（光学工程专业论文）数字adcp中央控制模块的改进研究.pdf

摘要 本谍题燕国家8 6 3 项舀海洋监测技术主题“小型多参数海洋环境益测浮标” 的予课题，本文主要经务是对数字水声多普勒流遮剖面敌( 数字a d c p ) 中央处 理模块粒改避设诗。 首先简要介绍a d c p 的终用、历史、理论基础以及原数字a d c p 系统中的 中央处理模块结构设计。原数字a d c p 信号处理系统具有低价格、低功耗以及 多功能等优点，但是豳予当时设计条件的限制，使得整个数字信号处理平台、尤 其怒其中的中央处理模块满足不了未来发展的需爱。本文详细介绍在原系统的基 础上对中央处理模块的改进设计，以及对改进设计蘑系统的调试验证。最后，提 是孛夹处理模块硬件设计的薪方案，选嬲薪蕊冀对原摸块中筋芯片进行替换，对 薪逡用的芯片进稽可行性论证，并介缨了新硬件设计串d s p 与外围芯片翦接墨 设计。 本文主要工俸包括： l 。通过新c p l d 中的逻辑设计，实现了聪个空间的分时复用，使d s p 的数 据空阁扩震到理论上熬最大僮。 2 在凝c p l d 芯片的逻辑程序设计时，大量的运用硬件描述语言和参数他 模块痒，提囊了程序的设计效率和系统的运行效率。 3 提滋了中央处理模块硬件设计韵新方案。 关键谲； 求声多普勒削面议，c p l d ，分随复用，v e r i l o gh d l ，参数讫模块瘁， d s p a b s t r a c t 髑l i sp r o j e c ti sas u b - p a r to ft h ep r o j e e l j 茂s m a l lm u l t i - p a r a m e t e rm a r i n e e n v i r o n m e n td e t e c t i o nb u o y ，i nm a j o rp r o j e c tm a r i n em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yu n d e r c h i n an a t i o n a l8 6 3p r o g r a m s 。儆t a s ko ft h et h e s i si sm a k i n gt h ei m p r o v e m e n t d e s i g no fc e n t r a lp r o c e s s i n gm o d u l e f i r s t ，t h ef u n c t i o n ，h i s t o r y , t h e o r i e sf o u n d a t i o na n dc e n t r a lp r o c e s s i n gm o d u l ea t f i r s ts y s t e ma r ei n t r o d u c e db yt h i st h e s i s 惩ef i r s td i g i t a la d c ps y s t e mh a st h e a d v a n t a g eo fc h e a pm a t e r i a l ，l o wc o n s u m i n ga n dm u l t i - f u n c t i o n b u tt h ew h o l ed i 瓣t a l a d c ps y s t e m ，e s p e c i a lt h ec e n t r a lp r o c e s s i n gm o d u l ec a n n o tm e e tt h ef u t u r ed e m a n d i nt h i s t h e s i s ，t h ei m p r o v e m e n td e s i g no fc e n t r a lp r o c e s s i n g m o d u l ea n dt h e d e b u g g i n go fi m p r o v e m e n ts y s t e ma r ei n t r o d u c e dd e t a i l e d l y f i n a l i y ，an e w h a r d w a r e d e s i g ns c h e m eo ft h ec e n t r a lp r o c e s s i n gm o d u l ei sp u tf o r w a r d m e a n w h i l e ，i i n t r o d u c et h ei n t e r f a c ed e s i g nb e t w e e nd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) a n de x t e r i o r c h i p s t h i sd i s s e r t a t i o na c h i e v e st h ef o l l o w i n gp o i n t s ： 1 ht h i st h e s i