TMS320VC5509與CameraLink相機的接口技術
[導讀]本文在分析DSP片上多通道緩沖串行口(MCBSP)與直接存儲器訪問(DMA)的基礎上，提出了一種非常靈活的接口技術，并設計調(diào)試了DSP與相機接口電路和程序。利用本文提出的DMA接口方式，接收數(shù)據(jù)率可以達到36Mbps, 完全滿足激光的實時測量。
摘 要：本文在分析DSP片上多通道緩沖串行口(MCBSP)與直接存儲器訪問(DMA)的基礎上，提出了一種非常靈活的接口技術，并設計調(diào)試了DSP與相機接口電路和程序。利用本文提出的DMA接口方式，接收數(shù)據(jù)率可以達到36Mbps, 完全滿足激光的實時測量。
關鍵詞：TMS320VC5509；多通道緩沖串口 ；直接存儲器訪問；接口
引言
在激光波長測量系統(tǒng)中，激光信號從CCD相機輸出到信號處理器的時間是實時測量激光波長的關鍵。即使采用高速單片機也無法滿足實時測量的需要，而將DSP用于相機數(shù)據(jù)采集和信號處理使這一難題的解決成為了可能。
接口設計
本設計采用ATMEL公司的AViiVA M2 CL相機，該相機采用CameraLink接口。DSP選用了TMS320VC5509，與TMS320C54x相比，該定點DSP通過增強功能單元，提高了DSP的運算能力。相機工作方式的設置通過與DSP的串行通信來實現(xiàn)，采用全雙工方式，波特率固定在9.6kHz，每幀數(shù)據(jù)由一個起始位、8個數(shù)據(jù)位，以及一個停止位組成。
DSP與相機的通信
TMS320C5509 芯片只有同步串口，通常只能用于與具有同步通信接口的外設進行通信。當其構成一個獨立的處理單元需要和帶有異步通信接口的外設交換數(shù)據(jù)時，常用的方式有兩種：一種是利用DSP 的通用I/O 口線XF和BIO 構成串口，由軟件來設定通信波特率和握手方式。這種方式編程復雜，并且會大量占用CPU 時間。另一種方式是通過專用的異步通信芯片來實現(xiàn)，這雖然能實現(xiàn)DSP高速數(shù)據(jù)通信，但是增加了硬件電路的復雜性。
本設計直接利用DSP的MCBSP與相機通信。TMS320VC5509有3個MCBSP，依靠數(shù)據(jù)線D(R/X)、幀同步線FS(R/X)和移位時鐘線CLK(R/X)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。由CLKX、CLKR、FSX、FSR 實現(xiàn)時鐘和幀同步的控制。
數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一
要實現(xiàn)相機與DSP的串行通信首先要解決這兩種不同通信方式之間的數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一問題。相機接收的每幀數(shù)據(jù)是十位，所以DSP字長要選擇16位。由于這種字長是高位先出，因此，在DSP發(fā)送數(shù)據(jù)前要對數(shù)據(jù)進行編碼：先把要發(fā)送的數(shù)據(jù)位反轉(zhuǎn)，然后加上起始位和停止位。
波特率匹配
MCBSP采樣率發(fā)生器的輸出時鐘CLKG由如下等式?jīng)Q定：
FCLKG=FclockSource/(CLKDV+1)
CLKDV是個8位的字段，如果輸入的參考時鐘FclockSource來自CPU，而為了實現(xiàn)高速采集，CPU要工作在144MHz，所以MCBSP采樣率發(fā)生器不可能工作在相機需要的波特率9.6kHz。因此，本設計中利用DSP定時器為串口提供時鐘。定時器的計數(shù)器分為兩個：4位的預定標器(TDDR)和16位的主計數(shù)器(PRD)。定時器的時鐘頻率利用公式：Ftimer=FclockSource/[(PRD+1)(TDDR+1)]計算。此時設置：PRD=0, TDDR=14999，定時器就可以輸出頻率為9.6kHz的時鐘信號。
TMS320VC5509與相機的串行通信接口電路中，要利用DS90LV047A把TTL電平轉(zhuǎn)換為LVDS格式。此外，在MCBSP設置中要選擇來自CLKR腳上的時鐘作為參考時鐘。
