DSP主控板硬件设计

1、DSP主控板硬件设计1课题及研究的目的和意义产品研制、生产、使用过程中，先进的检测技术和检验设备是检测产品性能参数及缩短研制时间的有利保障。因此测试设备是整个产品生命周期内不可或缺的关键部分。 根据被测对象需要测量的参数和功能， 测试设备在主控制器的控制下完成对产品的测试， 可以提高产品的测试效率和测试结果的准确性。 纵观测试设备的发展历程可以发现， 测试设备均由一个控制器加上外围电路并辅以一定的通讯方式组成， 控制器是整个测试设备 “神经中枢”，控制外围模块的运行。 目前能作为主控制器使用的有单片机、 嵌入式微处理器以及 DSP（Digital Signal Processor ，数字信号处

2、理器）等。前两者虽然在某些领域也得到很大的发展， 但由于设计的出发点不同，决定了其自身的局限性，即不能用于高速数字信号运算，而这恰恰是 DSP的优势所在 1 。在测试设备领域，难免要进行大量数字信号的处理，因此在选择主控制器时应有选择性的选用 DSP而不是单片机或嵌入式处理器 2 。在测控台中扮演另一重要角色的当数 FPGA。FPGA（Field Programmable Gate Array ）是现场可编程门阵列的简称，是可编程逻辑器件（ PLD）问世以来的 * 产品。自八十年代中期诞生以来，由于其速度快、 集成度高及用户定义逻辑功能而备受广大电子工程师的青睐。 用户可以利用分布在 CLB周

3、围的可编程互连资源以串联、并联或混合方式把相应的 CLB连接起来，实现更复杂的逻辑功能。由于 FPGA的现场可编程性及高密度性，所以电路设计的大部分工作都是在计算机上完成， 使得产品的开发周期缩短， 风险投资减小。而且 FPGA的功能完全由用户设计的配置程序所决定，在不改变其外部接口的情况下可以很方便地改变其电路的逻辑功能。 基于以上分析，并且考虑到测试设备的通用性及可扩展性， 选用 DSP和 FPGA 组合设计出最小系统板 （并预留 I/O 接口及功能接口用于系统扩展） ，以此作为测试设备的控制器必将大大缩短测试设备的研制周期， 所以该课题具有较高的应用价值和实际意义。 2 国内外在该方向的

4、研究现状及分析 2.1 DSP+FPGA系统特点综述 随着数字信号处理器 (DSP) 和现场可编程门列阵器件（ FPGA）的发展，采用 DSP+FPGA的硬件系统显示出其优越性， 整愈来愈得到人们的重视。 通用的 DSP优点是通过编程可以应用到广泛的产品中， 并且主流的 DSP产品已经可以满足许多要求。但是传统的 DSP采用冯诺依曼（ Von Neumann）结构或某种类型扩展。此结构本质上是串行的， 因此遇到需处理的数据量大，但是对运算结构相对比较简单的底层信号处理算法来说显不出优点，适合采用 FPGA硬件实现 3,4 。这样，采用 DSP+FPGA的数字硬件系统就可以把二者优点结合一起，

5、兼顾速度和灵活性既满足底层信号处理要求，又满足高层信号处理要求。 DSP+FPGA系统最大优点是结构灵活，有较强的通用性，适合于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展， 适合实时信号处理。 2.2 国外在该领域的发展状况 简略国外 DSP+FPGA技术发展的现状，国外的信息处理设备一直保持着快速的发展势头。 欧美等科技大国保持着国际领先的地位， 并且他们很多已经发展到相当大的规模， 竞争也愈发激烈，我们从国际知名 DSP技术公司发布的产品中就可以了解到当今世界先进的数字信号处理系统的情况 5 。 以 Pentek 公司一款处理板 4293 为例，使用 8 片

6、TI 公司 300MHZ的 TMS320C6203芯片，具有 19200MIPS的处理能力，同时集成了 8 片 32MB的 SDRAM，数据吞吐 600MB/S。该公司的另一款处理板 4294 集成了 4 片 Motorola 的MPC7410PowerPC处理器，工作频率 400/500MHZ，两级缓存 25K*64bit ，最高具有 16MB的 SDRAM。DSP+FPGA应用产品获得成功的一个标志就是进入商业化，在以往的 20 年中，这一进程不断的重复进行，而且周期在不断的缩短， 在数字信息时代， 更多的新技术和新产品需要快速的推上市场，因此，DSP+FPGA的产业化进程还在加速进行。

7、2.3 国内在该领域的发展现状 目前，国外众多厂商涉足我国 DSP+FPGA产品市场，我国的 DSP+FPGA应用已经有了相当的基础， 从应用范围来说，该组合的市场前景很好。 DSP+FPGA不仅仅成为手机、个人数字助理的快速增长产品中的关键元件， 而且它正在向数码相机等其他领域挺近。 随着 DSP和 FPGA芯片的品种和技术档次不断提高以及向多功能化、高性能化、低功耗化方向发展， DSP+FPGA这一硬件系统正日益进入我们的生活， 在未来相当长的一段时间， 我国该硬件系统的市场将蓬勃发展，今后几年市场的销售额仍将保持 40%以上的增长率，具有良好的市场前景 6 。 虽然我国的 DSP+FPG

