（通信与信息系统专业论文）基于dsp的水声应答器系统设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着水声技术的发展，水声应答器作为一种不可缺少的实验设备得到了 广泛的应用。应答器主要用于试验目的，可实现对待测设备的测试与校准。 由于其成本较低，应用普遍，已经成为水声试验中的常用仪器。因此，研究 水声应答器的设计与实现是很有实际意义的。 本论文的主要工作是：根据系统技术指标，完成应答器的软硬件设计与 调试。硬件方面，主要是信号接收模块、信号处理模块和发射模块三部分。 实现了信号的接收、放大、滤波和发射等功能。软件方面，主要实现脉冲信 号的产生和发射、信号检测、信号强度估计、自动增益控制等功能。通过切 换命令码的状态，系统可分别工作在信标和应答状态下。根据系统参数要求， 提供丰富的命令码，大大增强了系统灵活性和适应性。 本装置通过电池供电，采用低噪声、低功耗、大动态范围的器件进行设 计，且具有实验过程中实时切换工作状态的功能。本系统以数字信号处理器 ( d s p ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 为核心，完成信号处理、系统控制 和时序逻辑等功能，使系统稳定可靠并为今后的功能扩展提供了方便。 关键词：水声应答器；应答状态；信标状态；d s p ；c p l d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fu n d e r w a t e ra c o u s t i ct e c h n i e ，t h ea c o u s t i c t r a n s p o n d e rh a sg o tw i d e s p r e a da p p l i c a t i o na s a l l i n d i s p e n s a b l ee x p e r i m e n t a l e q u i p m e n t t h ea c o u s t i ct r a n s p o n d e ri sm a i n l yu s e di na c o u s t i ce x p e r i m e n t st o t e s tm a dc a l i b r a t et h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t d u et oi t sl o wc o s ta n dw i d e s p r e a d a p p l i c a t i o n ，t h ea c o u s t i ct r a n s p o n d e rh a sb e c o m eac o l n l n o na c o u s t i ci n s t r u m e n t t h e r e f o r e ，t h e r ei sg r e a t l yp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h es t u d yo ft h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f t h ea c o u s t i ct r a n s p o n d e r t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g na n dd e b u g g i n go ft h es y s t e m sh a r d w a r e a n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ew t f i c hi sc o m p o s e do ft h es i g n a lr e c e i v i n gm o d u l e ， t h es i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ea n dt h et r a n s m i t t i n gm o d u l et h r e ep a n s ，r e a l i z e s t h e s ef u n c t i o n ss u c ha ss i g n a lr e c e i v i n g ，a m p l i f y i n g ，f i l t e r i n gm a dt r a n s m i t t i n g t h ef u n c t i o n so ft h es o f t w a r ea r eg e n e r a t i o na n dt r a n s m i t t i n go ft h ep u l s e ，s i g n a l d e t e c t i o n ，s i g n a li n t e n s i t ye s t i m a t i o na n da u t o m a t i o ng a i nc o n t r 0 1 s w i t c h i n gt h e s t a t eb yt h eo r d e rc o d e ，t h es y s t e mc a nb ei