基于DSP内嵌PCI总线的卫星信号仿真器设计

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FCCdsp|  楼主 | 2018-7-20 11:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
基于DSP内嵌PCI总线的卫星信号仿真器设计

0 引 言  

卫星信号仿真器在卫星导航的研究开发中占有重要地位,特别是多模接收机和高动态接收机的研发。多模卫星仿真器中涉及到大量的数据传输,为了保证PC机和DSP之间数据传输的实时性和准确性,选择基于PCI总线接口进行数据传输。常用的PCI开发是采用专门的PCI接口芯片,但这样系统就会多一块芯片,性价比低,而TI公司TMS320C6416系列的DSP拥有内置PCI接口,使得硬件开发难度降低和主机对DSP资源访问更加透明。提出一种基于TMS320C6416系列DSP的PCI总线卫星信号发生器的硬件平台以及相应的PCI接口电路设计。  

1 系统结构与实现方案  

1.1 系统总体结图  

图1是仿真器的总体结构框图,其核心器件包括DSP6416,SDRRAM,FLASH,FPGA,D/A,时钟以及PC机。其中,D/A完成数字信号到模拟信号的转换;SDRAM作为外设存储器存储由PC机传来的数据;FLASH用于在系统掉电后保存DSP的运行程序;FP-GA作为仿真器的另一核心部件,主要完成与DSP的通信、信号的合成和D/A的控制;PC机主要完成仿真器的数字信号处理与计算好的数据在PCI接口和DSP间的传递。DSP作为主机和FPGA之间的通信桥梁,主要完成两方面的工作:一是定时接收PC机计算的各种控制字和电文,按照时序要求,将各通道的控制字发送给FPGA;二是由于PC机计算是双精度浮点型的,而FPGA中只能以整型数据计算,这样必然会造成两者相位累加值的差异,随着时间的流逝,误差会越来越大,必须加以校正;但如果要将FPGA累加的数据再返回到PC机进行比较校正,在实时性上得不到保证,因此需要在DSP中实现对频率字的校正。  


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在设计中,将SDRAM作为DSP的片外存储器,配置在EMIFA的CE0空间内,FPGA与DSP通过EMI-FA接*互数据,它配置在EMIFA的CE1和CE2空间内。EMIFB的CE1配置成异步8位通信方式与FLASH通信。  

1.2 DSP与PCI接口电路连接设计  

由于DSP TMS320C6416内部集成PCI接口,所以不需要桥接芯片,只需要设计与PCI母板之间的接口,不需要设计PCI与DSP本身之间的接口。由于仿真器是一个多电源系统,可以提供5 V,3.3 V,12 V的电源,所以对连接器采用多电源供电。此外,由于DSP是3.3 V系统,虽然它的PCI口能承受5 V电压,但考虑到系统的稳定性,在DSP的PCI口和连接器之间加3个电压转换芯片IDTQS32X2245,将5 V电压转换成3.3 V电压。由于DSP是集成的PCI接口,其电路设计较简单,将DSP PCI接口的地址和数据总线直接连到IDTQS32X2245芯片的B管脚部分,将铜手指上的地址和数据总线连接到IDTQS32X2245芯片的A管脚部分,仲裁信号REQ,GNT、错误报告信号PERR,SERR、字节使能信号C/BE[3:O]、接口控制信号FRAM,IRDY,STOP, IDSEL,DEVESEL也都按相同的方法连接在相应的位置上。限于篇幅,这里仅给出DSP PCI接口部分与连接器的连接示意图,如图2所示。  


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2 DSP6416内嵌PCI关键寄存器及其中断机制  

DSP6416的PCI接口支持通过主/从总线接口连接DSP到PCI主机,PCI接口端通过EDMA内部硬件与DSP相连,它支持四种类型PCI数据交换:从模式读,即外部PCI主设备通过PCI接口写数据到DSP;从模式写,即外部PCI主设备通过PCI接口从设备读数据;主模式读,即DSP主设备通过PCI接口读数据到外部PCI从设备;主模式写,即DSP主设备通过PCI接口写数据到外部PCI从设备。  

PCI寄存器主要包括3类:PCI配置寄存器、PCII/O寄存器、映射在DSP存储空间作为外设的PCI寄存器。前两类寄存器只能被外部主机访问,而第三类寄存器可以被DSP和外部PCI主机访问。  

