비표준 직렬 신호를 효율적으로 디코딩하는 방법

저는 RF 전송 ASIC이 포함 된 프로젝트를 수행하는 연구팀의 학부 회원이며 궁극적으로 데이터를 PC로 보내야하는 무선 수신기입니다.

수신기는 빠르고 연속적인 비동기 비표준 직렬 신호 (SPI, I2C, UART 등이 아님)를 출력하므로 수신기는 컴퓨터에 인터페이스하기 위해 마이크로 컨트롤러 소프트웨어를 작성해야합니다. 현재 내 접근 방식은 에지 트리거 인터럽트를 사용하여 데이터를 순환 버퍼에 배치하고 메인 루프에서 전체 비트 단위 디코딩 프로세스를 수행하는 것입니다. 마이크로 컨트롤러는 USB (가상 COM 포트)를 사용하여이 데이터를 컴퓨터에 동시에 출력해야합니다.

여기에 내가 가진 문제와 내가 기대하는 문제가 있습니다.

1. 강력한 72MHz ARM Cortex M3 프로세서를 사용해도 버퍼링 된 데이터를 충분히 빠르게 처리 할 수 ​​없습니다. 비트 전송률은 400Kbps (2.5us / bit)입니다. 참고로 비트 당 180 사이클 만 남습니다 (디코딩 및 ISR은 ~ 30 사이클의 오버 헤드 아야를 포함합니다)! MCU는 또한 메인 루프에서 폴링하는 다른 많은 작업을 처리해야합니다.

2. USB 가상 COM 포트 드라이버도 인터럽트 기반입니다. 이것은 비트가 전송 될 수있는 2.5 마이크로 초 (180 사이클) 창을 놓치도록 드라이버가 결국 프로세서를 오랫동안 중단 할 것이라고 확신합니다. 이와 같은 인터럽트 충돌 / 레이스가 일반적으로 어떻게 해결되는지 잘 모르겠습니다.

문제는 간단히 말해서, 이러한 문제를 해결하기 위해 무엇을 할 수 있습니까, 아니면 이것이 올바른 접근법이 아닙니까? 소프트웨어 중심적인 접근 방식도 고려하지 않겠습니다. 예를 들어, 디코딩을 위해 일종의 하드웨어 상태 머신과 함께 전용 USB 칩을 사용하지만 이는 익숙하지 않은 영역입니다.

또 다른 대답 : 인터럽트 사용을 중지하십시오.

사람들은 인터럽트를 너무 쉽게 사용하려고 뛰어 들었습니다. 개인적으로, 나는 당신이 발견하는 것처럼 실제로 많은 시간을 낭비하기 때문에 거의 사용하지 않습니다.

대기 시간이 사양 내에 있고 시간이 거의 걸리지 않기 때문에 모든 것을 너무 빨리 폴링하는 메인 루프를 작성할 수 있습니다.

loop
{
    if (serial_bit_ready)
    {
        // shift serial bit into a byte
    }

    if (serial_byte_ready)
    {
        // decode serial data
    }

    if (enough_serial_bytes_available)
    {
        // more decoding
    }        

    if (usb_queue_not_empty)
    {
        // handle USB data
    }        
}

루프에 다른 것들보다 훨씬 더 자주 발생하는 것들이있을 수 있습니다. 예를 들어 들어오는 비트는 아마도 더 많은 테스트를 추가하여 더 많은 프로세서가 해당 작업에 전념 할 수 있습니다.

loop
{
    if (serial_bit_ready)
    {
        // shift serial bit into a byte
    }

    if (serial_byte_ready)
    {
        // decode serial data
    }

    if (serial_bit_ready)
    {
        // shift serial bit into a byte
    }

    if (enough_serial_bytes_available)
    {
        // more decoding
    }        

    if (serial_bit_ready)
    {
        // shift serial bit into a byte
    }

    if (usb_queue_not_empty)
    {
        // handle USB data
    }        
}

이 방법의 대기 시간이 너무 높은 이벤트가있을 수 있습니다. 예를 들어, 매우 정확하게 시간이 지정된 이벤트가 필요할 수 있습니다. 어떤 경우에는 인터럽트시 해당 이벤트가 발생하고 루프에 다른 모든 항목이 있습니다.