s ii n t r o d u c eam e t h o dt oe x t e n dd a t as p a c eo fd s p , t h a ti st h e t i m e - s h a r i n gm u l t i p l e x i n go ft w om e m o r i e sw i t ht h ei n g e n i o u sn s eo ft h e p r o b ei nc p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 2 n ev a r i o u sa p p l i c a t i o no f v e r i l o gh d la n dl m 讧( l i b r a r yo f p a r a m e t e r i z e d m o d u l e s ) h a si m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo ft h ep r o g r a md e s i g na sw e l la st h e r u nr a t eo ft h es y s t e m ，w h e nw eu s et h el o g i cd e s i g no ft h en e wc p l dc h i p 3 an e wh a r d w a r ed e s i g ns c h e m eo ft h ec e n t r a lp r o c e s s i n gm o d u l ei sp u t f o r w a r d k e yw o r d s ：a c o u s t i cd o p p l e rc u r r e n tp r o f i l e r ( a d c p ) ，c p l d ，t i m e - s h a r i n g m u l t i p l e x i n g ，v e f l o gh d l ，l p m ，d s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作一：、善叫妒一期：沙7 年j 肭冒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 傈密的学位论文在解密后适用本授权说明 导师签名： 签字旦期：矽d 7 年厂月罗驴曰 妒峭斯舶 p 哆 厂p 弦， 膨 睇鍪刁 作 ： 文 期 浍 爵 位 字 挚 签 第一牵绩论 第一章绪论 a d c p ( 声学多酱勒剖面仪 是一种新型铡流仪器。它根据多酱勒原理，应 用矢量合成法，遥测流速的垂矗削面分布，可以冀实反映流场，并篮一次可以测 量一个剖面上蓑干层水流速度的三维分量耱绝对方蠢。本章就a d e p 的历史、 发展、测量原理以及原设计中系统的整体结构进行了介绍，并于最后总结了论文 的王作和刨薮点。 1 1a d c p 的作用漫其发展动态 1 1 。1a d c p 的作用 测流剖面仪是馨巾声纳系统，它被用来遥测较大范围内的水流速度。既可以 用于河流、潮渍、海湾等环境下，也萄以爝予海洋等海拳环境下流速的影穗研究。 准确的流速测量对于许多不同领域，如天气预报、生物营葬研究、对污水排放的 环境污染调查及对环撬资源的商业探察等方蔼都有非常重要的意义。丽我国犬陆 海岸线长达1 8 0 0 0 多公里，有大小岛屿6 9 6 0 多个，海岛总藩积6 7 0 0 平方公挺， 能源短缺严重地制约辫海岛经济的发展和人民生活水平斡提高【捉，海流能是海岛 供电的一种选择。另外，海流发电也是海洋蕊溯仪器、灯塔等设施静理想能源闭， 它可以在无需人为干预的情况下提供持续能源。海流及在海面发生的海气交换是 影响全球气候变忧和形成水旱风浪潮等蠡然灾害鹣最重要的因素磁，所以登须不 断监测海流的变化，研究它在时间上的变化和空间上的分布，以便随时掌握翻然 界的变化规律。远洋舰队和核潜艇的发展，也追切需要远洋深水的海流资料 4 1 。 获取准确、实时的海流资料，不断充实海流数据库，以适应2 l 擞纪嚣签发 展蠡冬海洋权益、海洋管理的需簧【5 】，对加速垦民经济约增长和黧防建设具有羹要 静意义。 1 1 ，2a d c p 的发展动态 早期的海流计为“全机械式，以印刷式海流计为代表网，这种海流计从速 度探头到数据记录完全由机械运动完成，躁前已经被淘汰。转予式海流计的速度 探头类似于水轮发电枫，它依靠水髂懿运动带动机擞转予运动，把动能转化成电 能输出。焉艇期数据处理、存储鄹通讯依靠电子电路完成，尤其是近年智能微处 理器等大规模集成毫路熬应用，辊摭式海流计的健熊有了很大翁改瓣。利用慝舵 和罗盘配合，w 以完成流淘的测量7 霹。 第一章绪论 机械式测流装置具有机械运动部分，这给使用维护造成不便，容易受到机械 损伤或异物缠绕，舅外，由于机械运动的存在，机械镞性严重影响测量系统的响 应时间。 由于上述原因，人们便寻求一种新的方法去替代机械式测流装置。电磁式海 流计就是其中的一种。