（物理电子学专业论文）基于dsp的光时域反射仪的研制.pdf

中文摘要 光纤时域反射仪( o t d r ) 是八十年代才发展起来的新型光纤故障 测试设备，全称是o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e r 。o t d r 在工程上 的重大用处是能够方便地找出光纤的断点，并进行故障定位。它一经 提出就因其特有非破坏性测量、功能齐全、安全性好、使用方便等优 点受到世人的关注。 当前市场上的o t d r 普遍缺点是速度慢，主要原因是由于o t d r 中 的累加技术是由软件来实现的，由于速度不够丢失了许多数据，使其 测量结果不够精确。鉴于此缺陷，本论文提出了用硬件实现其累加技 术，大大的改善了系统的速度和性能，并且预计价格也远远低于国内 外同类产品。 论文简要的介绍了当前o t d r 的发展状况，详细的阐述了o t d r 系 统各功能模块其及工作原理和设计机理。继理论部分之后，论文着重 论述了高速数据采集系统的硬件和软件设计，详细的叙述了用d s p 作 为处理器的整个系统设计的全过程。在软件设计部分，叙述了i ) s p 软 件设计流程和滤波器算法。 本文最后给出了用本系统进行的实际测量结果，分析了引起系统 不稳定的主要因素，提出了如何提高系统稳定性的方法等。， 关键字：光纤时域反射仪，光纤，d s p ，高速数据采集，硬件累加 ，。一，一一 a b s t r a c t o p t i c a lt i m e d o m a i n r e f l e c t o m e t e r ( o t d r ) i s ak i n do f t h en e w t y p e o p t i c a l m a l f u n c t i o nm e a s u r i n ge q u i p m e n tt h a td e v e l o p e di n19 8 0 s i n p r o j e c tt h ei m p o r t a n tf u n c t i o no fo t d r i ss e a r c h i n gt h eb r e a kp o i ma n d l o c a t i n gi t u p o nb e i n gp u tf o r w a r d ，i ta t t r a c t e dm u c h n o t i c ef o ri t ss p e c i a l u n d e s t r o ym e a s u r e ，s a f e t y , f u n c t i o n sa n dc o n v e n i e n tu s e m o s to fo t d rh a v et h ec o m m o nd i s a d v a n t a g eo fl o ws p e e d t h e m a i nr e a s o ni st h a tt h ea d dt e c h n o l g yi s c o m p l e t e du s i n gs o f t w a r er a t h e r t h a nh a r d w a r es ot h a ti tl o s tm u c hv a l u a b l ed a t a i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o r p u t s an e wm e t h o dt or e s o l v et h i s p r o b l e m t h a ti s ，a d da r i t h m e t i ci s c o m p l e t e db y h a r d w a r ew h i c hc a ni m p r o v ee n o r m o u s l yt h es y s t e ms p e e d a n dp e r f o r m a n c e i ti sa l s oe s t i m a t e dt h a tt h ep r i c ei sm u c hl e s st h a nt h e s i m i l a r p r o d u c t t h ea u t h o ri n t r o d u c e s b r i e f l y t h e d e v e l o p m e n t o fo t d ra n d e x p o u n d st h ef r a m e w o r ka n dw o r k i n gp r i n c i p l e ，t h ea u t h o rd e r i v e dt h e s y s t e md e s i g nt h e o r y a tl a s t ，l i s t e dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t so ft h i s s y s t e m ，a n a l y z e dt h e f a c t o rr e s u l t e di nt h eu n s t a b l eo f s y s t e ma n d t h ei m p r o v e dm e t h o d k e yw o r d s ：o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e r , d s p , t h eo p t i cf i b e r ， t h ea d d t e c h n o l g yo f h a r d w a r e ，t h eh i g hd a t as a m p l i n g - i i 第一章概述 光纤通信技术是近20 年来迅猛发展的新兴技术，是世界新技术革 命的重要标志，又是未来信息社会中高速信息网的主要传输工具。