基于DSP5402芯片HPI接口技術(shù)分析

1 引 言

TMS320VC5402是TI公司的一種16位數(shù)字信號處理器，以其獨(dú)有的低功耗和高性價(jià)比,受到用戶的歡迎。C54x操作靈活及運(yùn)行速度高；使用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專用硬件邏輯的CPU、片內(nèi)存儲器和外設(shè)接口，以及高度專業(yè)化的指令集。而且, C54系列DSP與主機(jī)連接通過HPI(Host Port Interface)接口，以邏輯電路設(shè)計(jì)簡單、不需要額外的存儲器和程序更新方便優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用靈活多樣的引導(dǎo)加載模式以實(shí)現(xiàn)接口和處理功能開發(fā)。

HPI口是C54x DSP系列芯片內(nèi)部的并行接口部件,用于與其他總線或CPU主機(jī)之間進(jìn)行連接通信，主機(jī)是HPI口的主控者,通過專用地址和數(shù)據(jù)寄存器、HPI控制寄存器以及外部數(shù)據(jù)和接口控制信號與HPI口通信。

本文基于對一個(gè)腦電信號采集系統(tǒng)中數(shù)字處理電路部分的研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了TMS320VC5402應(yīng)用程序的HPI自舉加載，HPI方式通信，詳細(xì)介紹了調(diào)試方法與過程，對開發(fā)

基于DSP處理芯片的腦電信號采集系統(tǒng)有很大的參考價(jià)值。

2 系統(tǒng)介紹

腦電信號(ＥＥＧ)是一種比較特殊的微弱信號。它是由腦神經(jīng)活動產(chǎn)生并且始終存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自發(fā)性電位活動，含有豐富的大腦活動信息。腦電信號的采集處理對于生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)研究具有重要意義，可以為臨床手術(shù)中的麻醉鎮(zhèn)靜監(jiān)護(hù)分析提供必要的數(shù)據(jù)。腦電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要功能是將人腦部的生物電信號通過腦電極提取出來，經(jīng)過放大處理，傳輸至上位機(jī)顯示并存儲。本文所研究的數(shù)字腦電采集系統(tǒng)就是基于DSP 芯片VC5402 處理能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)的應(yīng)用。由系統(tǒng)模擬部分對腦電信號進(jìn)行放大和預(yù)處理，經(jīng)過A/D 變換后送往數(shù)字處理部分。數(shù)字處理部分由DSP 芯片和USB 等芯片構(gòu)成，由DSP 控制實(shí)現(xiàn)對腦電數(shù)字信號的采集與處理，并完成DSP 與USB 芯片的通信，最后通過USB總線將數(shù)據(jù)送往上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示與儲存。

系統(tǒng)的核心為TMS320VC5402，有三個(gè)功能：首先，控制整個(gè)系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換并設(shè)置各種模擬部分的參數(shù)；其次，對A/D變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算法處理，包括信號濾波與分析等，也是高性能腦電數(shù)字信號采集器的重點(diǎn)；最后完成數(shù)據(jù)接口功能，把數(shù)據(jù)按一定的格式打包，通過高速的HPI總線把數(shù)據(jù)交給USB接口芯片并送往PC機(jī)。圖（1）為整個(gè)方案的原理圖，其中虛線部分為調(diào)試過程示意圖。調(diào)試過程中，通過集成開發(fā)環(huán)境KEIL C51和CCS 5000系統(tǒng)，可視化的調(diào)試過程有利于整個(gè)方案的后期調(diào)試。

圖 1 系統(tǒng)方框圖

3 透明式USB通信設(shè)計(jì)

VC5402 自身提供了標(biāo)準(zhǔn)的串行口， 時(shí)分復(fù)用(TDM) 串行口和自動緩沖串行口BSP(Auto-Buffered Serial Port)，這些接口必須通過PC 機(jī)的串口與PC 機(jī)進(jìn)行通信，而PC 機(jī)的串口無法滿足高速數(shù)據(jù)采集對速度的要求。本文采用CY7C68013A 芯片通過HPI(HostPort Interface)接口和DSP 芯片TMS320VC5402 相連，再由CY7C68013A 通過USB2.0 將數(shù)據(jù)傳送到PC 機(jī)上，方便滿足系統(tǒng)對傳輸速度的要求。

3.1 硬件

CY7C68013A芯片有56腳SSOP，56腳QFN，100腳TQFP以及128腳TQFP四種封裝形式。引腳少的芯片占用PCB面積小，價(jià)格低，功能基本滿足需要。但在開發(fā)階段，選取100腳TQFP封裝形式以支持在線調(diào)試，可以節(jié)省開發(fā)時(shí)間。實(shí)際生產(chǎn)階段，可以采用56腳封裝芯片來做實(shí)際電路應(yīng)用。