數(shù)據(jù)采樣
DSP對數(shù)據(jù)的采樣通常采用中斷的方法實現(xiàn)，而DMA不僅可以操作內(nèi)部存儲器的數(shù)據(jù)，而且可以操作片內(nèi)外設、外部設備以及擴展存儲器的數(shù)據(jù)。所以應用DMA功能可實現(xiàn)在沒有CPU 的干預下直接對內(nèi)存映射區(qū)域進行數(shù)據(jù)傳輸。
TMS320VC5509提供了6個DMA通道，每個通道均可單獨設置所要傳送數(shù)據(jù)的源地址、目的地址、傳送數(shù)據(jù)的長度、數(shù)據(jù)傳送的同步方式以及數(shù)據(jù)傳送完成后是否向CPU發(fā)出中斷信號等。
DMA的工作方式
傳統(tǒng)上，為了保證采樣時不丟失數(shù)據(jù)，往往在DSP與相機間加FIFO來緩沖。數(shù)據(jù)首先從相機采集到緩沖區(qū)FIFO里，然后再從FIFO讀入到DSP內(nèi)存，這樣從相機采集到DSP就要一定的附加時間，無法實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和信號處理，而且需要額外的FIFO。本文提出了一種新的DMA采集方法，無需FIFO卻能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集。
DS90CR286的主要功能是把CCD相機輸出的LVDS信號轉(zhuǎn)換為TTL信號，本設計中把DS90CR286輸出的數(shù)據(jù)直接接到DSP的外部存儲器接口(EMIF)數(shù)據(jù)總線上，然后DMA 把源地址設置為外部存儲器的地址，這個地址要初始化，但又不能是真正存在的外部存儲器的地址，這樣DSP每次所采集的數(shù)據(jù)，正是相機輸出的數(shù)據(jù)。在圖1中給出了DMA方式數(shù)據(jù)采集原理，其中R1~R6都是100W的電阻。
要實現(xiàn)測量的實時性，必須實行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理流水線作業(yè)。本設計中在DSP片上數(shù)據(jù)存儲區(qū)設立了兩個交替工作的存儲緩沖區(qū)，通過在軟件上設立標志位實現(xiàn)對存儲區(qū)間的切換。DMA的數(shù)據(jù)長度設置為相機一幀數(shù)據(jù)的長度，目的起始地址在數(shù)據(jù)空間上有兩個，分別設置為4000h與4400h。假如在DSP芯片上的數(shù)據(jù)區(qū)設置兩塊1KB的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A和B，分別代表目的地址為4000h和4400h的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，進行數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理，當DSP用A區(qū)進行采集數(shù)據(jù)的第i幀時，同時B區(qū)進行第i-1幀數(shù)據(jù)的處理。當兩者同時結(jié)束后，接著又用B區(qū)進行第i+1幀數(shù)據(jù)的采集, 同時A區(qū)進行第i幀數(shù)據(jù)的處理,這樣交替工作，形成流水線作業(yè)。數(shù)據(jù)傳送的同步信號由DS90CR286的INT2引腳產(chǎn)生，當數(shù)據(jù)在一個數(shù)據(jù)區(qū)存滿時，通過INT3通知CPU轉(zhuǎn)到另一數(shù)據(jù)存儲區(qū)。圖2給出了DMA功能對數(shù)據(jù)采集的時序圖。
高速數(shù)據(jù)采集的程序設計
DMA方式高速采集的程序由EMIF初始化、DMA控制器設置和中斷服務程序組成。EMIF初始化主要用來設置外部存儲器的工作頻率和類型。其中，對工作頻率的設置非常重要，它直接影響到數(shù)據(jù)采集的頻率。在DMA方式下，數(shù)據(jù)采集的速率等于EMIF工作頻率的四分之一。DMA控制器設置是數(shù)據(jù)采集的關鍵，由于DMA有兩個目的地址，為了使程序簡單，同時也為了避免數(shù)據(jù)的沖突，本設計采用兩個DMA通道：通道1與通道2。下面給出了DMA設置的程序以及詳細的說明。
