（水声工程专业论文）基于ti系列高速dsp器件的信号处理机的设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文 一abs仃t a b s t r a c t w i t 量ln l ep r o g 陀s so fi n f o m l 撕o ns c i e n c ea n de l e c 奸o l l i ct e c h n o l o g y m ea i r b o m e d i p p i n gs o n a ri sb e c o m i n gm o r ed i 西t a l 锄di n t c l l e c t i l a l t h es i g n a lp m c 镐s i i l gs y s t 锄 i s t l l em o s ti m p o r t a mp a r ti nt h ew h o l es y s t c n l t ba d v 柚c et i 璩a _ b i l i 锣o fs i g n a l p r o c e s s i n gs y s t 锄o f as o n a r w ee x p l o i tan e ws i 弘a 1p r o c e s s i n gs y s t 锄w i t ht l l en e w d s po f t i a n di 协m a i l lc o n t 印t s 缸es u m m a r i z e da sf 0 1 l o w ： i t h ew o r 王cm o d eo f 粒t i v e 柚dp 勰s i v es o n 碣t h ec o n l a t i v e 廿l e o r yo f b e 锄f o h i l i n g ，d e t e c t i n g 锄do t h e r s 2 t om e c tm en e e do fn e ws y s t 锄，w ed i s c 璐s c dt h ef c 鹞i b i l i t ya n dn e c e s s i t yo f t l en e ws i 伊a lp r o c e s s i r 培s y s t e m w ba d v a n c e dt l l eb l u ep r i mo ft h en e ws i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e i l l 3 w i t hm ec h a r a c t e r i s t i co f n e wd s p w ep r o p o s e dm ed e s i 印p a n e mo f h a r d w a r c a n ds o m y a r c a n e rm er e a l i z a t i o no f t h en e ws i 弘a lp r o c e s s i n gs y s t e m ，w ed c b u g g e d t 1 1 es y s t e m 锄dt 1 1 er c s u hv a l i d a t e do u r d e s i 印p a t t e 呜u s e 趣1 k e y w o r d s ：a i r b o m ed i p p i n g n 碣s i 鲰a lp m c e s s i n gs y s t c m ，d s p ；，b e 锄向删i n g 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 工程应用背景 第一章绪论 声纳这个词是由英文“s o n a r ”一词的译音而来，它是英文“s o u n dn a v i g a t i o n a n dr a n g i n g ”( 声波的导航和测距) 的缩写词。今天，声纳这个词的含义也已超 出了原来的意义，凡属对水中目标进行探测、定位、跟踪、识别、制导、通讯、 射击指挥、测速和对抗的方面的水声设备，皆属声纳设备的范畴。 声纳的发展，按最早的文献记载，至今已有近五百年的历史了。1 4 9 0 年( 即 哥伦布发现美洲大陆的前二年) ，意大利工程师达文西( l e o n a r d od a v i n e i ) 在 其一本笔记中写道：“如果使本船停航，将两端开口的长管的一端从船上插入水 中，而另一端置在耳边，则能听到远处的航船声”。这是被动式声纳极其简单的 雏形，它只能听到目标噪声而不能提供目标方位，并且由于空气和水的声学特性 不匹配，所以它也是不够灵敏的。然而这种极简单的长管式听音方法一直持续了 四百多年，直到第一次世界大战时还广为应用，当时，其不同之处只是又增添了 一根长管，变成双耳双管式，这样也就能够粗略确定目标方位了。从十九世纪四 十年代开始，一些物理学家对电声转换的换能效应问题做了很多研究工作，这样 慢慢开创了现代声纳的雏形。进入二十世纪，开始出现了声纳的实际应用。1 9 0 0 年，出现了船舶导航用的潜水钟，用于在困难航行条件下( 夜间或雾天) 保障船 舶安全航行。1 9 1 0 年，首次出现了简单的水声通信机，它采用水中汽笛作为发 射器，采用碳粒微音器作接收器，供两船间的水下通信用。 