（信号与信息处理专业论文）便携式多波束测深仪多通道数据采集与处理系统.pdf

摘要 在现代的声纳设备中，对试验数据获取和处理的实时性要求非常高。数 据采集和处理系统的性能成为衡量一款声纳设备性能高低的主要指标。本论 文针对某便携式测深仪的需要，设计开发了一种多通道的数据采集和处理系 统。 本沦文根据设备需要设计了一套基于c p c i 和d s p 处理阵列的高速数据 采集处理系统。与主机接口采用了基于工业标准的c p c i 总线，它与p c i 总 线完全兼容但比p c i 总线相比有着更高的可靠性。采集部分由1 6 通道的a i ) 采集电路组成，处理部分由8 片t i 公司t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的处理器阵列完成。 设计了乒乓存储体用作主机和处理器阵列数据传输的缓冲区。另外还扩展出 了4 个u a r t 串口。文中还介绍了系统部分软件的开发，主要包括设备在 w i n d o w s 2 0 0 0 f 的驱动程序，d s p 的b o o t l o a d e r 程序及部分d s p 程序的开 发。并设计运用了一种全新的a g c 控制的方法。 本文对高速信号概念的信号完整性理沧进行了讨论。介绍了高速信号的 概念、信号完整性的几种常见的问题、电路设计中要注意的问题，以及高速 p c b 布线和数模混合电路布线的策略。 关键词：便携式测深仪；c p c i 总线；d s p 阵列；高速信号；a g c 哈尔滨丁程大学砸0 论文 a b s t r a c t t h er e a l t i m e a c q u i r e m e n ta n d p r o c e s s o ft r i a ld a t ais i m p o r t a n tt a r g e to fm o d e r ns o n a re q u i p m e n t s t h ep e r f o r m a n c eo f d a t aa c q u i r e m e n ta n dp r o c e s ss y s t e mi so n eo ft h em a i ni n d e x e s d e s c r i b i n g t h e p e r f o r m a n c e o fs o n a r am u l t i - c h a n n e ld a t a a c q u i r e m e n ta n dp r o c e s ss y s t e mw a sd e v e l o p e dt om e e tt h en e e do f t h ep o r t a b l ee c h os o u n d e ri nt h ed i s s e r t a t i o n ih i g hs p e e dd a t aa c q u i r e m e n ta n dp r o c e s ss y s t e r nb a s e do nc p c i a n dd s pp r o c e s s i n ga r r a ywasd e v e o p e d i t si n t e r f a c ew i t hh o s tjs c p c ib u s ，w h i c bi sc o m p a t i b l ew i t ha n dm o r er e l i a b l et h a np c ib u s t h ed a t aa c q u i r e m e n t p a r t w a sm a d e u p o fs i x t e e nc h a n n e l sa d s a m p l i n gc i r c u ita n d t h ed a t ap r o c e s sp a r tw e t sm a d eu po fe i g h t d s pa r r a y ，w h ic hist m s 3 2 0 v c 5 4 16o f w a sd e s i g n e da st h ec a c h ef o r t h e t h e d e v o f d s p n r ( ) c e s ej0 d m e n h a r d w a r o ra r r a y ，a n df o u ru a r t t ic o m p a n y ，ap i n g p o n gm e m o r y t r a n s f e r sb e t w e e nt h eh o s ta n d s e ria p o r t sw e r ee x t e n d e d t h e o fs o m es o f t w a r ei s i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h ed r i v e r s inw i n 2 0 0 0 t h eb o o t l o a d e ra n d a p p l i c a t