（通信与信息系统专业论文）基于dsp的被动毫米波成像处理器研究.pdf

硕士论文基于d s p 的被动毫米波成像信号处理器研究 a b s t r 8 c t t h ep as sive诵ili m e t er 门 w a ve 池匆n gus ed for d e t ec t in gcon tr a b addcon c 喇ed ben e a thc1 o th in g i s takenasre se ar c h b a c k gr o und in面s thesis. b e 乡 血吨 withth e th eo卿 of而i e 扣 e 妞 卜 wav e 仆 己 l ome tly 叨dcom b ing 初ththe p n n c i pl eofth e 幻 刃 0 一 恤ensio 画 sc 别 田 旧 刀 g radio m 创 对 c 汕agjn g sy st e m ， a p r 以 滩 s s in g s y s t e mis 衅韶 川 目inth j p a pe r， w b l ch isb ” edon d s p 叨d d e v el o 拼 刃诫ththe p 叮poseofsi 即a i p r oc 吧 朋 m g ofm j l 往 口 e te 卜 w ave 拍 由 。 m e 苗 c u n a g in g. c orte s p 幻 ndingtoth e sy s t e tn，the si n 犯 n 双 e s ofth e p r o c 七 ssor are desi gnedp r o 脚l y ，tl le d e v i ces inthe pr o eessor 眼 se l e ct ed。 对 e 细l y 朋d a 抽 川w aj 吧desi gnofthe p r o ce s sor is 伪m p 互 e t edc ircums pec u y ;b 别 犯 d onthe p ri n c i p leof面1 1 如日 比 r- w ave 斑 己 l o m e tric 恤哗加9 and th e s ty l e ofthe syst e m. th e al gori 山 n .ofc allb n 戒 i on and 枯e n e 了 曰t er撰 阳川 五 m 比 fo r th e i n l agin g syst e n 、 也 e soft w 别 限助wc harts眼 al so劝 tr o d 朋edh ere. t 七 e fi 口 c t l o nsofs c 别 山 旧 。 g c o n 灯 o l and d at a 剐 闷 山 si ti on眼 com p l 日 te d by声 i m egal6 l si gna 1 pr o c e s s l d g 的d c o n u n 画c 西onare 朗 hi e v e d byt m s3加v c 5402. 肠 m e 一 s e q uence l o gi c con tr o 1 isfulfi l i edbye p m7 l 2 8 s ， v 入 由众 四 。 n 山 le udl v e rs al i ty朗d e x p 田 ” l bi li ty，the m o d ul esofs c 别 氏u 刀 age e x tr 创 次si gnalp r o ce ss ing and c o n ” n 侧 田 c at i on can bein t e gr at ed 访 t o o n e sys t e m. k e y w o r d s :p 韶s l v eml l l 加 e t e r 种 wa v e】 r 以 a g mg ，d s p，a 丫 r， s c a n n m g c o n t rol ， d al 以 a c q u i s it i 叽 s i gna l p ro c e s s in g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了 加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人己 经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获 得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同 事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名:2 0 0 7年7 月 2日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理 。 研究生签名:2 0 0 7年7 月 2日 硕士论文 荃于璐p 的被动毫米波成像信号处理器研究 1绪论 1 . 