声纳设备在船上的初期使用，只是为了船舶在不良航海条件下保障航行安全 和寻找遇险沉没船只等的民用目的。在第一次世界大战中出现了潜艇，从而也就 开始了声纳设备在军事上的使用。1 9 1 4 年第一次世界大战爆发，促使了一系列 军用声纳的发展。在法国，法国物理学家朗兹万( p a u ll a n g e v i a ) 和俄国电气 工程师契洛夫斯基二人合作，采用静电电容发射器和置在凹面发射器焦点上的碳 粒微音器做实验，尽管发射器使用高电压存有漏电和击穿的缺点，但是到了1 9 1 6 年他们接收到了海底回波和2 0 0 米远处的一块装甲板的回波，这是近代主动式声 纳的基础。到1 9 1 7 年，朗兹万转向研究压电效应，用石英加钢夹心的换能器取 代电容发射器，工作频率为1 8 2 0 k h z ，这可以算是电子学在声纳中的首次应用 西北工业大学硕七学位论文第一章绪论 了。到1 9 1 8 年，朗兹万使用这种设备接收到了潜艇的回波，最远可达1 5 0 0 米， 这是比较完善的主动式声纳的问世。 第一次世界大战结束后，声纳在实际应用方面的工作继续地向前进展，但声 在海中传播理论和实验等方面的工作尚未有人注意到。随后不久就出现了船舶用 的回声测深仪的实际应用。截至第二次世界大战爆发前夕，在声纳发展中的一个 较大成就就是人们对声波在海中传播途径的认识。 第二次世界大战爆发，开创了声纳发展的新时期。在第二次世界大战中，潜 艇在海战中的作用远比第一次世界大战时提高了，它已成为威胁严重的海军武器 之一。为对付潜艇，在海上战争中出现了反潜战，为实施反潜战首先要发现潜艇， 从而使声纳成为当时反潜舰艇的不可缺少的耳目。第二次世界大战中使用的声纳 与今天的声纳相比较，当然在技术与性能上皆属落后陈旧的，但它在当时来看已 成为能适用于战术要求的声纳了。也就是满足了当时的反潜武器的要求( 当时的 反潜武器是普通鱼雷和深水炸弹) 。 第二次世界大战后，声纳的发展速度空前增高。其原因是多方面的，由于战 后出现了载有导弹武器的高速核动力潜艇，反潜问题得到了重视，大力发展探潜 设备。另一方面是电子技术飞跃发展，使声纳发展在技术上的实现成为可能。 二次大战后至今的将近六十年的过程中，声纳在发展上出现了新面貌，各种 各样新式的声纳也浮出了水面。本文主要研究的就是其中的一种吊放声纳。 吊放声纳起源于本世纪的4 0 年代末的美国。第一个作为军用设备的是美国 的a n a s 一1 型吊放声纳，经过几十年的发展，同其他电子设备一样，吊放声纳也 经历了巨大的技术变革，性能得到不断完善和提高。目前，世界各国海军已装备 和研制几十种型号的吊放声纳，它已成为航空探潜的主要设备，它之所以得到如 此快速的发展，是它具有如下的特点： 1 机动灵活，搜索速度快。吊放声纳安装在反潜直升机上，通常直升机的 航速可达1 5 0 于米小时，比一般的水面舰艇和高速潜艇要快5 到l o 倍，所以它 可以在一定的范围内进行高速搜索，如果是多架直升机进行联合搜索，可在很大 范围内实现全面反潜探测。 2 工作环境低噪声。吊放声纳受载体噪声的影响远比舰载声纳低，虽然它 的基阵尺寸较小，但还是可以获得较大作用距离。 3 探测深度可变，可以充分利用良好的水文条件。吊放声纳可以利用它的 几百米的电缆，根据水下分机在下放过程中测得的温度随深度的变化曲线，选择 其最佳的工作深度，从而使声纳的性能得以充分发挥。 4 精度高。目前，国内外的吊放声纳都已经能够达到较高的精度。 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 5 多种工作方式。吊放声纳具有回音( 主动) ，噪声( 被动) 工作方式， 因而可完成对静止和运动目标的探测、定位和测速；此外，吊放声纳也具有水声 通信工作方式，可用于通信联络和敌我识别，这对于有潜艇参加的协同训练和作 战更显重要。 6 体积小，重量轻，操作方便。吊放声纳的重量一般在2 5 0 k g 左右，体积 小，可装备多种型号的反潜直升机。而且容易操作，便于声纳员掌握。 吊放声纳发展到今天，已有几十个国家的海军装备，其型号也多种多样，但 大体有两种形式：一是独立声纳，即集探测、处理、显示于一体，如法国的h s 1 2 型；另一种是综合声纳，由水下分机探测的信号，送到综合处理和显示系统，如 法国的h s 3 1 2 s 吊放声纳和浮标系统、美国的l a m p s 一系统和英国的h i s o s i 系统等。后一种吊放声纳形式是目前和今后发展的重点和趋势。 正是由于吊放声纳的重要性，我国也在其上投入了大量的人力、财力，也取 得了一定的成果，其中就包括本中心的某型声纳。但是由于研制时间较早，虽然 现在某型声纳仍能满足实际的需要，但是其中很多的部件已经不再生产，给它的 生产维修造成了许多困难，其中尤以信号处理机为最。 信号处理机是吊放声纳的重要组成部分。它的主要任务是处理来自接口分机 的数据，然后对目标进行检测并确定目标信息，并要传送给显控分机作为判定信 息等等。它一般包括接口电路、主波束处理板、半波束处理板以及音频板等几个 部分，不同的部分有着不同的功能，起着不同的作用，各个部分相互独立又是一 个有机的整体。