由于 光纤的传光性能极其优良，并且光纤通信又能以大容量、传输距离远、 耐高压、抗干扰性强、抗腐蚀能力强、保密性好、不受电磁场和电磁 辐射的影响等突出特点进行传输，因此光纤通信方式现己成为光通信 的主流。在现存及设计的光纤通信系统中，我们必须对其进行测量以 确定现存及设计的光纤通信系统是否能够达到系统要求。特别是近乎 无限的带宽资源，尤其适应将来信息社会对高速网络的需求，是现有几 种通信方式中最有潜力的技术。目前覆盖全国范围的光缆网络，构成 了电信通讯的神经命脉。仅全国长途一级光缆干线的总长度，已经超 过了20 0 0 0 公里。 由于城建施工，洪水，地壳运动，人为破坏等造成的光纤故障为 数不少。传统的光纤线路维护管理模式，故障查找困难，排障时间长， 影响通信网的正常工作。因而，每年因通信光纤故障而造成直接和间 接的经济损失巨大。 据美国明尼苏达大学的研究结果统计：光纤通信中断1 小时，会使 保险公司损失2 万美元! 航空公司损失2 5 0 万美元! ! 投资银行损失6 0 0 万美元! ! ! 光时域反射仪( o t d r ) 是检测光纤故障的仪器，在光纤的测试中得 到了广泛的应用，基于此，研制和使用光时域反射仪已成为当前检测 光纤故障的首选工具。 光时域反射仪是b a r n o s k i 博士于19 7 6 年发明的，它是一个应用 在光纤网络上的光学检测仪器，用于检测光纤的损耗特性并进行空间 故障定位的有力手段，其主要目的是检测，定位，测量光纤链接的任 何位置变化。 o t d r 的一个主要优点是它能从一端充分测试光缆，这种操作就像 一个精密雷达系统，而o t d r 类似一个精密雷达( 电波探测器) 。o t d r 技术产生的地理信息与光纤局部损失和反射事件相对应，而且提供图 示和永久的纪录作为性能基准参考。 1 1 目前光时域反射仪技术的发展卜3 1 光时域反射仪技术发展经历了三个历史阶段： 第一阶段从2 0 世纪80 年代起，当时光纤刚刚大规模应用，由于 都是新上的光纤网络，出现问题的机率不是很多，大部分光缆故障和 隐患是人为故障和破坏。因此，当时光纤检测系统刚提出理论，方式 还比较原始，采用手提o t d r 仪器去检测或o t d r 巡检的技术来进行光 纤监控。 第二阶段从20 世纪8 0 年代末到20 世纪90 年代末，随着光纤技 术的飞速发展和大规模应用，这几年光缆用量以3 0 的速度递增，这 时，原来较早的一部分光纤由于劣化、人为故障等原因，光缆故障开 始变得比较突出。这时，光纤检测技术开始成熟，采用光功率计实时 监控+ o t d r 测试方式，实现了实时监控。 第三阶段从2 0 世纪末到2 1 世纪初期，随着全光网络设备与技术 的发展，尤其是现在世界范围内的光纤通信和光电子产业进入了一个 新的时期，基于先进的光器件和光信号处理技术的全光通信网络技术 与设备彻底改变整个有线通信网络的面貌。这时，采用w d m 和d w d m 等 技术与o t d r 技术相结合对光纤进行监控。在经历了这三个阶段后，光 时域反射仪技术才逐渐成熟。 目前生产的o t d r 大都具有以下特点和性能： ( 1 ) 有良好的稳定化光源，以保证正确地、精确地测量； ( 2 ) 小于1 m 距离的读取分辨率，可测出7 0 k m 长度的衰耗性能： ( 3 ) 折射率补偿有精确档次，如0 0 0 1 档，可在1 4 0 0 1 5 9 9 之间设 定，能直接准确的读出测量距离： ( 4 ) 损耗读出分辨率为0 0 1 d b ； ( 5 ) 高速平均处理功能，在极短时间内( 如0 4 秒钟) 可将s n 提高很 多( 如3 0 d b ) ： ( 6 ) 功能齐全，如视频输出，自动打印，插入式光单元种类多等特点 1 2 光时域反射仪的结构和特点 光时域反射仪系统是一个电、光、计算机一体化的体系，涉及光 纤技术、激光技术、计算机技术和微弱信号检测技术等多种技术。其 工作原理与雷达的工作原理相似：当一束窄的光脉冲通过光纤耦合器 进入光纤时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，因此在光脉冲 的传播过程中会连续产生瑞利背向散射，背向散射的光回到入射端所 需的时间相应与光脉冲在光纤中所走的距离l = v t 2 。 本论文的光时域反射仪系统主要由以下几部分组成：激光器、光 纤耦合器、光电转换器、模数转换器、存储器、控制逻辑单元、d s p 处理器、显示单元等构成。 激光器主要用于将电脉冲调制成光脉冲，通过被测光纤发送出 来。 光纤耦合器用于将入射到光纤的激光脉冲与反射回来的光信号进 行分离。