i o np r o g r a m so f b e s i d e s ，an e wa g cm e t h o di si n t r o d u c e d t h es i g n a l i n t e g r i t yo fh i g h s p e e ds i g n a li si n t r o d u c e d i n c l u d i n gt h ec o n c e p to fh i g h s p e e ds i g n a l ，t h es e v e r a lc o m m o n p r o b l e m sa b o u ts i g n a li n t e g r i t y ，n o t i c e a b l ep r o b l e m si nc i r c u i t d e s i g n ，a n ds t r a t e g i e st oh i g hs p e e dp c b a n dd i g i t a l a n a l o gm i x e d c i r c u i tl a y o u t k e yw o r d s ：p o r t a b l ee c h os o u n d e r ：c p c ib u s ：d s pa r r a y ：h i g hs p e e d s i g n a ：a g c 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 哈尔滨工程大学t o i ：论文 1 1 引言 第1 章绪论 多波束测深系统( 又称多波束测深仪) 是一种高效的海底地形测绘设备， 它是在蚓声测深仪的基础j ：发展起来的。多波束测深系统的一次测量能给出 与航行方向垂直的垂面内几十个甚至上百个海底被测点的水深值，或者一条 一定宽度的全覆盖水深条带，所以它能准确地、快速地测出沿航线一定宽度 内水下目标的大小、形状和高低变化，从而比较精细地描绘出海底地形地貌 的精细特征。这种测深系统的测量速度快、精度高，记录数字化和快速自动 绘图，把测深技术从点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图。 被广泛用于进行大陆边缘调查，港口建设中的水下地质条件评估，航道疏浚， 水下目标搜索，水库库容计算等方面。 进入二十世纪九十年代以来，不同类型的多波束测深系统相继出现，如 通用公司的第三代多波束测深系统s e a b e a m2 1 0 0 、德国的e l a cb o t t o m c h a r t 系统、挪威s i m r a d 公司的e m3 0 0 0 型系统、a t l a sf a n s w e e p 系统、美国r e s o n 公司的s e a b a t8 1 0 0 系列和o d o m 公司的e c h o s c a nm u l t b e a m 系统，从而使 海底地形测探技术日臻完善，并向着高精度、宽覆盖、智能化、多功能的组 合式测深系统方向发展。不仅可用于水下地貌的探测，还可用于海底剖面调 查，海底地质和海底油气油田的勘探。 我国多波束测深系统起步较晚，直到二十世纪9 0 年代才研制成功数字式 测深仪、组合式四波束扫描测深仪和侧扫声纳。然而，对丁- 海底地形测量更 迫切需要的多波束测深仪直到1 9 9 8 年由哈尔滨工程大学水声研究所研制成 功一h h c s 一0 7 型多波束测深仪。这是困产首台多波束测深仪，标志着我国进 入独立研制多波束测深仪的时代。 但是，由于我国资金投入严重不足，后续工作进展停留在仿真利数据处 理方丽，新产品没能及时推出。而同期国际产品推出很多新型号。与此同时， 我国的经济却一白：在突飞猛进的高速发展，目前我国民用部门如海洋测绘、 喻尔滨工程人学坝1 j 论义 航道、港口等部门对多波束测深仪的需求日益扩大，他们需要一种价格低廉， 体积小巧，性能良好的测深仪器以应用于海底地形的测量及航道港口的清淤 工作。而作为我固首台多波束测深仪h n c $ 0 7 ，是哈工程大学以军用为目的 研制的条带测深仪，整个系统庞人而且复杂，价格昂贵，一般装备干吨级以 上的船只才能安装使用，显然不能满足民用部门的要求。所以目前在围内使 用的主要是国外引进的多波束测深系统。由此可见研制并推出我国更新换代 多波束测深产品已成为当务之急。 推出新产品需要坚实的技术支持，同时需要对已有技术进行完善。本文 的研究工作f 是基于目前在研的便携式多波束测深仪而开展的。 作为一款而向民用市场开发的多波束测深设备，从安装对象来说，以后 一股只会被安装在小型船舶上。小型船舶的内部空问比较狭小，电源的提供 能力也比较弱，同时当用于海上作业时，小型船舶的稳定性也比较差。从使 用剥。象来晚，丰要是以测绘部门的利一研及工作人员为主，他们人员的流动性 比较大，没备的使用必须简单易用，以利于他们能快速掌握设备的使用。考 虑到这两点，便携式多波束测深仪在设计过程中主要着重要解决以下几个问 题： 体积小 可靠性高 功耗低 处理能力姒 外围接r 类型半富 通信控制能力强 1 2 本论文的主要研究内容 本论文的主要研究内容是便携式多波束测深仪多通道数据采集与处理系 统，设计并实现块基于c p c i 结构与d s p 阵列的多通道数据采集与处理的 6 u 板。