映射寄存器s t l 中的x f b i t 控制其输出电平：b i o 为转移控制输入引脚， 用于监视外部器件的状态。另外，m c b s p 和h p i 的某些引脚也可以作为通用i o 引脚。 ( 2 ) 定时器：片内定时器是一个软件可编程的2 0 - b i t 定时器，包含三个存储 器映射寄存器t i m ( 定时寄存器) 、p r d ( 定时周期寄存器) 和t c r ( 定时控制 寄存器) 。 硕士学位论文 ( 3 ) 主机接口h p i ( h o s tp o r ti n t e r f a c e ) ：主要用于d s p 与其他总线或c p u 进行通信，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 为增强型8 - b i th p i 接口，为d s p 芯片的接口开发提 供了一种极为方便的途径。 ( 4 ) 多通道缓冲串行口m c b s p 支持多种方式的传输接口、可与多达1 2 8 个 通道进行收发，并且控制方式可编程的程度高，使得d s p 与各种串行设备间的接 口非常方便可靠。 f 5 ) 软件可编程等待状态产生器s w w s r ：不需要外部硬件就可以将外部总 线周期扩展到1 4 个机器周期，从而方便地与慢速的片内存储器和i o 器件接口。 ( 6 ) 可编程块开关模块：通过存储开关控制寄存器b s c r ( b a n k s w i t c h i n g c o n t r o lr e g i s t e r ) 确定块开关可控制的存储块的大小，在访问程序或数据存储器 越过存储块边界时自动插入一个周期，以防止总线竞争。 2 2 嵌入式系统概述 2 2 1 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 定义及特点 对于嵌入式系统，目前国内一个普遍被认同的定义是；以应用为中心，以计 算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适用对功能、成本、体积、功耗严格要求的 专用计算机系统【l l 】。 另外嵌入式系统还有一种很准确的定义：嵌入到对象体系中的专用计算机系 统1 8 1 。在这个定义中，“嵌入性”、“专用性”和“计算机系统”是嵌入式系统的三 个基本要素，对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。 嵌入式系统的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用软件的软件产 品开发，不同的嵌入式系统的特点会有所差异，但从它的第二种定义中三个基本 要素可以得到嵌入式系统三个共同特点： f 1 ) 与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，并且与应用紧密 结合的，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境( 小型) 、电气气氛环境( 可 靠) 、成本( 价廉) 等要求。 ( 2 ) 与“专用性”的相关特点：根据对象系统的应用需求，软硬件具有可裁 剪性，满足应用系统要求的最小软硬件配置以及应用系统的功能、可靠性、成本、 体积等要求。 ( 3 ) 与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制 要求的计算机系统。与上述两个特点相呼应，这样的计算机必须配置与对象系统 相适应的接口电路。 2 2 2 嵌入式系统构成及分类 嵌入式系统由硬件和软件两部分构成：硬件一般由高性能的微处理器和外围 基于0 s p 的嵌入式多功能载波信号测试系统的研究 接口电路组成；软件一般由嵌入式操作系统和用户应用程序构成。 由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以嵌入式系统的分类也可以 从硬件和软件进行划分。 2 2 2 1 嵌入式系统的硬件 从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。据不完全统计， 全世界嵌入式处理器的品种数量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 多个。 目前嵌入式处理器的寻址空间可以从6 4 k b 到2 5 6 m b ，处理速度从0 1 m i p s 到 2 0 0 0 m i p s l l 2 1 。 嵌入式处理器一般具有以下4 个特点： f 1 ) 对实时多任务操作系统具有很强的支持能力：能够实现多任务并且有较 短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 f 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能：由于嵌入式系统的软件结构一般为模 块化，为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保 护功能，同时也有利于软件故障诊断。 ( 3 ) 处理器结构可扩展：能够快速开发满足各种应用和高性能的嵌入式微处 理器。 ( 4 ) 低功耗：尤其是用于便携式的无线及移动计算和通信设备的嵌入式系统， 功耗可以达到m w 级甚至u w 级。 如图2 4 所示，一般可以将嵌入式处理器分为4 类：嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 、嵌入式d s p 处理器( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 、嵌 入式微处理器( m i c r op r o c e s s o r u n i t ，m p u ) 和嵌入式片上系统( s y s t e mo n c h i p ， s o c ) 。 图2 4 嵌入式系统分类( 按硬件分类) ( 1 ) 嵌入式微控制器：嵌入式微控制器是目前嵌入式系统工业的主流，其典 型代表是单片机。