它的理论基础是法拉第效应，海水中含有大量的带电离子， 当水团通过磁场时，产生感应电动势，而这个电动势的大小与海水的流动速度成 正比，这是电磁式海流计的基本原理。例如，美国i n t e r o c e a n 公词的s 4 型电磁流 量计【l o l 。根据磁场的不同可以分为地磁磁场海流计和自励磁海流计。目前在化 工等行业中使用较多的电磁流量计也是根据这一原理设计的f l 。 另种方法灵| 是利用多酱勒方法进行测量。由于光波在深海里面几乎难以传 播，而声波在水底传播的性能十分稳定，所以，声波作为a d c p 进行测量的载 体是一个必然。 6 0 年代初期，美国首先开始了应用声学多酱勒原理测流技术的研究工作。在 整个6 0 年代，k o c z y ，k r o n e n g o l d 和l o w e n s t e i n 等人持续开展了这项研究工作。 6 0 年代末期到7 0 年代初期，美国马旦亚纳州白橡树海军武器研究所对其按照 k r o n e n g o l d 的设计而仿制的设备进行了一些试验工作。 7 0 年代初期，中大洋动力学试验( m o d e ) 中采用的萨沃纽斯转子海流汁，因 转子无法准确响应海洋上层动力学特性，致使测量数据受到了严重干扰。由此加 速了海洋学家将声学多普勒原理应用于测漉剖面的研究工作。7 0 年代以来许多 国家也都先后开展了a d c p 测流技术的研究工作，例如；美圜的切萨皮克湾研 究所, n o a a 海洋调查局工程研究所( f d l ) 、斯克里普斯海洋研究所、s p e r r y 海洋 系统公镯、e d o w e s t 公司，英国的i s 0 ，法国的疆o m s o n 公司，加拿大的i s o ， 日本的古野株式会社，挪威的n o r t e k 公司和安德拉仪器公司，中国的国家海 洋局海洋技术研究所和中国科学院声学研究所等。经过多年的探索研究和大量的 试验工作，7 0 年代中期，第一个安装在船上的产品a d c p 诞生了，它是由商品 计程仪改进丽来的( r o w ea n dy o u n g ，1 9 7 9 ) 。7 0 年代末期到8 0 年代初期，由于 微机和大规模集成信号处理器的快速发展，使应用脉冲非相关技术的a d c p 进入 实用阶段。1 9 8 2 年美国从枷t e k - s t r a s a 公司首先推出a m 啪k 4 4 0 0 系 列产品；蓄在a m e t e k - s t r a z a 公司工作过的f r a nr o w e 和k e n td e i n e s 于1 9 8 1 年成立r o w e d e i n e s 仪器公司( r d i ) ，并于1 9 8 2 年研制出鲁容式a d c p ，1 9 8 3 年又研制生产了它的第一台船上安装的a d c p ，到1 9 8 6 年，r d i 公司已生产了 5 种不同频率( 7 5 - - 1 2 0 0 k h z ) 和三种测量方式( 自容、船载、直读式) 的r d 系列 a d c p ；与此同时，日本的古野株式会社、法国的t h o m s o n 公司等也都先后 生产出各自的产品仪器。 2 第一蘩缝论 鼬年代中期，美圜开始了宽带多普勘测漉技术的研究，9 0 年代初已有产品 仪器。酌年代中甥，美国的大型调褒船就巴配置了r d l 公司的a d c p ，翟本的 “神鹰号上也配置了古野株式会社生产的c 卜3 0 型侧a d c p ；1 9 8 5 年进行的 “海岸海洋学动力试验”也使用了r d l 公司的a d c p ，此后，一些重大的国际海 洋学科学研究试验项目也都应用了这种仪器。第一次中美联合海洋调查中我国首 次使用了l i 这种仪器，中口黑潮调查中使用了古野的c 卜3 0 型产品。 8 0 年代中期以后，a d c p 已形成多频率，多品种的商品化仪器，随着技术的提 高和销售量的增加使价格逐步下降，标志着这种测流技术已趋成熟。近年来，美 国r d i 公司又利用相控阵技术推出了船载宽带相控阵a d c p 。这一技术的应用， 使声学换能器的体积和重量成为常规换能器的1 1 0 左右，并且简化了换能器船 底安装的结构，较好地解决了由于测量深度增加给宽带和窄带a d e p 所带来的 简题。 1 2a d c p 的结构及理论基础 海水中存在着大量的浮游生物、悬沙等散射体醛麓，这些散射体的运动受到 海流的影响，可以认为它们的流速流向和海流的流速流向相同，并假设在一个层 面上，各点的速度相同，也就是处于同个水平面上的，波束上水体的速度相同， 这是a d c p 实现流速剖面测量的前提 1 3 1 。 典型的a d c p 如图1 一l 所示，其结构为经典的j a n u s 结构，由两对换能器 组成，每对换能器关于仪器的孛轴线对称，换能器的指向与仪器中轴线在一个乎 面内，两对换能器的指向构成的平面互相垂直。 图1 - 1 典型的a d c i 结构示意图 根据多普勒原理1 4 1 ，当声源和接收器分别以速度匕。和v ，运动，声源以频率z 发出声波，用工表示接收器接受到的声波的频率，并且运动方向和声波的传播 第一耄绪论 方南在一条直线上，则有： z 嚣m v 十v 式中：c 表示声波在介质中的传播速度。