该板作为便携式多波束测深仪的数掘采集处理部分，除了用于对接收 机信号的采集、处理以及白动增益控制外，还用于整个系统的控制，包括发 射功率、i 司步周期、采样率，d s p 阵列则是设备的信号处理中心。 喻尔滨工程人学碟l 论文 本论文的第 章首先简单介绍了多波束测深仪的用途以及困内外的发展 状况，随后对便携式多波束洲深仪的技术特点进行了简单的描述，井对相关 的关键技术和期均发展作了相应的介绍和比较。 第二章，主要是介绍系统的总体设计和相应的硬件实现。在硬件器件高 度集成化的今天，硬件电路的设计也习以说就是芯片之州的接口设计。在本 章中，首先对系统的总体设计和总体框图进行描述，随后分块的对a d 采集 与监控方案设计、多路串行接f 1 辅助设备接口设计、乒乓存储体设计、c p c i 接口没计、d s p 阵列方案设计部分进行详细介绍。 第三章主要是介绍高速电路设计理论，讲述了高速布线和数模混合电路 设计的一般规范。并将有关理论知议应用于所设计的电路，实践证明这些屯 路扳设计理论在本文设计的运用是成功的，作者设计的电路板成功经历了湖 上实验，保证了湖上实验的正常进行。 第四章主要是钊对系统的软件部分进行相应的介绍。一个完整的系统都 是由硬件部分和软件部分组成的，硬件是软件的平台，软件是系统功能实现 的标志，凶此一个设备必须有优秀的软件的配合才能称得上是一个完整的系 统。本章详细拙述了系统的软件丌发。主要包括硬件设备驱动程序的设计开 发和d s p 程序的设计丌发，以及d s p 的b o o t l o a d e r 的实现等。 第五章主要就本沦文采用的自动增益控制( a g c ) 技术进行了详细地论 述。本论文采用的a g c 方案尝试将接收机中的控制处理器的功能集中由处 理板的处理器实现，这较原来的多波束测深仪是有创新性的。本章首先介绍 自动增益控制的基本原理，然后结合与传统自动增益控制方法的比较来洗明 本沦文所采用的自动增益控制的特点以及实现的具体过程。最后介绍了设备 的试验结果。 本文的最后一部分是整个论文研究工作的总结。 喻尔滨t 程大学碳l 论文 2 1 引言 第2 章系统设计与硬件实现 数据采集及处理系统是信息科学的一个重要分支，它与传感器技术、信 号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础。在许多应用场合， 如声纳、雷达、通信、图像处理、智能仪器等，特别是在实时性要求高的情 况下，人们都需要设计与应用高速数据采集系统，以在极短时n = u 内获耳义大量 数据。对于高速实时数据采集处理系统，数据的传输速度、数据的处理速度 以及数掘的存储容量等都是关键技术，同时也是系统设计的主要瓶颈。而作 为款便携式设备，对体积、功耗电都有着较为苛刻的要求。这些都是在系 统总体设计时需要考虑和解决的问题。 2 2 系统总体设计 便携式多波束测深仪是主要是为了满足国内的港口、航道等测绘部门的 斋求而开发的，其性能要求和我校1 9 9 9 年完成的多波束测深仪h i c s 一0 7 相 比，除了工作频率提高以外，其他的很多指标如最大工作深度、波束数、a d 采集通道数等都有所调整。便携式设备对体积有着苛刻的要求，我们选用研 华的m i c - 3 0 3 8 作为系统的主机箱，总共有8 个槽，系统主板要占用2 个槽 位，剩下只有6 个可供外加设备。不可能像老条带那样每块电路扳只是实现 某一个单一的功能，只能把老条带要有多块板完成的功能综合成一块，尤其 是数字电路部分。目前硬件设备及器件的飞速发展，为我们提供了物质基础， 只要合理选择，使得这一目标的实现起柬是可行的。 整个系统的总体硬件框图如图2 1 所示。从功能上来说，本系统就集老 条带的控制、采集、处理、存储四大功能于一体，将原来需要7 块板才能够 完成的功能都集中到了一块板卜，这也使得设备的小型化成为可能。控制部 分所要完成f i , o 功能主要足接l 恢主机的控制命令实现对系统的初始化，殴备工 1 1 舟尔演t 碰火学硕卜论文 图2 1 系统硬件框图 作的启动停止，设备同步信号周期的选择，发射机功率选择，白动增益控制。 聚集部分要完成两类数据的采集，一类是船体运动姿态信息的采集，包括 ( 申s 、t i t j 浪、罗经等数据的聚集，这儿类辅助设备的接口一般都为r s 2 3 2 串口， 通过t i 公司的串口扩展芯片t l l 6 c 5 5 4 扩展出4 个r s 2 3 2 串r _ j ；另一类是对 1 6 路水卢信弓的采集，前端采集电路选用了a n a l o gd e v i c e 公司的4 片高速、 低功耗、四通道同步采样的1 4 位a d 转换器a d 7 8 6 5 。两类数据的聚集都是 由d s p 控制实现的。数据处理部分主要通过d s p 阵列来完成对采样数据的检 波判决，正交变换( 希尔伯特变换) ，时延波束形成和方位估计。d s p 阵列 选用8 片t t 公司的d s p 器件t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 组成。