作为声纳系统中最核心的部分，信号处理机不光要能准确的接收 信息，并要对信息进行快速、正确的处理，要进行主波束形成及子波束形成，能 判断方向，而且还要能完成监听工作的处理，工作量是非常巨大的，尤其是现在 很多新的技术、方法更是要求信号处理机要有非常强的运算能力。a 型声纳的信 号处理机是很早以前的产品，采用的是t m s 3 2 0 c 2 5 及t m s 2 3 1 0 等芯片，在以前的 任务中，它很好的完成了设计目标。但是随着年代的久远，尤其是近几年水声技 术的高速发展，老式的信号处理机的探潜效能越来越不令人满意，首先， t m s 3 2 0 c 2 5 及t m s 2 3 1 0 等芯片的低速度、小容量、大体积，导致了很多新的技术， 新的方法不能应用或者说没有能力、没有空间去运算这些新的技术或方法；其次， 新型材料的使用以及很多高新技术的应用使得现代潜艇的噪声大大降低，没有应 用新方法、新技术的信号处理机的探潜能力大大降低；再次，老式信号处理机可 靠性差，它所使用的一些元器件，现在市场上已经难以购买到或者已经被替代了， 这就给它的维护、生产造成了很大的困难。为了应付更加艰巨的任务，也为了提 高探潜的效能，在进行了详细、周密的论证后，我们开始了新的信号处理机的研 3 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 制。 1 2 论文的主要工作及结构安排 1 2 1 研究内容 信号处理机作为工程的一个产品，有着严格的要求，也有其详细的总体性能 指标，信号处理机的设计要求要完成1 2 路声数据的处理，例如主波束形成、半 波束形成、主动处理、被动处理等等；要能响应显控台的各种命令信息，并为其 提供所需要的数据和参数；要完成与接口分机和显控分机的数据通信；而且要在 近可能的条件下，为将来的系统升级留下足够的余度。根据其提出的要求，本文 逐个进行了满足。 1 ) 首先，对信号处理机中算法的理论以及工作原理进行了研究，包括声纳 的工作原理，波束形成技术以及检测技术，并根据a 型声纳的特点，对于圆柱阵 的波束形成进行了研究，并在此基础上，进行了大量的仿真，实现了波束形成、 主动f m 、c w 检测、被动累积检波等等算法的软件实现； 2 ) 在理论研究的基础上，根据提出的总体要求对d s p 芯片进行了选择，最 终选择的t i 的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 芯片，并验证了新的信号处理机的实时性及可行性； 在此基础上，给出了硬件的设计方案，包括接口电路、主控处理板、主波束处理 板以及半波束处理板。 3 ) 在硬件平台搭建完毕的同时，对信号处理机的软件进行了设计，利用t i 的开发工具c c s ，完成了主控处理板、主波束处理板以及半波束处理板的软件设 计。由于采用了硬件任务分布处理和软件任务分配相结合的设计方法，使信号处 理机的设计时间大大缩短，由于硬件和软件分别设计，也为将来的系统升级带来 了便利，不会因为一方面升级而影响另外一方面 4 ) 在完成软件设计的同时，软件的调试也已经展开了；在对软件调试完毕 后，修正了其中的错误，然后整个系统进行了联调，并分别对系统的主要功能进 行了调试，经过调试，可以发现，所设计的信号处理机已经完成了预定的设计目 标。， 1 2 2 结构安排 第一章为绪论，介绍了本论文的工程应用背景以及所要研究的丰要内容，是 4 西北工业大学硕+ 学位论文 第一章绪论 全文的概括。 第二章介绍了声纳信号处理机设计的基础，首先介绍了声纳的工作方式，然 后介绍了信号处理中所需要的波束形成技术、检测技术( 包括测向以及测距技 术) ，并做了完善的仿真。 第三章是论文工作的核心，首先提出了系统的主要功能及技术要求，在介绍 了常规d s p 设计之后，通过对比分析对d s p 芯片进行了选择，然后对于可行性、实 时性以及计算量进行了预估评测，在认为可行的情况下，才对系统的硬件进行搭 建，分别介绍了硬件系统的四大部分的设计，分别是接口电路、主控处理板、主、 半波束处理板。 第四章首先介绍了d s p 设计所使用的软件平台c c s ，然后在此基础上分别 给出了信号处理机三大板块的主要软件设计方法，并给出了部分程序。 第五章也是本文的重点工作，它介绍了系统的调试方法以及调试情况，先提 出了调试的要求和目的，然后分别对软件以及硬件进行了调试，检验系统是否可 以达到实际的使用要求，并验证了系统设计的成果。 第六章为全文的总结，对于工作中所出现的问题以及所取得的成果进行了总 结，为今后工作的开展奠定了基础。 茜北工业大学硕士学位论文 第二章系统设计理论基础 第二章系统设计基础 声纳系统涉及到水声学、电子学、材料学等多方面的知识。要想设计一台声 纳的信号处理机，就必须对声纳相关的理论非常了解，一台声纳，包括波束的形 成技术、测向技术以及检测技术，当然还包括诸如传感器、信号处理等等方面的 理论基础，进行一台信号处理机的设计，不是一个人两个人就可以完成的，它需 要一个团队共同努力工作，也需要大量的理论积累和实际经验的积累。下面就对 本文工作所涉及到的一些基础进行介绍，并利用计算机仿真来验证理论的正确 性。 2 1 声纳的工作原理 在介绍信号处理机的相关知识前，我们先介绍一下声纳的工作原理，它是信 号处理机工作的基础。声呐按照工作方式来分，通常分为主动工7 乍系统和被动工 作系统，习惯上称为主动声纳和被动声纳。 