DSP主控板硬件設計

1、DSP主控板硬件設計1課題及研究的目的和意義 產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、使用過程中，先進 的檢測技術和檢驗設備是檢測產(chǎn)品性能參數(shù)及縮短研制時間的有利 保障。因此測試設備是整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)不可或缺的關鍵部分。 根 據(jù)被測對象需要測量的參數(shù)和功能， 測試設備在主控制器的控制下完 成對產(chǎn)品的測試， 可以提高產(chǎn)品的測試效率和測試結果的準確性。 縱 觀測試設備的發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)， 測試設備均由一個控制器加上外圍 電路并輔以一定的通訊方式組成， 控制器是整個測試設備 “神經(jīng)中樞”， 控制外圍模塊的運行。 目前能作為主控制器使用的有單片機、 嵌入式微處理器以及DS P（Digital Signal Processo

2、r，數(shù)字信號處理器） 等。前兩者雖然在某些領域也得到很大的發(fā)展， 但由于設計的出發(fā)點 不同，決定了其自身的局限性，即不能用于高速數(shù)字信號運算，而這 恰恰是DSP的優(yōu)勢所在1。在測試設備領域，難免要進行大量數(shù)字 信號的處理，因此在選擇主控制器時應有選擇性的選用DSP而不是單片機或嵌入式處理器2。在測控臺中扮演另一重要角色的當數(shù)FPGA。FPGA（Field Programmable Gate Array）是現(xiàn)場可編程門陣列的簡 稱，是可編程邏輯器件（PLD問世以來的*產(chǎn)品。自八十年代中期 誕生以來， 由于其速度快、 集成度高及用戶定義邏輯功能而備受廣大 電子工程師的青睞。用戶可以利用分布在CLB

3、周圍的可編程互連資源 以串聯(lián)、 并聯(lián)或混合方式把相應的CLB連接起來，實現(xiàn)更復雜的邏輯 功能。由于FPGA的現(xiàn)場可編程性及高密度性，所以電路設計的大部 分工作都是在計算機上完成， 使得產(chǎn)品的開發(fā)周期縮短， 風險投資減 小。 而且FPGA的功能完全由用戶設計的配置程序所決定，在不改變 其外部接口的情況下可以很方便地改變其電路的邏輯功能。 基于以 上分析，并且考慮到測試設備的通用性及可擴展性， 選用DSP和FPGA組合設計出最小系統(tǒng)板 （并預留I/O接口及功能接口用于系統(tǒng)擴展） ， 以此作為測試設備的控制器必將大大縮短測試設備的研制周期， 所以 該課題具有較高的應用價值和實際意義。2國內(nèi)外在該方向

4、的研究 現(xiàn)狀及分析2.1 DSP+FPGA系統(tǒng)特點綜述 隨著數(shù)字信號處理器（DSP）和現(xiàn)場可編程門列陣器件 （FPGA的發(fā)展， 采用DSP+FPG的硬件系 統(tǒng)顯示出其優(yōu)越性， 整愈來愈得到人們的重視。 通用的DSP優(yōu)點是通 過編程可以應用到廣泛的產(chǎn)品中，并且主流的DSF產(chǎn)品已經(jīng)可以滿足 許多要求。但是傳統(tǒng)的DSP采用馮一諾依曼（Von Neumann結構或某種類型擴展。此結構本質上是串行的， 因此遇到需處理的數(shù)據(jù)量大， 但是對運算結構相對比較簡單的底層信號處理算法來說顯不出優(yōu)點，適合采用FPGA硬件實現(xiàn)3,4。這樣，采用DSP+FPG的數(shù)字硬件系 統(tǒng)就可以把二者優(yōu)點結合一起，兼顧速度和靈活性既