作为t m s 3 2 0 v c 5 4 x 系列中 的最新成员，它的最高速度高达1 6 0 m i p s ，d s p 内部的r a m 有1 2 8 k 字，支持 h p l 8 位和h p l l 6 位模式。采集后的数据和经过后处理的数据都要传送到主机 用于实时界面的显示并保存到硬盘已用于后处理。在本系统中，通过一个每 侧容量达1 m 宇的静态存储器的乒乓存储体米作为主机和d s p 之f 日j 进行数据传 输的桥梁，从而可以最大限度让d s p 和主机进行独立的存数和取数，增加系 统在软伺：设计上的灵活性，也可以避免在数据传输过程中可能出现的冲突。 与主机的接口采用工_ k 标准的c a m p a c t p c i 总线结构，和传统p c i 总线相 比它有着很多优，i i 。接口芯片选用a m c c 公司的$ 5 9 3 3 ，$ 5 9 3 3 是一款功能强 大的通用型p c i 接口芯片，使用非常广泛，技术也很成熟，可以降低开发的 难度和风险。 设备的同步信号和本振信号也在本系统中产生，都是通过高频晶振分频 后实现的。同步信号的周期分为四档：0 2 5 s ，05 s ，0 7 5 s ，1 o s 。主机可 根据水深的不同实时的切换。同步信弓也作为乒乓存储体两侧左右体逻辑切 换的标志信号。本振信号用于与接收机上接收到的基阵信号混频，产生一个 低频信号，从而可以降低对信号的采样率。在本系统中，本振信号和a g c 码 作与逻辑后送到接收机上同时完成混频和增益控制的功能，相关内容将在本 文的第五章作详卸l 的介绍。 从硬件结构上来分，可以把整个系统的设计分为以下几个设计部分：p c i 接口设汁、乒乓存储体设汁、d s p 阵列设计、数掘采集及监控电路发计。下 面就这几部分的硬件电路e 1 9 发计分别进行介绍。 2 3p c i 接口设计 2 3 1c o m p a c t p oi 接口总线概述 一直以来，p c i 的开发性、高性能、低成本、通用操作系统等特点对丁：工 控业都有着很火的吸引力。但是，工控机本身的专、精的要求使得它的总线 标准一直以高专业化、高封闭性而著称。 事实 ，m 于计算机及其芯片技术的不断发展和推广应用，p c i 总线规 范已逐渐占据了主流总线标准的位置；而向p c i 总线规范靠近，也成了工控 总线标准制定者不断努力的目标。1 9 9 4 年，工控厂商z i d e d h 发起组织了 p c m g ( p c ii n d u s tr _ ia c o m p u t e rm a n u f a c t u r e r sg r o u p ) ，其日的是为了继 续延 | = l 丌发由p c i s i g ( p c is p e c i a li n t e f e slg j o u p ) 所制定的应用于电脑系 统的p c i 标准。同年，p ( ：l m ( ；制定了p c ii s a 总线的无源底板标准和处理器 板标准。即c p c i 。 c o m p a c t p c i 的出现，成功地解决了多年来困扰电信系统工程师与设备制 造商的问题一传统电信设备总线( 如v m e ) 与工业标准p c i 总线不兼容。c p c i 的出现，不仅让诸如c p u 、硬盘等许多原先基于p c 的技术和成熟产品得以延 续应用，也由于在接口等地方做了重大改进，使得采用c p c i 技术的服务器、 工控电脑等也拥有了高可靠性、高密度的优点。这使得包括电信业在内的工 控业在享受p c i 标准带来的规模经济的同时，还具有高效能以及如同专居架 构般的高可靠性。具体而吉，c p c i 的优点包括以下几点。 开放性：丌放性是c p c i 最核心的优点。 首先，c p c i 总线与p c i 总线兼容的开放式架构，使得在p clf 1 前普通 使用的应用软件、作业系统翻 司。以移植到c p c i 上，这样c p c i 就可以利用p c 技术现成的软件资源进行丌发，这可明显缩短产品研制周期，降低成本。另 外，c p c i 的开发架构允许客户仪升级系统的某一部分( 如c p u 、主板) ，而无 喻尔浜r 程大学 i ! l ! i 论义 需改动其他的i o 软件。这样，升级设备的成本可显著降低，程序也更加简 易。 标准外观：c p c i 包括3 u 和6 u 两种规格，极易与使用e u r o e a r d - - b a s e d 的设备整合。 热插拔：热插拔一直是众多工业自动化系统渴求的所谓热插拔就是 在运行不断电的条件下，拔出或插入功能模板，而不破坏系统正常工作的一 种技术。 高速度：c p c i 总线速度普遍较高：3 2 b i t 3 3 m h s 可达1 3 2 m b s ， 6 4 b 1 3 3 m h s1 日达2 6 4 m b s ，6 4 b it 6 6 m h s 圃达5 2 8 m b s 。而v m e 总线的最火 理论带宽为4 0 m b s ，实际仅能达到3 5 m b s 。两者的差距不言而喻。 高可靠度：适用恶劣环境、抗干扰、前插式、易维修、防震、低功耗 等，局部故障对服务运行没有影响。 