1引言 被动毫米波成像是毫米波辐射探测技术的一个典型应用， 它是利用毫米波辐射计 系统获取目 标的辐射分布特性并生成图像的一种手段， 这种图像能够反映出各景物之 间以及景物各部分之间辐射能力的差异。 被动毫米波成像系统最早用于等离子体研究和射电天文观测的科学研究领域。 近 年来， 随着毫米波半导体固态器件及相关技术的长足进步， 毫米波被动成像技术被广 泛的应用于军用和民用领域， 除了在大气研究， 地球环境遥感、 军事应用等领域有着 重要的科学应用价值外， 还开始应用于全天候飞行着陆， 无损安全检查 ( n d e ) 以 及 汽车防撞等新兴民用领域。 以 全天候飞行着陆系统为例， 低能见度的气象条件是影响 飞机正常飞行安全的主要原因， 欧美发达国家正投入大量的人力、 物力来开发研制一 种在低能见度甚至零能见度条件下还能让飞机安全可靠起飞着陆以 及空中飞行避障 系统， 被动毫米波成像技术正显示出 它在这一领域的 优越性; 而利用被动毫米波成像 技术来检查藏匿于人们衣服内的违禁品( 如枪支，匕 首以及塑料爆炸物等) 从上世纪 九十年代开始， 在美国和英国等国家得到了 政府和研究机构的重视， 尽管红外成像技 术相对成熟，并且红外成像的空间分辨率相对较高，但是红外对于衣物等的穿透能 力有限，发现隐 藏在衣物下违禁物品的 概率很小， 而 x . ray由于对人身体有害， 也 不能直接用于对人身体直接成像来检查是否携带违禁物品， 被动毫米波成像具有一定 的穿透力并且自 身并不发射电磁辐射， 所以 许多研究机构开展了被动毫米波成像用于 隐 匿 违 禁 物 品 探 测 技 术 的 研 究11 1121 131。 目 前国 外用于被动毫米波成像信号处理的 硬件主要分为两种: 一种是计算机， 如 trex 公 司 的 相 控阵 被动 毫 米 波 照 相 机(pm c- 2)14 ， 美国 海 军 研究室90 g u 吃机 载 成 像 辐 射 计系 统 151 ， 英国t b o lnso n 一 tho m导 弹电 子 公 司的 近 距离 隐匿 武 器 微 波段 辐 射 计 成 像系 统 161 ， 乌 克 兰国 家 设 计研 究 中 心的2 、 8 、 2 、 1 6 等阵 列 扫 描的 无 源毫 米 波 被 动 成 像系统 7 等。 还 有一种就是 利用d s p 来完 成 信号 处理， 如诵lli vi 幼 on公司的 手持式 被 动 毫 米 波 照 相 机(p m m w c ) 【sjo 由 于国内 毫米波技术发展相对较晚， 被动毫米波成像技术刚刚起步， 目 前基本采 用计算机来进行信号处理，如南京理工大学的ka 波段交流辐射计扫描成像系统以 及 华 中 科 技 大 学 的3 mln 微 波 辐 射成 像 系 统 19 等. 计算机存储空间大、 接口 丰富， 很多信号处理方法都是基于计算机软件编程的， 所以 用计算 机实 现被动毫米波成像信号处理 较方 便、 直观。 但由 于计算机得到的数据 并没有加以 处理， 信噪比差， 这无疑增加了 计算机处理的工作量。 另外计算机采用冯. 硕士论文荃于璐p 的被动毫米波成像信号处理器研究 诺伊曼结构，在处理某些算法时执行较慢，如f ft 算法。d s p是专门用于做数字信 号处理的，它采用改进的哈佛结构用来处理基于 f f t的一些算法更有优势，所以本 系统利用 d s p先对数据进行预处理，然后再把处理后的数据传输给计算机做后期图 像处理，这样就减轻了计算机负担，使计算机可以专心用于图像处理。 1 . 2数字信号处理及数字信号处理器 数字 信号处理111 是利用计 算机 或专用设备， 以 数 字的形 式 对信号 进行采集、 分 析、 合成、 变换等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输与应用。 与模拟信号 处理相比， 数字信号处理具有精度较高、 灵活性好、 抗干扰能力强、 可靠性高、 体积 小、易于大规模集成等优点。 计算机和信息技术的飞速发展， 有力的促进和推动了 数字信号处理技术的发展。 步 入21世纪以 后，信息社会已 经进入了 数字化时 代， d s p 技术己 成为数字化社会最 重要的技术之一。无论在理论上还是在工程应用中，都是目 前发展最快的学科之一， 并且日趋完善和成熟。 数字信号处理技术己广泛应用于数字通信、 雷达、 遥感、 声纳、 语音合成、图像处理、 测量与控制、高清晰度电视、 数字音响、多媒体技术、地球物 理学、生物医学工程、振动工程以 及机器人等各个领域。 而且随着科学技术的发展， 其研究范围和应用领域还在不断地发展和扩大。 数字信号处理器 ( 压颐 因51 ，alp r o ce ssor ， 简称d s p) 是一种特别适合于进行数 字信号处理运算的微处理器， 主要用于实时快速的实现一些数字信号处理的算法。 在 20世纪80年代以前，由于受实现方法的限制， 数字信号处理的理论还不能得到广泛 的应用。自 从加世纪80年代初期第一片数字信号处理器问 世以来， d s p 就以数字器 件特有的稳定性、 可重复性、 可大规模集成， 尤其是可编程性和易于实现自 适应处理 的特点，给数字信号处理的发展带来了强大的生命力，使得信号处理手段更加灵活， 功能更加强大。 