PCI配置寄存器包含标准的PCI配置信息(设备标识,厂商标识,分类代码,基址等);PCI I/O寄存器位于PCI主机的I/O空间,主机只能在:Base1和Base2访问它们,PCI I/O寄存器包括HSR,HDCR,DSPP。如图3所示,HSR寄存器表明主机的状态,它的INTSRC位和IN*位对于中断处理至关重要。 IN*位为1时,它可以屏蔽DSP发送的中断,当该位为0时,只要。DSP设置RSTSRC字段中的INTREQ位时,可以使能PINTA,即主机在这时可以响应中断。当INTSRC位读为0时,表示PINTA自上次清除后无效,当读为1时,表示PINTA处于使能状态,该位写0无效,写1清除 PINTA的使能状态。对于HDCR来说,PC机通过将DSPINT位置1产生主机中断。DSPP主要和Base0一起定义一段存储空间。  


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PCI内存映射外围寄存器主要用于控制PCI接口,它可以被主机和DSP访问,在该寄存器中,较重要的是RSTSRC寄存器,如图4所示。  


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DSP通过将RSTSRC寄存器中的INTREQ置1产生中断;PC机和DSP通过将INTRST置1清除中断,这一点在驱动开发中至关重要,因为DSP 产生的中断属于电平中断类型,如果不清除中断,它将一直有效.这将会导致中断响应函数不断的调用,从而导致死机。  

PCI端口通过3种基址寄存器可以完全访问DSP的存储器映射。  

Base0:4 MB的可预存取空间,通过设置DSP页寄存器映射所有DSP存储器空间,预取读使所有的字节有效。  

Base1:8 MB非预取地址映射对应于所有的DSP存储空间,非预取支持字节使能。  

Base2:PCI的16MB I/O包括I/O寄存器。  

这3种寄存器属于PCI配置寄存器,PCI主机可以访问映射在PCI存储器空间4 MB的DSP存储器,PCI端口包含一个PCI I/O寄存器(DSPP寄存器)从PCI地址到DSP地址的映射。当DSP作为PCI本地总线从属时,使用该映射模式;当DSP上的PCI基地址寄存器被配置成一个8 MB不可预取区域时,该存储空间映射为DSP内存映射寄存器(0180 0000h)。PCI地址的22:0位与一个固定偏移相连,将Base 1访问映射到内存寄存器;基地址寄存器2配置16 B I/O空间,使PCI主机用于访问PCI I/O寄存器。  

3 仿真器程序及驱动程序的开发  

3.1 驱动工具的选择  

对于开发wDM型PCI驱动,常用的开发工具有三种。一是直接使用Windows DDK或者WDK工具;二是使用DriverStudio;三是使用WinDriver。第一种方式要求掌握Windows的体系结构、设备驱动的体系结构等知识,开发难度较大;第二种方式对DDK进行了封装,难度虽然降低了些,但依然不小,而且由于封装问题,可能带来一些Bug,有可能导致项目失败;第三种方式克服了传统开发工具开发驱动周期长,效率低,需具有DDK和核心态程序开发经验等缺点,大大简化了ISA-BUS,PCIBUS等硬件设备驱动程序的开发过程,而且WinDriver还提供核心插件(Kerneal Plu-gin)功能,使开发者在用户模式下调试代码,然后将调试无误的代码搬到内核模式(Kernel Mode)中,因而使用WinDriver,具有简单、快速、高效的特点。  

3.2 WinDriver的工作原理  

图5是WinDriver的体系结构图,阴影部分是WinDriver提供的组件。WinDriver提供以WinDrvr6.sys为底层的驱动栈层,直接与硬件交互,避免了用户对硬件操作的复杂性,用户开发驱动只需在应用程序中调用WinDriver用户模式的API函数。这些用户模式的函数调用 WinDriver的Kernel Module函数实现对硬件的访问。对于某些要求比较高的硬件驱动(如要求响应中断的速度足够快),如果用户模式开发的驱动无法达到要求,开发者可以将用户模式下调试好的代码放入到WinDriver的Kernel Plugin模块中,使得驱动开发可以在用户模式下进行,而开发的驱动的效率完全可与内核模式下的驱动相媲美。  


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图6为用WinDriver开发PCI驱动内部的API函数调用关系。  


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通常情况下,在应用程序中不直接调用这些API函数,而是通过二次开发,将这些API函数封装在动态链接库DLL中,然后应用程序调用DLL中封装好的函数。  

3.3 卫星信号仿真器应用程序框图及相应PCI驱动的关键代码分析  

根据仿真器的总体设计,需要在PC机上实现二个功能模块;  

数字信号处理模块该模块是仿真器的核心模块,实时仿真导航电文,计算卫星伪距、各通道的频率字和码控制字等。  

通信模块 该模块主要是将PC机计算得到的相关信息通过PCI传递给DSP。  

考虑到整个仿真器数据要求的实时性,通过中断函数实现PC机中的程序传输数据,当DSP需要数据时,通过RSTSRC寄存器INTREQ位写1产生一个中断信号发送给PC机,但要使该中断有效,必须要求主机状态寄存器(HSR)中的IN*位为0。因此在上位机程序中,初始化阶段必须把该中断使能位打开。应用程序的结构如图7所示。  