5、滿足底層信號處 理要求，又滿足高層信號處理要求。DSP+FPG系統(tǒng)最大優(yōu)點是結構 靈活，有較強的通用性， 適合于模塊化設計， 從而能夠提高算法效率； 同時其開發(fā)周期較短， 系統(tǒng)易于維護和擴展， 適合實時信號處理。2.2國外在該領域的發(fā)展狀況 簡略國外DSP+FPG技術發(fā)展的現(xiàn)狀，國外 的信息處理設備一直保持著快速的發(fā)展勢頭。 歐美等科技大國保持著 國際領先的地位，并且他們很多已經(jīng)發(fā)展到相當大的規(guī)模，競爭也愈 發(fā)激烈， 我們從國際知名DSP技術公司發(fā)布的產(chǎn)品中就可以了解到當 今世界先進的數(shù)字信號處理系統(tǒng)的情況5。 以Pentek公司一款處 理板4293為例，使用8片TI公司300MHZ勺TMS3

6、20C620芯片， 具 有19200MIPS的處理能力， 同時集成了8片32MB勺SDRAM數(shù)據(jù)吞吐600MB/S該公司的另一款處理板4294集成了4片Motorola的MPC7410PowerP處理器，工作頻率400/500MHZ兩級緩存25K*64bit，最高具有16MB的SDRAM DSP+FPG應用產(chǎn)品獲得成功的一個標志就是進入商業(yè)化，在以往的20年中，這一進程不斷的重復進行，而且周期在不斷的縮短， 在數(shù)字信息時代， 更多的新技術和新產(chǎn)品需要快 速的推上市場，因此，DSP+FPG的產(chǎn)業(yè)化進程還在加速進行。2.3國 內(nèi)在該領域的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，國外眾多廠商涉足我國DSP+FPG產(chǎn)品 市場

7、，我國的DSP+FPG應用已經(jīng)有了相當?shù)幕A，從應用范圍來說, 該組合的市場前景很好。DSP+FPG不僅僅成為手機、個人數(shù)字助理 的快速增長產(chǎn)品中的關鍵元件， 而且它正在向數(shù)碼相機等其他領域挺 近。隨著DSP和FPGA芯片的品種和技術檔次不斷提高以及向多功能 化、高性能化、低功耗化方向發(fā)展，DSP+F PG這一硬件系統(tǒng)正日益進入我們的生活， 在未來相當長的一段時間， 我國該硬件系統(tǒng)的市場 將蓬勃發(fā)展，今后幾年市場的銷售額仍將保持40%以上的增長率，具有良好的市場前景 。雖然我國的DSP+FPG技術取得了一定的成 績，但是與發(fā)達國家相比仍有差距。所以說我國的DSP+FPG技術的發(fā)展道路還很漫長，

8、 在發(fā)展過程中需要做到重視通用性、 加強綜合性、 采用新技術、堅持自主創(chuàng)新。1課題及研究的目的和意義 產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、使用過程中，先進 的檢測技術和檢驗設備是檢測產(chǎn)品性能參數(shù)及縮短研制時間的有利 保障。因此測試設備是整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)不可或缺的關鍵部分。 根 據(jù)被測對象需要測量的參數(shù)和功能， 測試設備在主控制器的控制下完 成對產(chǎn)品的測試， 可以提高產(chǎn)品的測試效率和測試結果的準確性。 縱 觀測試設備的發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)， 測試設備均由一個控制器加上外圍 電路并輔以一定的通訊方式組成， 控制器是整個測試設備 “神經(jīng)中樞”， 控制外圍模塊的運行。 目前能作為主控制器使用的有單片機、 嵌入式 微處理器以

9、及DSP（Digital Signal Processor，數(shù)字信號處理器） 等。前兩者雖然在某些領域也得到很大的發(fā)展， 但由于設計的出發(fā)點不同，決定了其自身的局限性，即不能用于高速數(shù)字信號運算，而這 恰恰是DSP的優(yōu)勢所在1。在測試設備領域，難免要進行大量數(shù)字 信號的處理，因此在選擇主控制器時應有選擇性的選用DSP而不是單片機或嵌入式處理器2。在測控臺中扮演另一重要角色的當數(shù)FPGA。FPGA（Field Programmable Gate Array）是現(xiàn)場可編程門陣列的簡 稱，是可編程邏輯器件（PLD問世以來的*產(chǎn)品。自八十年代中期 誕生以來， 由于其速度快、 集成度高及用戶定義邏輯功能

