在測試飛行控制組件時，遙測接收設(shè)備離信息處理中心較遠(yuǎn)，而被測數(shù)據(jù)量又極大，如果采用傳統(tǒng)的專線傳輸遙測數(shù)據(jù)，則傳輸時間需幾個小時，無法滿足快速處理的要求。因此，需要研制一種協(xié)議轉(zhuǎn)換器，用來完成被測數(shù)據(jù)無損、實(shí)時、遠(yuǎn)距離地與遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行通信，并能接收上位機(jī)的控制指令，實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程交互，而測試人員通過上位機(jī)的人機(jī)界面就可以完成所有測試。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
    考慮到系統(tǒng)實(shí)時性和可靠性的要求，選擇以太網(wǎng)口作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器與遠(yuǎn)程上位機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口、以高速串口作為控制口的通信方式，采用DSP+ARM架構(gòu)的硬件解決方案。系統(tǒng)框圖如圖1所示?；竟ぷ髟恚篎PGA作為數(shù)據(jù)預(yù)處理器，完成并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)預(yù)處理任務(wù)；DSP讀取FPGA處理后的數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)壓縮；ARM作為中央處理控制器，主要從DSP系統(tǒng)中讀取已經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)并通過以太網(wǎng)完成與上位機(jī)實(shí)時通信的任務(wù)。上位機(jī)按照數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、產(chǎn)品的數(shù)據(jù)遙測協(xié)議解調(diào)出各類物理變量，記錄并存儲。測試人員通過上位機(jī)完成工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程設(shè)置與查詢信息交互的任務(wù)。

2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 TMS320C6416及其外圍電路設(shè)計(jì)
    DSP芯片選用TI公司的TMS320C6416。這是TI公司推出的高速定點(diǎn)DSP，它擁有處理能力強(qiáng)大的CPU、高達(dá)1 MB的RAM及豐富的外設(shè)接口。外設(shè)包括為CPU訪問外圍設(shè)備提供無縫接口的靈活的外部存儲器接口EMIFA和EMIFB，一個使得DSP很容易通過PCI接口無縫連接到具有PCI功能的外部主CPU上的PCI接口，一個16/32 bit寬的異步并行接口HPI(和PCI共用相同的引腳)，一個提供64 bit數(shù)據(jù)通道訪問的增強(qiáng)型EDMA等。TMS320C6416采用3.3 V和1.4 V電源供電，其中I/O采用3.3 V電源供電，內(nèi)核采用1.4 V電源供電。TMS320C6416有符合IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG標(biāo)準(zhǔn)測試接口及相應(yīng)的控制器，從而可以通過仿真器把DSP系統(tǒng)與PC機(jī)相連，進(jìn)行在線調(diào)試[1]。
2.1.1 DSP與SDRAM、Flash的接口電路
    DSP處理器TMS320C6416對外有2個EMIF總線接口，分別是寬64 bit的EMIFA和寬16 bit的EMIFB。EMIFA接口具備與8、16、32、64 bit系統(tǒng)接口的功能，EMIFB接口端口支持8 bit和16 bit系統(tǒng)。EMIFA分成ACE0~ACE3四個存儲空間，每個存儲空間可以獨(dú)立配置，無縫連接多種類型的存儲器（如SRAM、Flash RAM、DDR RAM）。
    為了提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，外擴(kuò)兩片SDRAM芯片作為程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。SDRAM 芯片選用同步存儲器MT48LC2M32B2TG，其容量為2 M×32 bit。TMS320C6416通過EMIFA接口實(shí)現(xiàn)與兩片SDRAM芯片的無縫連接。
    TMS320C6416內(nèi)部沒有Flash存儲器，為了形成獨(dú)立的系統(tǒng)，采用外部擴(kuò)展Flash存儲器AM29LV400B存儲程序。系統(tǒng)復(fù)位時，從Flash中加載程序。TMS320C6416通過EMIFB接口實(shí)現(xiàn)與Flash芯片的無縫連接。
2.1.2 DSP與FPGA的接口電路