为了达到快速进行数字信号处理的目 的， d s p 芯片一般都具有程序和 数 据分开的总线结构、 流水线操作、 单周期完成硬件乘法器以 及一套适合数字信号处 理的特殊指令集。 近二十年来， 得益于集成电路技术的 发展， d s p 技术和器件得到了 飞速发展， 其应用领域己 经拓展到航空、 航天、雷达、 声纳、通信、家用电器等各 个领域，成为电子系统的核心。 1 . 3本论文的主要研究内容 本文是基于人体隐匿违禁物品探测技术的背景之下， 利用 d s p完成被动毫米波 成像信号预处理的工作。 本论文以 被动成像处理器硬件设计为主要研究对象， 并提出 了软件的设计思路。主要研究内容为: 硕士论文 基于叱p 的被动毫米波成像信号处理器研究 论文第一章为绪论，以课题研究背景、 数字信号处理概述为中心，阐述了课题的 设计思路。 第二章主要描述了毫米波辐射成像系统。 从毫米波辐射理论出发， 对毫米波辐射 成像系统进行描述，然后引出成像处理器总体设计。 第三章是关于处理器系统中扫描控制与信号采集模块的设计。 从硬件和软件两方 面对模块进行描述。 第四章是处理器系统中信号处理与通信模块也即 d sp 模块的设计。详细描述了 d s p 模块的硬件设计， 介绍了 软件的设计思路和流程图， 并对实际电路设计进行了 探 讨。 第五章为电路调试以及实验结果。 硕士论文墓于 璐p的被动毫米波成像信号处理器研究 2二维扫描毫米波辐射计成像系统 被动毫米波成像技术是通过毫米波辐射计接收物体及背景的热辐射能量，并形 成 相 应的 辐 射 特 性图 像 来 探 测目 标【12) . 当 探 测 视 场 中目 标 与 背 景 的 亮 度 温 度 不 同 时 ， 成像结果能反映出视场中各个物体的亮度温度差以及辐射能力差异。 本章将从毫米波辐射理论入手， 对二维扫描毫米波辐射成像系统 进行描 述， 并 讨 论 和研究了天线扫描和数据采样， 然后提出了毫 米波辐射成像信号处理器的总体方 案。 2 . 1 毫米波辐射成像基础 在一定温度下任何物体都会向 外界 辐射电 磁能量 113 1 。当电 磁辐射入射到物体时， 会 产生反射、 散射、 透射和吸收 等现象。 不同的 物体其辐射、 反射和散射电磁 波的 特 性也不同。 被动毫米波成像探测就是利用接收物体在毫米波段辐射的能量来探测和识 别各种不同的物体。 2 . 1 . 1 黑 体辐射理论114 1 从能量守恒的观点看，物体入射的能量应等于被反射和被吸收的辐射能量之和。 绝 对黑体， 是指能 够吸收 任何频率的所有的辐射而没有反 射的 完全不透明的 物体， 黑 体是 一个完全的吸收体， 同时它也 是一个完全的发射体。 自 然界中， 黑 体是 不存在的， 它是一 个理想的物体， 实际的物体 一般都是“ 灰体 ” ， 它们除了 吸收 外面的 辐射外同 时 也反射一部分辐射. 1 9 01年， 普朗克根据他的量子假设， 推导出黑体辐射的出射率的表达式，即普朗 克 黑 体 辐 射 公 式 根 据 黑 体 辐 射 的 出 射 率 与 其 亮 度 的 关 系 ， 得 到 黑 体 的 谱 亮 度乌为 : 。_ z hf ， ， 1 竹 一 7一 7否 二 )， ( 2. 1 ) 式 中 ， b f 为 黑 体 谱 亮 度 ， 甲 m 一sr 一 ， . 价一， ， h 为普朗克常数，6. 63、 10 .34 j ， f 为频率，价 ， k 为 玻 耳 兹 曼 常 数 1 .38、 1 。 一 jk一 ， ， t为绝对温度，k， c 为 光 速3 x l o ， m . 5 一 ， . 作 为 频 率函 数的 马曲 线 族 可 表 示 为 如 图 2 . 1 . 1 所 示: 硕士论文 荃于 dsp 的被动毫米波成像信号处理器研究 产妒 砂砂 t知t、里乡 产产声 介.川 口 行 ，妇目 图 2 . 1 . 1普朗克 辐射定律曲 线 从图2 . 1 . 1 中不难知道，随着温度的增加，黑体的谱亮度曲线总体水平上升， 并 且马的 最 大 值也 随 着 温度 的 增 加 而 增 加 。 在毫米波频 段以 下区 域， 即丫kt ，式 ( 2 . 1) 可以采用瑞利一琼斯定律公式 近似，即: 一zh尸 kt 万 ， = . 二 一 = jc hf 邺 才 ( 2 . 2 ) 对于室温下的黑体，当f2.s ki 云 2 . 2 . 2扫描分析 在被动毫米波成像中， 天线扫描可以采用机械扫描和电扫描两种方式。 与电扫描 相比， 机械扫描在获取信号过程中需花费一定时间， 所以很难实现实时成像， 换句话 说机械扫描成像是通过牺牲时间来换取空间分辨率。 但它的最大优点就是利用少量的 接收通道来实 现成像， 因此成本相对较低。 而且它结构简单， 技术成热。 所以 本系统 采用机械扫描的方式。 本系统用于人体隐匿武器的探测，是近距离成像，所以系统采用二维平面扫描， 它能够满足视域的要求， 井且和方位、 俯仰扫描的方式相比 可以 减小成像的几何误差。 如图2. 2. 2 所示，为二维平面弓 字形扫描方式。 . . . ，. . . . 二 图2. 2. 2 成像扫描方式 硕士论文基于璐p 的被动毫米波成像信号处理器研究 在这种扫描方式下， 成像辐射计安装在扫描架上 波束照射到成像场景的投影为圆形，如图2. 2. 3 。 . ， 对被测场景垂直照射。 则天线 图2. 2. 3 波束投影示意图 则由几何关系可得: r = l tg ( 凡 召 / 2) 山才 =z r 式中: 凡 ， 为3 db波束宽 度，r 为 波束 投影半 径，叼为空间 分辨率. ( 2 . 2 2 ) ( 2 . 23 ) 2 . 2 . 3 驻留时间、 采样步长与采样速率 2 . 2 . 3 . 1驻留时间 驻留时间是指天线波束扫过一个波束宽度所需要的时间， 它和天线的扫描速度有 关，公式为: 一 竺( 2 .2 4 ) 赵 式中 :“为 波束 宽 度( 即 空间 分 辨 率) :为 驻留 时 间 ;u 为 扫描 速 度m ls。 对于辐射计来说， 系统积分时间越长则相对灵敏度越高， 但对于快变信号反应时 间 也相对越长， 也就是说对于扫描成像系统， 若积分时间比 驻留时间 还长， 则对于物 理空间分辨率内的不同物体会产生“ 拖尾” 现象， 即 对不同辐射特性的物体在空间分 辨率内 系 统响应不过 来， 若 要能 很好地响 应则要求丁 。因 此， 从辐射计测量分 辨 力 的 观 点 出 发 ， 希 望 r 尽 可 能 长， 而 从 空 间 分 辨 力 的 观 点 出 发， 希 望: : 。 因 此 ， 对于扫描速度和积分时间， 应折衷考虑。 1 2 硕士论文墓于璐p 的被动毫米波成像信号处理器研究 2 . 2 . 3 . 2采样步长 由于辐射计输出信号都要经过模数转换变成数字信号后再进行相应处理， 因此数 据采样率的选择显得很重要， 采样率过低会丢失信息， 不能完整地复原信号; 数据采 样率过高，会导致过采样，造成数据冗余，增加后期数据处理和图像恢复的难度. 对于毫米波辐射计扫描成像系统， 待测物体的空间分布通过天线扫描速率可以变 换为待测信号的时间分布， 这种空间与时间的互换性， 导致了天线功率方向图的空间 频率低通滤波效应可以变换为待测信号的时间频率低通滤波效应. 从这个角度看， 天 线的空间低通滤波和辐射计积分器的时间频率滤波对待测信号的高频分量的抑制是 等 效 的 11: . 如图 2. 2. 4( a )为理想天线的归一化功率方向图: f ( 仍 .心 _ 、 下 i s m( 仃)1 :l一 一 一卫 二 !尼，! !仃1 l几 ( 2 . 2 5 ) 式中，d一天线口面尺寸;又 一辐射计工作波长。 一 2 4 l d 一 4 l d04 l d双1 刀一 侧龙。d14 ( 口) 图2 .2 .4( b ) 归一化功率方向图( b )空间频 谱函数 图 2. 2. 4 理想天线归一化功率方向图 表示的是式 ( 2. 2 5) 的 傅利叶变换， 即天线方向图的空间频谱函数: h( 刀 . “ _ d lj1 5代 丁 几 其他 ( 2 .2 6 ) 洲月 又-d - 了.、 几-do !月，il - _ ，_ 、 。 ， ， 、 ，。 、. ， 、 ，d 共甲， 大软阴至1 明恢 通倾止拟平刀二 几 ， 则 根据奈 奎斯特采 样定 理， 采 样速率人 应满足: 硕士论文基于璐p 的被动毫米波成像信号处理器研究 2 d 人 之 于 ( 2 . 2 7 ) 式中，d为天线口面尺寸，又 为辐射计工作波长。二 。 . _ _又 出 饥， =1 。 名 艺 一d ，则系统的空间采 样间隔6. 应为: 。1久_ 1 . 气 = 页 “ 丽“ 互 石 姚 ( 2 . 2 8 ) 则 一 个 波束内 采样点 数必 须 大于 3 个， 才能 将 空间 频 率f d / 兄 的 亮温 分 布的 信 号特征完全采集到， 此时从离散采样数据中恢复的亮温分布的天线最高空间分辨率为 1 倍天线半功率波束宽度， 当空间分辨率为1 . 1 倍天线半功率波束宽度时， 采样间隔应为 0. 4 倍 的 驻 留 时 间 1 ， 气 2 . 2 . 3 . 3采样速率及采样精度 由 文 献 1 4 和 表2 .2.1 可知 辐 射计 输出 为 直流 低 频 信号， 所以 采 样 速率 主 要 从 运 动因素方面进行考虑。 设 天 线 在一 个 采 样步 长 停留 的 时 间 为r : : ( 2 .2 9 ) 式中， l 为 采 样步 长 ， u 为 扫 描 速 率。 则 必 须在几时 间 内 完 成 数 据的 采 样， 否 则 采 得 的 数 值 将 不能 表 示 这 个 采 样点 的 真 实 情 况， 即 采 样时 间t l/ 几， 在 实 际 中 ， 我 们一 般 要 求p 之 2 行 : . 辐 射 计 的 输出 电 压 和 天 线 温 度 近 似 成线 性关 系 113 】 ， 对于 本 系 统w波 段 辐 射计 实 测对应关系为:1k对应电压约为50m 犷。 由 表2. 2 . 1 辐射计灵敏度为0. 4 k， 对应电 压 约为z o m v，也即数据采样分辨率最低为20m v。 