由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，因此光脉冲在传播 过程中会连续产生瑞利背向散射，散射光沿光纤返回，途中经过光纤 定向耦合器输入光电转换器，使用光电耦合器作用主要有二点：一是 把光源产生的光脉冲传送并耦合进入待测的光纤中去，同时将光纤中 产生的背向反射和散射光传送给光时域反射仪中的连接器；二是清除 待测光纤前端的强烈的菲涅耳反射，以便改善并保证探测器的接收灵 敏度。 光电转换器采用高速光电转换器件，将从光纤反射回来的光信号 转换成随光强的变化而变化的电压信号。 为了使转换的电信号被限制在所采用的高速a d 的输入电压的量 程范围内，在前向通道中用运算放大l f 3 5 6 将输入电信号控制在 2 5 v 范围之内。 前向通道的电信号进入高速模数转换器a d 90 5 4 ( 带宽3 50 m h z 以 上，2 0 0 m s p s 的转换速率) 进行模数转换，从而输出相应的数字信号。 存储器部分主要由高速先进先出存储器( f i f o ) 构成，用于存放采 集的数据和累加后所得的结果数据。 累加器部分主要完成将前次累加和与当前数据再次进行累加的功 能，用高速的大规模可编程逻辑器件p l d l0 3 2 e 实现。 逻辑控制部分实现整个系统的精确时序控制，完成整个系统的协 调工作。 本系统以t i 公司的浮点型3 0 0 0 系列d s p - t m s3 2 0 v c 3 3 为处理器， 实现把累加后的结果数据进行采样处理，并送入显示单元显示出来， 同时并控制整个系统的工作。 本论丈所设计的o t l 3 p , 结构图如1 1 所示： 图1 1o t d r 系统结构图 总之，本系统是在前人研制的基础上，对原有的o t d r 进行了改 进，其主要表现在光时域反射仪的硬件实现部分。从数据采集到数据 处理，本系统都采用了最先进的电子元器件，例如 a d 9 0 5 4 ，t m s 3 2 0 v c 33 ，c y 7 c 4 2 7 1 ，c y 7 c 4 275 等等。为了去除单次采样带 来的噪声，先前采用软件累加求平均的方法，但速度较慢，存在着一 定的缺陷，而本系统是通过硬件技术来实现累加的，不但从系统的速 度上也从其性能上得到了很大的提高。 1 3 项目来源和系统的预定指标 本课题是哈尔滨北奥震动技术开发有限责任公司与哈特虚拟仪器 股份有限公司的合作项目，这两家公司均隶属于哈尔滨工大集团。曾 与国际领先的通信测试设备生产厂商w w g ( w a v e t e kw a n d e lg o l t e r m a n n ) 公司合作，采用优秀的光纤测量技术，测试技术处于世界领先地位。 本课题的主旨是为我国光纤故障测量行业提供排障技术，研制性 能优良，价格低廉的便携式光纤时域反射仪。本文作者主要负责电器 部分的硬件设计与开发研制工作。 经过理论计算与测量，本课题将o t d r 系统几个主要性能指标预 定为： ( 1 ) 测量光纤最大长度3 2 公里( 单程距离) ： ( 2 ) 波长13 1o 15 5 0 士2 5 n m ； ( 3 ) 脉冲宽度5 0 n s ，1 0 0 n s ，2 0 0 n s ，5 0 0 n s ，1 u s 等； ( 4 ) 故障定位精度o 5 m ： 第二章光时域反射仪( o t d r ) 的基本原理 2 1 光纤原理4 。5 1 光纤又称为光导纤维，是一种由双层玻璃纤维构成的传输光波的 波导，它的外径通常只有l 25 u m 。其中玻璃纤维又由丝或核心的内在 部分和围绕层或金属外表壳两部分构成。纤芯的光折射率高于石英包 层，使光入射到光纤内不会漏射到包层外，只能在纤芯内向前传播。 光波也可以看成是一种电磁波，与通常的波导相比，光纤是一种传输 更高频率电磁波的介质波导。 传播原理 一束光以一个很小的角度口入射光纤，在光纤纤芯处可接受光的 光纤容量( 最大承受量) 用数学孔径n a 表示，如图： 临界角 i = 二二= = = = 二= 两 箩。l ：。二，：羔：! ： 。j!；!一 l 查| 2 1 传播原理图 n a = s i n a o = ( n 卜n ；) “2 2 - 1 = a r c s i n ( n 卜n ；) “2 2 - 2 其中，a 。最大入射光( 反射和折射乡- - n ) ； 2 是可接受的最大角度( 临界角) ； n ，n 2 分别为纤芯折射率和表层折射率； 光传播 如果口 口。，光纤完全折射出去，没有光到达纤芯，如图2 2 ( a ) 如果口 材料色散 波 导色散 对于多模光纤，总色散等于三者相加，在限制带宽方面起主导作 用的是模式色散，其他两个色散影响很小。 对于单模光纤，因只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总 色散为材料色散和波导色散之和。为减小总的波长色散，要尽量选用 窄谱线激光器作光源。 5 、其它散射形式“6 1 布里渊散射 布里渊散射是由于入射光感应的声波场反过来对入射激光散射的 结果，它是一种非弹性碰撞过程，入射光子与声子之间有能量交换， 因此布里渊散射光子的频率对入射光子的频率有所偏离但是，它的 光谱与瑞利散射的光谱比较接近，很难分开。 喇曼散射 喇曼散射也是一种非弹性碰撞过程，在此过程中，光子与分子有 能量交换。