omapl138 fpga三核高速数据采集处理核心平台方案
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
表1 硬件资源
| CPU |
TI OMAP-L138，定点/浮点 DSP C674x+ARM9，双核主频 456MHz |
| Xilinx Spartan-6 XC6SLX9/16/25/45 FPGA |
|
| ROM |
OMAP-L138 端：128/256/512MByte NAND FLASH |
| Spartan-6 端：64Mbit SPI FLASH |
|
| RAM |
OMAP-L138 端：128/256MByte DDR2 |
| B2B Connector |
2x 80pin 公座 B2B，2x 80pin 母座 B2B，间距 0.5mm，共 320pin |
| IO |
2x 25pin IDC3 简易牛角座，间距 2.54mm，EMIFA 拓展信号 |
| 2x 25pin IDC3 简易牛角座，间距 2.54mm，FPGA GPIO 拓展信号 |
|
| 2x 15pin 排针，间距 2.54mm，含 I2C、McBSP、PWM、FPGA 差分 IO 等拓展信号 |
|
| LED |
2x 供电指示灯（底板 1 个，核心板 1 个） |
| 5x 可编程指示灯（底板 3 个，核心板 2 个） |
|
| 5x 可编程指示灯（底板 3 个，核心板 2 个，FPGA 端） |
|
| KEY |
1x 系统复位按键 |
| 3x 可编程输入按键（含 1 个非屏蔽中断按键） |
|
| 5x 可编程指示灯（底板 3 个，核心板 2 个，FPGA 端） |
|
| JTAG |
1x 14pin TI Rev B JTAG 接口，间距 2.54mm |
| 1x 14pin FPGA JTAG 接口，间距 2.00mm |
|
| LCD |
1x LCD 触摸屏接口 |
| BOOT SET |
1x 5bit 启动方式选择拨码开关 |
| SD |
1x Micro SD 卡接口 |
| RTC |
1x RC1220 RTC 座，3V 电压值 |
| SATA |
1x 7pin SATA 硬盘接口 |
| Ethernet |
1x RJ45 以太网口，10/100M 自适应 |
| USB |
1x Micro USB 2.0 OTG 接口 |
| 1x USB 1.1 HOST 接口 |
|
| UART |
2x RS232 串口，其中 UART2 使用 Micro USB 接口，UART1 使用 DB9 接口，并引出 4 线 TTL 排针（TXD、RXD、3V3、GND） |
| SWITCH |
1x 电源拨码开关 |
| POWER |
1x 12V 2A 直流输入 DC417 电源接口，外径 4.4mm，内径 1.65mm； |
表2 软件资源
| ARM 端软件支持 |
裸机、Linux 操作系统(Linux-3.3、Linux-2.6.37、Linux-2.6.33) |
| DSP 端软件支持 |
裸机、SYS/BIOS 操作系统 |
| CCS 版本号 |
CCS5.5 |
| 图形界面开发工具 |
Qt |
| 双核通信组件支持 |
SysLink、DSPLink |
| 软件开发套件提供 |
MCSDK、DVSDK |
| ISE版本号 |
ISE 14.7 |
| Linux驱动支持 |
NAND FLASH、DDR2、SPI FLASH、I2C EEPROM、MMC/SD、SATA、USB 2.0 HOST、USB 2.0 OTG、LED、BUTTON、RS232、RS485、UART TL16C754C、CAN MCP2515、AUDIO TLV320AIC3106、Ethernet LAN8710 MII、Ethernet LAN8720 RMII、Ethernet LAN9221 EMIFA、7in Touch Screen LCD、VGA CS7123、RTC、ADC AD7606、ADC AD7656、ADC ADS8568、DAC AD5724、CMOS Sensor OV2640、Video Decoder TVP5147、USB 3G ZTE MC2716、USB WIFI RTL8188、USB Mouse、USB Keyboard |