2 1 1 主动方式 主动式声呐也称回音定位声呐。它自己发射声波，通过接收目标的回波来发 现目标，并测定其方位、距离和径向速度。它是反潜探测的主要手段。它可以探 测到静止不动的无噪声的静目标，这是被动声呐所不能比拟的。另外，随着消声 减振技术的发展，潜艇噪声不断降低，被动式声呐的作用很受影响，而主动式声 呐不受其影响。总之，主动式声呐特别适用于检测低噪声目标。 主动声呐主要由换能器基阵( 常为收发兼用) 、发射机( 包括波形发生器、 发射波束形成器) 、定时中心、接收机、显示器、控制器等几个部分组成( 图2 1 ) 。 其中接收机有丰富的内涵，它包括了前置预处理器或信号调节器、信号处理器等 模块。主动声呐由定时中心控制产生电信号( 通常由振荡器和调制器组成的波形 发生器产生) ，然后按照发射波束形成器的需要进行时间延迟。延时的信号经过 一组收发转换开关分别加到各发射换能器上，将电信号转换成声信号向水中发 射。换能器基阵用来把声能“聚焦”到预定方向上，即形成所需方向上的波束。 6 西北工业大学硕七学位论文 第二章系统设计理论基础 发出的信号经过水下传播，如遇到目标( 如潜艇或礁石) 反射，则产生回波。换 能器基阵接收回波声信号和噪声，又将它转换为电信号，接收机再将多个阵元的 电信号变成适合操作者( 或设备本身) 判断的形式，并在显示器上显示出来。 因为主动声呐主动发射探测信号，因而可通过收发信号间的时差精确测定目 标的距离。而且正是由于主动声呐利用接收的回波来探测目标，所以它除了可对 运动目标进行探测外，对于坐沉海底的潜艇、沉船、飞机残骸及其他固定不动的 障碍物均可探测。主动声纳的主要外部干扰是混响，这是由发射信号从各种散射 体( 海底、海面及海水中不均匀水团) 上的散射产生的。混响严重妨碍信号的接 收，使声呐作用距离减小。水体混响在频谱上与发射信号几乎相同，更增加了抑 制其干扰的难度。在探测沉底目标特别是沉底小目标是，海底混响则变成了主要 干扰，又因为接收信号承受着双程传播损失，再加上还有本身噪声的干扰，所以 主动声呐作用距离一般不很远。 2 1 2 被动方式 图2 1 主动方式 被动方式是利用接受目标舰艇发出的噪声和目标舰上装的主动式声呐发射 的信号来检测目标，并测定其方位和距离。 只测方位的称为噪声测向声呐，能测距离的，称为噪声测距声呐。由于被动 声呐本身不发射信号，所以目标将不会察觉声呐的存在和意图，具有隐蔽性好的 优点。被动声呐与主动声呐的最根本的区别在于它在本舰噪声背景下接收远场目 标发出的噪声。此时，目标噪声作为信号，且经远距传播后变得非常微弱，所以 被动声呐往往工作在低信噪比情况，因而需要采用比主动声呐更多的信号处理措 施。 被动式声呐主要由以下几部分组成：基阵、波束形成、信号处理、后置处理 7 西北下业大学硕七学位论文 第二章系统设计理论基础 和显示。其基本的工作原理如图所示： 声源 海水 噪声 图2 2 被动方式 2 2 波束形成技术原理及仿真 波束形成是声纳信号处理的重要组成部分，它的作用，一方面是进行空间处 理获取抗噪声和混响干扰的空间增益，另一方面是为了得到高的目标分辨率，用 以测定目标方位。波束形成系统是声纳的核心部件之一，是声纳具有良好的战术 技术性能的基础，也是信号处理机的中心任务，信号处理机也只有在波束形成的 基础上，去完成其他的工作，下面将对波束形成技术的原理进行介绍，并用一些 仿真来验证了这些理论。 2 2 1 波束形成技术简介 所谓波束形成技术是指将一定几何形状排列的多元基阵各阵元输出经过处 理( 例如加权、延时、求和等) 形成空间指向性的方法。因此，一个波束形成器 可以看成一个空间滤波器，它可以滤去空间某些方位的信号，只让指定方位的信 号通过。 波束形成有许多种方法，可以按照不同的线索对它们进行分类。例如根据采 用的遮蔽权是否时变分为常规波束形成和自适应波束形成；根据波束形成在时域 完成还是在频域完成分类为时域波束形成和频域波束形成；根据信号频谱的宽窄 分类为宽带波束形成和窄波束形成等。下表表示常规波束形成的分类。 8 西北丁业大学硕十学位论文 第二章系统设计理论基础 常 规 波 束 形 成 频域波束形成 宽带波束形成 窄带波束形成 r 延迟求和波束形成 j降采样波柬形成 内捕波束形成 ，正交波束形成 f相移波束形成 充分的双向通讯 双倍的发送缓冲和三倍的接收缓冲数据存储器，允许连续的数据流 独立的接收、发送帧和时钟信号 可以直接与工业标准的编码器、模拟界面芯片( a i c s ) 、其他串行d 、 d a 器件通讯连接 i 具有外部移位时钟发生器及内部频率可编程移位时钟 宽范围的数据格式选择，包括8 、1 2 、1 6 、2 0 、2 4 、3 2 位字长 8 位数据发送的高位、低位先发送可选 帧同步和时钟信号的同步可编程 可编程内部时钟和帧同步信号发生器 以上列举的是和本项目有关的功能，还有一些其它的功能就没有提及。下面 是m c b s p 的结构图 3 7 两北 ：业大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 c l o c c l a 毫 亨s x 嗽 c u s 巾均删目出辔什爿l h n 6 旺 争卜 醍 蘑 鳆 图3 5m c b s p 结构图 在时钟信号和帧同步信号控制下，接收和发送通过d r 和d x 引脚与外部器 件直接通讯。