8、A技术取得了一定的成绩，但是与发达国家相比仍有差距。所以说我国的 DSP+FPGA技术的发展道路还很漫长，在发展过程中需要做到重视通用性、 加强综合性、采用新技术、坚持自主创新。1课题及研究的目的和意义产品研制、生产、使用过程中，先进的检测技术和检验设备是检测产品性能参数及缩短研制时间的有利保障。因此测试设备是整个产品生命周期内不可或缺的关键部分。 根据被测对象需要测量的参数和功能， 测试设备在主控制器的控制下完成对产品的测试， 可以提高产品的测试效率和测试结果的准确性。 纵观测试设备的发展历程可以发现， 测试设备均由一个控制器加上外围电路并辅以一定的通讯方式组成， 控制器是整个测试设备 “神

9、经中枢”，控制外围模块的运行。 目前能作为主控制器使用的有单片机、 嵌入式微处理器以及 DSP（Digital Signal Processor ，数字信号处理器）等。前两者虽然在某些领域也得到很大的发展， 但由于设计的出发点不同，决定了其自身的局限性，即不能用于高速数字信号运算，而这恰恰是 DSP的优势所在 1 。在测试设备领域，难免要进行大量数字信号的处理，因此在选择主控制器时应有选择性的选用 DSP而不是单片机或嵌入式处理器 2 。在测控台中扮演另一重要角色的当数 FPGA。FPGA（Field Programmable Gate Array ）是现场可编程门阵列的简称，是可编程逻辑器件

10、（ PLD）问世以来的 * 产品。自八十年代中期诞生以来，由于其速度快、 集成度高及用户定义逻辑功能而备受广大电子工程师的青睐。 用户可以利用分布在 CLB周围的可编程互连资源以串联、并联或混合方式把相应的 CLB连接起来，实现更复杂的逻辑功能。由于 FPGA的现场可编程性及高密度性，所以电路设计的大部分工作都是在计算机上完成， 使得产品的开发周期缩短， 风险投资减小。而且 FPGA的功能完全由用户设计的配置程序所决定，在不改变其外部接口的情况下可以很方便地改变其电路的逻辑功能。基于以上分析，并且考虑到测试设备的通用性及可扩展性， 选用 DSP和 FPGA 组合设计出最小系统板 （并预留 I/

11、O 接口及功能接口用于系统扩展） ，以此作为测试设备的控制器必将大大缩短测试设备的研制周期， 所以该课题具有较高的应用价值和实际意义。 2 国内外在该方向的研究现状及分析 2.1 DSP+FPGA系统特点综述 随着数字信号处理器 (DSP)和现场可编程门列阵器件（ FPGA）的发展，采用 DSP+FPGA的硬件系统显示出其优越性， 整愈来愈得到人们的重视。 通用的 DSP优点是通过编程可以应用到广泛的产品中， 并且主流的 DSP产品已经可以满足许多要求。但是传统的 DSP采用冯诺依曼（ Von Neumann）结构或某种类型扩展。此结构本质上是串行的， 因此遇到需处理的数据量大，但是对运算结构

12、相对比较简单的底层信号处理算法来说显不出优点，适合采用 FPGA硬件实现 3,4 。这样，采用 DSP+FPGA的数字硬件系统就可以把二者优点结合一起， 兼顾速度和灵活性既满足底层信号处理要求，又满足高层信号处理要求。 DSP+FPGA系统最大优点是结构灵活，有较强的通用性，适合于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展， 适合实时信号处理。 2.2 国外在该领域的发展状况 简略国外 DSP+FPGA技术发展的现状，国外的信息处理设备一直保持着快速的发展势头。 欧美等科技大国保持着国际领先的地位， 并且他们很多已经发展到相当大的规模， 竞争也愈发激烈，我们从国际

13、知名 DSP技术公司发布的产品中就可以了解到当今世界先进的数字信号处理系统的情况 5 。 以 Pentek 公司一款处理板 4293 为例，使用 8 片 TI 公司 300MHZ的 TMS320C6203芯片，具有 19200MIPS的处理能力，同时集成了 8 片 32MB的 SDRAM，数据吞吐 600MB/S。该公司的另一款处理板 4294 集成了 4 片 Motorola 的MPC7410PowerPC处理器，工作频率 400/500MHZ，两级缓存 25K*64bit ，最高具有 16MB的 SDRAM。DSP+FPGA应用产品获得成功的一个标志就是进入商业化，在以往的 20 年中，这一进程不断的重复进行，而且周期在不断的缩短， 在数字信息时代， 更多的新技术和新产品需要快速的推上市场，因此，DSP+FPGA的产业化进程还在加速进行。 2.3 国内在该领域的发展现状 目前，国外众多厂商涉足我国 DSP+FPGA产品市场，我国的 DSP+FPGA应用已经有了相当的基础， 从应用范围来说，该组合的市场前景很好。 DSP+FPGA不仅仅成为手机、个人数字助理的快速增长产品中的关键元件， 而且它正在向数码相机等其他领域挺近。 随着 DSP和 FPGA芯片的品种和技术档次不断提高以及向多功能化