ADSP21161在ACE数控测井仪中的应用

黄克功

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南新乡)

ADSP21161在ACE数控测井仪中的应用

黄克功

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南新乡)

文章介绍了ADSP21161芯片的结构和特点,详细分析了它的中断机制和DMA传输,讨论了在ACE数控测井仪中的工程应用,并给出了具体的应用流程图。

ADSP21161;中断;DMA;ACE;DSP

0 引 言

随着测井技术的发展,下井仪器的组合功能越来越强,因而下井仪器上传的数据量越来越大,地面仪器处理的数据也越来越多;同时,地面仪器与下井仪器之间要具有实时双向通讯功能,这就要求测井系统具有很高的传输速率。ACE数控测井仪是我所最新研制的新一代智能数控测井仪,具备裸眼井、固井、生产井、射孔取芯等功能。为保证信号处理板数据传输的适时性和正确性,在硬件系统里采用了以ADSP21161为核心器件的DSP技术,对井下仪器传输的高速编码信号采用相关、FIR滤波和FFT等算法进行软件处理,增强了数据解码能力,简化了电路,提高了系统的灵活性。

1 ADSP21161芯片介绍

1.1 芯片的结构特点

ADSP21161是美国AD公司生产的一款高性能、低价位的32位浮点处理器。在一个单独的芯片上集成了具有强大浮点运算能力的微处理器内核、1Mbit的零等待SRAM、多种形式的外部接口和独立的I/O控制器,构成了一个完整的系统;超级哈佛结构(SHARC)的CPU和高速指令Cache使得ADSP21161的指令均为单周期指令;6套独立的总线分别用于程序存储区(PM)和数据存储区(DM),可以同时对PM和DM进行数据访问;经优化的DMA和中断的传输机制使得其与外部的数据交换独立且并行于处理器内核的运算过程;片内的主机接口和总线仲裁器可以使多片处理器无需任何附加资源即可构成多处理器阵列。该处理器适用于各种高性能的数字信号处理任务和构成多处理器阵列[1]。

1.2 ADSP21161中断机制

ADSP21161芯片提供了32个中断源,其中4个是系统保留的,有4个是用户软件中断,其余24个均为系统预先定义好的中断。分为3个优先级,其中2个不可屏蔽的中断,即评估板中断和系统复位中断,具有最高的优先级;而其他22个可屏蔽中断,包括外设中断、多处理器向量中断、片内设置的其它中断(如串行口中断、链路口中断、DMA通道中断、定时器中断等)则为低的优先级。通过对相应的状态寄存器设置,用户可以有选择地将中断源映射到这22个可屏蔽中断。通过查询相应的寄存器状态,用户可以查询中断是否发生,中断返回地址等状态信息。芯片为每个中断源分配了一个唯一的中断号,在中断向量表中,每个中断都对应有4条中断服务指令[2]。

ADSP21161利用各种状态寄存器来完成中断锁存、中断屏蔽等工作。芯片支持2种中断方式,即边缘触发和电平触发。用户可以通过设置寄存器MODE2中的IRQ0E～IRQ2E来设置各个外设中断的触发方式。当检测到一个中断后,DSP通过设置中断锁存寄存器IRPTL或LIRPTL中的相应位来记录已经发生的中断。处理器进入中断服务程序,此时DSP每个周期都要对上述2个寄存器的相应位进行清零,以保证在执行中断服务程序的时候同一个中断不会被锁存。直到中断结束后,DSP才结束对锁存位的清零。

1.3 ADSP21161的DMA

ADSP21161中的DMA包含14条独立通道,主要可完成片内存储器与主处理器、片外存储器或片外设备、串行口、链路口、SPI口之间的传输操作。DMA的编程实际上是通过内部核心处理单元或外部主机对片内有关的I/O寄存器设置来完成的。控制寄存器主要用来设置数据传输的方向、数据格式、是否链式等操作;参数寄存器用来设置数据传输的地址、数目等信息;数据缓存器则主要用来缓存传输的数据,以提高数据的传输率[3]。

ADSP21161中的DMA一般传输过程的设置步骤如下:

(1)设置对应通道的参数寄存器;

(2)设置对应通道的DMA控制寄存器,并将其中的DMA使能位设为有效;