v c 5 4 1 6 内部对m c b s p 的操作，利用1 6 位控制寄存器，通过片内 外 设总线进行存取控制。数据发送过程位，首先，写数据于数据寄存器d x r 1 ，2 ， 然后通过发送寄存器x s r 1 ，2 】将数据经引脚d x 移出发送。类似地，数据接收过 程位，通过引脚d r 接收的数据移入接收移位寄存器r s r 【1 ，2 】，并拷贝这些数据 到接收缓冲寄存器r b r 1 ，2 】，然后再拷贝到d r r 1 ，2 】，最后由c p u 或d m a 控 制器读出。 在本系统中，利用串口l 与主波束处理板进行通信，利用串口2 与半波束处 理板进行通信，利用串口3 进行音频处理后的数据输出，完全开发了各个串口的 功能，而且利用m c b s p 的高速、强功能，很好的完成了各个板块间的通信任务。 3 4 4 主波束处理板设计 主波束处理板要在显控分机命令的控制下，分别完成c w 方式和f m 方式下 的1 2 路主波束数据的处理。它和主控处理扳的数据交换由同步串行口完成。硬 件框图如图3 5 所示： 3 8 西北工业大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 a b u s 来白主控处理扳一 t m s 3 2 0 v c d b u s f p g a 同步串口 5 4 1 6 一c b u & 图3 6主波束处理扳组成框图 c w 方式下的任务分配：1 0 2 4 点f f t 由f p g a 完成。数据压缩和求模运算 由d s p 完成。f m 方式下的任务分配：1 0 2 4 点f f t 和f t 均由f p g a 完成，求 模和压缩由d s p 完成。两种方式下的主波束测向处理均由d s p 完成。下面我们 来介绍一下f p g a 技术。 f p g a ( f i e l d p r o 冒a m m a b l eg a t e a r r a y ，现场可编程门阵列) 在现代数字电路设 计中发挥着越来越重要的作用。从设计简单的接口电路到复杂的状态机，甚至设 计s o c ( s y s t e m0 nc h i p ，片上系统) ，即g a 扮演的角色已不容忽视。f p g a 所具 有的可重复编程的特性，使得硬件功能可以像软件一样通过编程来反复修改，这 样就极大的提高了电子系统设计的灵活性和通用性，缩短了产品的上市时间并降 低了电子系统的开发成本。正因为如此，f p g a 设计技术受到了世界范围内广大 电子工程师的普遍欢迎，现已成为电子工程师必须掌握的一项基本技能之一。 驴g a 的基本特点主要有以下几点： 1 ) f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之 一。采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到适合 需要的芯片。 2 1f p ( 认内部有丰富的触发器和i ，0 引脚。 3 1f p g a 采用高速的c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼 容。 我们的f p g a 芯片选用的c y c l o n e 系列的e p l c l 2 。c y c l o n e 现场可编程门阵 列系列基于1 5 v ，o 1 3 埘l 全铜层s r a m 工艺，其密度增加至2 0 0 6 0 个逻辑元件， r a m 增加至2 8 8 k b 。它具有生成时钟的锁相环以及d d rs d r 和快速r a m 存 储器所需的专用双数据率d d r 接口等。c y c l o n e 器件支持多种i 0 标准，包括 6 4 0 m b p s 的l v d s ，以及频率为3 3 z 和6 6 m h z 、数据宽度为3 2 位和6 4 位的 p c i 。c y c l o n e 的e p l c l 2 很好的完成了我们的设计任务，它的具体编程等将在第 西北工业大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 四章中加以介绍。 3 4 5 半波束处理板设计 半波束处理板在显控分机命令的控制下，分别完成c w 方式和f m 方式下的 2 4 路半波束数据的处理任务。它和主控处理板的数据交换由同步串口完成，其 原理图与主波束处理板基本一致，如下图所示： ab u s 来自土控处理板 db u s 1 m s 3 2 0 v c “1 6 同步串口 cb u s 图37半波束处理板组成框图 下面来看看它的任务分配。c w 方式下的任务分配：1 0 2 4 点f f t 由f p g a 完成，数据压缩和求模运算由d s p 完成。f m 方式下的任务分配：1 0 2 4 点f f t 和巧f t 由f p g a 完成，求模和半波束比幅测向法处理均由d s p 完成。 半波束处理板作为主控处理扳和主波束处理板的重要补充，是完成信号处理 机功能的重要组成部分，也是取得最终结果的最后一步，是非常重要的，但是由 于它的设计与前面两块处理板比较相似，这里就不做过多的介绍了。 