基于DSP与FPGA芯片的信号处理系统设计

　　摘   要：　现代大规模集成电路和数字信号处理技术相结合的信号处理系统可以被应用各种学科和技术领域。本文基于DSP (Digital Signal Processing:数字信号处理) 芯片和FPGA (Field Programmable Gate Array:现场可编程门阵列) 系统CPLD (Complex Programmable Logic Device) 模块提出一种双通道的数字信号处理平台的构建方法, 该平台具备实时处理信号的功能、可编程性好、架构简单等特点。

　　关键词：　双通道; FPGA; 数字信号处理;
 

　　数字信号处理可以应用于各种领域, 涉及通信、勘测、遥控、医学、控制等。相比较模拟信号处理平台, 数字信号处理平台的应用范围更加广泛, 精确度更高, 可调整性更强, 并且开发周期短、成本低。伴随信号处理系统的性能指标要求越来越高, 单一的DSP芯片构成的信号处理系统在实际系统中越发显得不足, 而FPGA可以弥补DSP芯片的不足之处, 并且FPGA自身的优点使得该平台具备良好的可编程性[1]。

　　1、 硬件部分

　　对于通讯速度、数据处理量的高要求, 双通道信号处理系统采用对称结构。单个的信号处理通道由一片高性能的DSP芯片和一片大容量FPGA芯片构成:两片FPGA芯片之间使用离散线、总线和高速数据线连接交换通信;DSP芯片的工作频率约为1000MHz (1MHz=106Hz) , 并且在两片之间通过SRIO (通信速率不低于1.25Gbps) 实现通信, 实现两路之间的协同处理。CPLD可以分别为四片芯片提供复位信号、程序加载以及时钟信号综合配置, 加载FPGA后按顺序依次加载DSP1、DSP2。

　　1.1、 DSP设计

　　两片DSP芯片高速的数据交互功能是基于连接用的Rapid I/O接口。此外单片DSP芯片的Rapid I/O接口对外实现与其他模块的总线数据通信。DSP挂载一片用来存储程序代码的FLASH, 系统上电后FLASH中的代码加载至DSP, 并且通过EMIF总线连接至FPGA, 实现资源共享, 扩展外围接口。

　　DSP芯片要与FPGA芯片协同操作需要完成包括LVDS (Low Voltage Differential Signaling) 、RS485 (平衡电压数字接口电路的电气特性) 、RS422等几种接口通信, 并且需要在处理数据过程中实现快速数据交换功能。模数转换模块将外部输入的模拟信号 (如电压信号、电流信号) 转换成数字信号送入FPGA运算, FPGA进行简单运算之后, 数字信号进入DSP芯片, 并且信号可以在两者之间实时通信。

　　1.2、 FPGA设计

　　虽然FPGA是本系统的协处理器, 但其是整个设计的核心模块, 极大的增强了系统的灵活性。系统中的FPGA需要处理好多个通信连接设计及数据配置:

　　(1) LVDS接口设计:是一种低压差分信号传输接口, 本系统基于多片DS92LV16实现2收1发数据传输功能, 由于LVDS的数据传输形式是电流, 设计中在接收端接入匹配电阻形成可用于电压传输方式的接收端。
　　(2) UART接口设计:系统中DSP通过EMIF总线将数据传输给FPGA, FPGA再对数据进行通信协议转换实现UART通信。该接口设计主要通过FPGA调用IP核实现。
　　(3) 数据配置:FPGA读取数据之前需要将其数据线、地址线、控制线连接到CPLD上, CPLD上电之后, FPGA从存储数据的外部FLASH中读取配置数据, 并且根据时序将相应的数字信号和控制信号发送给FPGA[2]。

　　1.3、 CPLD设计

　　CPLD作为辅助系统设计, 主要的功能是为主处理器和协处理器提供复位功能, 此外还为DSP和FPGA程序加载和时钟综合配置, 顺序为先FPGA, 之后DSP1、DSP2。

　　2、 程序部分

　　作为控制中心, FPGA主要工作是数据处理、发送和接收。DSP1结合挂载外部FLASH的CPLD部分实现FPGA的动态加载。

　　FLASH中的数据由DSP1分配, 经过总线写入FPGA1;数据进入FPGA1之后又通过DSP1控制, 转向CPLD, 而后通过总线转入FLASH, 并且在FLASH中完成。

　　使用编译软件ISE生成网格文件, 固化在FLASH中存储的数据在断电后仍会保持。CPLD在上电之后, 从FLASH读取配置文件信息, 对FPGA系统进行配置。在完成之后, FPGA与FLASH之间通过CPLD搭建的数据通道仍可用, 即FPGA在配置完成后可以直接读取FLASH中存储的数据, 并操作, 达到拓展FPGA的内存目的。根据FLASH中存储的文件类型, 需要将.out文件转换成可被读取的二进制文件, 之后进行烧写。

　　3、 结束语

　　本文所设计的基于DSP和FPGA的通用处理模块来构建的数字信号处理系统平台, 系统稳定可靠, 因为使用FPGA, 系统可控制、可编程性增强, 相较于传统的模拟信号处理平台而言, 本平台的应用领域更加宽广。此外, 本平台的设计周期短、成本低。数字信号实时处理平台是信号处理方式设计的趋势, 而通过FPGA与DSP的紧密结合的处理平台更加成熟、更加可靠、更加小型化。

　　参考文献：

　　[1]王诚, 吴继华.Ahera FPGAPCPLD设计 (高级篇) [M].北京:人民邮电出版社, 2005.
　　[2]宁李谱, 杨宾峰, 苗青林.FPGA器件的配置方式研究[J].河南科技学院学报, 2008, 9:109-111.