3.2 開發(fā)工具

本文選用Keil uVision3作為USB接口芯片固件程序的開發(fā)工具能提高開發(fā)效果。KeiluVision3是一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境，擁有C51編譯器、A51匯編器以及BL連接定位器等工具和模擬仿真與調(diào)試器。它能夠支持C程序和匯編程序混合的編程工作，對軟件的開發(fā)便利。

3.3 固件開發(fā)與調(diào)試過程

在編寫固件程序時(shí)需要用到大量的函數(shù)，可以應(yīng)用CY7C68013A芯片的開發(fā)工具包。該開發(fā)包提供了開發(fā)所需的固件框架程序以及一些例程，以簡化其固件開發(fā)過程。在Cypress C51固件框架程序下的主要工作有：

1、修改設(shè)備描述符表： USB 設(shè)備與主機(jī)建立通信前須先向主機(jī)提供具體配置，包括設(shè)備的廠商、產(chǎn)品識別號(VID，PID)，設(shè)備的供電方式以及能量消耗等系列信息。而有關(guān)設(shè)備的信息是通過設(shè)備描述符表提供給主機(jī)的，從而決定主機(jī)使用哪一個(gè)USB 設(shè)備驅(qū)動和采用哪種方式建立與設(shè)備之間的連接。

2、CY7C68013A有可編程接口GPIF。可編程接口GPIF是主機(jī)方式，可以由軟件編寫讀寫控制時(shí)序，幾乎可以和所有8/16 bit接口的控制器、存儲器和總線進(jìn)行無縫連接。在調(diào)試過程中，把CY7C68013A芯片的串口接到PC機(jī)的串口上，無需仿真器就能完成在線仿真工作。利用CYPRESS提供開發(fā)工具包的Monitor程序，能對應(yīng)用程序?qū)嵤﹩尾竭\(yùn)行、斷點(diǎn)設(shè)置和變量查看等調(diào)試工作，既降低了固件程序的開發(fā)難度，又加速了USB系統(tǒng)開發(fā)的過程。

4 DSP部分設(shè)計(jì)

4.1 HPI方式自舉加載

VC5402片內(nèi)ROM 固化有TI公司的自舉引導(dǎo)程序Bootloader，在上電復(fù)位時(shí)把用戶代碼從外部存儲器引導(dǎo)到片內(nèi)RAM 并運(yùn)行。VC5402支持多種引導(dǎo)方式，如HPI引導(dǎo)、并行EPROM引導(dǎo)、并行I／O引導(dǎo)、串行口引導(dǎo)等。DSP采用哪種引導(dǎo)模式取決于硬件設(shè)計(jì)。VC5402上電復(fù)位后，先檢測MP／MC引腳，如果MP／MC=“0”，表示使用片內(nèi)ROM引導(dǎo)。此時(shí)，DSP從0xFF80處開始執(zhí)行TI的片內(nèi)引導(dǎo)程序。進(jìn)入引導(dǎo)程序后，首先HINT引腳變?yōu)榈碗娖剑缓箝_始檢測INT2是否為低電平(有效)。若INT2為低電平，則進(jìn)入HPI引導(dǎo)方式；否則，檢測其它引導(dǎo)方式是否有效。在硬件連接上，為了使VC5402復(fù)位后進(jìn)入HPI啟動方式，直接使INT2接到HINT引腳上，使HPIENA引腳接高電平。對HPI接口的操作主要通過以下三個(gè)寄存器來完成：HPI地址寄存器（HPIA）、數(shù)據(jù)鎖存器（HPID）和控制寄存器（HPIC）。如當(dāng)前進(jìn)行的是讀操作，則HPID中存放的是要從HPI存儲器中讀出的數(shù)據(jù)；如果當(dāng)前進(jìn)行的是寫操作，則HPID存放的是要寫到HPI存儲器的數(shù)據(jù)。

4.2 軟件部分設(shè)計(jì)

CCS(Code Composer Studio)是TI開發(fā)的一個(gè)DSP集成開發(fā)環(huán)境。其集成了常規(guī)的開發(fā)工具，如源程序編輯器、代碼生成工具（編譯器，連接器）以及調(diào)試環(huán)境等。CCS的編譯器和鏈接器生成COFF格式文件，用HEX轉(zhuǎn)化程序hex500.exe將COFF格式代碼轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的ASCII十六進(jìn)制格式TI Tagged，支持16位地址。轉(zhuǎn)換而成的Hex文件為ASCII碼形式的，不能用于HPI自舉，需將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制(Bin)格式。