(3)开始DMA数据传输;

(4)DMA传输结束后,产生对应的中断,并通过程序对中断进行处理。

2 DSP在测井系统中的应用

在ACE数控测井系统中,当使用编码类井下仪器进行测井时,地面测井系统主要利用DSP处理模块对井下仪器进行控制和数据处理,DSP处理模块的核心部分即为ADSP21161。其主要功能有:编码信号的处理与解码;下发命令的编码与发送;PCM逻辑的产生与发送;与主机双向数据传输,原理框图如图1所示。

图1 数控测井仪系统中DSP处理模块原理框图

2.1 DSP处理模块硬件电路原理

该电路由数据采集与控制单元ADSP21161、数据传输单元USB芯片(CY7C68013)、信号预处理单元、继电器控制单元等部分组成,完成编码类信号的输入、信号预处理、逻辑转换、AD采集、各种逻辑控制、下发信号编码、软件解码以及和上位机利用USB进行通信。

工作时,该模块通过USB接口接收上位机的指令,将命令下发到ADSP21161,ADSP21161根据接收到的命令,控制外围电路切换到相应工作方式,进行下发逻辑编码,上传信号的接收解码等,然后将处理过的数据通过FIFO传给USB接口,USB接口再通过USB总线传给上位机。DSP模块部分原理图如图2所示[4]。

2.2 系统初始化及上位机中断实现

图2 DSP模块部分原理图

在该应用中,将DSP上电初始化的时候,应该对系统进行设置,将DSP的标志管脚FLG4～11设置为输出;初始化的时候禁止中断嵌套。在DSP的三个中断中,中断2优先级最高。为不丢失上位机命令,将中断2作为上位机下发命令中断,采用电平触发;中断0和中断1分别用作深度中断和AD采集完成产生的FIFO中断,用下降沿触发;并对中断锁存标志寄存器和中断屏蔽寄存器进行设置。

在对系统寄存器设置完成后,打开上位机中断IRQ2,当上位机有下发命令的时候,将下发的命令数据放在相应的数据缓冲中,并通过CPLD产生外部中断申请信号,此时IRQ1中断发生,经过下面程序的处理,DSP可以通过在中断服务程序中设置标志位等办法来查询是否接收到上位机的命令,并从相应的数据缓冲中读取命令数据。这样利用中断的方式就完成了上位机向DSP下发命令的通信过程。

2.3 DSP DMA通道中断软件编程

对井下仪器上传的曼码信号,经过前级预处理后,进入AD采样,并将采样数据依顺序打入FIFO器件,由外围CPLD逻辑实现采样时序和采集完成时中断信号的产生。当一帧信号采样结束后,将产生的中断信号送给IRQ1,DSP接收到中断后,直接从FIFO芯片中读出数据即可。为了充分利用DSP数据传送和数据处理的并行性,以保证数据处理的实时性,DSP利用DMA的方式从FIFO中读取数据。

设计中需要传输的数据个数为4000,所用的DMA通道为通道10。DMA传输完成后,同样要以中断的方式通知DSP。DSP通过FLG11对FIFO进行复位,从而进行下一帧的数据采样。图3所示为完成此功能的流程图。

图3 DMA传输程序流程图

3 结束语

本文介绍了ADSP21161的中断机制和DMA传输。中断是DSP和外部设备通信的一种重要方式,充分利用中断的特点,可以方便DSP与各种外部设备的沟通,使以DSP为核心的实时信号处理系统更好地协调工作。本文重点讨论了其在ACE数控测井仪中的两种典型的工程应用。

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

[2] 刘书明,罗军辉.ADSP SHARC系列DSP应用系统设计[M].北京:电子工业出版社,2003

[3] 苏 涛,蔺丽华,卢光跃,等.DSP实用技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002

[4] 中国电子科技集团公司第二十二研究所.ACE数控测井仪硬件手册.2009(资料)

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

黄克功,男,1975年生,工程师,1999年毕业于中国矿业大学信电学院。现在中国电子科技集团公司第二十二研究所从事地面数控测井仪的开发研制与生产工作。邮编:453003

2009-06-13编辑姜 婷)

PI,2010,24(1):66～68

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