基于TMS320C6711的线阵CCD采集与处理系统 - 单片机/处理器 -

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<strong>引言</strong>

TMS320C6711是TI公司推出的 DSP芯片。其數據處理功能非常強大，時鍾速度可大100M（或者150M），但是其I/O功能要求有限。因此，采用MCU（89C52）作為人機接口，構成雙 CPU（MCU和DSP）係統。

<strong>1 係統構成</strong>

本文所介紹的CCD采集係統是在32位浮點 DSP（TMS320C6711）上實現的。如圖1所示：單片機89C52負責接受鍵盤輸入，並在液晶顯示器上顯示處理的結果信息；CCD在光點轉換後的數據通過A/D轉換器後在異步FIFO中緩存；DSP是係統的信息處理中心，它讀取FIFO中的數據後經過處理，將結果傳給89C52，由液晶顯示器顯示信息。


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DSP（TMS320C6711）是整個硬件係統的信號處理中心。它接受CCD傳來的采集信號，加以處理並將結果傳給單片機。DSP還完成對Flash和SDRAM的控製。

MCU（89C52）主要充當人機界麵的角色，接受外部鍵盤的輸入，將DSP傳輸未來的結果用數據和圖文的形式在液晶顯示器上顯示出來。
*8KB的可編程Flash Memory；
*可以寫/擦1000次以上；
*內置256×8位RAM；
*32 個可編程I/O口。

由於DSP計算能力很強，但I/O控製能力有限，因此89C52的以上性能可以保障係統控製能力，提供人機接口之便。
CCD（TCD132D）是一種新型的固體成像器件。特別適合各種精密圖像傳感和無接觸工件尺寸的在線測量。TCD132D是具有1024個像素的二相線性CCD。

IDT7204 是4K×9位的異步FIFO，讀寫操作會自動訪問存儲器中連續的存儲單元。從FIFO中讀出的數據和寫入的順序相同，地址的順序在內部已經預先定義好。芯片對讀寫指針提供複位功能，使內部讀寫指針同時設置到初始位置。另外，它還可以對已經讀出的數據通過將讀指針重新設置到初始位置而實現數據的重新讀取。該器件用9位數據寬度，第9位可以根據用戶需要作控製位或者校驗位。IDT7204的存取速率可達12ns。

A/D轉換器（AD7821）是Analog公司出品的高速8位A/D轉換器件；Flash采用AMD公司4Mbit的Flash Memory AM29LV400B；SDRAM采用了4片Micron公司生產的高速SDRAM芯片MT48LC2M8A；液晶顯示采用T6963C控製器點陣圖形液晶顯示模塊。

<strong>2 係統內關鍵電路的設計和主要芯片的互連互控</strong>

2.1 CCD以及A/D模塊

采用TCD132D線性CCD，光電轉換後用三極管放大，如圖2所示。三極管放大後用LF357進行濾波處理，然後再送A/D模塊濾波、轉換。A/D轉換使用AD7821，采用READ方式讀取數據。


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2.2 DSP與SDRAM、FIF0的互連和信號完整性設計

由於TMS320C6711的時鍾頻率在100MHz以上，時鍾沿時間為10ns或者以下，係統構成中除有DSP芯片本身外，還有SDRAM、Flash、 FIFO等。故必須對係統進行分割，主要目的是保護高速部分，即SDRAM部分。

設計中高速部分（SDRAM部分）要求信號線盡量短，盡量靠近DSP。本係統中需要使用大量存儲器（4片SDRAM）。DSP與SDRAM的時鍾接口速度很高，為保障信號的完整性，如圖3所示，采用圖4所示的時鍾緩衝器產生4個相同、延遲極小並且一致的時鍾，分別接到4片SDRAM上。這樣不但增加了時鍾的驅動能力，同時還很好地保證了信號的完整性。

圖3 信號雙向緩衝器隔離圖


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為了保護高速信號部分，同時為了防止DSP外設驅動能力的不足，用 74LVT162245雙向緩衝器實現Flash和異步FIFO數據線的職責離。
FIFO芯片IDT7204與DSP連接中圖5所示。FIFO是異步器件，所以放到CE1空間上。FIFO的讀信號由XARE#、XCE1#、XA20、XA21控製。當AD7821信號轉換害完成後， 由DB_INT向WE#寫信號線開始寫入FIFO；而當FIFO半滿後，由HF#向DSP的X_INT4請求寫入DSP。


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2.3 DSP與MCU的互連

由於DSP的McBSP接口和MCU（89C52）的UART接口並不一致，所以不能直接把McBSP當作標準的UART來應用。McBSP和UART連接有兩種方式：一種是Serial Port方式，硬件連接如圖6所示；另一種是將McBSP設置成GPIO方式，其硬件連接如圖7所示。


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<strong>3 係統在生物醫學工程中的應用舉例</strong>

利用靜止懸浮式（非流式）激光散射法血細胞分類計數測定法對血細胞分類計數，不需要固定和染色樣品，不需要導電介質，更不需要昂貴的流式裝置，可以方便、快捷地對血細胞分類計數。這不但大大降低了儀器造價，滿足於血液常規的檢驗，而且還可以針對病人的不同要求分別檢驗，減輕病人負擔。

3.2 軟件及其優化

本係統的軟件分為兩部分：一是以單片機為核心的係統控製程序，主要是人機接口程序；二是以DSP為核心的數據處理程序。下麵就分別對這兩部分進行詳細的闡述。

（1）以單片機為核心的係統控製程序
單片機作為係統的控製核心負責液晶的顯示、鍵盤的掃描及係統的啟動和停止。圖8是這部分的程序流程圖。


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（2）以DSP為核心的數據處理程序
DSP子係統接受單片機傳遞的操作指令和參數，啟動CCD工作，然後，通過QDMA方式從 FIFO（數據緩衝作用）裏麵讀取光強數據，調用NNLS算法計算血細胞的尺寸分布。最後，把結果傳遞給單片機。

圖9是這部分程序的流程圖。程序采用C語言與彙編語言混合編寫。C語言構成程序的主框架。


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程序的優化包數據預處理和采用浮點運算器TMS320C6711的各種優化方法進行數據處理。

由於測得的散射光強分布信息的數字化信號往往帶有電路噪聲和隨機誤差，影響到測量的精度。為使這些數據能更好地反映實際情況，通常要對它們進行一定的預處理，這樣才能作為數據處理軟件進一步計算的原始數據。我們采集50組光學數據進行平均，來減小相對誤差。由於CCD光學探測器的各像元具有空間等間隔特點，故采用五點三次平滑濾波獲取血液樣品的徑向散射光強。

<strong>4 結論</strong>

線陣CCD采集和處理係統采用DSP（TMS320C6711）和 MCU（89C52）的雙CPU處理係統。將DSP的數據處理速度快和MCU的I/O控製能力強的優點結合起來，外加高速AD轉化器、異步FIFO，構成了功能強大、計算速度快的光電采集處理係統。該係統在工業信號采集處理、醫學信號采集處理等領域都有很廣的應用前景。