DMA通道1的設置程序：
MOV #0x0004,PORT (#0x0E00)；設置DMA_GCR為共享模式
MOV #0x0405,PORT (#0x0C20)；設置DMA_CSDP1的目的為DARAM,源為EMIF
;數(shù)據(jù)單元長度為16位，不打包
MOV #0x0000,PORT (#0x0C22)；關閉DMA_CICR中的所有中斷
MOV #0x2005,PORT (#0x0c24)；源地址為外部SDRAM的442005h
MOV #0x0044,PORT(#0x0c25)
MOV #0x4000,PORT (#0x0c26)；目的地址為DARAM的4000h
MOV #0x0000,PORT(#0x0c27)
MOV #0x0400,PORT (#0x0c28)；每幀1024個數(shù)據(jù)單元
MOV #0x0001,PORT (#0x0c29)；每塊1幀
MOV #0x4011,PORT (#0x0c21)；源地址固定，目的地址采用自動遞增方式修改地址，外部中斷2作為同步事件
DMA通道2的設置和通道1只有目的地址不同，其他都相同，下面給出了DMA通道2目的地址設置程序：
MOV #0x4400,PORT (#0x0c46)；通道2目的地址為DARAM的4400h
MOV #0x0000,PORT(#0x0c27)
程序的中斷服務程序主要功能是當一幀數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，對標志位進行設置，讓CPU來處理這幀數(shù)據(jù)，同時把下一幀要采集的數(shù)據(jù)用另一個DMA通道采集并存儲到另一塊存儲區(qū)。
結(jié)語
本文利用DMA接口方式從EMIF的數(shù)據(jù)總線上直接采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了高速并行數(shù)據(jù)采集，且結(jié)構簡單，經(jīng)過實踐檢驗，最高采集速率達36Mbps，不僅能夠?qū)崟r測量激光波長，而且在其他需要實時的數(shù)字視頻系統(tǒng)應用中也有很好的應用前景?！?
關鍵詞：TMS320VC5509；多通道緩沖串口 ；直接存儲器訪問；接口
引言
在激光波長測量系統(tǒng)中，激光信號從CCD相機輸出到信號處理器的時間是實時測量激光波長的關鍵。即使采用高速單片機也無法滿足實時測量的需要，而將DSP用于相機數(shù)據(jù)采集和信號處理使這一難題的解決成為了可能。
接口設計
本設計采用ATMEL公司的AViiVA M2 CL相機，該相機采用CameraLink接口。DSP選用了TMS320VC5509，與TMS320C54x相比，該定點DSP通過增強功能單元，提高了DSP的運算能力。相機工作方式的設置通過與DSP的串行通信來實現(xiàn)，采用全雙工方式，波特率固定在9.6kHz，每幀數(shù)據(jù)由一個起始位、8個數(shù)據(jù)位，以及一個停止位組成。
DSP與相機的通信
TMS320C5509 芯片只有同步串口，通常只能用于與具有同步通信接口的外設進行通信。當其構成一個獨立的處理單元需要和帶有異步通信接口的外設交換數(shù)據(jù)時，常用的方式有兩種：一種是利用DSP 的通用I/O 口線XF和BIO 構成串口，由軟件來設定通信波特率和握手方式。這種方式編程復雜，并且會大量占用CPU 時間。另一種方式是通過專用的異步通信芯片來實現(xiàn)，這雖然能實現(xiàn)DSP高速數(shù)據(jù)通信，但是增加了硬件電路的復雜性。
本設計直接利用DSP的MCBSP與相機通信。TMS320VC5509有3個MCBSP，依靠數(shù)據(jù)線D(R/X)、幀同步線FS(R/X)和移位時鐘線CLK(R/X)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。由CLKX、CLKR、FSX、FSR 實現(xiàn)時鐘和幀同步的控制。