当光子把一部分能量交给分子时，光子以较小的能量转变 厂 | o t d rm _ c 3 _ a 卜_ 、r o o l j ， 心铲”h 。 ； j l峨 2 3 光时域反射仪( o t d r ) 技术原理 1 、o t d r 原理综述【1 7 1 光时域反射仪( o t d r ) 是从时域反射仪衍生而来，也是时域反射仪 在光频范围内的一种推广，犹如一台雷达，把能量脉冲输入被测的光 纤中，当这些脉冲到迭光纤末端或故障点时，脉冲的一部分能量就反 射回来并由接收机所接收，由往返所经历的时间可以求出故障点的位 置，这就是光时域反射仪的工作原理。 正如前所述光时域反射仪具有光发射机和光接收机的功能当光 脉冲注入被测光纤以后，遇到光纤连接处、断裂点、缺陷、以及断面 或尾端时，光就会发生反射并返回到输入端被反射仪所接收；此外， 由于光纤材料中比波长小的不均匀粒子会引起瑞利散射，这种散射光 其中很小的一部分能沿光纤反向传输到输入端并被反射仪所接收。光 时域反射仪就是利用这种所谓的背向散射光进行测量的，因此该仪器又 称背向散射仪。 2 、o t d r 的基本工作原理及各功能模块 光时域反射仪工作原理是( 其原理图见2 5 ) ：首先用脉冲发生器 调制一个光源，主时钟产生预定周期的标准时钟信号，脉冲发生器根 据时钟信号的周期使其产生符合要求的窄脉冲，以便驱动激光二极管 产生所需宽度的光脉冲。反馈的光能量用连接器将入射到光纤的激光 脉冲与反射回来的信号分离后输入到光电转换器，而后再经光电转换 器把光信号转换为电信号，完成背向光信号的接收，转换后的电信号 经过信号器进行前置处理，满足a d 采样信号的要求。模数转换器将 输入的模拟信号转换成数字信号，其在d s p 及逻辑控制的作用下对采 样的信号进行累加求和，最终将结果以波形的形式通过显示单元显示 出来。 图2 5 光时域反射仪原理方框图 其中对信号处理的原因是，由于背向散射光信号非常微弱( 0 85 u m 波长，背向散射信号比入纤功率4 氐- 6 0 d b ；1 3 u r n 波长，约低一7 0 d b ) ， 这样的信号不经放大是难以显示出来的。信号处理是获得背向散射光 信息的关键。因此，要使用累加器，在一定时间间隔对微弱的散射信 号取样并求和。从信号器输出的信号是非常微弱的，而且噪声和信号 一同输出，同时经放大器也一同被放大，如何将噪声淹没的信号分检 出来这就要靠累加器了。信号是周期性的，靠对信号的重复多次取样， 并进行积累、平均和保持，使信号强度逐渐增强；在这过程中，由于 噪声是随机的、无规律的，经过一定时间的迭加平均后会越来越小， 近乎于抵消掉了，这样以来，信噪比会得到显著改善，从而达到从噪 声中把信号分检出来。 2 1 脉冲发生器 脉冲发生器控制激光二极管将光脉冲( 1 0 m w 一1 w ) 发送到光纤中， 这些脉冲按1o n s 到2 0 u s 的宽度并在数k h z 范围内循环。操作员根据 不同的测量条件来选择脉冲延迟，在其它脉冲发送以前，脉冲的重复 率限制于脉冲完全返回的比率。光是通过连接器分离器进入光纤的。 2 2 激光二极管 目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二板管l i ) ( 又称 激光器) 和发光二极管l e d ( 又称发光管) 。由于本系统需要很大的入 射光功率，一般的发光二极管虽然价格便宜，但输出功率太低，不能 满足系统的要求，而半导体激光二极管具有输出功率大、体积小、寿 命长等优点。因此选用半导体激光二极管作为本系统的光源，它的主 要性能指标是中心波长。 o t d r 通用波长为8 5 0 n m ，多模式为13 0 0 n m ，单模式为13 1 0 n m ， 15 5 0 n m 。1 6 2 5 n m 激光二极管有时也用，尤其是用于在线传输的远程监 控系统，使用1 6 2 5 n m 的目的是为了避免与13 1 0 n m 和1 55 0 n m 传输波长 发生冲突。本系统主要使用13 1 0 n m 的单模式的。 2 3 光电转换器 光电转换器是为了测量背向散射光微弱极值而特别设计的，背向 散射光必须经过光电转换系统完戍光电转换，电信号放大才能被采集 卡所采集。当被测光照射到光探测器上时，产生相应的光电流，进而 将光信号转化成电信号。由于背向散射光非常弱，所以要求光电转换 器的带宽、敏感度、线性度和扩大的动态范围都应谨慎选择，并且它 的设计应该和常用的、来自光纤背向散射程度的脉冲宽度相一致。由 于光雪崩二极管具有雪崩增益的优点，更有利于弱信号检测，这正好 满足背向散射光特别弱的情况，所以选用光雪崩管作为本系统的光电 接收器。 本系统采用高灵敏度、快速响应、低噪声的i n g a h s 雪崩光电二 极管和宽带( 10 0 h z ) 、高增益( 6 0 d b ) 、低噪声( n , o 1 0 n v ) 的主放大器。 2 4 信号处理与模数转换 从光电转换器得来的电信号，在被a d 采样之前必须先经过处理， 以满足系统的要求。本系统a d 输入电压是2 5 v ，而从光电转换器 得来的电信号电压范围是一1 + 3 v ，因此需要用运算放大器调理，以 满足a d 的要求。 