高可扩充性：透过桥按技术可支持最多2 5 6 p c ir u s 同时运作。 易管理：具有自我倾错、自动c o n f i g 等简化管理成本的功能。 易散热：c p c i 系统的设训+ 使得畅通及平均的气流能通过所有产热的板 予，散热能力比之以往大有提高。 2 3 2 接口芯片$ 5 9 3 3 简介嘲田 选用a m c c 公司生产的$ 5 9 3 3 作为p c t 控制器。$ 5 9 3 3 是最早设计的p c i 控制器件之，被广泛用于p c i 接e l 的设汁中，技术较成熟，功能完善。是 一种功能强、使用灵活的p c i 总线控制器专用芯片。该芯片符合p c l 局部总 线规范2 i j 扳，可作为l ：) c l 总线f j 标设备( s l a v e ) ，实现基本的传送要求。 也可作为p ( ： 总线主控设备( m a s t e r ) ，访问其他p c i 总线设备。$ 5 9 3 3 的 峰值传送速率为l3 3 m b s ( 3 2 位p c 数据线) ，完全满足本系统与主机之间 的数掘传送要求。其主要特点如下： 喻尔滨丁程人学倾卜论史 兼容p c 2l 规范，可作为p c i 总线目标设备( s l a v e ) ，实现基本的 传送要求。也可作为p c j 总线主控设备( m a sl e r ) ，访问其他p c i 总线没各； 峰值传送速率达1 3 3 m b s ( 3 2 位p c i 数据线) ； 支持8 1 6 3 2 位外加用户总线； 可选n v r a m 和扩展1 3 1o s ； 具有直通、邮箱、f f f o 三种工作方式： 适 二3 2 位5 v 电平p c i 卡，具有1 6 0 脚p q f p 和2 0 8 脚t o f p 两种封装。 图2 2 $ 5 9 3 3 内部结构框图 图2 2 所示是$ 5 9 3 3 的内部结构框图。$ 5 9 3 3 巾的寄存器分为h c i 配置 寄存器组和操作寄存器组。前者可从n v r a m 的4 0 h 7 f h 位载入，也可以是默 认值，$ 5 9 3 3 只能实现首部类型0 和单功能设备酉b 置。后者用1 ：$ 5 9 3 3 与外 加总线的操作配置和数据传输( 如中断控制，邮箱入口等) ，从p c i 总线访 问时称为p c i 操作寄存器组，地址为p c i 操作寄存器基址加各寄存器偏移地 址；| f | _ j 从外加总线访问叫，称为外加总线操作寄存器组，l l j j 通过a d r 6 ：2 选 择。 2 3 3s 5 9 3 3 外部接口 8 5 9 3 3 提供3 个物理总线接1 ，即p c i 总线接口、外加总线接口和可选 的非易失性存储器接口。非易失性r a m 用于l 怏射p c i 的配置空间及设备的初 始化程序：扩充总线可以和外围设备相连。数掘传送可以在p c i 总线利外加 总线之间进行，也可以在p c i 总线与n v 存储器之间进行。我们重点介绍p c i 总线和扩充总线之问的数据传递，它可以通过三种方式完成 ( 】) 操作寄存器 a d d r e s s p c io p er a t i o nr e g i s t e r s o f f s o l d u e n i n e h mr e q i s t ；- rid ) m b l 0 e h 。 - i n ! lt & i l w xr e g i s t er2 0 82 l0 袖 驴mm a i u ”lr e 9 i s t e f ? f 0 m 8 o s h ：! u i ( ：, i l l f lt l n b 3 xr “4 ( o m d i 0 曲 k ：o f fhr h ? i d a i l ! ：o ：1r a g i s b il l 8 1 1 0 h i i c i mm ，训r 搴| j i $ l 射id t 、, l b 2 l1 4 h i i k drl i t l ，阳删一fr $ i ：i e i & f i m b 3 1 8 h c m l n ( 1 轴3 i l l x , ，r 铷吲钉jf | m b 4 i 1 c i , f i r , , r 。“s l # ： r f ：嘲l l # ：。 n 扑i f i f ：i t? 潮 k i g i l | # a d h r e js 4 d w a r z 补 f 1 1 i 1 v r i t et i1 n s ：= jc ：, r j ；l lr e j i s l 目4 , t w t (2 8 h h a m jr e , i da d j l e ! d , r i _ r a 忍 ：e ) k j 0 # r ；, a dt i s brc o t i f l lr s 锄1 m r t c3 0 1 i * - f j | 目xe n p l f “_ s i r i u sk d 口甜f k l e i f j3 4 h i i t 。