黃克功

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南新鄉(xiāng))

ADSP21161在ACE數(shù)控測(cè)井儀中的應(yīng)用

黃克功

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南新鄉(xiāng))

文章介紹了ADSP21161芯片的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),詳細(xì)分析了它的中斷機(jī)制和DMA傳輸,討論了在ACE數(shù)控測(cè)井儀中的工程應(yīng)用,并給出了具體的應(yīng)用流程圖。

ADSP21161;中斷;DMA;ACE;DSP

0 引 言

隨著測(cè)井技術(shù)的發(fā)展,下井儀器的組合功能越來(lái)越強(qiáng),因而下井儀器上傳的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大,地面儀器處理的數(shù)據(jù)也越來(lái)越多;同時(shí),地面儀器與下井儀器之間要具有實(shí)時(shí)雙向通訊功能,這就要求測(cè)井系統(tǒng)具有很高的傳輸速率。ACE數(shù)控測(cè)井儀是我所最新研制的新一代智能數(shù)控測(cè)井儀,具備裸眼井、固井、生產(chǎn)井、射孔取芯等功能。為保證信號(hào)處理板數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪m時(shí)性和正確性,在硬件系統(tǒng)里采用了以ADSP21161為核心器件的DSP技術(shù),對(duì)井下儀器傳輸?shù)母咚倬幋a信號(hào)采用相關(guān)、FIR濾波和FFT等算法進(jìn)行軟件處理,增強(qiáng)了數(shù)據(jù)解碼能力,簡(jiǎn)化了電路,提高了系統(tǒng)的靈活性。

1 ADSP21161芯片介紹

1.1 芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

ADSP21161是美國(guó)AD公司生產(chǎn)的一款高性能、低價(jià)位的32位浮點(diǎn)處理器。在一個(gè)單獨(dú)的芯片上集成了具有強(qiáng)大浮點(diǎn)運(yùn)算能力的微處理器內(nèi)核、1Mbit的零等待SRAM、多種形式的外部接口和獨(dú)立的I/O控制器,構(gòu)成了一個(gè)完整的系統(tǒng);超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)(SHARC)的CPU和高速指令Cache使得ADSP21161的指令均為單周期指令;6套獨(dú)立的總線分別用于程序存儲(chǔ)區(qū)(PM)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)(DM),可以同時(shí)對(duì)PM和DM進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn);經(jīng)優(yōu)化的DMA和中斷的傳輸機(jī)制使得其與外部的數(shù)據(jù)交換獨(dú)立且并行于處理器內(nèi)核的運(yùn)算過(guò)程;片內(nèi)的主機(jī)接口和總線仲裁器可以使多片處理器無(wú)需任何附加資源即可構(gòu)成多處理器陣列。該處理器適用于各種高性能的數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)和構(gòu)成多處理器陣列[1]。

1.2 ADSP21161中斷機(jī)制

ADSP21161芯片提供了32個(gè)中斷源,其中4個(gè)是系統(tǒng)保留的,有4個(gè)是用戶軟件中斷,其余24個(gè)均為系統(tǒng)預(yù)先定義好的中斷。分為3個(gè)優(yōu)先級(jí),其中2個(gè)不可屏蔽的中斷,即評(píng)估板中斷和系統(tǒng)復(fù)位中斷,具有最高的優(yōu)先級(jí);而其他22個(gè)可屏蔽中斷,包括外設(shè)中斷、多處理器向量中斷、片內(nèi)設(shè)置的其它中斷(如串行口中斷、鏈路口中斷、DMA通道中斷、定時(shí)器中斷等)則為低的優(yōu)先級(jí)。通過(guò)對(duì)相應(yīng)的狀態(tài)寄存器設(shè)置,用戶可以有選擇地將中斷源映射到這22個(gè)可屏蔽中斷。通過(guò)查詢相應(yīng)的寄存器狀態(tài),用戶可以查詢中斷是否發(fā)生,中斷返回地址等狀態(tài)信息。芯片為每個(gè)中斷源分配了一個(gè)唯一的中斷號(hào),在中斷向量表中,每個(gè)中斷都對(duì)應(yīng)有4條中斷服務(wù)指令[2]。