3 5 本章小结 本章在系统设计的要求下，根据所提的具体技术指标，从常规的d s p 设计入 手，选取了所需的d s p 芯片以及外围部件，对构成系统的各个部分进行了详细 的阐述，使大家对整个系统有了清晰的认识，而且对于各个部件的功能以及整体 的框图安排都作了介绍，很好的理清了硬件设计的思路。 西北工业大学硕士学位论文第四章系统软件设计 第四章系统软件设计 如果说系统的硬件是一个人的骨骼的话，那么系统的软件就是一个人的灵 魂。软件负责一个系统的运行以及判断、处理，虽然它依托于硬件，但是它又是 超越于硬件的存在，这也就是为什么动物大部分都比人强壮，但是只有人才是这 个世界的主宰，就是因为它们的思想( 软件) 不如人。下面，我们将详细介绍系统 的灵魂软件。 4 1 c c s 介绍 为t i 的t m s 3 2 0 系列而设计的c o d ec o m p o s e rs t l l d i o ( c c s ) 是一个高度集成的 丌发环境，它提供了配置、建立、调试、跟踪和分析程序的工具，便于实时、嵌 入式信号处理程序的编制和测试，能够加速开发进程，提高工作效率。可以毫不 夸张的说，t i 的成功有一半要归功于它的软件平台，这也是我们选择t i 产品的一 个原因。请看c c s 的操作界面： el l 工 t 1n _ p t4 o qt 【l l i r 让l t nb n ，酬啪：i i ”4 l ， -x 曲譬口毫 。广1 富叠眚哆嘿 鼙岱笳珏叠a 囊备$ 弑i 莉j l 每茹习擘些邕e # 年# 口帮凸日嗣口日同d 4 两北工业大学硕士学位论文第四章系统软件设计 圈4 1 c c s 界面 c c s 的主要特点是： 将编辑、调试、项目管理、分析和探测点集成在一个环境里。 c 编译器、汇编优化器和连接器( 代码生成工具) 。 指令集仿真器。 实时的基础软件( d s p b i o s ) 。 主机和目标机之间的实时数据交换( r 1 d x ) 。 实时分析和数据可视化。 可用于多种操作系统，适用性广。 紧密集成允许同时插入主机和目标机，使开发者扩展其开发环境。 板卡厂商的插件可以使目标机硬件的配置更容易。 下面，我们来详细介绍一下c c s 的部分功能及特点： 1 ) 数据可视化 当应用程序运行时，可以按数据和信号的自然格式来观察，如眼图、星座图、 f f t 等，以加速分析与测试。眼图可以使开发者看到因为噪声和抖动所引起的 信号的变化；星座图可以使程序员从信号看到其意义；f f t 的瀑布图包含了一 系列谱的映射，反映信号的谱随时间的变化，在调制解调器或语音识别系统中测 量噪声特性时非常有用。 2 ) 实时d s p 环境 如今的系统对服务的最低要求都包括定时、通信、资源控制和分析。这些要 求对开发者来说是满高的。或者去购买实时操作系统( r t o s ) 和算法程序库， 或者自己建一个，都不便宜。c o d ec o m p o s c rs t i l d i o 提供一个图形化的以主机为 基础的静态配置工具。所有的d s p ，b i o s 对象都是静态配置的，并用该工具初始 化。因为该初始化是在编译时作的，就不要求目标机的应用程序在运行时建立 d s p b i o s 服务。 3 ) 实时数据交换( r 1 d x ) 迄今为止，开发者还必须停止其应用程序，以便和主机交换数据。而r ) x 却可以实时地、连续地访问正在运行的目标机的应用程序，在主机和d s p 之间 交换数据。由此可以深入地了解应用程序的工作。 4 ) 集成的开发环境 通过单一的控制面板访问所有的开发工具：编辑器、调试器、对象管理器、 实时分析器、编译器、图形信号分析器等等。 5 ) 集成的源代码编辑器 西北二：业大学硕七学位论文 第四章系统软件设计 该集成调试器在技术上有所突破，基于c 表达式、局部变量或c p u 寄存器符 号的条件和硬件断点：遇上一个特定的断点时，可以执行一个s c 啦t 文件，而s c d p t 文件可以使用g e ls c 螂t 语言很容易地建立。对于多处理器系统可以设置全局断 点。因为地址是在建立时间确定的，用源行号可以节省时间。断点可以用对话框 来配置，点击一个按钮可以激活断点群。 开发者可以激活多个数据窗口来显示数据信息。可以观察交叉存取的源代码 和反汇编。可以选择进入、越过或跳出c 函数或汇编子程序来快速地调试程序。 6 1 多目标调试 支持开发多板的复杂系统。其并行调试管理器( p d m ) 提供对多处理器的同 步控制。通过对话框，可以定义多达3 2 个不同的c p u 组。p d m 可以通过j 1 a g 途 径用广播方式将命令传给不同的c p u 组。遇到全局断点时，一个处理器的命令可 以暂停其它的处理器。 正是有了这么多强大而又有特色的功能，t i 的芯片才成了大多数d s p 使用者 的首选，也正是因为c c s 的强大，使得我们的软件开发工作事半功倍，下面我们 来详细的介绍一下我们的软件设计。 4 2 系统软件设计 整个系统的软件设计包括很多方面，我们只涉及到主要部分的软件设计，给 出流程图并做出一定的说明。我们主要采用的是c 语言，只在部分地方运用了汇 编。 4 2 1 主控处理板软件设计 主控处理板软件主要要完成1 2 路声传感器数据的波束形成、音频处理和与接 口分机、显控分机，主波束处理板和半波束处理板的通信任务。