    由于DSP處理器TMS320C6416的采樣速度及存儲空間受到自身約束限制，所以數(shù)據(jù)的采集、流向控制和數(shù)據(jù)預(yù)處理等任務(wù)由FPGA完成。FPGA芯片選用Xilinx公司低成本現(xiàn)場可編程門陣列Spartan-3E系列中的XC3S500E。XC3S500E芯片集成有20個Block RAM，每個RAM塊中的18 Kbit的模塊存儲器是完全同步、真正的雙端存儲器。用戶可獨(dú)立地從每個端口讀出或向每個端口寫入（但同一地址不能同時進(jìn)行讀和寫）。另外，每個端口都有一個獨(dú)立的時鐘，并且對每個端口的數(shù)據(jù)寬度都可以獨(dú)立進(jìn)行配置。
    在該協(xié)議轉(zhuǎn)換器中，DSP通過EMIFA接口連接到FPGA，實(shí)現(xiàn)DSP與FPGA Block RAM的無縫連接，從而使得DSP與FPGA之間的通信問題轉(zhuǎn)化為DSP對其EMIFA外設(shè)的訪問，達(dá)到了提高系統(tǒng)實(shí)時性的目的。為了保持FPGA與DSP之間的同步，F(xiàn)PGA的時鐘直接由DSP內(nèi)部的鎖相環(huán)提供。DSP處理器TMS320C6416與FPGA的接口示意圖如圖2所示[2]。

2.2 S3C4510B及其外圍電路設(shè)計(jì)
    ARM芯片選用Samsung公司的S3C4510B。S3C4510B是基于以太網(wǎng)應(yīng)用的高性價比16/32 bit RISC微控制器，內(nèi)含一個由ARM公司設(shè)計(jì)的16/32 bit ARM7TDMI RISC處理器核。S3C4510B 提供了一套比較完整的通用的外圍設(shè)備，從而使得整個系統(tǒng)消耗最小。正是因?yàn)樗哂泻芏喑Ｓ玫墓δ苣K，所以也免去了添加配置附加設(shè)備的麻煩。芯片上集成的功能主要包括以下幾個方面[3]：3.3 V ARM內(nèi)核和3.3 V外部I/O，具有50 MHz時鐘頻率的微處理器；8 KB的Cache/SRAM；一個10/100 Mb/s以太網(wǎng)控制器，MII接口；2個HDLC通道，每個通道可支持10 Mb/s；2個UART通道，2個DMA通道，2個32 bit定時/計(jì)數(shù)器；1個通道IIC接口，18個可編程I/O口；中斷控制器，支持21個中斷源，包括4個外部中斷；支持SDRAM、SRAM、Flash等；具有擴(kuò)展外部總線和JTAG接口，支持軟件開發(fā)及硬件調(diào)試。
    本設(shè)計(jì)選用ARM微控制器S3C4510B是因其集成有以太網(wǎng)控制器和極強(qiáng)的外圍擴(kuò)展能力。S3C4510B以及其外圍芯片F(xiàn)lash、SDRAM組成了整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)各模塊工作，并實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程上位機(jī)的以太網(wǎng)通信。本設(shè)計(jì)對S3C4510B內(nèi)部SDRAM和ROM進(jìn)行了擴(kuò)充。采用兩片SDRAM芯片HY57V641620并聯(lián)構(gòu)建32 bit的SDRAM存儲系統(tǒng)；采用一片F(xiàn)lash芯片HY29LV160構(gòu)建16 bit的Flash存儲器系統(tǒng)。
2.2.1 ARM與DSP的接口電路
    由于ARM微控制器要實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和網(wǎng)絡(luò)功能，DSP處理器要執(zhí)行復(fù)雜計(jì)算，因此需要實(shí)現(xiàn)ARM和DSP之間的數(shù)據(jù)交換。從某種程度上來說，ARM和DSP之間數(shù)據(jù)交換的速度決定了整個系統(tǒng)的運(yùn)行速度和性能。
    DSP處理器TMS320C6416集成了一個16/32 bit寬的主機(jī)接口HPI，HPI通過復(fù)位時的自舉和器件配置引腳HD5選擇采用HPI16或HPI32。HPI具有兩條地址線HCNTRL[1:0]，負(fù)責(zé)對HPI的內(nèi)部寄存器尋址。HPI只有三個32 bit內(nèi)部寄存器，分別是控制寄存器HPIC、地址寄存器HPIA和數(shù)據(jù)寄存器HPID。只需對上述三個寄存器進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作，就能完成對DSP內(nèi)存空間的訪問。
    由于ARM微控制器S3C4510B中沒有完全符合DSP處理器TMS320C6416 HPI接口時序的外部接口可以直接使用，因此選用S3C4510B中時序最接近HPI接口時序的外部I/O接口與TMS320C6416進(jìn)行連接。TMS320C6416與S3C4510B的接口示意圖如圖3所示。由圖3可知，TMS320C6416與S3C4510B通過單獨(dú)的32 bit數(shù)據(jù)線HD0~HD31和8條控制線進(jìn)行連接。S3C4510B通過HPI訪問DSP內(nèi)部的RAM以及其他一些外部資源。在整個ARM與DSP通過HPI進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換的過程中，除了中斷ARM和清除ARM發(fā)過來的中斷需要DSP本身參與外，其他操作中DSP都處于被動地位。所以對于ARM來說，DSP就相當(dāng)于一片外接的SDRAM。

2.2.2 以太網(wǎng)接口電路
