陜西凌云電器集團有限公司 劉延海 張 亮

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測控通訊系統(tǒng)控制器的設(shè)計和實現(xiàn)

陜西凌云電器集團有限公司 劉延海 張 亮

【摘要】為了滿足小型無人機測控通訊系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)處理傳輸?shù)囊?，提出了可適用于當(dāng)前大多數(shù)平臺的測控通訊系統(tǒng)控制器的方案。德州儀器視頻專用芯片OMAP138作為測控系統(tǒng)的控制器具有低成本，易實現(xiàn)的特點。

【關(guān)鍵詞】控制器；OMAPL138；測控通訊

1 引言

測控通訊系統(tǒng)是目前小型無人機系統(tǒng)的必要且關(guān)鍵的組成部分，而控制器則是測控通訊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和外部通訊的核心器件，與系統(tǒng)中相對穩(wěn)定軟硬件不會輕易改變的調(diào)制解調(diào)部分不同，控制器往往需要隨測控通訊系統(tǒng)安裝平臺和數(shù)據(jù)處理任務(wù)量大小的變化而進行軟硬件的變化。本系統(tǒng)控制器采用德州儀器視頻專用芯片OMAPL138可以很好的作為測控系統(tǒng)的控制器的通用器件。

2 選擇OMAPL138作為控制器主芯片的原因

控制器采用TI公司的OMAPL138，主要是因為OMAPL138是一款浮點DSP和ARM集成的雙核處理器。測控系統(tǒng)控制器的選型設(shè)計難點就在于主處理器往往需要兼顧三大任務(wù)：通訊數(shù)據(jù)處理、圖像編碼和外部通訊。OMAPL138在這三個方面都擁有其他芯片不可比擬的集成優(yōu)勢。同時這款芯片也是目前業(yè)界功耗最低的浮點DSP+ARM9的處理系統(tǒng)。

針對測控通訊系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)處理的需求，OMAPL138內(nèi)部集成了TI公司C6000系列中的C6748浮點DSP處理器，最高頻率可以達(dá)到600Mhz，集成的外部EMIF總線最高可達(dá)到125Mhz的訪問速度，擁有一個標(biāo)準(zhǔn)的64位的外部存儲器接口，可以兼容大多數(shù)的異步存儲器和同步存儲器，最大可尋址空間達(dá)到1GB?？梢耘c調(diào)制解調(diào)部分的FPGA芯片進行大數(shù)據(jù)量通訊，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集處理的系統(tǒng)。

針對測控通訊系統(tǒng)的圖像編碼功能的需求，OMAPL138擁有2個視頻端口進行視頻的實時采集，在外圍集成了非常完整網(wǎng)絡(luò)通訊的設(shè)備和接口，集成了一個標(biāo)準(zhǔn)的10/100Mb/s的以太網(wǎng)接口，配合一個網(wǎng)絡(luò)控制器就可以兼容使用TI公司開發(fā)的NDK網(wǎng)絡(luò)編程軟件平臺，具有很強的處理功能和編程靈活性，為后續(xù)的開發(fā)提供極大方便。

針對測控通訊系統(tǒng)復(fù)雜多變的外部接口通訊的需求，OMAPL138內(nèi)部集成了一個通用的ARM9處理器，與DSP端共用存儲空間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共用，獨立完成接口部分的通訊要求，當(dāng)外部平臺需求有變化可以只升級ARM9部分的軟件，軟件維護性號。另外，外部接口非常豐富，擁有3個串口，五個USB接口，可以連接一個標(biāo)準(zhǔn)的SD卡，多個可靈活設(shè)計服用的GPIO。

3 系統(tǒng)的組成和框圖（見圖1）

4 系統(tǒng)主要器件簡介

4.1 電源芯片的選擇

因為外部的供電電壓是5V，而DSP需要1個1.4V，要求電流1.5A，DSP和其他器件還需要一個3.3V的電壓，要求電流2A。所以我們選擇了兩片TPS54310來進行電平轉(zhuǎn)換。TPS54310允許的輸入電壓范圍是3V-5V，能夠最大輸出3A的電流，而且輸出的電壓可以通過配置電阻進行靈活配置，提供使能端EN進行上電順序配置。使用TPS54310的問題在于必須注意PCB的設(shè)計，芯片的模擬地和電源地必須使用電感分開，芯片底部引腳連接到底部的地鋪銅。因為TPS54310是開關(guān)電源，所以電源的輸出必須增加濾波器。

