omapl138 fpga三核高速数据采集处理核心平台方案

Posted 2021-12-19 专注DSP+ARM+FPGA

支持32路AD采集，32路DA输出。

支持多路RS485、RS232串口；

支持实时系统，控制延时；

支持DSP和ARM的多核通信，提供丰富的采样demo；

支持图形界面编程，触控！

1.OMAP-L138+FPGA开发板简介

        深圳信迈设计的XM138F-IDK-V3是一款DSP+ARM+FPGA三核高速数据采集处理开发板，适用于电力、通信、工控、医疗和音视频等数据采集处理领域。

此设计采用OMAP-L138+Spartan-6平台，其中OMAP-L138是德州仪器（TI）低功耗高性能浮点DSP C6748+ARM9双核处理器，而Spartan-6是赛灵思（Xilinx）平台升级灵活、性价比极高的FPGA处理器。此设计通过OMAP-L138的uPP、EMIF等通信接口将两个芯片结合在一起，而OMAP-L138内部的DSP和ARM通过DSPLINK/SYSLINK进行双核通信，实现了需求独特、灵活、功能强大的DSP+ARM+FPGA三核高速数据采集处理系统。

2.OMAP-L138+FPGA开发板资源框图 

  

图1 OMAP-L138+FPGA三核高速数据采集处理资源框图

框架解析：

• 前端由Xilinx Spartan-6 XC6SLX9/16/25/45 FPGA采集两路AD数据，采样率最高可达65MHz。AD数据通过uPP或者EMIF总线传输至OMAP-L138的DSP。 
• D数据被DSP处理之后，通过DSPLINK或者SYSLINK双核通信组件被送往ARM，用于应用界面开发、网络转发、SATA硬盘存储等应用。
• OMAP-L138的DSP或者ARM根据处理结果，将得到的逻辑控制命令送往FPGA，由FPGA控制板载DA实现逻辑输出，更新速率175MSPS。

（1） 高速数据采集前端部分由Xilinx Spartan-6 XC6SLX9/16/25/45 FPGA同步采集两路AD模拟输入信号，可实现对AD数据进行预滤波处理，AD采样率最高可达65MSPS。另外一路DAC可输出任意幅值和任意波形的并行DA数据，更新速率175MSPS。

（2） 高速数据传输部分由uPP、EMIF、SPI和I2C通信总线构成。大规模吞吐量的AD和DA数据，可通过uPP总线在DSP和FPGA之间进行高速稳定传输；DSP可通过EMIF总线对FPGA进行并行逻辑控制和进行中等规模吞吐量的数据交换；ARM可通过SPI和I2C对FPGA端进行初始化设置和参数配置。

（3） 高速数据处理部分由DSP核和算法库构成。可实现对AD和DA数据进行时域、频域、幅值等信号参数进行实时变换处理（如FFT变换、FIR滤波等）。

（4） DSP+ARM双核通信部分由DSP核、ARM核和DSPLINK/SYSLINK双核通信组件构成。通过内存共享方式，实现DSP和ARM双核之间的数据交换和通信。

（5） 数据显示存储拓展部分由ARM核、图形显示、网络和SATA硬盘等部分构成。通过ARM的应用界面可实时显示AD和DA的时域和频域波形；并可实现大数据存储和远程网络通信。

 4.Xilinx Spartan-6 FPGA高速数据采集前端逻辑实现

 

Xilinx Spartan-6 FPGA——XC6SLXx

XC6SLXx是Xilinx Spartan-6系列应用广泛、性价比极高的FPGA平台，共有324个管脚，提供了大量可用IO 、具有良好的平台升级能力、合理的硬件成本差异和平滑的规模提升特性，可根据实际需求使用LX9、LX16、LX25、LX45等型号。此外，四个CPU型号之间Pin to Pin兼容。

（1） XC6SLX9：接口级，具备接口编程能力及时钟控制能力。 

（2） XC6SLX16：算法级，可进行简单的算法处理。 

（3） XC6SLX25：算法级，可进行中级算法处理。 

（4） XC6SLX45：系统级，可满足更加复杂的算法和系统逻辑处理需求。

高速ADC——AD9238

AD9238是ADI公司推出的业界采样率最快12Bit双通道A/D转换器，电压输入范围1Vp-p和2Vp-p可选，广泛应用于电力、通信、工控、医疗等高速数据采集应用场合。

AD9238分3种型号，采样率分别是20 MS/s、40 MS/s和65 MS/s。不仅可提供与单通道A/D转换器同等优异的动态性能，并且与使用两个单通道A/D转换器相比，AD9238还具有更好的抗串扰性能，三种型号可实现Pin to Pin兼容，可根据实际需求灵活配置。

AD9238的3种型号功耗分别为180mW、330mW和600mW，只有同类A/D转换器一半的功耗，采用64脚LQFP封装（尺寸只有9mm x 9mm），非常适合在对尺寸要求严格的场合中使用。