在0 s v 范围内a j d采样精度为 8 位时的分辨率为5 瓜 5 余19m 犷，所以至少需要8 位采样精度;对于图像数据一般采 用2 5 6 级灰度表示，因此8 位a d c即可满足要求。 2 . 2 . 3 . 4参数确定 综上所述， 天线扫描速度与采样时间及驻留时间是相关联的， 速度变慢则采样时 间 变长 ， 采 样 频率 变 低; 当 天 线 扫 描 速 度 一 定 时， 天 线驻留 时 间 也 就一 定。 改 变 一 个波束内的采样点数，则采样步长随之改变，通过加密采样的方法来提高图 像质量， 实 质上是通过改变加密点 数来改 变数据的空间采样频率， 所以 合理地选取扫描速度以 及采样步长可以有效提高图像质量。 对于本系统， 考虑到天线扫描过快会加剧辐射计的抖动， 从而影响成像质量， 所 以选取:u = 0 . 1 衍/ 5 ;l = 0 .2 5 叼 . 则参数如表2. 2 . 1 。 硕士论文基于璐p 的被动毫米波成像信号处理器研究 表2. 2. 1参数选取 工作波 长 之 天线孔径 d 3 d b波 束宽度 夕( 0 ) 距离 r 空间分辨 率 d 采样 步长 l 驻留 时间几 单点 采样率 p 转换 精度 ( 位) 3mm1 5 0 加脚 1 ， 5 0 l 加2.印 c 用0 . 7 8c 劝 月2 60 功5 2 . 5 六 了 众 8 2功5 . 2 0 c 房lsc 阴52 0 刀 甘 1 . 2 5 尤矛 众 8 2 . 3被动毫米波成像处理器 2 . 3 . 1处理器要求及总体方案 由 于系统采用二维机械扫描的成像方式，成像速度较慢，所以d s p的处理速度 选取不是本处理器设计的讨论重点。被动毫米波成像处理器要求功能可总结如下: ( 1) 控制扫描伺服器实现成像扫描; ( 2 ) 对0 s v的直流电平进行采集， 采样率大于2. 5 k 石 压 ; ( 3 ) 保存和处理 s l z x s l z x 8 b i t 的图像数据; ( 4 ) 与pc 机进行通信和数据传输， 本设计对信号采样率和采样精度的 要求不是很高，因此选用带 a 了 d的单片机来 完成扫描控制和信号采集，由d s p 来完成数据的处理，利用c p l d来协调d s p与外 围器件的逻辑时序。图2. 3 . 1 为处理器总体框图。 图2 3.1 系统总体框图 硕士论文 墓于dsp 的被动毫米波成像信号处理器研究 系统工作流程:由单片机控制扫描伺服器驱动成像扫描， 同时控制其内部人 d转 换器在到达采样点后对辐射计输出信号进行采样，数字化后的数据实时传输给d s p ; 在可编程时序逻辑电路的 协调下， d s p 把单片机传输来的数据存入存储器， 完成一帧 图像采集后， 由d s p 分析采样得到的数据， 并对其进行信号处理， 输出 给pc 机从而 实现设计所需要达到的功能。 其中s r a m用于程序的执行和数据的暂存， f l 八 s h用 于存储程序、初始化数据及最终结果的存放。 2 . 3 . 2器样选择 在确定了信号处理器的要求和基本框架后， 要实现其功能， 首要的问题就是对使 用器件和芯片的选择，下面将对该内 容进行讨论，以 便后续章节的阐述。 2 . 3 . 2 . idsp 的选择 目 前， d s p 芯片厂商有n 旧 c 、 a d 、 m o t o r o la、 n等公司11 91 ， 最成功的d s p 芯片当数美国德州仪器公司 ( 介x ashi st ru in e d ts ， 简称n)的系列产品。 n公司将常 用的 d s p芯片归纳为三大系列，它们是:i ms 3 20cz0 00、t ms 320c5 00o 、 t ms 犯oc6000系列。 t ms 3 2 0 c 2 0()0 是作控制用的最佳d s p ，可替代老的c lx和c z x ，主要应用于电 机控制等领域， 价格4 18美元。 t ms320c 5 0 00 低功耗高性能d s p ， 16位定点， 特别适用于手持通讯产品， 如手 机、 p d a 、 gps 等。目 前的处理 速度80一 4 00m ip s 。 c s ooo 系列主要分为c 54双和 c 55联两个系列。c 5000包含的主要外设有m c b s p同步串口， h p i 并行接口，定时 器， d h 1 a等。其中 c 55x x提供 e m if 外部存储器扩展接口，允许用户直接使用 s d r a m、 s b s r a m、 s r a m、 e p r o m等各种存储器。 而c 5 4 拟并不提供e m if， 所 以 只能直接使用静态存储器5 裂 叭 m和e p r o m。 c 5 0 00系列一般都提供p ge 封装， 便于p c b板的制作，价格5 75美元. t ms 3 2 0c6 0 00 综合了目 前d s p的所有优点， 具有最佳的性价比和低功耗， 目前 处 理速度从8 00一 2 4 00h 们 卫 5 。 主要用于无线基站、 数字音频广播设备、 医学图 像处理、 语音识别、 3 d图形等，价格212 33美元。 