最后，模拟信号经处理后将得到的电压信号送入模数转换器，将 模拟信号转换成数字信号，此芯片选用的是a d 9 0 5 4 ，它是高速度、低 功耗，并具有2 0 0 m s p s 的转换速率、3 50 m h z 模拟带宽的8 - b i t 模数转 换器。 2 s d s p 及数据采集 控制单元是o t d r 的主要部分。时域控制脉冲宽度，并控制两个 并行脉冲之间的距离和取样信号。多重发送是为了改善信号轨迹结果 的信噪比。因为噪音是随机的，可通过求得一定距离的数据点把它们 加以平均，噪音被平均后无限趋近于零，并且剩下的数据将更准确的 反映背向散射和反射程度。 本系统采用硬件累加技术和当前最流行的d s p 作为处理器。d s p 主要功能是接收外部来的命令信号、对内部系统发送命令、读取累加 结果、计算平均值、保存记录，并将时间过程和采集点轨迹作为结果 显示在o t d r 屏幕上。 数据采集系统是对整个系统进行采集和累加处理的核心部分，其 性能的好坏直接关系到整个系统的工作质量，是提高整个系统性能的 重要手段。 本系统独特之处在于它的硬件累加功能，由于系统的信噪比相对 较差，主要是白噪声，所以可采用多次采集累加取平均的方法来抑制 噪声，改善信噪比。 2 6 显示单元 显示单元就是将d s p 处理后的数据送到显示单元，以波形的形式 显示出来。以距离为横坐标，功率为纵坐标。 本系统的采样频率为5 0 m h z 和10 0 m h z 两个档次。光纤的折射率n 一般在1 5 左右，光在光纤中的传播速度为v = c 月“2 1 0 8 m s ，当 采样频率设置为5 0 m h z 时，采样时间间隔为2 0 n s ，所以在光纤上的采 样点的间隔为4 m ，以采样深度为8 0 0 0 个点为例，光纤最长为3 2 k m ； 当采样频率设置为10 0 m h z 时，采样时间间隔为10 n s ，采样点的间隔 为2 m ，光纤最长为1 6 k m 。因此，单从采样速度的角度考虑，希望数据 采集卡的采样频率和带宽越宽越好，同时可以增加采样深度来延长测 试光纤的最大长度。但是带宽的增加，会使噪音水平上升，降低系统 的信噪比，最终导致系统的不稳定，所以应在实际系统中采用低噪音、 高稳定性的a d c 芯片来降低噪音、改善信噪比。 o t d r 对背向散射信号和反射信号进行超次数的采样。每个有规则 的样品被称作一个采集点，这些点能够用与定时发射脉冲次数有关的 振幅刻度表示出来把时间转换成距离数据显示出来，并按照把循环 往返考虑进去的两种方法划分此值。 光在光纤中的传播延迟： v = c n ；3 10 8 1 5 ；2 10 8 m s2 - 2 0 其中，v 为传播延迟；o 为真空中的光速；n 为折射率 o t d r 将时间转换成距离( 循环往返) ： l = v t 2 = c t 2 n * 1 0 8 t ( 秒) 2 - 2 1 3 、o t d r 曲线的具体分析1 1 8 - 2 0 o t d r 先对光纤发出一个信号，然后观察从某一点上返回来的信 息，这个过程重复地进行，然后将这些结果进行平均并以轨迹的形式 来显示，这个轨迹就描绘了在整段光纤内信号的强弱( 或光纤的状 态) 。图2 6 为o t d r 测量光纤线路的实际记录的曲线： | | r 卜卜牛； 嚣l：i ： l ：旦垒2 - 2 2 第三章高速数据采集系统硬件设计 3 1 高速a d 扳系统硬件构成 本系统主要由t m s 3 20 v c 3 3 为核心的高速数据采集、信号处理、 显示电路构成。其系统硬件构成如图3 1 所示： 图3 1 系统硬件构成 为了使从光电转换器转换的电信号在所采用的高速a d 的输入电 压的量程范围内，在前向通道中用高速运算放大器l f 3 5 6 ( 15 0 m h z 带 宽) 将输入电信号限制在2 5 v 范围内。 经过前向通道的电信号进入高速模数转换器a d 9 0 5 4 ( 带宽 3 5 0 m h z ，2 0 0 m s p s 的转换速率) 进行转换后，输出数字信号。 临时存储器主要由高速先进先出存储器( f i f o ) c y 7 c 4 2 7 1 构成，用 于存放最近一次采样的数据。 累加器部分主要完成将前次累加和与当前数据再次进行累加的功 能，用高速的大规模可编程器件p l d l0 3 2 e 来实现。 累加后的结果送入结果存储器部分存储起来。 逻辑控制部分实现整个系统的精确时序控制，用于完成整个系统 的协调工作。 本系统以t i 公司的浮点型3 0 0 0 系列d s p - t m s 3 2 0 v c 3 3 为核心处 理器，实现把累加后的结果数据进行处理，并送入显示单元显示出来， 同时控制整个系统的工作。 3 2d s p 电路设计 i 、可编程d s p 芯片 可编程d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的， 适合于数字信号处理运算的微处理器。d s p 芯片的内部采用程序和数 据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作， 提供特殊的d s p 指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。 