4 开发资料
（1） 提供核心板引脚定义、可编辑底板原理图、可编辑底板PCB、芯片 Datasheet、缩短硬件设计周期；
（2）提供系统烧写镜像、内核驱动源码、文件系统源码，以及丰富的Demo 程序；
（3）提供完整的平台开发包、入门教程，节省软件整理时间，上手容易；
（4）提供丰富的入门教程、开发案例，含OMAP-L138与FPGA 通信例程；
（5） 提供详细的DSP+ARM双核通信教程，完美解决双核开发瓶颈；
（6） 提供基于 Qt 的图形界面开发教程。
深圳信迈提供了大量的开发资料、视频教程和中文数据手册，创造了OMAP-L138 平台开发的新局面，引领 OMAP-L138 + Spartan-6 DSP+ARM+FPGA 三核学习热潮。
部分开发例程详见附录 A，开发例程主要包括：
- 基于ARM端的裸机开发例程
- 基于ARM端的Linux开发例程
- 基于 DSP 端的裸机开发例程
- 基于 DSP 端的SYS/BIOS开发例程
- 基于SYSLINK的双核开发例程
- 基于DSPLINK的双核开发例程
- 基于XM_IPC的双核开发例程
- 基于PRU的汇编开发例程
- 基于FPGA端的开发例程
5 电气特性
核心板工作环境
表 3
| 环境参数 |
最小值 |
典型值 |
最大值 |
| 商业级温度 |
0°C |
/ |
70°C |
| 工业级温度 |
-40°C |
/ |
85°C |
| 工作电压 |
/ |
3.3V |
/ |
功耗测试
表 4
| 类别 |
典型值电压 |
典型值电流 |
典型值功耗 |
| 核心板 |
3.3V |
74mA |
0.24W |
| 整板 |
12.01V |
100mA |
1.20W |
备注：功耗测试基于深圳信迈XM138F-IDK-V3开发板进行。
6 机械尺寸
表 5
| 核心板 |
开发板 |
|
| PCB 尺寸 |
66mm*38.6mm |
165mm*110mm |
| 安装孔数量 |
4 个 |
12 个 |
图5 核心板机械尺寸图
图5 评估板机械尺寸图
7 产品订购型号
表 6
| 型号 |
CPU主频 |
NAND FLASH |
DDR2 |
SPI FLASH |
FPGA型号 |
温度级别 |
| SOM-XM138F-4-4GN1GD2S16-I |
456MHz |
512MB |
128MB |
64Mbit |
XC6SLX16 |
工业级 |
| SOM-XM138F-4-4GN2GD2S16-I |
456MHz |
512MB |
256MB |
64Mbit |
XC6SLX16 |
工业级 |
| SOM-XM138F-4-4GN1GD2S45-I |
456MHz |
512MB |
128MB |
64Mbit |
XC6SLX45 |
工业级 |
| SOM-XM138F-4-4GN2GD2S45-I |
456MHz |
512MB |
256MB |
64Mbit |
XC6SLX45 |
工业级 |
备注：标配为 SOM-XM138F-4-4GN1GD2S16-I，其他型号请与相关销售人员联系。
8 开发板套件清单
表 7
| 名称 |
数量 |
| XM138F-IDK-V3开发板（含核心板） |
1块 |
| 12V/2A 电源适配器 |
1个 |
| 资料光盘 |
1套 |
| Micro SD 系统卡 |
1个 |
| SD卡读卡器 |
1个 |
| 直连网线 |
1条 |
| Micro USB数据线 |
1条 |
9 技术支持
（1） 协助底板设计和测试，减少硬件设计失误；
（2） 协助解决按照用户手册操作出现的异常问题；
（3） 协助产品故障判定；
（4） 协助正确编译与运行所提供的源代码；
（5） 协助进行产品二次开发；
（6） 提供长期的售后服务。
10 增值服务
- 主板定制设计
- 核心板定制设计
- 嵌入式软件开发
- 项目合作开发
- 技术培训