r l u ：lc ”i e i i ：j i e r - ) ：；i s l e ，i n t c b f , 鹅h b u s hj s i e r r r , o l , s l l l u , r ( 4 i i s t er m c s r0 eh a d d t o nb so p e t a l i o nr e g i s t e r sa d d r e s s h l o s m l _ j i j m 洲xr i 0 日目j f a m b u 帅 1 嘲b “r 朗i l e r 2 l a i m b 2 i 0 4 h i n r n b ： m ，o x r 鲫b 船3 ( a 粉s s 0 8 h 1 1 1 n q ”# m o xr e ：) i s l e r 4i n lb , h 0 c h c t j l 9 0 i n g m a i l b o xr 唧b t e , 1 l 1 8 i ， 1 帆 l r 目f 2 黼l l 蜘 o u t 9 1 f _ 嗍k m “r e j b l e t “ o 剐8 勘 l 针 o l a g i n ( 1 , i m a i b c d r e u b i e m 孙i 引3 i c h f | f 0 钆r t 一 f j f 0 2 计i e t m a s l e l 群阚舶蚌r 4 i s b rd 4 w a r i 2 4 h p 鞠t h i n 砧i d r e s sr c 4 & r # l - a p t a ,2 ：b h p a # t n h jd a r 刨k , a p t d 2 0 j b u s f 弱d 毒睡翻削d r 。蛄r ； 时i m r a r )3 帅 m a i b ) xe i i i i ) i yf t l ls l a b s r e a 跨g ! a m b e f )3 4 1 1 jn ：* n l 计on # ( j p s i n o s 嘞! n 目i a i n t i3 b h 翻mr “l e o n i f 胁s l u s r e g i s l a r i a r e 降：舒 8l b m 3 5 1 ew r 峙t i a ；l s 筒t t o i _ l 】【r 汀瞄5 甜i 良月m o a e 胁a dt mr 6 l e r ：c q n l ( m r t c i5 0 孙 图2 3 $ 5 9 3 3 p c i 总线操作寄存器和扩充总线操作寄存器 $ 5 9 3 3 通过二个寄存器组完成和p c i 总线和扩充总线接口，阱便主机和 外发监视$ 5 9 3 3 的状态并控制其运行，二个寄存器组如图2 3 所示。在p c i 总线侧，其操作寄存器组为1 6 个连续的双字，通过p c i 配置空问的基地址寄 存器b a r o 映射于存储器空间或f l o 空间，主机通过对p c i 配置空问的访问 得到b a r 0 后，就可以通过存储器操作或i o 操作列寄存器组进行防问，对 $ 5 9 3 3 进行控制：在扩充总线一侧，其操作寄存器组为1 8 个连续的双字，外 发可通过r d # 、w r # 、a d r 6 ：2 等对寄存器组进行访问。 ( 2 ) q b 易失性r a m 总线接f 1 p c i 总线规定了配置空川利设备启动的b i o s 区，为j 实现这两个接厂1 以及用户根据需要设定肩动程序，$ 5 9 3 3 提供非易失性r a m 总线接| ，仆 哈尔滨r 程大学埘卜论文 易失性r a m 可以是串行，也可以为并行。$ 5 9 3 3 对非易失性r a m 进行操作 时，iu 以通过p c i 总线侧；也可以通过扩充总线的一侧，但两侧不能同时 进行。$ 5 9 3 3 通过寄存器m s c r 或a g c s t s 对非易失性r a m 进行操作，d 2 9 、 d 3 0 提供控制；d 1 6 d 2 3 提供地址和数据；操作时序由$ 5 9 3 3 内部产生。 ( 3 ) 二机和外设之问的数扼 传送 主机和外设之间的数据传送可通过邮箱寄存器、直接寄存器、f i f o 寄存 器进行： $ 5 9 3 3 内部有8 个3 2 位，分为二组：4 个输入邮箱寄存器( i m b ) 、4 个输 m 邮箱寄存器( 0 m b ) ，p c i 总线侧的输入邮箱寄存器就是扩充总线的输出邮箱 寄存器( a o m b ) 。p c i 总线侧的输出邮箱寄存器就是扩充总线的输入邮箱寄存 器( a i m b ) 。邮箱寄存器可以工作在查询方式或中断方式，并上l ，可以在p c i 总 线侧和扩充总线侧单独进行设置，当工作于查询方式时，程序要查询邮箱状态 寄存器，邮箱状态寄存器的某位为1 表明它所对应的邮箱寄存器的相应字节 已有数据但未被取走，数掘取走后，该位变为0 ：划一个装有数据的输出寄 存器的字操作将覆盖原有的数据。邮箱寄存器工作于中断方式时，通过对中 断控制寄存器的设置，当输出寄存器空或输入寄存器满时，发出中断请求信 号。 主机和终端设备之间也可以通过$ 5 9 3 3 在两个方向采用直接寄存器传送 数据，这种数据传输方式也称作p a s s t h r u 方式，每个方向有一个3 2 位直 接地址寄存器( a p l ) 和一个3 2 位直接数据寄存器( a p t d ) ，在猝发方式f 地 址寄存器的内容随着数掘传送不断更新。