根据数字信号处理的要求，d s p 芯片具有如下主要特点：( 1 ) 在一个指 令周期内可完成一次乘法和一次加法；( 2 ) 程序和数据空间分开，可 以同时访问指令和数据；( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数 据总线在两块中同时访问；( 4 ) 具有低开销或无开销循环即跳转的硬 件支持；( 5 ) 快速的终端处理和硬件i 0 支持；( 6 ) 具有在单周期内操 作的多个硬件地址产生器；( 7 ) 可以并行执行多个操作；( 8 ) 支持流水 线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行 d s p 芯片的结构和特征 为了快速的实现数字信号处理运算，d s p 芯片采用特殊的软硬件 结构。d s p 芯片的基本结构包括：( 1 ) 哈佛结构；( 2 ) 流水线操作；( 3 ) 专用的硬件乘法器；( 4 ) 特殊的d s p 指令；( 5 ) 快速的指令周期 哈佛结构 哈佛结构不同于传统的冯诺曼结构的并行体系结构，其主要特 点是将程序和数据存储在不同的存储单元空间中，即程序存储器和数 据存储器是两个互相独立的存储器。每个存储器独立编址，独立访问。 与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总 线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯诺曼结构则是将指令、 数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的 地址采区分是指令、数据还是地址。取指令和取数据都访问同一存储 器，数据吞吐率低。在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分 开的空间中，因此，取指和执行能完全重叠运行。 流水线 与哈佛结构相关，d s p 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间， 从而增强了处理器的处理能力。t m s 3 2 0 系列处理器的流水线深度从2 - 6 级不等。处理器可以并行处理2 - 6 条指令，每条指令处理流水线上的 不同阶段。 专用的硬件乘法器 在f i r 滤波器中，乘法器是d s p 的重要组成部分。对每个滤波器 抽头，强须作一次乘法和一次加法。乘法速度越快，d s p 处理器的性 能就越高d s p 芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器所以乘法 可在一个指令周期内完成。 特殊的d s p 指令及快速的指令周期 d s p 芯片的另一个特征是采用特殊的指令。哈佛结构、流水线操 作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令再加上集成电路的优化设计， 可使d s p 芯片的指令周期在2 0 0 n s 以下t m s 3 2 0 系列处理器的指令周 期已经从第一代的2 0 0 n s 降低至现在的2 0 n s 以下。快速的指令周期 使得d s p 芯片能够实时实现许多数字信号处理应用 2 、t m s 3 2 0 y c 3 3 处理器简介o o ”1 t 1 $ 3 2 0 c 3 x ( 第三代) 数字信号处理器是t m s 3 2 0 族单片数字信号 处理器中的一种高性能3 2 位c m o s 器件，具有强大的指令系统、高速 数据处理能力、创新的结构，业已成为当前理想的d s p 应用器件 t m s 3 2 0 具有的内部总线结构乖专门的数字信号处理器( d s p ) 指令 系统，其速度和灵活性以高这5 0 m f l o p s ( 每秒一百万次浮点运算) ；并 用硬件实现了一些其它用软件处理或微程序采实现的功能，从而进一 步优化了自身的速度，这一硬件强化方法，提供了在以往单一芯片上 达不到的性能。 本系统中所用的t m s3 2 0 v c 3 3 是美国t i 公司新推出的t m s 3 2 0 c 3 x 系列新一代浮点式数字信号处理器。它以高速、低功耗、低成本、易 于开发为显著特点。是通信、手机、m o d e m 、便携式仪器仪表中需要 进行浮点运算应用中的一种理想的d s p 器件，并且主要应用于语音、 图像处理、数字控制和数字滤波等领域。 根据本课题整体的设计要求，针对光时域反射仪的信号处理的特 殊性和重要性，选用t m s 3 2 0 v c 3 3 芯片现详细介绍t m s 3 2 0 v c 3 3 的基 本特征争结构( t m s 3 2 0 v c 3 3 的内部结构功能图如图3 2 所示：) 图3 2d s p 结构功能图 t m s 3 20 v c 3 3 的基本特征： ( 1 ) 具有高速的浮点运算能力，其中t m s 3 2 0 v c 3 3 - 1 5 0 型在13 n s 单周 期指令执行时间为15 0 m f l o p s 期指令执行时间为1 2 0 m f l o p s 1 2 0 系列； ( 13 ) ( 1 4 ) ( 15 ) ( 1 6 ) ( 17 ) ( 18 ) ( 1 9 ) ( 20 ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 而t m s 3 2 0 