ADSP21161利用各種狀態(tài)寄存器來(lái)完成中斷鎖存、中斷屏蔽等工作。芯片支持2種中斷方式,即邊緣觸發(fā)和電平觸發(fā)。用戶可以通過(guò)設(shè)置寄存器MODE2中的IRQ0E～I(xiàn)RQ2E來(lái)設(shè)置各個(gè)外設(shè)中斷的觸發(fā)方式。當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)中斷后,DSP通過(guò)設(shè)置中斷鎖存寄存器IRPTL或LIRPTL中的相應(yīng)位來(lái)記錄已經(jīng)發(fā)生的中斷。處理器進(jìn)入中斷服務(wù)程序,此時(shí)DSP每個(gè)周期都要對(duì)上述2個(gè)寄存器的相應(yīng)位進(jìn)行清零,以保證在執(zhí)行中斷服務(wù)程序的時(shí)候同一個(gè)中斷不會(huì)被鎖存。直到中斷結(jié)束后,DSP才結(jié)束對(duì)鎖存位的清零。

1.3 ADSP21161的DMA

ADSP21161中的DMA包含14條獨(dú)立通道,主要可完成片內(nèi)存儲(chǔ)器與主處理器、片外存儲(chǔ)器或片外設(shè)備、串行口、鏈路口、SPI口之間的傳輸操作。DMA的編程實(shí)際上是通過(guò)內(nèi)部核心處理單元或外部主機(jī)對(duì)片內(nèi)有關(guān)的I/O寄存器設(shè)置來(lái)完成的。控制寄存器主要用來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?、?shù)據(jù)格式、是否鏈?zhǔn)降炔僮?參數(shù)寄存器用來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂贰?shù)目等信息;數(shù)據(jù)緩存器則主要用來(lái)緩存?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù),以提高數(shù)據(jù)的傳輸率[3]。

ADSP21161中的DMA一般傳輸過(guò)程的設(shè)置步驟如下:

(1)設(shè)置對(duì)應(yīng)通道的參數(shù)寄存器;

(2)設(shè)置對(duì)應(yīng)通道的DMA控制寄存器,并將其中的DMA使能位設(shè)為有效;

(3)開(kāi)始DMA數(shù)據(jù)傳輸;

(4)DMA傳輸結(jié)束后,產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的中斷,并通過(guò)程序?qū)χ袛噙M(jìn)行處理。

2 DSP在測(cè)井系統(tǒng)中的應(yīng)用

在ACE數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)中,當(dāng)使用編碼類井下儀器進(jìn)行測(cè)井時(shí),地面測(cè)井系統(tǒng)主要利用DSP處理模塊對(duì)井下儀器進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理,DSP處理模塊的核心部分即為ADSP21161。其主要功能有:編碼信號(hào)的處理與解碼;下發(fā)命令的編碼與發(fā)送;PCM邏輯的產(chǎn)生與發(fā)送;與主機(jī)雙向數(shù)據(jù)傳輸,原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)控測(cè)井儀系統(tǒng)中DSP處理模塊原理框圖

2.1 DSP處理模塊硬件電路原理

該電路由數(shù)據(jù)采集與控制單元ADSP21161、數(shù)據(jù)傳輸單元USB芯片(CY7C68013)、信號(hào)預(yù)處理單元、繼電器控制單元等部分組成,完成編碼類信號(hào)的輸入、信號(hào)預(yù)處理、邏輯轉(zhuǎn)換、AD采集、各種邏輯控制、下發(fā)信號(hào)編碼、軟件解碼以及和上位機(jī)利用USB進(jìn)行通信。

工作時(shí),該模塊通過(guò)USB接口接收上位機(jī)的指令,將命令下發(fā)到ADSP21161,ADSP21161根據(jù)接收到的命令,控制外圍電路切換到相應(yīng)工作方式,進(jìn)行下發(fā)邏輯編碼,上傳信號(hào)的接收解碼等,然后將處理過(guò)的數(shù)據(jù)通過(guò)FIFO傳給USB接口,USB接口再通過(guò)USB總線傳給上位機(jī)。DSP模塊部分原理圖如圖2所示[4]。

2.2 系統(tǒng)初始化及上位機(jī)中斷實(shí)現(xiàn)