表示声源和接收器的栩对运动， 当声源向着接收器运动时，v 。取一号，反之刘取+ 号；当接收器向着声源运动时， v ，取+ 号，反之则取一号。 在御p 系统中，换能器作为声源向海水中发出声波，当声波遴到海水中 的浮游生物、悬沙等散射体时，将有一部分能量透射过去，继续沿着声波传播方 向传播，同时也有另外一部分能量将向四周散射，其中的一部分将返回到接收器 中。根据声波的多普勒效应以及a d c p 的j a n u s 结构可知，a d c p 中单一波束所 反映的海水流速信息为： 晚 驴旃 ( 1 2 ) 式中，e 是声波在海水中的传播速度，跟海水韵温度、盐度及其他环境条件 有关，通常情况下在1 5 0 0 m s 左右。此时，当巴知发射声波的频率磊，发射声波 的换能器的倾斜角矽，只要测量得到回波中的多警勒频偏厶，就可以由式( 1 2 ) 计算得到海水在单一波束上的矢量速度，。从而通过矢量合成的方法便可得 到海水在空间上的矢量速度【l 弱，在实际应用中，通常是利用j a n u s 结构中的兰个 换能器发射的波束进行海水流速的测量和合成，而第四个波束则用于对测得数据 的校验。 1 3 数字a d c p 信号处理平台 1 3 1 数字信号处理平台与传统a d c p 的区别 传统的a d c p 是利用模拟方法对回波信号进行正交混频、滤波，把信号频率 降低为相互正交的两路基带信号【1 6 1 1 7 】【1 8 】。这部分完全由模拟器件完成，在下 变频之后的基频段插入剡d j 跨换环节，实现数字化，如图l 一2 所示，基于这魏 结构的系统对黜l d 的要求较低，但是它不能够通过软件设置或是上位机命令改变 下变频参数，缺乏灵活性，箍且难以实现一路信号中的两个正交通道绝对平衡， 弓l 入测量误差拜9 1 1 2 0 ，此外前端模拟器件性能随着温度和老化程度发生变化，混 4 第一嫩缴论 频器存在非线性。 阁i - - 2 蒋统脚翠潞输入谶避方稽程 鬻l 一3 数字螽瓣革鼷菰入遗遭骞黎黼 粪蔫菇群完囊枣蒺鼗蠢滚瓣琵莲；逮鹫釜遴莲麦蓁黎鎏蓑褰，零交蘩趱鎏 件优的专用嚣片完成湖路回波信号的数学处瑷。数字下燕频包括瀹獭、滤波、采 霉攀奎襄、激燃篷遭翟，筹鼙豢避越整裁辍髂避嚣参数溪墼潮。熬整爨 诬数据处毽遵度酶蒸磁上，寨糯各个数播流逶避平衡处黎；可获方蠖疆繁参懿， 赛麟踺手不麟鳇发射髂号豹烈波数字她援；可以澍不弱形揽和参数的滤波模块进 嚣蠛窘，繁藤需要裁滤渡羲；鬻驻在蓑棒霪号签透过蓬枣褰磊妻鬻警嚣豢爨稼嚣 撼，直接输燧复信号的幅角。谯中频殿实现信母的数字他魁数字c p 的熬墼特 嚣乏一，鏊愁毒簧羲粼劂溪之荛，遵差曩搭溅蕴毫憋慧连期溅淤孛羹熬髂嚣 蕊 臻粕e 竞臻串频蘩瓣瀛酶楚溅，然惹襄麓豢享蔑术实褒下囊裂窝，教享下鬻薮蓬 螨混频、滤波、采样攀变换、搬标变撇簿过程，辨可以溅过控制辙件进行辩数的 瓣熬。这拳辍、差鼗瓣憝理莲鼗瓣基毯土，实理务个婺霪漱鹣逶遵平鬻登理；霹以 方蘧谖节参数，蹇礴瓣子不瀚发嚣鏊鸯嚣匿装鼗字跫溪；霹骧蕙不瓣器纛簿参_ 曩 鲫滤波模热进行组合。形成黼凄的滤溅链；可以程硬件储号处理潋程中实僦复信 正 交 熊 调 a 压 繁辈绪论 号的极坐标变换，直接输鞋l 复信号的幅角。 陵饿 嚣弩 慰。* 秘纨 礤 卜，r ”? 魏鼯 爱饿攘块 圈波 嚣譬 l1 i| k 翻 |i! r 拦 m 期 嗡 c 至l k 琴薹f o嗡l 恣p 嗡 凝篮 矿 一甬c 率转并 一#；臻 瓷a j 鹱 |，l j 。荔 | ， 甄辫 i 藏 1 d ： ，v m ，m 嗍 蓿号袋襄模袭 数字下变额搂襄| l i 巾夹接号处避羁块l ，茹 # 发射 一 萎 t “ 镑号 ：； i 枭。， 蛰蚤霪 ： ( 一 n a d c 3 擞率信猎处理平静 。j 蔼弩茨瓣模块 圈1 4 数字信号处理平台结构框图 1 4 原系统中央处理模块设计 中央处理单元主要由d s p ，s r a s ，f i f 0 ，双唰r a m ，f l a s h ，和用于逻辑控制的 c p l d 构成。值得注意魏是，d s p 鲍主要的卦豳控制是壶c p l d 来实现豹。在该模 块巾，d s p 是中央处理器，f i f 0 主要用来接收数据，双端口r a m 主要用来实现 d s p 与m p u 麴命令字及数据交换，f l a s h 粼是灞来实现d s p 独立运行对超载程序 的。s r a d 则是用来扩展d s p 的内存而使用的。该模块的电路示意图如图l 5 所 示。图孛f 羔和双豳删是在一个模块( d u a l _ r a m ) 中；f l a s h 是在p r o m 。s c h 模块中；d s p s c h 模块代表的是中央处理器；而d s p _ l o g i c s c h 和l o g i c s c h 模 块代表的是c p l d 所实现的逻辑功能。 6 繁一章缝论 图l - - 5 中央烛理模块电路示意图 现在详细介绍下系统中的f l a s h 芯片。d s p 脱离仿真器独立运行程序可以 有两种模式，一种是把固化的程序直接配置到d s p 的程侉空溺，这种运算速度 魄较慢；勇辩一种是依据d s p 舀举雩| 导瓶刘生成皇举弓l 导程痔表，并把鸯举弓| 导程序表固化在指定空间的f l a s h 中。