r e 3 3 1 2 0 型在17 n s 单周 我们所选用的型号为t l d s 3 2 0 v c 3 3 一 带有3 4 k x 3 2 位( 1 1 m 位) 的片内双静态r a m ，分为2 个1 6 k x 3 2 位 块和2 个l k x 3 2 位块； 内含5 倍频的锁相( p l l ) 时钟发生器； 低功耗，在15 0 m f l o p s 下运行时，功耗低于2 0 0 r o w ； 带有3 2 位的高性能c p u ； 可进行1 6 3 2 位整数和3 2 4 0 位的浮点操作； 具有四个内部译码页选，可大大简化与i o 及存储器的接口； 带有启动程序装载功能； 外部中断可选择边沿触发方式和电平触发方式； 具有3 2 位的指令字，2 4 位的地址线； 内舍8 个扩展精度寄存器； 片内存储器可映射外设，其中包括一个串行口、2 个3 2 位定时 器和一个d m a ； 采用t 1 公司的0 8 舢j j t i m e l i n e t m 制造技术； 采用1 4 4 管脚l q f p 封装； 带有2 个地址发生器、8 个辅助寄存器和2 个辅助寄存器算术 单元( a r a u s ) ； 具有两个低功耗模式； 支持2 个或3 个操作数指令； 在一个单指令周期并行进行算术逻辑单元“l u ) 和乘法运算； 具有块重复功能； 可零开销循环和单周期分支； 具有条件调用和条件返回指令； 总线控制寄存器配置选通控制等待状态数； m ( 23 ) 采用i 8 v 内核，3 3 v i 0 供电； ( 2 4 ) 具有符合i e e e 儿4 9 标准的片内扫描仿真口( j t a g ) 。 针对t m s 3 2 0 c 3 x 系列的数字信号处理器，t i 公司还推出了一种c c ( c o d ec o m p o s e r ) 集成开发应用软件。在这种开发软件的环境下，c 编译器的效率可达8 0 ，若将新的线性汇编语言和c 3 x 汇编优化器配 合使用，可使代码效率高达9 5 以上。极大的提高了程序员和系统的 工作效率。 2 、d s p 的存储器空间分配 本系统采用的t m s 3 20 v c 3 3 具有两种工作模式：微计算机模式和 微处理器模式，由引脚m p i d c 来控制，每一种模式的存储器分配不同。 本系统将m p m c 接高电平，工作于微计算机模式，其存储器分配图： 图3 3d s p 存储空间的分配 3 、d s p 原理图设计 本系统的d s p 及与其外部接口图见3 4 图3 4d s p 及与其围外部接口 3 1 电源设计 本系统所采用的外设和电源均为+ 5 v 。因此应使用t i 公司的电源 芯片t p s 3 1 8 把+ s v 的电压转换为d s p 所需的+ 3 3 v 和+ 1 8 v 电压。 3 2 时钟设计 时钟是电路设计中非常重要的一个环节，t m s 3 2 0 y c 3 3 的时钟既可 由外部提供，亦可由扳上的振荡器提供。本系统使用外部时钟，因为 外部时钟的精确度高，稳定性好，且使用方便。由于d s p 内部具有集 成的锁相环电路，其主时钟不仅仅取决于外部时钟，还与锁相环倍数 有关，本系统采用的是2 4 m 晶振，锁相环设置为晶振的5 倍，因此系 统的主时钟为120 m h z 。 3 3 d s p 的就绪信号产生机制 d s p 芯片中等待状态针脚的使用大大增加了系统的灵活性，降低 了外设系统的成本。本系统采用片上软件控制就绪信号来实现d s p 与 慢速外设速度不匹配的问题。通过对主总线控制器中的w t c n t 的控制 来解决上述矛盾当w t c n t = i i i 时，表示延迟7 个h 1 h 3 产生内部就 绪信号r d ；当w t c n t ；0 0 0 时，表示立即产生就绪r d k ，依 此类推至于就绪信号的来源确定则是由总线控制其中的s w w 信号决 定的。 3 4d s p 系统中断电路的设计 t m s 3 2 0 v c 3 3 的c p u 中断资源包括四种外部中断：串口发送、接收 中断、两个定时器中断及d m a 中断这四种中断的控制都是通过软件 的设置来完成v c 3 3 有四个外部中断针脚i n t 0 - 1 n t 3 ，既支持边沿触 发中断方式，又支持电平触发中断方式这两种触发方式均由e d g e m o d e 针脚控制的，本系统是将e d g e m o d e 接高电平，即设置为边沿触发中 断方式 3 5 总线驱动与总线锁存 由于t m s 3 2 0 v c 3 3 属于低功耗芯片，其外设电压是3 3 v ，核心电 压是i 8 v ，而外部芯片大都是5 v 电源，这就产生了接口电源逻辑不 匹配问题并且由于d s p 的地址总线与数据总线的驱动能力是有限的， 当它们的负载比较大时，需要用总线驱动对其负载能力进行扩展，以 保证系统稳定的工作为了解决此问题，本系统采用t i 公司的l v t 2 4 5 作为缓冲器，使其逻辑匹配总的设计原则是：凡是进入d s p 的信号 都先用l v t 2 4 5 进行缓冲，而从d s p 出去的信号可直接连到相应的芯 片引脚上对于不用的数据线和控制线，通过上拉电阻接高电平本 系统用7 4 h c 574 作为锁存器，来锁存数据。 