直接寄存器，仅支持目标方式下的 单周期数掘或猝发传送，它们可以工作在同步方式或异步方式；数据处理的 宽度为字节、字、双字。传送以握手方式进行f 采用p t r d y # ) ；直接寄存器 具有高性能的猝发传送能力，适合于快速数据处理情况。 $ 5 9 3 3 用映射于外部非易失性r a m 巾的p c i 配置空间的基地址寄存器 末配置直接操作的区域，$ 5 9 3 3 提供了4 个用户的配置区域，每个区域的大 小山朋厂l 决定，可映射于存储器或i o 空恻地址。每个区域n 勺数据宽度可为 字、字节、双字。$ 5 9 3 3 提供了。个专用引脚p t a d r # ，使用它可在扩充总 线的一侧直接得到直接地址寄存器的内容。 阶尔檬l 程大学坝l 论义 $ 5 9 3 3 内部有1 6 个3 2 位f i f o 寄存器，分为二组：8 个3 2 位f i f o 寄存 器用于从p c i 总线到扩充总线的数据传递，8 个3 2 位f i f o 寄存器用于从扩 允总线到p c i 总线的数据传递。输入和输出f i f o 都映射于擞作寄存器的同 一早兀t 2 0 h ) ，因而，读出的和写入的不是同一个数，在数掘写入到f i f o 2 _ f i i j ，可以进行字节对齐交换。f i f o 寄存器既支持目标方式下的单周期的 数据异步操作，也支持主控方式下的同步或异步猝发操作，在同一各应用的 不同的时间单可分别设置为主控方式和目标方式。和主控方式读有关的操作 寄存器为f i f o 、m r a r 、m r t c ；主控方式写有关的操作寄存器为a f i f o 、 m w a r 、m w t c 。山p c i 总线启动的数据传送在完成或终止h q 可以向主机发 出中断i n t # ，山扩充总线肩动的数据传送在完成或终止时可以向终端设备的 微处理器发出中断i r q # 。此外，$ 5 9 3 3 还提供了r d f i f o 、w r f i f o 二个管 脚用于在扩充总线一侧直接访问f i f o 寄存端，而不通过直接寄存器，其传 送方式为同步或异步。外部非易失性r a m 的d 5 d 7 决定p c i 总线数据传 送方式。 2 3 4 $ 5 9 3 3 接口和中断实现方式 前而介绍了$ 5 9 3 3 的接口类型和各自的工作方式，如此丰富的接i ：i 牙l i 灵 活的工作方式这也为设计带来了很多的选择。图2 4 是$ 5 9 3 3 与外设之| o j t 掣, j 接口框幽。一个是读取乒乓存储体的数据，二是向d s p 发送初始化参数和控 图2 4 $ 5 9 3 3 与外设接口框图 喻尔滨t 程人学坝卜论文 制命令字。本系统设计为工作于目标方式的模式下，通过直接寄存器访问实 现主机和系统者之问的数据交换。图2 5 表示的是一个单周期的直接寄存器 写操作。在该操作中，p c i 总线提供了地址信息，选择外加电路中的存储单 几或外设端口。$ 5 9 3 3 扩展总线是地址数据复用的，地址信息先于数据出现 在总线上，保持时间只有一个p c i 总线周期，夕l - ) h n 逻辑必须锁存该地址信号， 以保证在整个数据交换过程中的地址信号的稳定。 |r _ r 哪 厂1 厂li 二：， j |、i ：x： i ：x ： ： ：、0 1 1 ：j f： ；| ： ；：t ： i：2 c h i：；x ： ：x1o h ：x ，： l ! l 型 l 厂再订鬲百高v 1 齐下商亍= 、 f ： j ；xd ，l 、一 ； 图2 5 单周期的直接寄存器写操作 $ 5 9 3 3 有两个中断引脚：i n t a # 和i r q # 。i n t a # 为p c i 总线信号用于产 生系统p c i 中断。i r q # 是本地总线信号用于产生本地逻辑信号。本系统只用 到i n a # 来产生p c | 中断。每个同步周期系统要给主机发一个中断，通知主 机渎耿乒乓存储体某一侧存储器内由d s p 阵列在上个周划存储的采样和处 理结果。在前面介绍邮箱寄存器时已经提到，通过对操作寄存器的设置，当 输出寄存器空或输入寄存器满时，就会产生中断，其中需要刈邮箱进行读写 操作。系统使用一种更为直接的中断实现方法来产生p c i 中断。p c i 总线输 入邮箱4 的宁仃3 ( 也就是扩展总线输输出邮箱4 的字节3 ) 具有和其他字节 不一样的功能。当使用串行n v r a m 来对配置空间进行配置时，并行n v r a m 的引脚e a 7 ：0 将被罩新定义，提供一利哕、部对p c i 总线输入邮箱4 的字壮 一一删|聊一醐瞬附剐一一 一一一|一一一晰附一一一 喻尔滨t 程人学坝i 论文 3 的直接访问方式。e a 8 被重新定义为用于产生p c it + l 断的装载时钟。引脚 的重定义关系如图2 5 所示： s i g n a lp i na d d - o no u t g o i n gm a i l b o x e a 0 e m b 0m a i l b o x4 b i t2 4 a 1 惩m 8 , d a i ! b o x4 b i t2 5 e a 2 e m b 2m a i l b o x4 b i t2 6 e a 3 e m b 3m a i l b o x4 。