d s p 上电后通过检查硬件配鼍，自动运行 嚣化在d s p 内部r o m 书的皇举孳| 导程序，把f l a s h 中的用户程序搬移至g 指是豹 程痔空间，并运行。 本系统中采用的是a t m e l 公司的a t 2 9 1 v 5 1 2 芯片，最大的特点是3 3 伏供电， 可使悫部产生高压进行编程；可戮对任意藏区进行搡作，丽不影摘箕它扇区；只 需离其命令寄存器写入标准豹微处理器指令，具体编程、擦除操作出内部嵌入的 算法实现；本系统将两片f l a s h 并行予d s p 连接，实瑰d s p 麴并行萼| 导。本系 统将这两片f l a s h 映射鳓d s p 的外部数据空间o x c 0 0 0 淑f 研蕾荚l6 k 豹地垃 范围，数据总线1 6 位，耀1 6 位并行葶| 寻。 1 4 薹d s p 的选择及其性能 数字信号处理器f 2 瓣( d s 卜峨g i 镒s i g n a lp r o c e s s o r ) 是一种特剃适瘸子进 行数字信号处理的微处理器，它以数字器件特有的稳定性、可重复性、可编程性 帮易予实瑰爨适应处理等特煮，得到广泛鲍瘦属并取得突飞猛进豹发震。 d s p 技术是利用计算机或专用处理设备搿霹，以数值计算的方法黠信号进行采 ? 蘩一鬻缝论 集、变换、综合、估值与识别等加工处理借以达到提取信息和便于应用虽的的一 种技术。d s p 技术包括数字信号处理的理论帮数字信号处理麴实现。d s p 主要具 有哈佛结构、流水线、快速乘累加运算、循环寻址和位倒序、高速数据传输髓力、 良好的仿真开发等技术特点。 l 。舔系统孛选用了髓公闭t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列的礅s 3 2 0 v e 5 碡董芯片作为 中央处理器，1 m s 3 2 0 v c 5 4 l o 是1 m s 3 2 0 c 5 叙系列中性能价格比较高的定点 d s p ，虽然其各方嚣性能差于霸来推出的c 6 0 0 0 甚至c 8 0 0 0 系列的定点芯片， 但与! m s 3 2 q e 5 4 x 系列盼其它芯片相比，t m s 3 2 0 v c 5 4 l o 具有高性能、低功耗 翱低价格等特点。 2 1 m s 3 2 0 v c 5 4 l o 芯片的特点 t m s 3 2 0 v c 5 4 t 0 芯片的主要特点如下【3 1 】： 1 ) 速率达1 0 0 m i p s ( 每秒执行1 0 0 m 条指令 ，指令周期l o n s ； 2 ) 具有先进的多总线结构，三条1 6 使数据存储器总线和一条程序存储器总 线； 3 ) 与同系列其他芯片相比其有较大的内部存储空间；内部数据、程宁空阎 各翻x 4 ) 程序寻址空间8 m 5 ) 4 0 位算术逻辑运算单元( 札u ) ，包括一个4 0 位桶形移使寄存器和两个 独立的4 0 位累加器； 6 ) 一个1 7 x 1 7 势行乘法器釉个4 0 位专用加法器，允许1 6 使带不带符号 的乘法； 秘肉置可编程等待状态发生器、锬相环( p l l ) 时钟产生器、鼹个多通道 缓冲审行瑟、一个s 镁并行与外部处理器逯薅黔h p i 弱、2 个l 孬位定酵 器以及6 通道d m a 控制器； 8 ) 8 个辅助寄存器及一个软件栈，允许使用业内最先进酌定点d s pc 语言 编译器； 9 ) 低功耗，工作电源有3 v 和2 5 v ( 内核) ，特别适合电池供电设备。 1 4 2 d s p 外部存储器鹩选择 盘于d s p 内部只鸯6 4 k 的程序、数据空闻，掰以需要对其进行扩展，以使存 储嚣多的需要处理的数据。我们选用的i d t 7 1 v 4 1 6 是s r a m ，其嗡痰时藏1 5 n s ， 我们利用它作为d s p 的外扩程序删。 开发和调试d 辩系统是通过d s p 系统仿真器在计算税上实现觞。当系统调试完 成艏，需脱离仿真器和计算机成为独立的系统。此时需要将编好的程序豳化到系 寒 第一擎鼗论 统巾的e 张雠或f l a s h 芯片中，使系统一上电便鞠动从该芯片中下载程序，窭现 系统翡能。煎悫予c 5 4 1 0 悫部没膏挺供霾纯程序靛j f l a s h ，舞以我粥还需要在箕 数据空闻中扩展一个溺化程穿韵r 蹶。 i i i f l a s h 存储器与e 2 p r o m 相比，具有更高的 性麓价格沈，蔼且体积小，功耗低，可电擦写且誉需高莲，使用比较方便。爨梵， 零系统设计蹲选霜了a l t e r a 公司的a t 2 9 l v 5 1 26 4 k x 8 戳脑嚣芯片实现系统的 b o o t l o a d e r 功能。 1 4 3 双端箱黻黼韵选撵 本系统莱露双翟r a m 实现d s p 毒m p u 之阏戆连接，宅是一块r a m 必两 个设备提供了独立煞控制、地缱和数据憨线。如胬l 一6 ，表示双翻r a m 的基本 功蘸靼控制方法。 