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中断处理步骤如下:  

(1)应用程序打开中断使能,系统等待中断;  

(2)如果中断到来,则清除中断标志,取消中断源;  

(3)在中断函数中执行数据传输;  

(4)数据传输完后给DSP发中断,实现与DSP的握手;  

(5)重新开启中断源。  

第(2)步和第(5)步在中断使能函数中实现。  

中断响应函数的关键代码如下:  


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PCI主机给DSP发中断是通过将HDCR寄存器的DSPINT位置1实现的,要注意产生该中断的有效前提条件是PCI的中断使能寄存器(PCIIEN)HOSTSW位被使能,即HOSTSW=1。  

为了便于使用PCI的驱动函数和以后驱动程序发布的需要,将驱动函数封装在动态链接库DLL中,它们中主要函数的关键代码如下:  


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为了使PC机能够正确地捕获到由DSP传来的中断,在动态链接的DSP6416_IntEnable()函数中,必须设置内核模式下的中断传输命令,因为它的优先级比用户模式下的中断响应函数高,因而一旦DSP产生中断,首先执行的是内核模式下的中断传输命令。由于DSP6416内嵌PCI产生的中断属于电平敏感中断,如果不清除中断它将一直有效,这将会导致中断响应函数不断执行而死机。因此,必须在中断使能函数设置中断传输命令。在该例中,先从HSR中读取一个DWORD,然后在中断传输命令中设置CMD_MASK位。如果前面从HSR中读出的值为0x04,则屏蔽DSP所产生的中断,否则不执行屏蔽命令,然后在中断传输命令中向DSP的RSTSRC写入0x10清除中断。图6中用到的关闭中断使能和关闭设备2个函数可分别通过调用WinDriver中 WDC_IntDisable(),WDC_PciDe_viceClose(),WDC_DriverClose()的函数等实现。此外,调用这些函数之前要判断中断是否存在,设备是否打开,否则会出现严重错误。  

3.4 卫星信号仿真器实验验证  

设置卫星信号仿真器场景:用户位置为北纬60°00'00",东经100°00'00",高程300 m,静止状态。GG24接收机的解算结果如图8所示。  


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GG24接收机解算结果是北纬59°59'59.867 52",东经99°59'57.636 24",高程为308.02 m,与设置的场景,即北纬60°00'00",东经100°00'00",高程300 m相当吻合。因此,这说明了仿真器的正确性和有效性。  

4 结 语  

在此设计的基于DSP6416内嵌PCI数据传输硬件平台和驱动开发方案已用于多模卫星信号仿真器中,该方案数据传输稳定,速度快(可达115 MB/s),采用WinDriver软件工具包开发DSP6416内嵌的PCI设备驱动程序,不但可以极大地缩短开发周期,而且还提高了卫星信号仿真器的开发效率和整体性能。


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FCCdsp|  楼主 | 2018-7-20 11:49 | 显示全部楼层
基于DSP内嵌PCI总线的卫星信号仿真器设计

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angerbird| | 2018-7-22 11:21 | 显示全部楼层
TI公司TMS320C6416系列的DSP拥有内置PCI接口,使得硬件开发难度降低和主机对DSP资源访问更加透明。

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angerbird| | 2018-7-22 11:22 | 显示全部楼层
这是个好消息的,。。

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zhangbo1985| | 2018-7-22 20:36 | 显示全部楼层
DSP作为主机和FPGA之间的通信桥梁,主要完成两方面的工作:一是定时接收PC机计算的各种控制字和电文,按照时序要求,将各通道的控制字发送给FPGA。

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zhangbo1985| | 2018-7-22 20:37 | 显示全部楼层
DSP通过将RSTSRC寄存器中的INTREQ置1产生中断;PC机和DSP通过将INTRST置1清除中断,这一点在驱动开发中至关重要,因为DSP 产生的中断属于电平中断类型,如果不清除中断,它将一直有效.这将会导致中断响应函数不断的调用,从而导致死机。

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chuntian2016| | 2018-7-22 21:40 | 显示全部楼层
仿真器是一个多电源系统,可以提供5 V,3.3 V,12 V的电源,所以对连接器采用多电源供电。

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vibra2016| | 2018-7-25 23:01 | 显示全部楼层
DSP TMS320C6416内部集成PCI接口,所以不需要桥接芯片,只需要设计与PCI母板之间的接口,不需要设计PCI与DSP本身之间的接口。

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