圖2 DSP模塊部分原理圖

在該應(yīng)用中,將DSP上電初始化的時(shí)候,應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置,將DSP的標(biāo)志管腳FLG4～11設(shè)置為輸出;初始化的時(shí)候禁止中斷嵌套。在DSP的三個(gè)中斷中,中斷2優(yōu)先級(jí)最高。為不丟失上位機(jī)命令,將中斷2作為上位機(jī)下發(fā)命令中斷,采用電平觸發(fā);中斷0和中斷1分別用作深度中斷和AD采集完成產(chǎn)生的FIFO中斷,用下降沿觸發(fā);并對(duì)中斷鎖存標(biāo)志寄存器和中斷屏蔽寄存器進(jìn)行設(shè)置。

在對(duì)系統(tǒng)寄存器設(shè)置完成后,打開(kāi)上位機(jī)中斷IRQ2,當(dāng)上位機(jī)有下發(fā)命令的時(shí)候,將下發(fā)的命令數(shù)據(jù)放在相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖中,并通過(guò)CPLD產(chǎn)生外部中斷申請(qǐng)信號(hào),此時(shí)IRQ1中斷發(fā)生,經(jīng)過(guò)下面程序的處理,DSP可以通過(guò)在中斷服務(wù)程序中設(shè)置標(biāo)志位等辦法來(lái)查詢是否接收到上位機(jī)的命令,并從相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖中讀取命令數(shù)據(jù)。這樣利用中斷的方式就完成了上位機(jī)向DSP下發(fā)命令的通信過(guò)程。

2.3 DSP DMA通道中斷軟件編程

對(duì)井下儀器上傳的曼碼信號(hào),經(jīng)過(guò)前級(jí)預(yù)處理后,進(jìn)入AD采樣,并將采樣數(shù)據(jù)依順序打入FIFO器件,由外圍CPLD邏輯實(shí)現(xiàn)采樣時(shí)序和采集完成時(shí)中斷信號(hào)的產(chǎn)生。當(dāng)一幀信號(hào)采樣結(jié)束后,將產(chǎn)生的中斷信號(hào)送給IRQ1,DSP接收到中斷后,直接從FIFO芯片中讀出數(shù)據(jù)即可。為了充分利用DSP數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理的并行性,以保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性,DSP利用DMA的方式從FIFO中讀取數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個(gè)數(shù)為4000,所用的DMA通道為通道10。DMA傳輸完成后,同樣要以中斷的方式通知DSP。DSP通過(guò)FLG11對(duì)FIFO進(jìn)行復(fù)位,從而進(jìn)行下一幀的數(shù)據(jù)采樣。圖3所示為完成此功能的流程圖。

圖3 DMA傳輸程序流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了ADSP21161的中斷機(jī)制和DMA傳輸。中斷是DSP和外部設(shè)備通信的一種重要方式,充分利用中斷的特點(diǎn),可以方便DSP與各種外部設(shè)備的溝通,使以DSP為核心的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)更好地協(xié)調(diào)工作。本文重點(diǎn)討論了其在ACE數(shù)控測(cè)井儀中的兩種典型的工程應(yīng)用。

[1] AD公司.ADSP-21161 SHARC Processor Hardware Reference.Revision 4.0.2005(資料)

[2] 劉書明,羅軍輝.ADSP SHARC系列DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003

[3] 蘇 濤,藺麗華,盧光躍,等.DSP實(shí)用技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002

[4] 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所.ACE數(shù)控測(cè)井儀硬件手冊(cè).2009(資料)

Application of ADSP21161 in ACE digital control logging system.

Huang Kegong.

This paper introduces the structure and the characteristics of ADSP21161,analyzes its interrupting mechanism and DMA transmission in details,discusses the application of ADSP21161 in ACE Digital Well Logging System and finally,it presents the concrete program flow chart.

ADSP21161;interrupt;DMA;ACE;DSP

P631.8+1

B

1004-9134(2010)01-0066-03

黃克功,男,1975年生,工程師,1999年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院?，F(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所從事地面數(shù)控測(cè)井儀的開(kāi)發(fā)研制與生產(chǎn)工作。郵編:453003

2009-06-13編輯姜 婷)

PI,2010,24(1):66～68

·方法研究·