CPLD在DSP系统中的应用设计

摘要：以Altera公司MAX700旧系列为代表，介绍了CPLD在DSP系统中的应用实例。该方案具有一定的普遍适用性。 关键词：RESET BOOT HPI CPLD的延时 时序 DSP的速度较快，要求译码的速度也必须较快。利用小规模逻辑器件译码的方式已不能满足DSP系统的要求。同时，DSP系统中经常需要外部快速部件的配合，这些部件往往是专门的电路，可由可编程器件实现。CPLD的时序严格、速度较快、可编程性好，非常适合于实现译码和专门电路。本文以MAX7000系列为例，具体介绍其在以TI公司的TMS320C6202为平台的网络摄像机系统中的应用。 1 CPLD在DSP系统中的功能介绍 1．1 DSP系统简介 本文所论述的编码器系统是基于DSP的MPEG-4压缩编码器的，主要由前端视频采集、数据预处理以及MPEG-4视频压缩编码三部分组成。基于DSP的MPEG-4编解码器由于其所选用的DSP运算能力强、编程灵活，且实现不同的图像编码算法时只需对DSP内部的程序进行改写便可实现诸如MPEG、H．263等多种图像编码，因而具有良好的应用情景。CPLD芯片对整个编码器起着逻辑控制作用，系统结构如图1所示。 1．2 CPLD在系统中的功能要求 1．2．1 产生复位信号 系统上电时，CPLD产生复位信号，使整个系统中的FPGA和DSP模块复位，进入初始状态；系统上电后，数据采集模块自动启动。 系统内共使用三种电源：5V、3．3V、1．8V。其中，5V电源由供电电源接人，3．3V、1．8V电源由TPS56300(TI产品)提供。采用TPS3307(TI产品)为系统提供电源管理，该芯片可同时管理三种电源。当监测到电源电压低于一定值时，产生复位信号。TPS3307在其自身电源电压大于1V的情况下即可以输出复位信号。 当系统出现错误时，可以采用手工方式复位。 复位信号产生原理图如图2所示。其中，RST#为整个系统的复位信号，由MAX7000输出。PBSW_RST#为手动复位信号，由按键接人MAX7000，经MAX7000去抖动后输出给TPS3307。SVS_RST#为电源管理芯片TPS3307产生的复位信号(包括手动复位和电源监控功能)。 1．2．2 BOOT模式的实现 系统复位后，DSP需要进行BOOT自举。在复位信号为低期间，BOOTMODE［4：0］管脚上的设置值被锁存，决定芯片的存储器映射方式以及自举模式。但TMS320C6202没有专门的管脚作为BOOTMODE［4：0］输入管脚，而是将扩展总线的XD［4：0］映射为BOOTMODE［4：0］，利用上拉／下拉电阻在复位时进行芯片启动模式设置。总线上的其它位也在复位期间被锁定，决定系统相应的设定值。而扩展总线XD在HPI口读写时要用到，所以使用MAX7000进行隔离。系统处在复位阶段，则通过MAX7000使得DSP的相应管脚的值等于设定值，复位结束后，MAX7000相应管脚为高阻态，使得XD可以作为正常的总线使用。 DSP自举有特定的时间要求。在复位结束后，XD的配置管脚必须保持一段时间，TMS320C6202要求时间为5个时钟周期，例如在200MHz时钟情况下必须保持25ns。 1．2．3 HPI口接口逻辑实现 MPEG-4压缩编码器压缩后的数据，通过网络传输控制模块传输到网络上去，从而实现网络实时图像传输。而DSP与网络传输模块(MCF5272)通过HPI口连接。其接口逻辑由CPLD完成。硬件连线图如图3所示。 根据系统的逻辑要求以及实际的仿真结果，CPLD选用EPM7128SLC84。该芯片共有2500门，128个宏单元，最多100个用户自定义管脚。 2 CPLD逻辑控制的具体实现 2．1 复位信号的实现 复位信号逻辑产生较简单，需要处理的是按键的去抖动。由于按键是机械触点，当机械触点断开、闭合时会有抖动，为使每一次按键只作一次响应，就必须考虑去除抖动。