如今， n公司成为世界上缓大的d sp芯片供应商， 其d sp市场份额占 全世界份 额近50%，约占国内市场份额的90%。 本系统选用n公司的产品， 在器件购买、 更新换代等方面都会带来很大的方便. 本研究中考虑到算法实现、系统改进、价格、功耗和开发工具等因素，选用 t ms 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为核心处理器。 t ms 3 2 0 v c 5 4 02是n公司t m s 3 2 0 v c 5 4x 系列的d s p芯片，主要是为实现低 功耗、 高性能而专门 设计的定点d s p芯片。 它采用改进的哈佛结构， 具有高度的 操 1 6 硕士论文 基于璐p 的被动毫米波 成像信号处理器研究 作灵活 性和运行速度， 适应于远程通信等实时 嵌入式应用的需要， 现己 广泛的 应用于 无线电通信系统中。 t m s 3 2 0vc 5 4 o z 的主要特点如下1 1 1 : ( 1)操作速率达 100 mips : (2)具有先 进的多总线结构， 通 过一组程序总 线、 3 组数据总线和4 组地址 总线来 实现: ( 3 ) 4 0 位算术逻辑单元 a l u，包括 1 个40 位桶形移位寄存器和 2 个独立的4 0位 累加器 ( a c c a和 a c c b ) ; (4) 17x17 位并行乘法 器，与40位专用加 法器相连， 可用于 进行非流水线的单周 期乘法一累加 ( m峨 c)运算; ( 5 ) 配有 两个地址生成器， 包括 8 个辅 助寄 存器和 2 个辅助寄 存器算术运算单元 ( ar au) : (6) 内 置4k 的r o m 和1 6 k的r a m， 可访问最 大存储空间为i m字的程序存储 器、 64 千字的数据存储器以 及64千字的u o空间; (7)单指令重复或指令块重复功能， 程 序空间和数据空间的数据块 移动指令， 运算 指令和存储指令并行执行，软件堆栈; ( 8)内置可编程等待发生器，锁相环 ( p l l )时钟产生器，两个多通道缓冲串口， 一个与外部处理器通信的8 位并行 hl， i 口， 两个 16位定时器以及 6 通道d ma 控制器: (9) 低 功耗， 工作电 源3 犷 和 1 8 v ( 内核) ， 具有多种节电 模式; ( 1 0 ) 性 价比 极高， 属于廉价型d s p ，目 标价格为每片5 美元. 2 . 3 . 2 . zcpld 的选择 c p l d是c o m p l exp r o ， 冠 m m a b l e logi c d e v i ce ( 复杂可编程逻辑器件) 的 缩写， 是一种可编程逻辑器件，它可以在 制造完成 后由 用户根据自己 的需要定义其逻辑功 能。 目 前， c p l d 芯片厂商 有l 尤 汀i c e 、 x il 环 以、 a 日 飞 r a 、 a c tel 等公司， 其中 a 口 飞 r a 多年来一 直占据着行业领先的 地位， 并且其在中国 的推广最为有效。 a 曰 飞 r a 相 继 推 出 的 epld【20( e n ” 泊 b le p r o 乎 斑 肚 da b l e 劫gi c d e v ice ) 产 品 六 种系 列 分 别为c l as s i c ， m a x 5 o 0()， 州 叭 x 6 0 00， m a x 7 0 0 0 ， m 峨 x 9 o 00，f las h l o gi c 。 它们采 用积一 和( sum 一 。 f 一 p r o d u c ts ) 结构， 主要用于 组合逻辑设计， 逻辑密度可以从1 50 个 使用门 到1 2 0 00个使用门， 有20到216 个引 脚。 这些器 件从不同的 结构、 工艺以及存储 技术上满足了各种设计的要求。 ma x 7000系列21 是alteta 公司1 992 年来推出的高 密度器件， 它结合了 f p g a 器件 l 7 硕士论文 基于璐p的被动毫米波成像信号处理器研究 高 密 度 的 优点 . 使 用 l u t( look- u 卜 tabl e ) 查寻 表 结 构 ，逻 辑 密 度 量 可 达 到 6 00 50 00 个使用门; 用户可使用的引 脚数从36到1 64个; 引 脚到引 脚的逻辑延时为s ns ， 计 数器 工作频 率为1 78.6 五 分 众;可编程 功率节省模式， 使每个宏单元的功耗降低到5 0 % 或更 低: 可 配置的 扩展乘积项分配， 允 许向每个 宏单元提供多达32个乘积项， 适用于 有大 量寄存器的高密度系统设计。ma x7 000s具有高集成度，是m 诱 x7 0 00系列的增强型， 其通过工业标准4 引脚汀a g 接口实现可编程。 软 件方面月t 。 忿 公司提供了 可编程逻辑开发 软件m a x 十 p lu s n 和q 生 irt ” s n ， 它 们提供了一种与结构无关的设计环境， 开发者能方便地进行设计输入、 快速处理和器 件编程配置。 