10、而備受廣大 電子工程師的青睞。用戶可以利用分布在CLB周圍的可編程互連資源 以串聯(lián)、 并聯(lián)或混合方式把相應的CLB連接起來，實現(xiàn)更復雜的邏輯 功能。由于FPGA的現(xiàn)場可編程性及高密度性，所以電路設計的大部 分工作都是在計算機上完成， 使得產(chǎn)品的開發(fā)周期縮短， 風險投資減 小。而且FPGA勺功能完全由用戶設計的配置程序所決定，在不改變其外部接口的情況下可以很方便地改變其電路的邏輯功能。上分析，并且考慮到測試設備的通用性及可擴展性， 選用DSP和FPGA組合設計出最小系統(tǒng)板 （并預留I/O接口及功能接口用于系統(tǒng)擴展） ， 以此作為測試設備的控制器必將大大縮短測試設備的研制周期， 所以 該課題具有較

11、高的應用價值和實際意義。2國內(nèi)外在該方向的研究 現(xiàn)狀及分析2.1 DSP+FPGA系統(tǒng)特點綜述 隨著數(shù)字信號處理器（DSP）和現(xiàn)場可編程門列陣器件（FPGA的發(fā)展，采用DSP+FPG的硬件系 統(tǒng)顯示出其優(yōu)越性，整愈來愈得到人們的重視。通用的DSP優(yōu)點是通 過編程可以應用到廣泛的產(chǎn)品中，并且主流的DSF產(chǎn)品已經(jīng)可以滿足 許多要求。但是傳統(tǒng)的DSP采用馮一諾依曼（Von Neumann結構或某種類型擴展。此結構本質上是串行的， 因此遇到需處理的數(shù)據(jù)量大， 但是對運算結構相對比較簡單的底層信號處理算法來說顯不出優(yōu)點，適合采用FPGA硬件實現(xiàn)3,4。這樣，采用DSP+FPG的數(shù)字硬件系 統(tǒng)就可以把二者

12、優(yōu)點結合一起， 兼顧速度和靈活性既滿足底層信號處 理要求，又滿足高層信號處理要求。DSP+FPG系統(tǒng)最大優(yōu)點是結構 靈活，有較強的通用性， 適合于模塊化設計， 從而能夠提高算法效率； 同時其開發(fā)周期較短， 系統(tǒng)易于維護和擴展， 適合實時信號處理。2.2國外在該領域的發(fā)展狀況 簡略國外DSP+FPG技術發(fā)展的現(xiàn)狀，國外 的信息處理設備一直保持著快速的發(fā)展勢頭。 歐美等科技大國保持著 國際領先的地位，基于以并且他們很多已經(jīng)發(fā)展到相當大的規(guī)模，競爭也愈 發(fā)激烈， 我們從國際知名DSP技術公司發(fā)布的產(chǎn)品中就可以了解到當 今世界先進的數(shù)字信號處理系統(tǒng)的情況5。 以Pentek公司一款處 理板4293為例

13、，使用8片TI公司300MHZ勺TMS320C620芯片， 具 有19200MIPS的處理能力， 同時集成了8片32MB勺SDRAM數(shù)據(jù)吞吐600MB/S該公司的另一款處理板4294集成了4片Motorola的MPC7410PowerP處理器，工作頻率400/500MHZ兩級緩存25K*64bit，最高具有16MB的SDRAM DSP+FPG應用產(chǎn)品獲得成功的一個標志就是進入商業(yè)化，在以往的20年中，這一進程不斷的重復進行，而且 周期在不斷的縮短， 在數(shù)字信息時代， 更多的新技術和新產(chǎn)品需要快 速的推上市場，因此，DSP+FPG的產(chǎn)業(yè)化進程還在加速進行。2.3國 內(nèi)在該領域的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，國外眾多廠商涉足我國DSP+FPG產(chǎn)品 市場，我國的DSP+FPG應用已經(jīng)有了相當?shù)幕A，從應用范圍來說, 該組合的市場前景很好。DSP+FPG不僅僅成為手機、個人數(shù)字助理 的快速增長產(chǎn)品中的關鍵元件， 而且它正在向數(shù)碼相機等其他領域挺 近。隨著DSP和FPGA芯片的品種和技術檔次不斷提高以及向多功能化