b i t2 7 薹a 4 e m b 4m a i l b o x4 b i t2 8 e a 5 ，e m b 5m a i l b o x4 b i t2 9 e a 6 e m b 6m a i l b o x4 ，b i t3 0 e a 7 e m b 7m a i l b o x4 b i t3 1 e a 8 e m b c l km a i l b o x4 ，b y t e3t o a ( 1c l o c k 图2 5e a t ：0 重新定义对应关系 e m b c l k 的上升沿就会在p c i 侧，“：乍一个中断，e a 7 ：0 的值可以通过读p c 总线输入邮箱4 的宁节3 来获取，这个值可以用来区分不同条4 1 二下产生的中 忻。 2 4 双体存储器设计 双体存储器存系统中是数据传输的桥梁，也起到的数据缓冲的作用，d s p 存储数据和主机取数可以i 亓ja , l + 进行，双方互不影响，每次的存数和取数都是 在一个i 刊步周期l a 完成的，这对主机利d s p 来说时问都非常充裕，可以保证 数据不被丢失。我们选用7 s s i 公司的1 6 位静态存储器i s 6 1 i v 2 5 6 6 来组成 系统的双休存储器。 2 4 1 静态存储器简介i 6 i s s i 公司的i s 6 1 1 v 2 5 6 1 6 是一款高速8 m 位的静态存储器，由2 6 2 ，6 4 4 个1 6 位的存储单元组成。它采用了i s s i 公司的高性能的c o m s 技术，可靠的 【：艺流程加上创新的电路设计方法，生产出了这款高性能、低功耗的器件。 其主要特点如下： 访问速度快。只需8 ，1 0 ，1 2 n s 。 c m o s 低功耗操作。当处于s t a n d b y 状态时，所用电流小丁5 m a 。 兼容t r l 接口电平。 单电源3 3 v 供电。 完全静态操作，不要时钟利刷新电路。 数据可分为高低字节控制。 满足工业温度标准。 图2 6 表示的是i s 6 1i v 2 5 6 1 6 使能信号的真值表。当c e 为高电平时，器 t r u t ht a b l e i 0p l n m o d e醒醒溅丽u 西 i 0 0 - i 0 7瞄i 0 1 5v l x ：i c l , l f e r l t hl lhl h l g h z d o l t 1jlld 洲1 d o r a 图2 6i s 6 1 i v 2 5 6 1 6 使能信号的真值表 件处于s t a n d b y 状态，其功耗降至最低。通过使用芯片使能c e 和输出使能 0 e 两个输入引脚可以很方便的进行存储器扩展。低有效的写使能信号w e 控 制存储器的读写操作。高低字节使能信号u b 和l b 可以实现对每个单元的高 低字节进行单独访问。在本设计中u b 和【。b 被同时接低有效，这样一次实现 刑1 6 位单元的访问。 静态存储器和动态存储器相比，不需要专门的刷新电路，硬什的外喇电 路相对简单，接口逻辑实现也不复杂。在设计中采用静态存储器不仅可以简 化电路，也有利于缩短丌发时间。 2 5d s p 阵列设计 d s p 阵列是本系统的核心部分，它的设计的好坏直接关系的将来工作性 哈尔滨t 程大学坝 论文 能的高低。d s p 阵列要完成的任务比较繁杂，包括有串口辅助设备的数据采 集解算，水声信号的采集监控，还有处理。设计之初对d s p 软件，主要是水 声信号处理部分，任务的分配还有一些不确定的地方，这就刘硬件结构有了 更高| 1 i 9 要求。要求硬件上有较大的灵活性，以适应在软件涧试时m 现的对软 件结构的调整。我们选用t i 公司5 4 x 系列中的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 来组成系统的 d s p 阵列。作为t i 公司5 4 x 系列d s p 中的最新型号，和其他的5 4 x 系列d s p 相比，t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 有着更高的速度和更多的内部存储空间。 2 5 1t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 简介1 8 i u o li ” t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 是t t 公司丌发的高速高性能的d s p 器件，它是基于先进 的改进哈佛结构的1 6 位定点d s p ，捌有一条程序总线和三条数掘总线。片i a 集成有一个具有高度并行性的算术逻辑单元( a l u ) 、专用硬件逻辑、片内存 储器和片内外设等几部分。以下主要介绍t m s 3 2 0 v c 5 4 16 的一些主要特点 3 】= 先进的多总线结构，有三条1 6 位数据总线和一条程序总线； 4 0 位的算术逻辑单元( a l u ) ，包括一个4 0 位的桶形移位器和两个独立 的4 0 位累加器(