它们除了提供文本和波形等设计输入方式外， 还提供图形电路图形式地 输入方式，使开发者容易上手，有效的减少了系统开发周期。 从引脚数、速度、功耗、价格、开发工具、编程下载等多个方面进行考虑， 选用 t alt 。 傲公司 m a x 7 0() 0 s系列中的 e p m 7 1 2 8 s lc84一1 5 。该芯片采用 c m o s e e p r o m工艺，传输延迟仅为5 思 ;内部具有丰富的资源 1 28 个触发器、 2500 个用 户可编程门: 而且 具有68个用户 可编程的10 口 ， 为 系统定义输入、 输出 和双向口 提 供了 极大的方 便; 为了适合混 合电 压系统， 通过配置， 输入引脚可以 兼容3 . 3 v 15v 逻 辑电平，输出可以配置为3. 3 v15f逻辑电平输出。epm7128 同时还提供了 t a g接 口， 可进行is p 编程， 极大地方 便了 用户。 它采用p l c c 封装，更利于实际调 试。 2 . 3 2 . 3单片机的选择 本系统从处理速度、控 制能力、功能、性价比等 方面的因 素考虑， 选用八 丁 州 王 l 公司的八 丁 m e ga1 6l 单片 机。 声 丁 功 e gal6 l 是人 t 州 巴 l 公司生 产的基 于增强a 、 r班s c( r edu ce d li 巧 tl ” c t i ons et c p u ) 精简指令集结 构的 低功耗8 位 c m o s 微控制器。 人 v r采用了h aj 附 出 月结构， 具 有独立的 数据和程序总 线。 程序 存储器里的指 令通过一级流水线运行， c pu 在执 行一 条指令的同 时读取下一条 指令， 这个概念实现了指 令的 单时钟周期运行。 a t m e g a 16 l1 22 有 如 下 特点 : ( 1) 低功 耗: 运行在1 五 夕 石 肠 、 3 v 、 25o c 情况下， 工作电 流 视模式不同为 1 一l ro o ua; ( 2 ) 先 进的 ris c 结构:1 31条指 令， 大多数指令执行时间为单 个时 钟周期， 3 2 个8 位 通用工 作寄 存器， 工作于163 办 云时性能高 达16 m ip s ; ( 3) 丰富的片 上外围 模块: 包含有8 路10 位a 刃模拟比 较器， 硬件乘法器， 具有片内 振荡器的 可编 程看门 狗定时 器， 三个具有比 较 模式的 灵活的定时器/ 计数器， 一 个s pi串 行端口， 可 编程串 行u s a r t ， 32个可实 现方向 设置及中断功能的并行输 入、输出端口 等; (4)方便高效的开发方式和存储方式: 拥有16k 字节fla s h 存储器，i k 字节的r a m 硕士论文基于dsp的被动奄米波成像信号处理器研究 存储器和512 字节的片内e e p r o m， 能提供充分的程序与数据存储空间而无需外 围扩展存储器。其中片内isp flas h 允许程序存储器通也 s p 串行接口进行程序下 载， 或者通 用编程器进行编程， 也可以 通过运行于a v r内核之中的引导 程序进 行编程。 2 ， 3 . 2 . 4存储器的选择 根据系统要求， 需存储并处理5 1 2 x51 2 x g bi t 的 数据， 存储器必须大于256kx8b ito 在存储器中 s r 人 m 速度快、操作简单用来做原始图像数据的存储及处理，保证了整 个系统高速地运行; 而同样有非易失性的f l a s h与 epr o m 相比具有更高的性价比， 而且它的体积小， 功耗低， 可电 擦写， 使用比 较方便， 用它 来存储固定 数据和预处理 后的图像数据是最佳选择. 综合芯片存储空间大小、价格 及购买 难易 度等因素 考虑， s r a m选用c ypr 卫 5 5 公司的c y 7 c 1 04l v 3 3( 2 5 6 kx l 6 b it ) 2 片， 存储速度为 1 5 ns ; f l a s h选用 s s t公 司的s s t 3 9 v f 8 0 0 a( slzkxl6bit ) 1 片， 其读取数度为70朋， 有三种 擦除方 式可选。 2 . 3 . 2 . 5申口 通信芯片的选择 串口通信芯片选用 ma 例 i m公司的m 叭 叉 3 1 l l eo m 尤 心n 1 e 四是 m 人 xi m 公 司专门 为 小型 微处理器 系统进 行最优 化设计的 u a 卫 j，它包括 u a r t与 rs 一2 32 两个独立部分。其中，u a r t部分包括兼容 s pi 的串行 接口、 可编程波特率 发生器、 发送缓 冲器及发送移位寄存器、 接收 缓冲器 及接 收移位寄 存器、 8字节接收 f if o以 及有四 种可屏蔽中断源的中 断产生器。 rs 一 2 32 部分包括自带电容的电泵，以及可由s h d n # 对其进行硬件关断。与 m 流 x d 诬的其它 产品一样， m 叭 x 3 1 l l e同样具有e s d保 护结构， 可 对产生的静电 起强大的 保护作用， 其抗静电能力 达土 1 5 kv ， 并可 适应各种e s d 情况， 如正常操作、 关断 模式 和断电等。 