마이크로 컨트롤러 대신 FPGA를 사용하여 무선 데이터 스트림을 디코딩하고 버퍼링 할 수 있습니다. 그런 다음 ARM 프로세서를 사용하여 FPGA 버퍼를 플러시하고 (예 : SPI 인터페이스 사용) 내용을 USB 통신 포트로 전달하십시오. 작동하지만 FPGA는 하드웨어 버퍼가 오버런되지 않도록 보장하기에 충분한 서비스를 제공하는 한 쉽게 유지할 수 있어야합니다 (또는 더 높은 수준의 프로토콜에서 삭제 된 데이터를 처리 할 수있는 경우) ).

간편함 : PSoC5 마이크로 컨트롤러를 사용하십시오 .

마이크로 컨트롤러의 사용 편의성과 CPLD가 포함되어 있으므로 Verilog에서 고유 한 하드웨어 주변 장치를 작성할 수 있습니다. 시리얼 데이터 디코더를 Verilog로 작성하고 DMA를 사용하여 USB 포트로 스트리밍하십시오.

한편 강력한 32 비트 ARM 코어는 Thumb 인스트럭션을 조정할 수 있습니다.

빠르고 저렴한 작업을 선택할 수있는 고전적인 엔지니어링 선택이 있다고 생각합니다. 둘을 선택하십시오.

@vicatcu의 솔루션은 확실히 좋은 솔루션이지만 더 많은 하드웨어를 추가 할 수 없거나 추가 할 수없는 경우 (더 빠른 프로세서 포함) 선택해야합니다. 이 직렬 링크가 가장 중요한 경우 모든 비트가 수집 될 때까지 ISR에 앉아 있어야합니다. 비트 당 180 개의 명령어는 실제로 나쁘지는 않지만 모든 것을 시도하지는 않습니다. 전송 시작을 감지하면 전송이 완료 될 때까지 회전하십시오. 결과를 FIFO에 넣은 다음 정상적인 처리를 다시 시작하십시오.

각 전송이 얼마나 오래 지속되는지는 말하지 않지만 짧고 버스트 인 경우 실행 가능한 솔루션입니다. 가상 COM 포트 구현에 일부 하드웨어 버퍼링도 포함되어 있기 때문에 "lagg"인터럽트 서비스가 너무 많은 문제를 일으키지 않아야합니다. MCU가해야 할 나머지 부분까지는 몇 가지 디자인 결정을 내려야합니다.

우선, 나는 이미 여기에있는 답변 중 일부를 좋아하고 일부는 내 투표를 얻었습니다.

그러나 또 다른 가능한 해결책을 제시하기 위해 : 프로젝트의 제약 조건에서 두 번째 마이크로 컨트롤러를 추가하는 것이 좋지 않을까요 (다른 보드 실행과 관련이 있습니까)? SPI와 같은 빠른 주변 장치를 통해 Cortex-M3에 연결하는 간단한 8 비트 마이크로 컨트롤러 일 수 있습니다. 선택한 8 비트 컨트롤러는 선택된 응답에서와 같이 비트를 폴링하고 바이트를 형성하지만 바이트가 있으면 전송하기 위해 SPI 데이터 레지스터로 덤프 할 수 있습니다.

cortex-M3 측은 수신 된 SPI 데이터를 단순히 중단합니다. 이전 400KHz 외부 에지 트리거 인터럽트를 50KHz로 줄입니다.