nt h es t a t eo fb e a c o no rr e s p o n s e a c c o r d i n gt ot h ew o r kp a r a m e t e r s ，i tp r o v i d e sm a n y o r d e rc o d e s ，g r e a t l y e n h a n c i n gt h ef l e x i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t yo f t h es y s t e m t h ee q u i p m e n ti sp o w e r e db yb a t t e r ya n dc o m p o s e do fl o w - n o i s e ，l o w p o w e r a n dw i d ed y n a m i cr a n gc o m p o n e n t s ，w h i c hh a sar e a l - t i m ef u n c t i o nt os w i t c ht h e w o r ks t a t e t h es y s t e mi sb a s e do nt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) m a dt h e 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 ( c p l d ) t h e i rs t r e n g t h e n e d a b i l i t i e si n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，s y s t e ma n dl o g i cc o n t r o l ，e n h a n c et h es y s t e m ss t a b i l i t y a n dm a k ei tp o s s i b l ef o rt h ef u n c t i o nt oe x p a n di nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：a c o u s t i ct r a n s p o n d e r ；r e s p o n s es t a t e ；b e a c o ns t a t e ；d s p ；c p l d 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 体已经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) ：互墨登 日期： 1 年弓月偿日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 立题背景及意义 随着水声技术的发展，水声应答器作为一种不可缺少的实验设备得到了 广泛的应用。应答器主要用于试验目的，既可以作为普通信号源又可作为应 答设备使用，可实现对待测设备的测试与校准。由于其成本较低，应用普遍， 已经成为水声试验中的常用仪器。高速数字信号处理芯片的发展也为设计性 能更加优良的应答器系统提供了条件。 目前国内还没有专门从事应答器生产的公司，国外在这方面起步较早， 型号较全，基本可以满足不同海洋条件下特定任务的需要。其中法国的 o c e a n ot e c h n o l o g i e s 公司始建于1 9 7 7 年，是一家专业从事水声设备，海洋科 学仪器，水下导航设备开发的公司。许多发达国家的海军及海洋研究所都有 它们的产品，同时它们的产品也已经成为业内的标准，代表着当今世界的先 进水平“1 。 图l lo t 汜a n ot e c h n o l o g i e s 公司的最新应答器( e t 8 6 1 g ) 美国的b e n t h o s 公司也是一家从事水声设备研制的公司，同时它们研制 的水下m o d e m 产品，使得组建水下局域网成为可能。它们研制的p i n g e r 产 哈尔滨工程大学硕士学位论文 品，可以安装在飞机上，一旦飞机失事沉入海中，可以利用p i n g e r 发出的信 号迅速找到准确的位置，为水声产品的民用化迈出了重要的一步嘲。下图所 示为b e n t h o s 公司的应答器。 图1 2b e n t h o s 公司的最新应答器( t r 6 0 0 0 x r 6 0 0 0 ) 本论文所讨论的应答器系统是根据水声设备的应用需要而设计的实验装 置。该应答器系统可以接收多种命令码，使其工作在信标或应答状态下。该 系统可以产生c w 脉冲，双曲调频和钟形脉冲信号。每一信号类型都有多种 中心频率，脉宽和周期与之对应，故可以产生丰富的信号类型，满足多种应 用需要。系统处于应答状态时，对于不同的信号类型也提供反射强度，多普 勒和延迟时间的多种选择。对应以上应用情况，系统提供了多种命令码并可 以实时切换工作状态，增加了系统灵活性。由于系统的灵活性很高，因此可 用于水声试验和工程应用等多种场合。 应答器系统自身性能己通过试验检验。在多次试验中，对应答器性能进 行了全面测试，取得了预期效果，满足设计要求。 