4.3 用戶代碼下載(HPI)

由于Intel的HEX代碼格式是分段的，本文編寫的代碼段，是將一個(gè)Intel 的HEX代碼段通過HPI接口寫入DSP RAM中。下面代碼段為HPI加載子程序，count為要寫入代碼的長度，address為起始地址，EP2FIFOBUF是指向HEX代碼段的指針，HPI_WriteA子程序功能是寫HPI地址寄存器，HPI_WriteD2完成部分程序的寫入。代碼如下：

4.4 寫入DSP入口地址并運(yùn)行

在TMS320VC5402進(jìn)入HPI啟動模式后，它將一直檢查0X007F這個(gè)地址是否為0，如不為0，則跳轉(zhuǎn)到0X007F指向的地址處執(zhí)行代碼。在將DSP的代碼寫入之后，只需將程序的入口地址寫入0X007F這個(gè)地址，DSP將自動跳轉(zhuǎn)到入口執(zhí)行程序。程序的入口地址可以在CCS生成的.map文件中看到，其格式如：ENTRY POINT SYMBOL: "_c_int00" address: 000020be。

由于調(diào)用的是HPI_WriteD2()函數(shù)寫數(shù)據(jù)，而HPI_WriteD2()在寫數(shù)據(jù)之前，會自動將地址+1，所以在調(diào)用之前寫入地址時(shí)，調(diào)用的是HPI_WriteA(0x007E)，這樣，最后調(diào)用HPI_WriteD2(m_dat)時(shí)，地址會自動指向0X007F。

4.5 觀察寫入代碼

TMS320VC5402 在仿真時(shí)候其HPI接口也是正常工作的，這就方便了對HPI啟動方式的調(diào)試。首先把5402連接到仿真器上，然后打開CCS5000集成環(huán)境。此時(shí)可以利用CCS5000的MemoryView來觀察5402的內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)。調(diào)試中，先通過HPI接口把DSP的代碼下載進(jìn)去，再通過CCS5000集成環(huán)境觀察，同時(shí)用UltraEdit十六進(jìn)制編輯器打開由HEX500.EXE生成的.HEX文件。由于兩者都是以ASCII碼形式顯示，可以直觀地比較各個(gè)地址空間中的代碼是否完全相同以及下載的代碼是否完全正確。

4.6 整體方案測試效果

上述的各個(gè)模塊調(diào)試通過后，又編寫了上位機(jī)應(yīng)用程序。上位機(jī)應(yīng)用程序功能包括：建立USB 通信、加載DSP 代碼、讀取DSP 代碼、寫入口地址、數(shù)據(jù)采集與保存等功能。在把各個(gè)模快連接之后，用控制臺通過HPI 接口加載DSP 代碼5402 Code.i00，并寫入程序入口地址0x20BE，啟動下位機(jī)進(jìn)入采集過程。圖2 為上位機(jī)控制臺應(yīng)用程序截圖。

圖2 應(yīng)用程序截圖

5 結(jié) 論

利用 C54x 的HPI 接口在腦電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可用于自發(fā)腦電信號實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的高速采集。如從DSP 的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，利用DSP 的HPI 加載方式和JTAG 調(diào)試相結(jié)合的開發(fā)模式，可以在線調(diào)試該電路板的制作，自行編制相應(yīng)的主機(jī)軟件，設(shè)計(jì)DSP KERNEI和HPI 接口邏輯，還可以實(shí)現(xiàn)開發(fā)基于HPI 自舉和通信的DSP 應(yīng)用設(shè)計(jì)方案。這樣做可以縮短開發(fā)周期，且硬件資源透明。該透明化開發(fā)過程更利于學(xué)習(xí)者理解和掌握DSP 的軟硬件原理。該方案還可以從腦電采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)推廣到其它領(lǐng)域。

將USB接口芯片CY7C68013A（100引腳）的在線仿真和DSP芯片TMS320VC5402的JTAG仿真結(jié)合起來，設(shè)計(jì)VC5402基于USB2.0和HPI自舉加載的腦電采集系統(tǒng)。通過CCS5000集成環(huán)境，能即刻查看DSP內(nèi)部HPI加載代碼，使該方案設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)直觀地調(diào)試并縮短開發(fā)時(shí)間。該方案還可以從腦電采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面推廣到其它領(lǐng)域。