微控制器的片上外设资源丰富，集成了r a m f l a s h 、定时，计数 器、看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d d a 等各种必要功能和外设，适 硕士学位论文 - _ l _ - t _ e - _ - _ _ - 一i i i - _ - _ _ - _ _ _ _ - = _ e | _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ - - _ _ t - _ - _ _ - - - _ _ _ _ - _ _ _ _ l i t _ _ - l l _ _ 一 台控制。与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小， 从而使功耗和成本下降、可靠性提高。目前比较有代表性的m c u 包括8 0 5 1 、 m c s - 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、6 8 k 系列以及m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 等。 ( 2 ) 嵌入式d s p 处理器：d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其 在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速 度。在数字滤波、f f t 、频谱分析等仪器上，d s p 获得了大规模的应用。目前应 用最为广泛的是t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 i c 5 0 0 0 c 6 0 0 0 系列，另外如m o t o r o l a 公司和 a d 公司的d s p 芯片也有各自的应用领域。 ( 3 ) 嵌入式微处理器：嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的， 其特征是具有3 2 位以上的处理器，具有较高的性能，价格也相应较高。与计算机 处理器不同的是。在实际嵌入式应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相关的功能 硬件，去除其他冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现了嵌入式应用的 特殊要求。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本 低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式微处理器有3 8 6 e x 、p o w e rp c 、s c 一4 0 0 、 a r m s t r o n g a r m 系列等。 ( 4 ) 嵌入式片上系统：片上系统s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件， 是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。s o c 最大的特点是成功实现了软硬件的 无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块；另外s o c 具有极高的综 合性，在整个硅片内运用v h d l 等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。由于 s o c 往往是专用的，所以大部分不为用户所知，比较典型的s o c 产品是p h i l i p s 的s m a r tx a ，还有少数通用系列如m o t o r o l a 的m c o r e 等。 2 2 2 2 嵌入式系统的软件 嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成。通常，嵌入式系 统中的系统程序( 即操作系统) 和应用程序是浑然一体的，这些程序被编译连接 成一个可以执行的二进制映象文件( i m a g e ) ，并被固化在系统中。在系统复位后 自动执行。 图2 5 嵌入式系统的分类( 按软件分类) 嵌入式操作系统是连接计算机硬件与应用程序的系统程序，有两个基本功能： 使计算机硬件便于使用；高效组织和正确使用计算机的资源。操作系统有4 个主 基于d s p 的嵌入式多功能载波信号测试系统的研究 要任务：进程管理、进程间通信与同步、内存管理和i o 资源管理。 目前嵌入式系统的软件主要有两大类：实时系统和分时系统，其中实时系统 又分为硬实时系统和软实时系统，如图2 5 所示。 1 实时嵌入式系统 实时嵌入式系统是为执行特定功能而设计的，能够在限定的时间内完成所规 定的功能以及在限定的时间内对外部异步事件做出响应。其最大的特征就是程序 的执行具有确定性，完成规定的功能和响应外部异步事件所需时间的长短是衡量 实时嵌入式系统实时性强弱的指标。 实时嵌入式系统又可分为硬实时系统和软实时系统：在硬实时系统中，一个 任务不仅要执行无误而且要做到准时：在软实时系统中系统的宗旨是使各个任务 运行得越快越好，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成1 1 3 1 。 硬实时系统和软实时系统实现的区别主要是在选择调度算法上：对于软实时 系统，选择基于优先级调度的算法足以满足软实时系统的需求，而且可以提供高 速的响应和大的系统吞吐量：而对于硬实时系统来说，需要使用的算法就应该是 调度方式简单。反应速度快的实时调度算法l 。目前大多数实时系统是硬实时系 统和软实时系统这两者的结合。 一个商业的r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 必须具有以下两个指标： ( 1 ) 中断响应时间：指从中断发生到相应的i s r ( i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e )