    ARM微控制器S3C4510B內(nèi)嵌一個以太網(wǎng)控制器，支持媒體獨(dú)立接口MII（Media Independent Interface）和帶緩沖DMA接口（Buffered DMA Interface）。可在半雙工或全雙工模式下提供10 /100 Mb/s的以太網(wǎng)接入。在半雙工模式下，控制器支持CSMA/CD協(xié)議，在全雙工模式下支持IEEE802.3 MAC控制層協(xié)議。因此，S3C4510B內(nèi)部實(shí)際上已包含了以太網(wǎng)MAC控制，但并未提供物理層接口，所以采用RTL8201作為以太網(wǎng)的物理層接口。信號的發(fā)送和接收端TPRX+、TPRX-、TPTX+、TPTX-應(yīng)通過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器和RJ45接口接入傳輸媒體[4]。以太網(wǎng)接口示意圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    由于需要ARM微控制器S3C4510B實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和網(wǎng)絡(luò)功能，因此在S3C4510B上移植了嵌入式操作系統(tǒng)μClinux。μCLinux是一個帶有完整TCP/IP協(xié)議的操作系統(tǒng)，在μCLinux中加入實(shí)時RT-Linux模塊以滿足對嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)時性要求，并根據(jù)需要對μCLinux系統(tǒng)進(jìn)行了裁剪。
    在網(wǎng)絡(luò)通信中，基于TCP/IP協(xié)議的通信方式有很多，本文選用Socket實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端和客戶端的數(shù)據(jù)通信。Socket是建立在傳輸層協(xié)議上的一種套接字規(guī)范，它定義了兩臺計(jì)算機(jī)間進(jìn)行通信的規(guī)范。套接字屏蔽了底層通信軟件和具體操作系統(tǒng)的差異，使得任何兩臺安裝了TCP協(xié)議軟件和實(shí)現(xiàn)了套接字規(guī)范的計(jì)算機(jī)之間的通信成為可能。在開發(fā)?滋CLinux系統(tǒng)下的套接字程序時，采用了TCP套接字，因?yàn)樗峁┝艘环N可靠的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方法，有檢錯和糾錯機(jī)制，并且不管對單個數(shù)據(jù)報還是數(shù)據(jù)包，它都提供一種流式數(shù)據(jù)傳輸方式。服務(wù)器首先啟動并進(jìn)行初始化操作，通過調(diào)用函數(shù)socket()創(chuàng)建一個套接字，然后調(diào)用函數(shù)bind()將該套接字和本地網(wǎng)絡(luò)地址綁定在一起，再調(diào)用函數(shù)listen()將該套接字轉(zhuǎn)換成傾聽套接字，之后調(diào)用函數(shù)accept()來等待接收客戶的請求?？蛻粼谡{(diào)用函數(shù)socket()建立套接字后就可以調(diào)用函數(shù)connect()與服務(wù)器建立連接。連接一旦建立，客戶端和服務(wù)器端之間就可以通過調(diào)用函數(shù)read()和write()進(jìn)行通信，待數(shù)據(jù)傳送結(jié)束以后，雙方調(diào)用函數(shù)close()關(guān)閉套接字[5]。
    通過對系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了被測數(shù)據(jù)無損、實(shí)時、遠(yuǎn)距離與遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行通信并能接收上位機(jī)的控制指令，實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)遠(yuǎn)程交互的任務(wù)。測試人員通過上位機(jī)可以對遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，并隨時可以查看接收數(shù)據(jù)的正確與否。
    本文詳細(xì)介紹了基于DSP+ARM架構(gòu)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。提供了詳細(xì)的硬件平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，闡述了基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編程的實(shí)現(xiàn)方法。根據(jù)本方案實(shí)現(xiàn)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器具有低成本、低功耗、通用性好、功能可升級擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
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