내가 제안하는 두 가지 이유는 다른 방법 (PSoC 또는 추가 FPGA) 중 일부가 약간 비싸기 때문에 (소규모 학업 프로젝트에는 중요하지 않지만) 일부를 보존 할 수 있기 때문입니다. 현재 코드의 구조

그 외에도 PSoC 아이디어는 DMA를 통해 USB로 전송하는 사용자 정의 주변 장치로 훌륭하다고 생각합니다.

데이터 형식이 UART의 형식과 비슷하지만 예측할 수없는 일관된 전송 속도로 들어오는 데이터의 모든 단어를 SPI 또는 표준 비동기 형식으로 변환하기 위해 CPLD를 사용하는 경향이 있습니다. CPLD 영역으로 나아가 야 할 필요는 없다고 생각합니다. 실제로, 개별 논리조차도 거의 작동 가능할 수 있습니다. 원하는 데이터 속도의 5 배 이상인 클럭을 생성 할 수 있으면 몇 개의 게이트로 5로 나누기 및 16으로 나누기 카운터를 사용할 수 있습니다. 입력이 유휴 상태이고 16으로 나누기 카운터가 0 일 때마다 다시 설정되도록 5 나누기 카운터를 정렬합니다. 그렇지 않으면 SPI 클럭 펄스를 생성하고 5로 나누기 카운터가 2를 칠 때마다 16으로 나누기 카운터를 충돌시킵니다.

5 배의 클록이 주어지면 16V8 (현재 가장 작고 가장 저렴한 프로그래머블 로직 장치)을 사용하여 SPI 클록을 생성 할 수 있습니다. 두 번째 16V8 또는 22V10을 5 배 클록을 생성하기 위해 분수 속도 분배기로 사용할 수도 있고, 약간 큰 칩 (CPLD)을 사용하여 모든 것을 하나로 수행 할 수도 있습니다.

편집 / 부록

추가 고려 사항이있을 때 CPLD를 사용하려는 경우 회로에 몇 가지 추가 개선 사항을 쉽게 추가 할 수 있습니다. 예를 들어, 적어도 1.5 비트 시간의 정지 비트를 수신 한 후 3.5 비트 시간의 시작 비트를 수신 할 때까지 회로를 정지시키기 위해 로직을 상당히 쉽게 추가 할 수있다. 너무 짧은 시작 비트를 수신하면 다시 정지 비트를 찾아야합니다. 또한 SPI를 사용하는 경우 / CS 신호를 사용하여 수신 장치가 올바르게 프레임 된 데이터를 볼 수 있습니다. SPI 데이터를 수신하는 장치가 10 비트 프레임을 처리 할 수 ​​있으면 해당 프레임을 직접 전송할 수 있습니다. 그렇지 않으면, 각각의 10 비트 프레임은 LSB 세트 (7 비트의 데이터)를 갖는 8 비트 프레임 및 모든 LSB의 클리어 (3 비트의 데이터)를 갖는 프레임으로서 전송 될 수있다; SPI 클럭은 정지 비트 동안 가속되므로 모든 데이터가 전송됩니다.

일부 마이크로 컨트롤러는 외부 신호에 의해 리셋 상태로 유지되는 능력과 같은 신호를 방출하는 타이밍을 동기화하는 기능을 포함하는 다소 다양한 PWM 생성 모듈을 가지고 있습니다. 마이크로 컨트롤러가 정확한 기능에 따라 CPLD 또는 타이밍 생성 회로를 상당히 단순화 할 수 있다면 그렇게 할 수 있습니다.

Rocketmagnet이 다소 만진 또 다른 방법은 직렬 데이터를 디코딩하고 기본 마이크로에서 사용할 수있는 형식으로 변환하는 것이 목적인 작은 마이크로를 갖는 것입니다. 400KHz의 데이터 전송 속도는 소프트웨어 디코딩 속도가 매우 빠르지 만 동시에 다른 작업을 수행하지 않아도 PIC와 같이 처리 할 수 ​​있습니다. 익숙한 장치에 따라 CPLD를 사용하는 것보다 쉬울 수 있습니다.