m a 另 3 1 l l e应用 s p i 瓜 赶 c r o w 田接口 技术直接与主控制器进行通 信，线路简 单、体积小，通信速率可达 230 k b l 确.它还拥有两个 rs 一2 32 电平转换器，这样就 无需再接入普通的ma x 及 3 2 进行电平转换， 即可应用一个芯片实现微控器与p c机或 其它设备之间的异步数据传输。并且 m a 叉 3 1 l l e是 3. 3 v供电，可以直接与 t ms 3 20v c 5402 连接，而不需要加任何电平转换，使接口电路变的更加简单. 2 . 3 . 3成 像处理器功能 ( 1) 能 控制成像扫描。 ( 2 ) 能 采集辐射计输出 模拟信号。 ( 3) 可以 独立脱机完成图 像采集、图 像储存 及图 像预处理。 ( 4 )可以通过串行口与 p c交换数据。 硕士论文基于仍p 的被动毫米波成像信号处理器研究 2 . 3 . 4成像处理器主要技术指标 ( 0 具备1 0bit 的转换精度; (2) 具备10 bi t 精度下15k 石 全 的信号采样能力: ( 3 )可采集信号范围0 5 犷; (4)具备100 再 刀 云信号处理能力; ( 5 )能处理最大slzk xl6b it 的数据; (6)非易失存储器可同时存储4so k xl6 b it 的图 像数据; (7) 高达2 30kb眺 的串 行数据交换能力. 2 . 3 . 5成像处理器硬件布局结构 整个被动毫米波成像处理器的功能由一个大小为200 丽 xi25。 的双层印制电 路板来实现. 硬件布局结构示意图如图2. 3. 2 所示。 阅 卜 - 一一-2 0 0 . .- 妇 - - - - ， 司 一 数字电路部分 l一一一 125曰曰.一.， rs 2 32 摇 盆 月 相单片抓 咫 一2 3 2 九芯插座 图2. 3. 2成像处理器的 硬件布局结构示愈图 硕士论文基于dsp 的被动 毫米波成像信号处理器研究 3扫描控制与信号采集电路实现 被动毫米波成像处理器主要可以分为两个功能模块，扫描控制与信号采集模块 和数据处理与通信模块，从硬件电路的角度来看，即分成单片机单元和d 舒 单元。 本章将详细讨论扫描控制与信号采集电路的设计。 3 ， 1硬件实现 尽管d s p 的运算功能十分强大， 但它的 控制功能却相对较弱，相比 而言 单片 机具有 十分强大的 控制功能。 单片机是把组成微型计算机的各个功能部件: 中央处理器c p u 、 随机存储器r a m、 只读存储器r o m、 f o接口电路、 定时器/ 计数器以及串行通信接 口等部件集成在一块芯片中， 构成一个完整的微型计算机。 它的结构与功能都是按照 工业控制要求设计的。 为了尽量使用于扫描控制及信号采集的电路简单、稳定，本电路选用单片机 八 t m e ga1 6l作为 扫描控制与 信号 采集的 核 心 芯片。 在本系统中，天线扫描由 扫描伺服器直 接控制， 八 t m e gal6 l通过控制扫描伺服 器来达到间接控制天线扫描的目的。 单片机对扫描伺服器的控制是通过串口 通信来实 现的。 辐射计 信号的 采集则是通 过a r n l e g al 6 l 内 部的a l l 转换 器来实 现的。 如图3. 1. 1 是扫描伺服器控制和信号采 集电 路的实现框图，下面将分别对这两个 功能电路实现进行描述。 图3 ， 1 1 扫描伺服器控制和信号采集电 路框图 硕 士 论文基于dsp的被动毫米波成像信号处理器研究 3 . 1 . 1 扫描伺服器控制电路 单片 机通过串口 对扫描伺服器进行 控制。 扫描伺服器的串行接口 为 rs 一 2 32 接 口 ， 而盯也 e g a 16l 为u a r t口， 所以 必须 进行电 平转换。 本设计中 选用ma x 卫 功公 司的常用串口电平转换芯片 ma x 2 02，其接口连接如图 3 . 1 . 2. 图11 之n m 山 二 0 2接口连接图 3 . 1 . 2数据采集电路 灯m e g a l6 l 内 部 具 有10位a d c ， 0. s l s b 的 非 线 性 度 ， 土 z l s b 的 绝 对 精 度 ， 最 高分 辨率时采样率高达巧句拙 。 本设计利用单片机内 部八 d c对辐射计输出 信号进行 采样. 为了防止单片 机初始化时对 辐射计产生干扰， 在辐射计输出 和单片机之间加入 了电压跟随电路，如图3. 1 . 3 所示。 图3 . 1 3电压跟随电路 硕士论文墓于飞p 的被动毫米 波成像信号处理器研究 当 辐 射计 输出 为 负 时， 电 压 跟随 器 输出 为 接 近 电 源电 压服 ， 而吸 大 于s v ， 这 样就有可能会损坏单片机， 所以在电路输入端与地之间反接二极管， 则当输入为负时， 输出为o v，起到保护单片机的作用。 a d c 模块有一 个采样保持电路，8 路复 用的 单端输入通道，7 路差分 输入 通道， 0 一肠 的a d c 输入电 压 范围 ， 可 选 的2. 56 犷 a d c 参 考电 压 ， 通过自 动 触 发 中 断 源 来 启动 a d c转换。片内