一种基于DSP的网络数据处理系统研究
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作者: 陆中威 高广涛
摘 要：目前，计算机技术、通信技术的发展有效的促进了网络数据采集系统普及和应用。本文基于DSP设计了一种具有主（ARM）、从（DSP）结构的网络数据处理系统，通过FPGA将其有效的集成在一起，能够实现数据的快速处理、实时的动态信号采集、可靠的网络传输等功能，满足了网络数据处理系统的要求。
关键词：数据处理；ARM；DSP；主从结构
中图分类号：TP274
目前，随着计算机、网络等技术的发展，已经在人们工作、生活的领域中得到了广泛的应用。数据采集是能够帮助人们实现各种业务功能，比如视频监控、远程过程控制等。由于人们工作的需要，在最大限度降低成本的基础上，数据采集的实时性和可靠性越来越重要。本文基于笔者多年的设计经验，基于DSP技术设计了一套主从结构的嵌入式网络化数据处理系统，能够大大的地降低数据采集和处理的成本，同时提供高可靠性的数据处理需求。
1 网络数据处理系统总体设计
本文数据采集和处理系统中，采用A/D和门阵列FPGA（fieldprogrammablegatearray）实现了数据的采集和处理功能[1]。本文系统设计过程中，使用DSP技术能够有效的实现数据采集、存储和分析等处理工作，大大的简化并降低主处理器ARM的工作压力，实现网络数据处理和监控的功能。基于主从结构的设计思想和DSP技术设计和开发嵌入式的数据采集、分析和处理系统，不但能够实现精确采集频数据信号，同时能够保证数据分析、处理的准确性、可靠性和实时性，系统稳定可靠。网络数据处理系统包括数据采集和控制、数据传输控制、网络传输、主从系统、主处理器ARM和从处理器DSP接口[2]。
数据采集控制可以使用DSP技术通过FPGA实时完成现场传感数据信号提取，并且能够实现A/D信号转换。由于DSP的运行速度比较高，同时要与主机ARM通信、完成数据处理功能，为了降低DSP的等待时间，在DSP与A/D转换芯片之间增加数据缓冲器，以便能够匹配高速DSP处理器件和低速数据采集功能，系统的数据采集和处理端以DSP技术为核心，并且采用缓冲的原则实现网络数据处理系统。数据采集芯片通过DSP控制数据采集功能，并且为FPGA提供控制参数，
DSP数据处理采用并行流水结构，具有片内外两级存储结构，独立的加法器和乘法器，能够大大的提高数据处理运行速度，DSP是网络数据处理系统的核心，其可以以启动A/D转换，并在现场读取传感器采集的数据，实施运算处理和存储，同时将处理结果通过主处理器ARM相连接的接口发挥。因此，使用DSP作为运算处理单元，其必将使得数据处理的能力大大的提高，并且能够有效的增强系统的数据采集能力，处理信号的能力。
为了能够增强系统信号处理和数据采集的能力，本文系统使用ARM和DSP的主从结构，系统包括两种类型的高、低速输入信号，高速信号设计为两路，低速信号设计为8路。ARM系统使用三星公司生产的S3C4510B作为主处理器，其能够完成网络通讯和系统管理工作；DSP采用了TI公司生产的TMS320C5416作为协处理器，其能够完成数据信号分析、处理的功能，包括实现傅里叶变换、互谱、平均等信号处理操作，特征抽取操作。这样的操作方式十分有利于让系统的主从处理器分别发挥系统处理能力，使得系统的数据采集工作和信号处理能力达到最大值，其可以有效的增强外部存储器的接口功能，使得系统预处理外部数据时更加的高效方便，并且增强了系统的实时性和可靠性。
2 网络数据处理系统详细设计
2.1 网络管理模块
基于DSP的网络数据处理系统的主处理器ARM使用了三星公司生产的S3C4510B，其包含一个16M的SDRAM和一个2M的FLASH，三星公司生产的S3C4510B性价比较高，其内含ARM7TDMI内核，并且在内部设置了一个10M/100M的以太网控制器，尤其适合网络数据采集和处理[3]。另外，该ARM同时拥有2个32位计数器、2个DMA通道、1个硬件12C接口、2个UART串口、2路HDLC、18个可编程I/O和中断控制器，S3C4510B的操作系统置放在FLASH存储器中，程序在SDRAM中运行，系统的主控制器提供一个10M/100M的以太网接口可以通过宽带连接，将系统接入到局域网或者因特网中，S3C4510B内嵌的以太网控制器，可以工作在半双工或者全双工的模式下，速率在10M/100M中切换。位于以太网控制器中的MAC层能够支持媒体独立接口，其提供DMA接口缓冲器，即能够支持ARM在25MHz的频率下以100Mb/S的速率实现数据的接收和发送操作，又能够支持ARM在2.5MHz的频率下，以10Mb/s的速率完成数据的发送和接收操作，尤其适合应用在网络数据传输过程中。
2.2 数据处理模块
DSP采用了具有高速度、低功耗的特征的C54X系列产品，因此DSP具有分离数据总线、程序总线的功能，并且在片内集成了多个RAM、ROM和外部设备，数据处理的部分能够以TI公司的TMS320C5416为核心，该核心可以实现独立工作，独立于系统的控制部分；另外，DSP系统还要能够通过FPGA设备使用HPI方式完成数据交互工作[4]。A/D接收到DSP发送来的启动信号之后即开始工作，其可以对输入的信号实现采样工作，能够分析处理采集到的数据，并且通过FPGA传送给控制管理器ARM，此时ARM根据系统设计的流程，按照需求处理数据，并且能够将处理结果传输到网络中，网络控制管理器ARM还可以解析收到的数据，并做出响应操作。
2.3 接口设计
网络数据处理系统的接口是系统的重要组成部分之一，接口的实现也比较复杂和困难[5]。在高速数据处理过程中，需要解决数据传递过程中涉及到的数据时序问题，本文系统在设计系统的接口过程中，采用了tero公司设计生产的FPGA芯片——EP1C6功能器件，该器件使用了高效的主从双机通信的HPI通信模式，并且设计了DSP和ARM之间能够实现实时通讯的辅助电路，有效的提高了FPGA的利用率。从系统的硬件部分使用TI公司设计的TMS320C5416，其可以有效的处理数字信号，并且能够使用8位增强的HPI模式完成TMS320C5416和ARM处理器数据高速交换功能，另外，系统接口还有串口类型，其可以完成于普通的计算机通信的功能，增强了数据处理系统的灵活性和通用性。
3 结束语
本文涉及的网络数据处理系统使用了先进的DSP和ARM主从结构，将ARM作为一个主处理器，其可以高效的完成网络通讯和系统管理功能，将DSP作为从处理器，其可以有效的完成数据信号的分析和处理功能，通过FPGA有效的将两者集成在一起，使得数据处理系统的电路结构简单、高效，具有很强的重构性。主从结构为系统处理数据提供了快速处理的能力、实时的动态信号采集能力、可靠的网络传输能力等，满足了系统的要求。
参考文献：
[1]葛君.基于DSP技术的PCI数据采集及实时处理卡的设计实现[D].中国海洋大学，2010.
[2]祝红军，李军民.基于DSP的远程数据采集系统设计[J].西华大学学报（自然科学版），2010（04）.
[3]曾华荣，吕锋.基于DSP的多通道数据采集系统[J].计算机与数字工程，2005（10）.
[4]潘圣民，刘小宁，王付胜.基于DSP的光纤监控网络的研制[J].计算机测量与控制，2006（02）.
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