l s e m l 器0 l c o n t r o lb u s l a d d r e s sb u s l d a t ab u s c o n t r o l r a 醚 甏1 - - 6 双鍪廷度瑟豹z 作鞔裁 r s 基m 我0 0 r c o n t r o lb u s 删d r e s sb u s r d 墩t ab u s 系统半使慝双爨燃作为d s p 秘上级i v i p u 之阕的数撂鞘愈令交换懿攘 粱，把双盈r a v l 划分为m p u 下选命令区、d s p 任务申请区、上传数据区等。a d c p 系统中，d s p 把需要上传的数搂写入到漱i ：i r a m 中，丽m 触砸以把这些数据从 另个端爨凌凄，麸褥实现数攥魏交换，反乏亦熬。壶予双繇粼靛整割枫锱 是个存储空间对嚣个读写控制开放，当两个设备同时对其操作时，将出现冲突， 鸯避免这魏渖突可以采壤“旗语嚣辘铡i 矧。 下面结含黑体芯片 d t 公司的i d t 7 0 v 2 6 阐述使用旗谱避免冲突f 3 烈。该芯片提 供8 个旗语馈号。旗谱信号与数据d o 位共焉同一根数据线，健尾氏2 进行释垃， 它与r a m 数据区使用不霜的使麓。这8 个旗语之间稆互独立，丽双翻麟的两 9 第一耄绪论 侧阕一地址的旗语相关联。申请“控制权”即是囱某一个旗语地址写入“0 ”，放 弃控制权写入“l 静，如果写入“0 成功，那么意味着申请成功，这时在另一端 口的同一地址旗语值为“l 。在该端口放弃之前，另端口如采也申请，即在该 侧的同一旗语地址写入“0 ，它的申请将被“挂起，这时它读出的旗语值为“1 ”， 申请不成功，一旦对方放弃控制权，它将得到一个“0 ”的回应，表明它申请成 功。 旗语机制可以有效的避免冲突，它的代价是在每次操作之前都申请控制权， 完成操作之后必须放弃控制权，增加了存取时间，为此对那些没有可能发生冲突 的地址不建议使用旗语。本系统中的命令和命令回应是有可能发生冲突的，必须 使用旗语；两对于数据传送般不使用旗语。 1 4 。4f i f o 的选择及其性能 由于接收模块p d c 的数据吞吐率比较慢，这必然导致d s p 直接与其进行数 据交换时出现瓶颈现象。因此，对于传输速度要求较高，有较大数据量的数据传 送鲍本系统来说，要提高d s p 的工作效率，往往不仅要求并行接口要响应快， 两且必须采用异步方式以免相互等待。原系统采用c y p r e s s 公司的f i f o 芯片 c y 7 c 4 2 6 5 v 来实现外部数据向d s p 的传送。该方法不仅速度快，丽且由于芯片 可编程，特别是c y 7 c 4 2 5 5 v ，c y 7 c 4 2 6 5 v ，c y 7 c 4 2 7 5 v ，c y 7 c 4 2 8 5 v 疆种 型号的芯片封装完全相同，所以使角十分灵活。原系统使用了f i f 0 c y 7 c 4 2 6 5 v 。 c y 7 甾2 6 5 v 是c y p r e s s 公司生产的1 6 k x1 8 位的同步低功耗的f i f o 芯 片，供电电压3 3 v ，c o m s 标准，工作电流3 0 m a 。，具有极强的深度和宽度扩展 功能，其封装电路图如图1 7 所示。该芯片共6 4 个引脚，采用了s t q f p 的封 装形式。输入输出时钟可调，最高工作时钟可达到i o o m h z ，所以输出端时钟可 与d s p 的输出时钟直接相连，面不会影响d s p 的速度。在输入端可提供较低的 时钟输入从恧起到良好的缓冲作用。 c y 7 c a 2 6 5 v 是双端团的存储缓冲芯片，它结构麓单。便于操作，并且有控 制端、标志端、扩展端和内部r a m 阵列，内部读、写指针在先进先出的基础上 可进行数据的自动写入和读出。当f i f o 满的时候向d s p 发出中断，然后p s 王 响应中断，利用同步时钟达到异步响应，同步读取的目的。 系统中f i f o 连接的前端是i s l 5 2 1 6 ，由于i s l 5 2 1 6 数据吞吐率较慢且输出 的是1 6 位的串行信号，而从图1 - - 7 的f i f o 封装图中可以看出f i f o 的输入为 1 6 位并行信号，所以在i s l 5 2 1 6 和f i f o 之间需要进行一次串并转换，串并转换 过程是在c p l d 中实现的，这将在第二章对中央处理模块的改进设计中进行 详缨余绍。 1 0 第一寒绪论 ，。 stq嫩fpto 蓥 硫毒瓣 鼙 。落霉藿氍份秽黧笋蔷陆a - a _ o y 苫篝 0 鼹0 毒窆s 5 v c y 7 c 4 2 6 尉 c y 7 c 4 2 7 s v e 搬c 4 2 8 5 v + 襄嬉餐鳢箍酝簿艿拶墓鸯零 鼹1 - - 7f i f 0 封装蹦 1 s 课题的主要王作及论文结构 拳q l | 曩q i ， 麓例d = q 拉 oq | ：￥蠹 。鲰 囊q 置o t t o - to a 警o r - t 毒铒 ：鼍硎n 警4 = k 嚣 | i 群# 诤3 在前凡节中介缁了a d c p 髂定义、作震、发震历史及藤设计串孛央处遴模 块瓣结构，本文的主要磷究任努是对原系统中央处理模块进行改进，提高其燃毙。 ，论文主要工作蠹容： 重新划分了d s p 的程序、数据空间，在傺持原来磺件设计的条件下最大 霹麓黪扩震了d s p 静数据窒潮。 把原设计中的两片m a x t 0 0 0 系列c p l d 芯片用一片更先进的f l e x 6 0 0 0 芯片替换，缩小了整个平台麴设计蘑载。 黠e p l d 随帮媳逻辑程序进行蕊薪编写，放顶屡模块舞底层模块进行了 彻斌的优纯设计，对艨设计巾煞见个逻辑设计锇误进行修正。 提黧了孛夹憝理模袭硬臀设诗戆耩方案，麓更竞避麴c 6 2 0 1 葱片替挟了 原来的c 5 4 x x 芯片。对选定的各个芯片进行了可行性论诞，并介绍了芯片阆的 接遴设嚣，斑后续设诗奠定7 莲懿。 论文结构： 耕州娜艘鼬帮潦融岍彩巍跏出伽勘 繁一章绪论 第一章为序论，对a d c p 的作用、发展历史、理论基础以及原系统设计 中的中央处理模块结构进行简要介绍。 第二章详细介绍对原设计中央处理模块的改进设计，其中以c p l d 的改 进设计为主体。 第三章介绍了改进后系统的调试，并提出了对以d s p 为核心的电路进行 调试的几种方法。 第四章提出了对中央处理模块硬件重新设计的新方案。 第五章为总结展望，介绍后续需要做的工作。 1 2 = 十女* 耩女& m 设* 第二章中央处理模块的改进设计 第一章中对a d c p 的信号处理平台进行功能模块划分，并对四个模块：中 央处理模块、接收模块、发射模块和反馈模块分别进行了介绍。尽管此平台设计 与传统a d c p 相比有了很大的进步，性能也有了较大的提高，但是，由于设计 时的芯片选择、程序设计等方面所受的限制使得系统的整体水平已经满足不了现 在工作的需要。因此对整个信号处理平台尤其是中央处理模块进行了硬件的改进 和程序的纠正及再设计。 主要完成的工作包括：对原设计中两片c p l d 的改进设计；对d s p 的程序、 数据空间的重新分配：对c p l d 中部分功能模块程序的重新编写；原程序中逻辑 错误的纠正。 2 1 原平台中的中央处理模块设计 第一章中已经对原设计的中央处理模块每个芯片的性能进行了介绍，现在对 其整体结构及各个芯片的功能进行简要介绍，中央处理模块的结构如图2 1 所 示。d s p 为系统的处理核心；f l a s h 为d s p 的外部存储器之一，用于实现系统的 b o o t l o a d e r 功能：s r a m 用来作d s p 的外扩程序存储器；f i f o 芯片采用异步方 式实现外部数据从接收模块到d s p 的传输，挺高了d s p 的工作效率；系统使用 取口r a m 作为d s p 和上一级m p u 之间的数据和命令交换的桥粱；系统中共用 了两片c p l d ，如图所示，其中c p l d l 主要用于d s p 外部存储空间的地址分配 唧i d 2 主要用于i s l 5 2 1 6 和d s p 之间的串并转换。 圈2 1 原设计中央处理模块结构图 本文要做的主要工作之一就是选择一块更先进的c p l d 以替换原设计中的 c p l d l 、唧l d 2 ，这将在下一节22 详细介绍。 第二章孛央楚爨模块鳇改遴设计 2 2c p l d 的选择及其可行性论证 近年来大规模可编程专用集成电路( a s i c ) 以其强大的功能和优异的特性迅 速发展起来，它使设计电子产品达到小型化、微型化、集成化、高可靠性、低功 耗以及成本低、重量轻、体积小、工作速度快、保密程度高，这些极大地提高了 产品的性能价格比和竞争能力，丽现场可编程门阵列( f p g a ) 器件的现场可编程 技术和凹功器件的在系统可编程技术使得可编程器件在使用上更为方便。 1 f p g a 和c p l d 芯片的比较选择 转g a 和c p 曲脚嘴1 作为特殊的a s i c 芯片，除了具有a s i c 的特点之外，还具有以 下特点：功能集成度高、系统设计快、可靠性高、设计灵活、费用低。这两种芯 片在很大程度上虽然具有类似之处，但壶予内部结构上的差异导致了它们在功能 与性能上的差异，主要表现在如下方面： ( 1 ) 布线功能。 a l t e r ac p l d 独特的内部连线结构使其内连率很高，不需要入工布局布线来 优化速度和面积。相对x i l i n xf p g a 有限的布线线段，它更适合自动化芯片设计。 ( 2 ) 延迟预测能力。 a l t e r ac p l d 的连续式布线结构决定它的时序延迟是均匀和可预测的， x i l i n xf p g a 分段式结构导致它是不可预测的。这使彳导用户在使用a l t e r ac p l d 时不必考虑延迟阀题，比较方便省时。但在延迟需严格考虑时，使用x i l i n xf p g a 就可以根据用户需要来调节。 ( 3 ) 适用场合。 a l t e r ac p l d 适合于究成各类算法和组合逻辑，x i t i n x 麟矗适合于完成时序 较多的逻辑电路。c p l d 芯片具有编程灵活性、信号高速性、使用方便、开发周期 短等优点，而且c p l d 器件主要基于e 2 p r o m 或f l a s h 存储器编程，具有y r a g 接口， 可通过下载电缆把设计好的程序下载到芯片中，编程次数可达上西次，并且系统 断电时编程信息也不丢失。