测控通讯系统控制器的设计和实现

陕西凌云电器集团有限公司 刘延海 张 亮



测控通讯系统控制器的设计和实现

陕西凌云电器集团有限公司 刘延海 张 亮

【摘要】为了满足小型无人机测控通讯系统上的数据处理传输的要求，提出了可适用于当前大多数平台的测控通讯系统控制器的方案。德州仪器视频专用芯片OMAP138作为测控系统的控制器具有低成本，易实现的特点。

【关键词】控制器；OMAPL138；测控通讯

1 引言

测控通讯系统是目前小型无人机系统的必要且关键的组成部分，而控制器则是测控通讯系统的数据处理和外部通讯的核心器件，与系统中相对稳定软硬件不会轻易改变的调制解调部分不同，控制器往往需要随测控通讯系统安装平台和数据处理任务量大小的变化而进行软硬件的变化。本系统控制器采用德州仪器视频专用芯片OMAPL138可以很好的作为测控系统的控制器的通用器件。

2 选择OMAPL138作为控制器主芯片的原因

控制器采用TI公司的OMAPL138，主要是因为OMAPL138是一款浮点DSP和ARM集成的双核处理器。测控系统控制器的选型设计难点就在于主处理器往往需要兼顾三大任务：通讯数据处理、图像编码和外部通讯。OMAPL138在这三个方面都拥有其他芯片不可比拟的集成优势。同时这款芯片也是目前业界功耗最低的浮点DSP+ARM9的处理系统。

针对测控通讯系统的高速数据处理的需求，OMAPL138内部集成了TI公司C6000系列中的C6748浮点DSP处理器，最高频率可以达到600Mhz，集成的外部EMIF总线最高可达到125Mhz的访问速度，拥有一个标准的64位的外部存储器接口，可以兼容大多数的异步存储器和同步存储器，最大可寻址空间达到1GB。可以与调制解调部分的FPGA芯片进行大数据量通讯，实现高速数据采集处理的系统。

针对测控通讯系统的图像编码功能的需求，OMAPL138拥有2个视频端口进行视频的实时采集，在外围集成了非常完整网络通讯的设备和接口，集成了一个标准的10/100Mb/s的以太网接口，配合一个网络控制器就可以兼容使用TI公司开发的NDK网络编程软件平台，具有很强的处理功能和编程灵活性，为后续的开发提供极大方便。

针对测控通讯系统复杂多变的外部接口通讯的需求，OMAPL138内部集成了一个通用的ARM9处理器，与DSP端共用存储空间，实现数据共用，独立完成接口部分的通讯要求，当外部平台需求有变化可以只升级ARM9部分的软件，软件维护性号。另外，外部接口非常丰富，拥有3个串口，五个USB接口，可以连接一个标准的SD卡，多个可灵活设计服用的GPIO。

3 系统的组成和框图（见图1）

4 系统主要器件简介

4.1 电源芯片的选择

因为外部的供电电压是5V，而DSP需要1个1.4V，要求电流1.5A，DSP和其他器件还需要一个3.3V的电压，要求电流2A。所以我们选择了两片TPS54310来进行电平转换。TPS54310允许的输入电压范围是3V-5V，能够最大输出3A的电流，而且输出的电压可以通过配置电阻进行灵活配置，提供使能端EN进行上电顺序配置。使用TPS54310的问题在于必须注意PCB的设计，芯片的模拟地和电源地必须使用电感分开，芯片底部引脚连接到底部的地铺铜。因为TPS54310是开关电源，所以电源的输出必须增加滤波器。

图1 控制器OMAPL138组成框图

4.2 视频编码芯片和视频显示芯片

视频解码芯片选用philips公司专用视频解码芯片SAA7113，把输入的视频信号解码成OMAPL138能够接收的“VP0”数字信号。SAA7113兼容PAL，NTSC等多种制式的视频信号，内部具有很多寄存器可以设置图像的色度和亮度等参数，输出模式可选择。本方案使用OMAPL138作为处理器操作SAA7113，使用I2C接口对寄存器进行初始化。

视频显示芯片选用专用图像编码芯片SAA7105H，VGA输出时，DSP视频输出采用RGB方式。同样使用OMAPL138作为处理器，能够实时将DSP图像融合处理后的视频信号以RGB三基色方式、S-VIDEO方式或VGA方式输出。

视频编解码算法采用H.264编解码算法，H.264被普遍认为是最有影响力的行业标准。本系统标准与ISO/IEC 14496-10 Baseline and Main Profiles完全兼容.在同样的图像质量情况下，H.264标准的编码效率要比MPEG-2提高了50%，比MPEG-4 ASP提高了30%，相应地节约了至少30%～50%的网络带宽，保证了设备的灵敏度性能。目前实现H.264编码的方式有3种：一种是DSP软件编码方案，目前市场上有很多种专门增加视频编解码功能的DSP，OMAPL138就是其中很典型的一种，性价比非常高，这种方案的缺点是在实现高清时要求很高的运算能力，需采用高性能的DSP，系统后续升级能力比较小；第二种方案是采用FPGA实现，技术难度较大；第三种是集成电路（ASIC）方案，这种方案成本低、功耗小，编码效果好。本系统采用的是第一种方案。

本方案因为OMAPL138自身提供视频编码和解码的接口，能够与选用的芯片进行无缝连接。所以整个系统电路简单、可靠性高、功能集成度高、编程方便。

4.3 数据存储器

数据存储器有2种，一种是SDRAM，本方案选的是2片4M32

位的MT48LC4M32，这款Micron公司的同步存储器最高支持166Mhz的总线读写速度，时钟周期支持6ns。使用2片进行EMIF总线64位数据的读写。还有一种是flash，本方案选用ATMEL公司的AM29LV033，这款NOR型的flash的容量达到4M字节，最快访问时间为70ns，每字节的编程时间只需7us，擦写次数超过10万次，这两款存储器完全可以满足本方案的数据存储要求。

4.4 时钟和看门狗芯片

DSP系统时钟使用一个50Mhz的0.1ppm的晶振作为基准时钟，经过DSP内部的锁相环倍频后，DSP的主频可以最高达到600Mhz，另外使用一个25Mhz的晶振和ICS512电路生成一个133Mhz的时钟提供给DSP的EMIF总线。

系统的看门狗芯片选用TI公司生产的TPS3823芯片，看门狗芯片有2个作用，第一个作用是保证DSP的复位信号在CVDD不满足要求前一直处于低电平，从而避免因为上电时电压不稳而DSP复位失败，第二个作用是在系统软件死机时通过看门狗信号的检测对处理器进行复位，TPS3823的复位时间长达200ms，可以满足系统的需求，另外也可以通过悬空TPS3823的WDI引脚来关闭TPS3823的复位功能。

4.5 开发平台和软件设计

OMAPL138目前可以在CCS3.3和CCS5.3开发环境上进行开发，软件设计既可以选择Linux3.3系统，也可以选择DSP平台通用的DSP/BIOS系统。