3 6 复位电路的设计 督系统的t m s 3 2o v c33 的复位是通过将一电容和一电阻串联后接高电 乎，使上电时保持10 个h l 周期以上的低电平。 4 、d s p 与r o m 的接口 为了扩展d s p 存储器容量，用2 7 5 12 作为程序存储器，2 7 5 12 是 一种6 4 k b 的紫外线可擦除，可编程只读存储器r o m 2 7 5 12 与d s p 接口的原理图，如3 5 所示： 3 3 前向通道 图3 5d s p 与r o m 接口 为了使a d 采样的信号满足a d 9 0 5 4 的要求，对输入信号应进行 如图3 6 处理： 具体工作原理：经过光电转换器输出的电压信号幅度范围为 一i v + 3 v ，用两个等值的电阻进行分压，得到的电压经过l f 3 5 6 运 算放大器进行处理，第一级运放作为射极跟随器，第二级运放将从 a d 9 0 5 4 来的+ 2 5 v 参考电压放大1 8 倍，得到+ 4 5 v 的基准电压，然 后与射随来的电压信号求和取平均，使其输出电压范围在+ 2 v + 3 v 内，最后将放大的信号送回a d a d 9 0 5 4 采样控制线引脚由控制逻辑 部分控制，并决定开始采样或停止采样的时间 图3 6 前向通道 3 4 模数转换与临时存储部分 讲述模数转换与临时存储部分之前，首先介绍几个主要芯片 1 、模数转换器a d 9 0 5 4 简介1 a d 9 0 5 4 是一个8 位单路模数转换器，具有高速、低功耗、尺寸小、 易使用等特性其功能模块图如下： d a t - d a e d b i d b ! v d dg n d 口啊暖 d s 碡 图3 7a d 9 0 5 4 功能模块图 a d 9 0 5 4 的2 0 0 m s p s 编码速率和3 5 0 m h z 的带宽适合最高动态性能 29 z 匿篆器 的应用场合。为t 保证整个系统最小花费和较低的电源功耗，a d 9 0 5 4 内部包含有+ 25 v 参考电压和采样保持电路。用户仅需提供一个+ 5 v 电源和一个编码时钟即可，其编码输入端与t t l 电平，c m o s 或正e c l 逻辑电平均兼容。具有双通道数字输出和单通道输出两种输出格式。 2 、先进先出存储器1 c y7 c 427 1 ( 功能模块如图3 8 ) 是高速、低功耗、先进先出( f i f 0 ) 存储器，具有9 - b i ts 宽度的带时钟的读和写接口，用多个此芯片能 增加f i f o 宽度，可编程特色包括几乎全满半满标志，它主要应用于 大量不同的数据缓冲场合，为高速数据荻取、多处理器接口和通讯缓 冲等提供了解决方案，它有一个9 - b i t 宽度的输入端口和一个9 一b i t 宽度的输出端口，分别被独立的时钟和使能信号控制输入端口由一 个自运行时钟( w c l k ) 和两个写使能针脚( w e n 1 ，w e n 2 - z - 6 ) 控 制此芯片还提供了四个状态针角：空、满、全空、全满。 矸 w 图3 8 c y 7 c 4 2 7 1 的功能模块图 在本系统中应用另一芯片c y 7 c 4 2 7 5 ( 3 2 k x l8 ) ，用作存放累加结 果，它与c y 7 c 4 2 7 1 ( 3 2 k x 9 ) 的主要区别在于存储器容量和数据位数的 不同。 30 3 、电路实现 a d 9 0 5 4 在逻辑控制的控制下对输入信号进行采样，并控制它进行 采样的开始与停止。使转换后的数字信号经过a d 的8 位数据线送到 先进先出存储器( f i f o ) c y 7 c 4 27 1 ，结果的数字信号( 共3 2 k ) 送给高 速f i f o c y 7 c 4 27 1 ，逻辑控制根据c y 7 c 4 2 7 1 的四个状态针角对其进行 控制。其接口如图3 7 ： y 0 0 d 咖 7d 咖 7 c y 7 c 4 2 7 i a 0 9 0 5 4 e h c i h i c l k 一 i t 巳f f f 图3 7a d 与f i f o 接口 3 5 累加器与结果存储器部分 1 、大规模系统可编程逻辑器件p l d l 0 3 2 t 2 6 1 大规模系统可编程高密度p l d l 0 3 2 包含1 9 2 个寄存器，6 4 个通用 i o 针脚，8 个专用的输入脚，4 个专用的时钟输入脚和1 个全局布线 区( g r p ) 10 3 2 e 具有+ s v 在系统编程和诊断能力，且提供非破坏性逻 辑可编程性和重配置系统的互连接性 2 、电路实现 0 蛐i 50 0 - u 7 1 0 勉 c t c 1 2 5 c t l c 4 2 7 1 r c l k 逻辑 c l r - 慧 r c l r e n r e h o e叫控制 0 e 图3 1 0 累加实现结构图 由a o 采样来的数据存入临时存储器，同时临时存储器c y 7 c 4 2 7 1 的数据在控制逻辑的控制下，将数据输出到累加器进行累加，累加器 用高速p l d l0 3 2 e 实现，累加后的数据送入结果存储器c y 7 c 4 2 7 5 鉴于本系统具有累加功能，由图3 1 1 内部逻辑来具体实现的： 图3 1 1累加器实现路逻辑原理图 图3 1 1 逻辑实现的功能是：进行数据累加，其中三个a d d f 8 a 模 块用于进行a 口与b 口数据累加。c 0 端是各个累加模块的的进