现在分别介绍如 下： ( 1 ) 波束形成任务 波束形成软件完成1 2 个主波束，2 4 个半波束的波束形成处理。每路声传感 器进行波束形成前，先经过一个希尔波特变换器，形成两路互为正交的传感数据， 希尔波特变换器等效为一个1 l 阶f 取滤波器。然后利用我们第二章给出的圆弧 阵波束形成技术进行波束形成。 1 2 路声传感器数据处理如图4 1 所示： 西北工业大学硕+ 学位论文第四章系统软件设计 置( n )、 【到波束 r 形成器 j 。伽) 7 图4 ，2 声传感器数据处理 褫程 1 2 个主波束形成器由五阶复数滤波器构成，滤波器中心代表该传感器的主波 束方向。 半波束形成器由三阶复数滤波器构成，左、右半波束分别由主波束方向左、 右相邻的三个传感器形成左、右半波束。 ( 2 ) 音频处理任务 人耳的分辨率是非常高的，能经常昕到很多机器检测不出来的声音。作为一 种常用的手段，利用耳机收听海底的声音也是一个声纳非常必要的手段。根据显 控分机的要求，选择需要收听波束行进自适应线谱增强，通过同步串口，经d ，a 转换器，经过功放后，直接传达到耳机，利用人耳的敏感性，可以在一定程度上 来弥补声纳的不足。 音频处理框图如下所示： 波束线谱电平两步音频 形成增强 调整 功放 串口叭 图4 3音频处理框图 其中自适应线谱增强方法实质上等效于一个自适应f r 滤波器，自适应算法 采用b 晰d r o w 的l m s 算法，滤波器为1 6 阶f 瓜滤波器。现把l m s 原理简介 如下，先给出原理框图： 西北工业大学硕士学位论文 第四章系统软件设计 幽4 4l m s 腺理框幽 l m s 算法中，滤波器权系数通过迭代求得，即通过接收机输入信号x ( n ) 与误 差信号e ( n ) ，和现在滤波器的系数w ( n ) 求得下一时刻的系数w ( n + 1 ) 。 ( 3 ) 与接口分机通信任务 主控处理板与接口分机通过双端口交换数据，d s p 读取双端口r a m 数据的 方式采用外部中断或d m a 方式进行，以提高数据交换效率。主控程序采用循环 方式对1 2 路数据进行存储和处理。 ( 4 ) 与显控分机的通信任务 主控处理板与显控分机通信任务有两个：r s 2 3 2 异步串行接口；f o 异步 串行接口。 r s 2 3 2 接口：该接口主要用来交换与显控分机的命令数据，是一种非常常见 的数据接口。 f o 接口：该接口用来向显控分机传送处理结果。f m 0 接口为异步方式， 操作简单，通过软件设计一个循环缓冲区来实现。接口数据为1 6 位二进制补码。 f o 的空、半空、几乎空、几乎满以及满等信号可以作为向f o 缓冲区送数的 控制信号。流程图如下所示： 西北工业大学硕士学位论文 第四章系统软件设计 主循环 j r _ 一 是否有新数据? | y i f i f o 缓冲区是否 、 可写? ! 一到其它任务 ，!一 写f 【f o 缓冲区 l 。+ 。、。“。1 1 1 。一 主循环 到其它任务 图45f i f o 接口软件处理流程图 ( 5 ) 被动处理任务 对1 2 个主波束数据进行累积检波处理，并将处理结果送到显控分机，由显 控分机进行下一步的工作。 ( 6 ) 系统同步信号 显控分机发给主控处理板一个系统同步信号如下图所示 培收 - 发射 + 蛳_ 3 卜1 9 s k 一t s 一 图4 ，6系统同步信号图 每一个“发射一接收”周期，显控分机给主控处理板发两次相同的串行命令 西北工业大学硕士学位论文 第四章系统软件设计 数据，主控处理板收到后，立刻回送显控分机一个相同的命令字。( 该同步字加 到d s p 的一个输入端口，作为一个系统周期开始处理的启动信号) 4 2 2 主波束处理板软件设计 主波束处理板主要完成1 2 路主波束数据的处理，其中数据交换通过高速同 步串口完成。具体任务分为： ( 1 ) 主动c w 检测处理 c w 检测的主要运算是1 0 2 4 点f f t ，按照系统的设计，硬件采用f p g a 芯 片来完成。c 5 4 1 6 主用用来完成求模、压缩等运算。d s p 软件处理流程图如图 4 6 所示： 图4 7 ( 2 ) 主动f m 检测处理 主动c w 检测d s p 软件处理流程图 4 7 西北下业大学硕士学位论文第四章系统软件设计 f m 检测的主要运算是两次1 0 2 4 点f f t 和一次1 0 2 4 点f i 叮，都由f p g a 来 完成。其余运算由v c 5 4 1 6 来完成。下面给出d s p 软件处理流程图： r耳抬、 j t 1r 读结果 i 启动i f f t 同步口接收( d m a ) 竺厶 | n ? 太 箩 一 ? 少 y 1 y 送数据到f f t 缓冲区 频域相乘 读结果 1r i 其它处理 启动f f t n送数据到f f t 缓冲 + 各 区 同步u 发送( d m a ) ， y 厂赢 圉4 8 主动f w 检测d s p 软机处理流程图 4 2 3 半波束处理板软件设计 半波束处理板从主控处理板处接收2 4 路半波束数据，将这些数据进行处理 后回送给主控处理板。