1 2 应答器系统 1 2 1 应答器系统简介 根据设计要求，应答器采用圆柱型外观设计，外壳为不锈钢材质。整体 结构上分为3 部分，顶部为水声换能器，中部为电子舱，底部为电池。本论 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 文将主要论述应答器系统的电子舱部分的设计原理与组成，无特殊说明下面 提到的应答器系统均是代表应答器的电子系统。 本系统主要由模拟接收模块、数字处理模块、发射模块和电源模块组成。 模拟接收模块主要由前放、一级放大、带通滤波、二级放大和射随电路组成， 完成对信号的放大和滤波处理。数字处理模块主要由d s p 和c p l d ，模数转 换电路和数模转换电路组成，主要实现模数转换、命令码的获取与解析、信 号的检测与强度估计、接收和发射增益调节，该模块是整个系统的核心。发 射模块包括低通滤波电路和功率发射电路。电源模块为模拟接收模块，数字 处理模块和发射模块供电。 1 2 2 应答器系统原理框图 应答器系统原理框图如图1 3 所示，此图是应答器处于应答工作状态时 的信号流图。系统采用1 0 位的拨码开关作为命令码输入设备，d s p 通过并 口读入命令码。通过解析命令码确定系统工作状态。如果应答器工作在应答 方式下，模拟信号是换能器的接收信号。模拟信号首先经过模拟接收模块的 放大和滤波处理，然后通过光耦隔离送入数字处理模块。在数字处理模块中， 信号经过模数转换器进入d s p 进行信号检测、强度估计和接收增益控制。检 测到信号后，d s p 根据接收信号强度发射应答信号，经过数模转换器，低通 滤波器和线性光耦隔离，进入功放电路向外发射。c p l d 除完成基本时序功 能外，还要配合d s p 实现对数字电位计的实时控制，调节接收和发射增益。 如果系统工作在信标方式下，那么模拟接收模块将停止工作。d s p 通过解析 命令码确定发射信号类型、频率、脉宽和周期等参数，产生相应发射信号通 过数模转换器进入发射模块向外发射。应答器工作在某一状态时，仍将不断 读入命令码，因此可以通过改变命令码实现在不同工作状态间的切换。系统 电源由模拟电源、数字电源两部分组成，分别为模拟接收模块、数字处理模 块和发射模块供电”1 。 当系统处于信标状态时，仅仅发射命令码参数规定的脉冲信号，模拟接 收模块将停止工作，直到有新的命令码输入，使系统改变工作状态。系统工 作状态是由拨码开关输入的命令码决定的，数字处理模块获取并解析命令码， 确定系统工作状态。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 3 应答器系统主要技术指标 水声应答器系统是作为水声设备的实验装置而设计的。因此，需要考虑 应用背景，满足各种实际需要。也就是说，系统需要具有较强的灵活性和较 广的应用范围。在设计与实现本系统的过程中，我们既要满足系统技术指标 的要求，又考虑了水声环境下的实际需求，使系统具有了较高的性能，且能 满足较多的应用需要。 应答器系统主要技术指标如下： 系统可工作在两种方式下：信标方式和应答方式； 信号类型：c w 脉冲、双曲调频脉冲、钟形脉冲； 双曲调频脉冲带宽；2 0 0 h z ； 中心频率：5 2 k h z 、5 5 k h z 、5 8 k h z ； 脉冲宽度：1 5 0 m s 、6 0 0 m s 、2 4 0 0 m s ； 信标方式下发射信号周期：6 s 、1 0 s ； 发射信号强度范围：1 2 0 d b 1 7 0 d b ； 应答方式下的工作状态：1 2 0 d b 应答方式和正常应答方式，1 2 0 d b 应 答方式下不考虑反射强度，无论信号强度大小应答信号强度均为 1 2 0 d b ；正常应答方式下由接收信号强度和反射强度来确定反射信号 强度； 反射强度：0 d b 、6 d b 、1 0 d b 、1 8 d b ； 多酱勒：0 h z 、5 0 h z 、1 1 0 h z 、- 5 0 h z 、一u o h z 工作要求：系统工作方式可自由切换； 中心频率误差范围：1 0 1 - i z + 1 0 1 - i z ； 。 多普勒误差范围：1 0 h z + 1 0 h z ； 反射信号强度误差：一l d b + l d b 。 根据系统技术指标的要求，应答器系统既可以工作在信标方式，也可以 工作在应答方式。信标方式下，系统就相当于信号源。应答方式下，需要根 据接收信号的强度进行相应的应答。根据以上的技术指标要求进行了命令编 码，通过拨码开关作为命令输入设备，可根据应用需要实时切换系统工作状 态。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 3 应答器系统原理框图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 论文主要研究内容 本论文主要研究基于d s p 的水声应答器系统设计与实现。本系统由接收 和发射系统，数字处理系统和电源系统组成。本论文将对各部分给予论述。 论文首先论述了立体背景和意义，同时对应答器系统的主要组成部分和 技术指标进行介绍，对于系统工作流程结合系统原理框图进行了简要概述。 论文接下来将详细论述应答器系统的硬件原理和组成。本章将主要通过 对模拟接收模块、数字处理模块、发射模块和电源模块的论述，详细介绍系 统的硬件组成。 最后，详细介绍了系统软件设计。