黃克功

(中國電子科技集團公司第二十二研究所 河南新鄉(xiāng))

ADSP21161在ACE數(shù)控測井儀中的應用

黃克功

(中國電子科技集團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,詳細分析了它的中斷機制和DMA傳輸,討論了在ACE數(shù)控測井儀中的工程應用,并給出了具體的應用流程圖。

ADSP21161;中斷;DMA;ACE;DSP

0 引 言

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

ADSP21161是美國AD公司生產(chǎn)的一款高性能、低價位的32位浮點處理器。在一個單獨的芯片上集成了具有強大浮點運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立的I/O控制器,構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng);超級哈佛結(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套獨立的總線分別用于程序存儲區(qū)(PM)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)(DM),可以同時對PM和DM進行數(shù)據(jù)訪問;經(jīng)優(yōu)化的DMA和中斷的傳輸機制使得其與外部的數(shù)據(jù)交換獨立且并行于處理器內(nèi)核的運算過程;片內(nèi)的主機接口和總線仲裁器可以使多片處理器無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)字信號處理任務和構(gòu)成多處理器陣列[1]。

1.2 ADSP21161中斷機制

ADSP21161芯片提供了32個中斷源,其中4個是系統(tǒng)保留的,有4個是用戶軟件中斷,其余24個均為系統(tǒng)預先定義好的中斷。分為3個優(yōu)先級,其中2個不可屏蔽的中斷,即評估板中斷和系統(tǒng)復位中斷,具有最高的優(yōu)先級;而其他22個可屏蔽中斷,包括外設中斷、多處理器向量中斷、片內(nèi)設置的其它中斷(如串行口中斷、鏈路口中斷、DMA通道中斷、定時器中斷等)則為低的優(yōu)先級。通過對相應的狀態(tài)寄存器設置,用戶可以有選擇地將中斷源映射到這22個可屏蔽中斷。通過查詢相應的寄存器狀態(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。芯片為每個中斷源分配了一個唯一的中斷號,在中斷向量表中,每個中斷都對應有4條中斷服務指令[2]。

ADSP21161利用各種狀態(tài)寄存器來完成中斷鎖存、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)。用戶可以通過設置寄存器MODE2中的IRQ0E～IRQ2E來設置各個外設中斷的觸發(fā)方式。當檢測到一個中斷后,DSP通過設置中斷鎖存寄存器IRPTL或LIRPTL中的相應位來記錄已經(jīng)發(fā)生的中斷。處理器進入中斷服務程序,此時DSP每個周期都要對上述2個寄存器的相應位進行清零,以保證在執(zhí)行中斷服務程序的時候同一個中斷不會被鎖存。直到中斷結(jié)束后,DSP才結(jié)束對鎖存位的清零。

1.3 ADSP21161的DMA

ADSP21161中的DMA包含14條獨立通道,主要可完成片內(nèi)存儲器與主處理器、片外存儲器或片外設備、串行口、鏈路口、SPI口之間的傳輸操作。DMA的編程實際上是通過內(nèi)部核心處理單元或外部主機對片內(nèi)有關(guān)的I/O寄存器設置來完成的。控制寄存器主要用來設置數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?、?shù)據(jù)格式、是否鏈式等操作;參數(shù)寄存器用來設置數(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一般傳輸過程的設置步驟如下:

(1)設置對應通道的參數(shù)寄存器;

(2)設置對應通道的DMA控制寄存器,并將其中的DMA使能位設為有效;

(3)開始DMA數(shù)據(jù)傳輸;

(4)DMA傳輸結(jié)束后,產(chǎn)生對應的中斷,并通過程序?qū)χ袛噙M行處理。

2 DSP在測井系統(tǒng)中的應用

在ACE數(shù)控測井系統(tǒng)中,當使用編碼類井下儀器進行測井時,地面測井系統(tǒng)主要利用DSP處理模塊對井下儀器進行控制和數(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;與主機雙向數(shù)據(jù)傳輸,原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)控測井儀系統(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)、信號預處理單元、繼電器控制單元等部分組成,完成編碼類信號的輸入、信號預處理、邏輯轉(zhuǎn)換、AD采集、各種邏輯控制、下發(fā)信號編碼、軟件解碼以及和上位機利用USB進行通信。

工作時,該模塊通過USB接口接收上位機的指令,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工作方式,進行下發(fā)邏輯編碼,上傳信號的接收解碼等,然后將處理過的數(shù)據(jù)通過FIFO傳給USB接口,USB接口再通過USB總線傳給上位機。DSP模塊部分原理圖如圖2所示[4]。

2.2 系統(tǒng)初始化及上位機中斷實現(xiàn)

圖2 DSP模塊部分原理圖

在該應用中,將DSP上電初始化的時候,應該對系統(tǒng)進行設置,將DSP的標志管腳FLG4～11設置為輸出;初始化的時候禁止中斷嵌套。在DSP的三個中斷中,中斷2優(yōu)先級最高。為不丟失上位機命令,將中斷2作為上位機下發(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);并對中斷鎖存標志寄存器和中斷屏蔽寄存器進行設置。

在對系統(tǒng)寄存器設置完成后,打開上位機中斷IRQ2,當上位機有下發(fā)命令的時候,將下發(fā)的命令數(shù)據(jù)放在相應的數(shù)據(jù)緩沖中,并通過CPLD產(chǎn)生外部中斷申請信號,此時IRQ1中斷發(fā)生,經(jīng)過下面程序的處理,DSP可以通過在中斷服務程序中設置標志位等辦法來查詢是否接收到上位機的命令,并從相應的數(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向DSP下發(fā)命令的通信過程。

2.3 DSP DMA通道中斷軟件編程

對井下儀器上傳的曼碼信號,經(jīng)過前級預處理后,進入AD采樣,并將采樣數(shù)據(jù)依順序打入FIFO器件,由外圍CPLD邏輯實現(xiàn)采樣時序和采集完成時中斷信號的產(chǎn)生。當一幀信號采樣結(jié)束后,將產(chǎn)生的中斷信號送給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)處理的實時性,DSP利用DMA的方式從FIFO中讀取數(shù)據(jù)。

設計中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個數(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FLG11對FIFO進行復位,從而進行下一幀的數(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

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

[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應用系統(tǒng)設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003

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

[4] 中國電子科技集團公司第二十二研究所.ACE數(shù)控測井儀硬件手冊.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)于中國礦業(yè)大學信電學院。現(xiàn)在中國電子科技集團公司第二十二研究所從事地面數(shù)控測井儀的開發(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·