高速DAC——AD9706

AD9706是ADI公司推出的12Bit、更新速率为175MSPS 的D/A转换器，输出电流范围1mA~5mA，广泛应用于通信、工控、医疗、电力等高速数据输出应用场合。 

///均为175MSPS更新速率的D/A转换器，并且此4款DAC芯片Pin to Pin兼容，分辨率分别为8/10/12/14位。此系列器件针对低功耗特性进行了优化，同时保持出色的动态性能，具有灵活的电源电压范围(1.7V~3.6V)，十分适合便携式和低功耗应用。通过降低满量程电流输出，功耗可以降至15 mW，在省电模式下，待机功耗可降至2.2 mW。 

AD9748/AD9740/AD9742/AD9744系列D/A转换器与以上系列D/A转换器也是Pin to Pin兼容（LFCSP_VQ封装），专门针对通信系统的发射信号路径进行了优化。用户可根据性能、分辨率和成本要求，向上或向下选择适合的器件。

5.Xilinx Spartan-6 FPGA和TI OMAP-L138通信实现

图6 FPGA与OMAP-L138通信原理

高速通信总线——uPP

uPP（Universal Parallel Port）是OMAP-L138 CPU颇具特色的高速并行数据传输总线，可以单独发送和接受数据，也可以同时接收和发送数据，常用于和FPGA以及其他并口设备数据传输。

OMAP-L138的uPP 共有2个通道（通道A和通道B），共有32位数据线，控制简单，配置灵活，数据吞吐量大。uPP时钟速率可高达处理器时钟速率的一半，对于在456MHz下运行的OMAP-L138处理器，uPP单通道吞吐量理论值可高达228MB/s。

6.TI OMAP-L138的DSP和ARM双核通信实现

图14 OMAP-L138 DSP+ARM双核通信原理

基本原理

TI官方的DSPLINK/SYSLINK双核通信组件提供了一套通用的API，从应用层抽象出ARM与DSP的物理连接特性，从而降低用户开发程序的复杂度。其中DSPLINK使用DSP/BIOS操作系统，SYSLINK使用SYS/BIOS操作系统，SYSLINK属于DSPLINK的新版本双核通信组件。

在ARM和DSP的双核通信开发中，ARM端运行HLOS操作系统（一般是Linux），DSP端运行RTOS实时操作系统（一般是DSP/BIOS或者SYS/BIOS），双核主频456MHz。

优势

（1） SOC 片上DSP+ARM架构可实现稳定的双核通信，缩短了双核通信开发时间。

（2） DSPLINK/SYSLINK双核通信组件突破了双核开发瓶颈，节约了研发成本。

（3） SOC上的DSP和ARM架构简化了硬件设计，降低了产品功耗和硬件成本。

 

 

1 信迈OMAPL138F评估板简介
基于TI OMAP-L138（定点/浮点 DSP C674x+ARM9）+ Xilinx Spartan-6 FPGA处理器；
OMAP-L138 FPGA 通过uPP、EMIFA、I2C总线连接，通信速度可高达 228MByte/s；OMAP-L138主频456MHz，高达3648MIPS和2746MFLOPS的运算能力；
FPGA 兼容 Xilinx Spartan-6 XC6SLX9/16/25/45，平台升级能力强；
开发板引出丰富的外设，包含千兆网口、SATA、EMIFA、uPP、USB 2.0 等高速数据传输接口，同时也引出 GPIO、I2C、RS232、PWM、McBSP 等常见接口；
通过高低温测试认证，适合各种恶劣的工作环境；
DSP+ARM+FPGA三核核心板，尺寸为 66mm*38.6mm，采用工业级B2B连接器，保证信号完整性； Ø
支持裸机、SYS/Bios 操作系统、Linux 操作系统。

图1 开发板正面和侧视图 

XM138F-IDK-V3.0 是一款基于深圳信迈XM138-SP6-SOM核心板设计的开发板，采用沉金无铅工艺的4层板设计，它为用户提供了 XM138-SP6-SOM核心板的测试平台，用于快速评估XM138-SP6-SOM核心板的整体性能。

XM138-SP6-SOM引出CPU全部资源信号引脚，二次开发极其容易，客户只需要专注上层应用，大大降低了开发难度和时间成本，让产品快速上市，及时抢占市场先机。不仅提供丰富的 Demo 程序，还提供详细的开发教程，全面的技术支持，协助客户进行底板设计、调试以及软件开发。

2 典型运用领域
数据采集处理显示系统
智能电力系统
图像处理设备
高精度仪器仪表
中高端数控系统
通信设备
音视频数据处理

图2 典型应用领域

3 软硬件参数
开发板外设资源框图示意图

图3 开发板接口示意图

图4 开发板接口示意图