在通过按键获得复位信号为低的信息时，不是立即认定按键已被按下，而是延时一段时间后再次检测复位信号。如果仍为低，说明按键的确按下了，这实际上是避开了按键按下时的抖动时间。同样，在检测到按键释放后，再延时几个毫秒，消除后沿的抖动，然后再对键值处理。由于抖动现象主要出现在按键按下后，采用延时方法可有效地减少按键的抖动现象。 2．2 BOOT模式的实现 为了满足在复位有效期间对相应管脚进行配置，在复位无效时，使管脚进入高阻态。以其中一个管脚为例，采用Verilog语言，用如下语句实现该功能： assign hd0=(tp4)?rst_hd0：1′bz； ／／复位有效期间，tp4为1，hd=rst_hdo，即为设定值；复位无效时，tp4=0，hd为高阻态。 图4 因为DSP自举有特定的时间要求，在复位信号结束后，配置管脚的值必须至少保持25ns。通过对复位信号作一定的延时，可以满足要求。采用CPLD将信号作一定的延时，并不能简单地在信号后串接一些非门或其它门电路，因为开发软件在综合设计时会将这些门作为冗余逻辑处理，达不到延时的效果。所以采用高频时钟驱动一移位寄存器，对移位寄存器进行正确的设置后，输出即为延时后的数据。语句如下： always@(posedge eclkout2) //采用dsp的clkout=100MHz二分频后作延时 begin if(svs_rst_) ／／svs_rst_低电平，count始终置1010 begin count=4′b1010； end else if(count==4′b0000) ／／0000则保持 begin count=4′b0000； end ／／svs_rst_高电平，count开始计数 else begin count=count+4′b0001； //记六次至0000 end end assign tp4=count［3］； 仿真效果如图4所示。由仿真波形可见，CPLD的信号输出完全符合DSP BOOT的两个要求。 2．3 HPI口接口逻辑的实现 图像压缩编码器通过DSP的HPI口与网络模块连接，实现图像的网络传输。TMS320C6202的HPI口是指其扩展总线的主机口接口部分。经过编码器编码后的MPEG-4图像数据以帧为单位存放在DSP内部存储器中，外部主机通过HPI口读取。现以MCF5272微处理器与HPI口通信为例进行说明。 图5 MCF5272将10／100MB以太网控制器和一个USB模块等通信外围设备结合起来，是一款高集成的ColdFire微处理器。详见参考文献［4］。 MCF5272与TMS320C6202连接采用异步从属工作方式，MCF5272作为上行机，TMS320C6202作为从属机。由MCF5272高位地址线模拟XCNL、XR_W信号，TMS320C6202的多功能串行口3工作在GPIO模式下模拟HINT信号，为MCF5272提供主机口中断。本系统由CPLD——MAX7000编程实现两者硬件接口。仿真后的时序如图5所示，实验证明可以满足双方时序要求，实现数据传输。 以上所讨论的逻辑并不复杂，采用74系列在一定程度上说也可以完成。但是，采用CPLD具有以下优势：体系结构和逻辑单元灵活、集成度高、适用范围广，因而采用CPLD的方案。　在开发阶段，通过硬件实现的控制信号往往不能确定，需要试验验证。而CPLD因其具有灵活性，逐渐成为DSP进行信号处理不可或缺的协处理器。将相关控制信号接人CPLD，只需通过简单的编程即可实现各种需要的逻辑，避免了硬件上的改动，使硬件逻辑控制更加方便灵活，对类似设计具有普遍意义。文中讨论的防抖动以及CPLD延时程序对于类似设计也有一定的借鉴意义。 本文介绍的CPLD在基于DSP的MPEG-4编码压缩模块的系统中的应用实例，已通过下载验证。应用在工程实践中，结果表明该设计是方便灵活且正确有效的。