數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一
要實現(xiàn)相機與DSP的串行通信首先要解決這兩種不同通信方式之間的數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一問題。相機接收的每幀數(shù)據(jù)是十位，所以DSP字長要選擇16位。由于這種字長是高位先出，因此，在DSP發(fā)送數(shù)據(jù)前要對數(shù)據(jù)進行編碼：先把要發(fā)送的數(shù)據(jù)位反轉(zhuǎn)，然后加上起始位和停止位。
波特率匹配
MCBSP采樣率發(fā)生器的輸出時鐘CLKG由如下等式?jīng)Q定：
FCLKG=FclockSource/(CLKDV+1)
CLKDV是個8位的字段，如果輸入的參考時鐘FclockSource來自CPU，而為了實現(xiàn)高速采集，CPU要工作在144MHz，所以MCBSP采樣率發(fā)生器不可能工作在相機需要的波特率9.6kHz。因此，本設計中利用DSP定時器為串口提供時鐘。定時器的計數(shù)器分為兩個：4位的預定標器(TDDR)和16位的主計數(shù)器(PRD)。定時器的時鐘頻率利用公式：Ftimer=FclockSource/[(PRD+1)(TDDR+1)]計算。此時設置：PRD=0, TDDR=14999，定時器就可以輸出頻率為9.6kHz的時鐘信號。
TMS320VC5509與相機的串行通信接口電路中，要利用DS90LV047A把TTL電平轉(zhuǎn)換為LVDS格式。此外，在MCBSP設置中要選擇來自CLKR腳上的時鐘作為參考時鐘。
數(shù)據(jù)采樣
DSP對數(shù)據(jù)的采樣通常采用中斷的方法實現(xiàn)，而DMA不僅可以操作內(nèi)部存儲器的數(shù)據(jù)，而且可以操作片內(nèi)外設、外部設備以及擴展存儲器的數(shù)據(jù)。所以應用DMA功能可實現(xiàn)在沒有CPU 的干預下直接對內(nèi)存映射區(qū)域進行數(shù)據(jù)傳輸。
TMS320VC5509提供了6個DMA通道，每個通道均可單獨設置所要傳送數(shù)據(jù)的源地址、目的地址、傳送數(shù)據(jù)的長度、數(shù)據(jù)傳送的同步方式以及數(shù)據(jù)傳送完成后是否向CPU發(fā)出中斷信號等。
DMA的工作方式
傳統(tǒng)上，為了保證采樣時不丟失數(shù)據(jù)，往往在DSP與相機間加FIFO來緩沖。數(shù)據(jù)首先從相機采集到緩沖區(qū)FIFO里，然后再從FIFO讀入到DSP內(nèi)存，這樣從相機采集到DSP就要一定的附加時間，無法實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和信號處理，而且需要額外的FIFO。本文提出了一種新的DMA采集方法，無需FIFO卻能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集。
DS90CR286的主要功能是把CCD相機輸出的LVDS信號轉(zhuǎn)換為TTL信號，本設計中把DS90CR286輸出的數(shù)據(jù)直接接到DSP的外部存儲器接口(EMIF)數(shù)據(jù)總線上，然后DMA 把源地址設置為外部存儲器的地址，這個地址要初始化，但又不能是真正存在的外部存儲器的地址，這樣DSP每次所采集的數(shù)據(jù)，正是相機輸出的數(shù)據(jù)。在圖1中給出了DMA方式數(shù)據(jù)采集原理，其中R1~R6都是100W的電阻。