周时c p l d 具有节省空间的特点。 2 2 1 原设计中c p l d 的性能特点 在先前的设计中共用了薅片c p l d 芯片，分别采用e p m 7 2 5 6 a e 和e p m 7 1 2 8 a e ， 其中第片主要用于从i s l 5 2 1 6 到d s p 的串并转换，第：片主要用于d s p 逻辑控 制的，它们均是a 王t e 拖公司的m a x 7 0 0 0 a 系列c p l d 片绷。下面对这两片c p l d 进 行简要介绍。 姒x 7 0 0 0 a 系列c p l d 芯片是基于第二代多阵列矩阵( 淞x ) 结构的高密度、 1 4 第二章孛央处理模块匏毁逃设计 嘉性能的器件。它使用c 4 0 s 技术，集成i e e e1 1 4 9 1j t a g 接口，并支持3 3 v 的在系统可编程( i s p ) 。 如图2 - 2 所示，m a x 7 0 0 0 a 的内部结构主要包括：逻辑阵列块( l a b s ) 、宏革 元( m a c r o c e l l s ) 、可扩展乘积项、可编程互联阵列( p i a ) 和i o 控制块。m a x 7 0 0 0 a 结构中包括4 个专用输入，可用作普通输入或高速宏单元和i o 引脚的控制信号 ( c l o c k ，c l e a r 和两个输出使能信号) 。 图2 - 2a l t e r a 公司淞x 7 g 0 0 a 系列豹结梭框图 在先前的设计中选用了e p m 7 2 5 6 a e 芯片，它是a lt e r a 公司m a x 7 0 0 0 a 系列串 的一种，其主要性能特点如下： 1 ) 辑密度达5 0 0 0 个可用门，2 5 6 个宏单元，1 6 个逻辑阵列块。 2 ) 引脚到引脚的逻辑延时为4 5 n s ，计数器工作频率达2 2 2 2 m h z 。 3 ) 1 0 0 个引脚，具有t q f p 、p q f p 、b g a 、p l c c 等多种封装形式，支持热插 拔，与p c i 接口兼容。 4 ) 支持多电压的i o 接口可实现器件核工作在3 。3 v 的同时又与5 o y 、3 。3 v 4 ) 和2 。5 v 逻辑电平兼容。 5 ) 具有独立的c l e a r 、p r e s e t 、c l o c k 和c l o c ke n a b l e 控制信号的可编程 宏单元寄存器。 第二章串央处联模块懿改进设诗 勘具有可编程省电模式，每个宏单元可省电一半或更多。 7 ) 具有可编程保密位，为设计提供全面保护。 由于这一系列的芯片封装是相同的，故当芯片容量稍有不够的时候，在加 大型号的同时可以不必再进行改版电路，节省了时间。 先前采用的m a x 7 0 0 0 a 系列芯片具有较快的速度和较高的集成度，在设计时 也是很好的选择。但是，由予芯片容量的限制，不得不把程序分配到两片c p l d 芯片中，这样不但占用了更多的平台面积，面且产生了信号的冗余和混乱。因此， 在此次改进设计孛进行了c p 功芯片的替换和程序的再设计，薪芯片的性能将在 下一节详细介绍。 2 2 2 改进设计中新c p l d 芯片的选择 鉴于先前平台硬件设计中的问题，经过反复的思考和论证，最终选择a l t e r a 公司的f l e x 6 0 0 0 系列中的e p f 6 0 2 4 a 作为替代芯片。 f l e x 6 0 0 0 系列可编程逻辑器件跚1 采用o p 证u e x 结构，结合先进粘合焊垫技 术、交织式逻辑门阵列区块及最高性能的输入输出结构，把可编程逻辑效率推 上新高峰。 曩糕 爿连接誊 图2 3f l e x 6 0 0 0 交织式分布l a b 的结构特性 所谓的o p t i f l e x 结构是将器件的速度与具有可预测性能的连续式快速通道 ( f a s t t r a c k ) 相结合。这些快速通道与交织式逻辑阵列块和f a s t f l e xi o 相 连接，交织式分布的逻辑阵列块使逻辑单元通过局部互连与同一h 墟或相邻的 1 6 第二颦孛央处理模块的羧进设计 l a b 联系起来。每个逻辑单元可驱动鹾个局部甄连，还可与1 9 个逻辑单元通过 高速餍都资源进行直接遘信，这样裁减小了行列的延黠，提熹了性靛和功效。 f 髓) ( 6 0 0 0 的交织式分布l a b 黼结构特性如蓖2 3 所示。 随着入们的注意力主要集巾在低成本上，a l t e r a 公司的f l e x 6 0 0 0 器件系列 提供了一个值得选择的有高门数阵列的理想可编程器件。弱为f l e x 6 0 0 0 器件是 可编程的，因而设计初期或在测试中都可以方便地改变设计方案。设计者也能够 建立可重构的瘦用。f l e x 6 0 0 0 系列器件具有下列特点： 1 ) 提供了个理想的低成本、可编程交织式的大容爨门阵列应用，允许在 设计初期或设计测试过程中快速改变设计。 2 ) 产晶特点： 触发器丰富期基于l w 。 简要介绍一下探针结构电路示意鲻的原理。当在系统运行遮程中接触到 8 0 0 0 -