具体任务为： ( 1 ) 主动c w 测向处理 该任务的主要运算是二次1 0 2 4 点f f t ，采用f p g a 完成，其余频域相乘， 求模以及求最大值任务由v c 5 4 1 6 完成，具体软件处理流程如图4 8 所示： 4 8 西北工业大学硕士学位论文 第四章系统软件设计 图4 9 主动c w 测向处理流程留 ( 2 ) f m 测向处理 i 幺任务主要由d s p 完成，软件流程图如图4 9 所示： 焉露广j 同步口接收( d m a ) 一j l 一一 r 求左，右半波束响应 ， 一。- 。一一 j 绐康j 4 9 西北工业大学硕士学位论文 第四章系统软件设计 图4 1 0f m 测向处理流程图 以上内容很好的解释了系统的软件设计问题，我们的软件设计主要采用的是 c 语言，只在少部分采用了汇编，编程的工作主要设计到f f t 以及其它的一些 东西，下面我们来介绍一下存储器的配置，也就是存储空间的分配。 4 2 4 存储空间分配 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 片内有6 4 k 的程序存储空间、6 4 k 的数据存储空间。下图 是t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的存储器配黄图： h e x 0 0 0 0 0 0 7 f 8 0 7 f f f 8 0 0 0 f f 7 f f f 8 0 f f f f p d g e0p r o g r a m r e s e r v e d o v l y - 1 ) e x t e r n a i l o v u - o ， o n c h i o d a r a m o 一3 o v “z 1 ) e x t e r n a l l o v l y = 0 l e x l e r n a i i n t e r r u d l s ( e x t e m a ” m p j i 再芒：1 m l c p r o c e s s o rm o d e ) h e x o o o o 0 0 7 f 0 0 8 0 7 f f f 8 0 0 0 b f f f c 0 0 0 f e f f f f o o f f 7 f f f 8 0 f f f f p a g e0 p r o g r a m r e s e r v e d i o v “一1 e x t e m a l o v “- 0 ) o c h i p d a r a m o 一3 l o v “- 1 ) e x t e r na l f 0 v l y 。0 i e x t e r n d j o n c h 幻r o m ( 4 kx 1 6 b t ) r e s e r v e d i n t e 玎u d t s o n c h i p m l c o c o m p u t e rm o d e ) 图4 1 l存储器配置图 d a t a m e m o r y m a p p e d r e g i $ t e f s s c r a t c h p a d r a m o n c h i o d a r a m o 一3 1 3 2 kx 1 6 - b ；t 0 n c h j o d a r a m 4 - 7 d r o m 一1 ) o r e x t e ma i ( d r o m - 0 j c 5 4 系列的工作方式状态寄存器p m s t 提供了三个控制位： 伊五苑、o v l y 和d r o m ，用于在存储空间中配置片内存储器。其中， 俨j j l f c 是微处理器微 型计算机工作方式位，用它能控制是否允许片内r o m 配置到程序存储空间； o v l ，y 是i 乙a m 重叠位，利用它可以控制是否将片内r a m 配置到程序存储空间； d r o m 位是数据r o m 位，它可以控制是否允许片内r o m 配置到程序存储空间。 由于d s p 内部的并行结构，片内存储器的运行速度和执行效率远比片外存储器 高，外部存储器的存取要受等待状态的影响。因此，对速度有较高要求的子程序 或频繁使用的数据要放在片内。关于d s p 芯片内部存储器的配置，可参考 t m s 3 2 0 c 5 4 xd s pc p ua n dp e r i p h e r a l s a 下面给出一段典型的存储器配置程序，以供大家参考： 5 0 x 0 f 0 f o f 0 揣淼溉 焉 两北工业大学硕十学位论文第四章系统软件设计 e x 4 1 o b j oe x 4 1 o u t m e x 4 1 m 印 - es t a n m e m o r y p a g e o ： e p r o m ：o r 鲫e 0 0 0 h ，l e n = l o o h p a g e l ： s p 黜m ：o r 乎司0 6 0 h ，l e i l - 2 0 h d a r a m ：o r g = 0 0 8 0 h ，l e i l = 1 0 0 h ) s e c t i o n s t e x t ： e p r o mp a g eo d a t a ： e p r o mp a g eo b s s： s p r a mp a g e1 s t a c k ： d a r a mp a g e1 ) 4 3 f p g