要實現(xiàn)測量的實時性，必須實行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理流水線作業(yè)。本設計中在DSP片上數(shù)據(jù)存儲區(qū)設立了兩個交替工作的存儲緩沖區(qū)，通過在軟件上設立標志位實現(xiàn)對存儲區(qū)間的切換。DMA的數(shù)據(jù)長度設置為相機一幀數(shù)據(jù)的長度，目的起始地址在數(shù)據(jù)空間上有兩個，分別設置為4000h與4400h。假如在DSP芯片上的數(shù)據(jù)區(qū)設置兩塊1KB的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A和B，分別代表目的地址為4000h和4400h的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，進行數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理，當DSP用A區(qū)進行采集數(shù)據(jù)的第i幀時，同時B區(qū)進行第i-1幀數(shù)據(jù)的處理。當兩者同時結(jié)束后，接著又用B區(qū)進行第i+1幀數(shù)據(jù)的采集, 同時A區(qū)進行第i幀數(shù)據(jù)的處理,這樣交替工作，形成流水線作業(yè)。數(shù)據(jù)傳送的同步信號由DS90CR286的INT2引腳產(chǎn)生，當數(shù)據(jù)在一個數(shù)據(jù)區(qū)存滿時，通過INT3通知CPU轉(zhuǎn)到另一數(shù)據(jù)存儲區(qū)。圖2給出了DMA功能對數(shù)據(jù)采集的時序圖。
高速數(shù)據(jù)采集的程序設計
DMA方式高速采集的程序由EMIF初始化、DMA控制器設置和中斷服務程序組成。EMIF初始化主要用來設置外部存儲器的工作頻率和類型。其中，對工作頻率的設置非常重要，它直接影響到數(shù)據(jù)采集的頻率。在DMA方式下，數(shù)據(jù)采集的速率等于EMIF工作頻率的四分之一。DMA控制器設置是數(shù)據(jù)采集的關鍵，由于DMA有兩個目的地址，為了使程序簡單，同時也為了避免數(shù)據(jù)的沖突，本設計采用兩個DMA通道：通道1與通道2。下面給出了DMA設置的程序以及詳細的說明。
DMA通道1的設置程序：
MOV #0x0004,PORT (#0x0E00)；設置DMA_GCR為共享模式
MOV #0x0405,PORT (#0x0C20)；設置DMA_CSDP1的目的為DARAM,源為EMIF
;數(shù)據(jù)單元長度為16位，不打包
MOV #0x0000,PORT (#0x0C22)；關閉DMA_CICR中的所有中斷
MOV #0x2005,PORT (#0x0c24)；源地址為外部SDRAM的442005h
MOV #0x0044,PORT(#0x0c25)
MOV #0x4000,PORT (#0x0c26)；目的地址為DARAM的4000h
MOV #0x0000,PORT(#0x0c27)
MOV #0x0400,PORT (#0x0c28)；每幀1024個數(shù)據(jù)單元
MOV #0x0001,PORT (#0x0c29)；每塊1幀
MOV #0x4011,PORT (#0x0c21)；源地址固定，目的地址采用自動遞增方式修改地址，外部中斷2作為同步事件
DMA通道2的設置和通道1只有目的地址不同，其他都相同，下面給出了DMA通道2目的地址設置程序：
MOV #0x4400,PORT (#0x0c46)；通道2目的地址為DARAM的4400h
MOV #0x0000,PORT(#0x0c27)
程序的中斷服務程序主要功能是當一幀數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，對標志位進行設置，讓CPU來處理這幀數(shù)據(jù)，同時把下一幀要采集的數(shù)據(jù)用另一個DMA通道采集并存儲到另一塊存儲區(qū)。
結(jié)語
本文利用DMA接口方式從EMIF的數(shù)據(jù)總線上直接采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了高速并行數(shù)據(jù)采集，且結(jié)構簡單，經(jīng)過實踐檢驗，最高采集速率達36Mbps，不僅能夠?qū)崟r測量激光波長，而且在其他需要實時的數(shù)字視頻系統(tǒng)應用中也有很好的應用前景?！?
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