圖1 控制器OMAPL138組成框圖

4.2 視頻編碼芯片和視頻顯示芯片

視頻解碼芯片選用philips公司專用視頻解碼芯片SAA7113，把輸入的視頻信號解碼成OMAPL138能夠接收的“VP0”數(shù)字信號。SAA7113兼容PAL，NTSC等多種制式的視頻信號，內(nèi)部具有很多寄存器可以設(shè)置圖像的色度和亮度等參數(shù)，輸出模式可選擇。本方案使用OMAPL138作為處理器操作SAA7113，使用I2C接口對寄存器進行初始化。

視頻顯示芯片選用專用圖像編碼芯片SAA7105H，VGA輸出時，DSP視頻輸出采用RGB方式。同樣使用OMAPL138作為處理器，能夠?qū)崟r將DSP圖像融合處理后的視頻信號以RGB三基色方式、S-VIDEO方式或VGA方式輸出。

視頻編解碼算法采用H.264編解碼算法，H.264被普遍認(rèn)為是最有影響力的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與ISO/IEC 14496-10 Baseline and Main Profiles完全兼容.在同樣的圖像質(zhì)量情況下，H.264標(biāo)準(zhǔn)的編碼效率要比MPEG-2提高了50%，比MPEG-4 ASP提高了30%，相應(yīng)地節(jié)約了至少30%～50%的網(wǎng)絡(luò)帶寬，保證了設(shè)備的靈敏度性能。目前實現(xiàn)H.264編碼的方式有3種：一種是DSP軟件編碼方案，目前市場上有很多種專門增加視頻編解碼功能的DSP，OMAPL138就是其中很典型的一種，性價比非常高，這種方案的缺點是在實現(xiàn)高清時要求很高的運算能力，需采用高性能的DSP，系統(tǒng)后續(xù)升級能力比較?。坏诙N方案是采用FPGA實現(xiàn)，技術(shù)難度較大；第三種是集成電路（ASIC）方案，這種方案成本低、功耗小，編碼效果好。本系統(tǒng)采用的是第一種方案。

本方案因為OMAPL138自身提供視頻編碼和解碼的接口，能夠與選用的芯片進行無縫連接。所以整個系統(tǒng)電路簡單、可靠性高、功能集成度高、編程方便。

4.3 數(shù)據(jù)存儲器

數(shù)據(jù)存儲器有2種，一種是SDRAM，本方案選的是2片4M32

位的MT48LC4M32，這款Micron公司的同步存儲器最高支持166Mhz的總線讀寫速度，時鐘周期支持6ns。使用2片進行EMIF總線64位數(shù)據(jù)的讀寫。還有一種是flash，本方案選用ATMEL公司的AM29LV033，這款NOR型的flash的容量達(dá)到4M字節(jié)，最快訪問時間為70ns，每字節(jié)的編程時間只需7us，擦寫次數(shù)超過10萬次，這兩款存儲器完全可以滿足本方案的數(shù)據(jù)存儲要求。

4.4 時鐘和看門狗芯片

DSP系統(tǒng)時鐘使用一個50Mhz的0.1ppm的晶振作為基準(zhǔn)時鐘，經(jīng)過DSP內(nèi)部的鎖相環(huán)倍頻后，DSP的主頻可以最高達(dá)到600Mhz，另外使用一個25Mhz的晶振和ICS512電路生成一個133Mhz的時鐘提供給DSP的EMIF總線。

系統(tǒng)的看門狗芯片選用TI公司生產(chǎn)的TPS3823芯片，看門狗芯片有2個作用，第一個作用是保證DSP的復(fù)位信號在CVDD不滿足要求前一直處于低電平，從而避免因為上電時電壓不穩(wěn)而DSP復(fù)位失敗，第二個作用是在系統(tǒng)軟件死機時通過看門狗信號的檢測對處理器進行復(fù)位，TPS3823的復(fù)位時間長達(dá)200ms，可以滿足系統(tǒng)的需求，另外也可以通過懸空TPS3823的WDI引腳來關(guān)閉TPS3823的復(fù)位功能。

4.5 開發(fā)平臺和軟件設(shè)計

OMAPL138目前可以在CCS3.3和CCS5.3開發(fā)環(huán)境上進行開發(fā)，軟件設(shè)計既可以選擇Linux3.3系統(tǒng)，也可以選擇DSP平臺通用的DSP/BIOS系統(tǒng)。