主要介绍d s p 和c p l d 的软件设计， 包括d s p 系统的信号接收和处理，自动增益控制软件设计以及d s p 的 b o o t l o a d e r 问题，c p l d 的时序功能的软件实现。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章应答器系统硬件原理和组成 2 1 应答器系统硬件简述 应答器硬件系统主要包括模拟接收模块、数字处理模块、发射模块和电 源模块四部分。模拟接收系统实现对接收模拟信号的放大、滤波处理，由前 级放大电路、两级放大电路、滤波电路和光耦隔离电路组成。数字处理系统 由d s p 和c p l d 、模数转换电路、数模转换电路、数字光祸和数字电位计电 路组成。发射模块主要由低通滤波电路，功放电路和线性光耦隔离电路组成， 完成信号发射功能。电源模块包括数字电源和模拟电源两部分，针对前放需 要正负5 伏电源和功放电路1 5 伏电源的要求，分别选用两种d c - d c 模块对 其供电。 2 2 模拟接收系统硬件设计 2 2 1 模拟接收系统框图 模拟接收系统框图如图2 1 所示，换能器信号进入模拟接收系统，经放 大、滤波和光耦隔离后输出到模数转换电路。模拟接收系统主要包括：前级 放大电路、射随电路、增益调节、一级放大、低通滤波、高通滤波、二级放 大和线性光耦隔离几部分。 图2 1 模拟接收系统框图 2 2 2 前级放大电路 前级放大电路采用a d 公司的a d 6 2 0 放大器芯片。该芯片是一款低成本、 低功耗、高性能的放大器。增益范围从l 到1 0 0 0 ，工作电压( v 。) 范围很宽 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从2 3 v 到1 8 v ，正常模式下最大输入电压1 8 伏，差分输入模式下最大 输入电压2 5 伏，输入电流1 3 m a 以下。我们采用5 伏供电，典型电路如 图2 2 所示。采用差分输入信号，有利于抑制接收信号中的噪声干扰，提高 输出信噪比。 放大量g 是由接在a d 6 2 0 的第1 和第8 管脚间的电阻r ，调节，如公式 ( 2 1 ) 嗍所示。 g ：4 9 4 x 1 0 3 f 2 + l ( 2 1 ) = 一十l 。l ， 疋 图2 2 前级放大电路图 2 2 3 射随电路 应答器系统前级放大电路后是射随电路又称电压跟随器电路，典型电路 如图2 3 所示。射随电路的输出阻抗较小，因此可增强带负载能力，提高电路 稳定性。 ? 图2 3 射随电路 8 v o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 4 一级, n - - 级放大电路 接收系统采用两级放大电路，都是采用反比例放大电路，如图2 4 所示。 如 图2 4 反比例放大电路 射随电路和放大电路的运算放大器是b i7 l i r b r o w n 公司的o p a 2 3 4 4 。 该芯片内部集成了两个运算放大器，封装结构如图2 5 嘲所示。 0 p a 2 3 4 4 ，o p a 2 3 4 5 o u t a 辆a h n a 瓣 v + o u t 8 嘲3 椭8 s 0 - 8 。触s o 融8 i8 - p i nd i p 0 p a z 3 甜o r g y ) 图2 5o p a 2 3 4 4 结构图 它具有i m 的增益带宽，增益值大于等于1 ，是一款高精度、低功耗的 运算放大器。 2 2 5 增益调节电路 应答器系统的接收增益可以根据噪声和接收信号的功率大小进行调节。 当接收到的信号功率或噪声功率过大时，通过增益调节电路降低接收增益； 反之，则提高接收增益。自动增益调节由d s p 控制数字电位计实现，数字电 位计选用a d 公司的a d 8 4 0 0 ，它是一款单通道可调节数字电位计。最大输出 电阻为1 0 0 k ，具有2 5 6 个档位的输出调节能力，最大串行数据输入频率 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 0 m 旧 z 。 a d 8 4 0 0 结构图如图2 6 “1 所示。 图2 6 a d s 4 0 0 结构图 图中c s 、c l k 、s d l 分别为数字电位计的使能信号，时钟信号和串行 输入信号。其中a 1 和b 1 管脚间是固定电阻值1 0 0 k ，可将a 1 或b 1 对地再 串联一电阻，由w 1 管脚作为输出。使用a 1 ，w l 管脚，公式为( 2 - 2 ) ”： r w a ( d x ) = ( 2 5 6 一见) 2 5 6 x r “+ r 。凡= 5 0 f l ，尺“= 1 0 0 k o ； ( 2 - 2 ) 使用b i ，w 1 管脚，公式为( 2 3 ) ”： 五( 皿) = ( 见) 2 5 6 x r 删+ r毛= 5 0 f l ，= 1 0 0 k q ； ( 2 - 3 ) 其中d ，为电阻控制码，由串行s d i 口输入控制。 使能信号( c s ) ，时钟信号( c l k ) 和串行输入控制信号( s d i ) 是由 d s p 产生，经数字光耦隔离后送入数字电位计的相应管脚。自动增益控制的 主要工作之一，就是控制数字电位调节接收增益。 2 2 6 滤波电路 滤波电路是由低通滤波和高通滤波级联而成的带通滤波电路。低通滤波 和高通滤波电路均根据通用滤波器f l t u 2 的内部结构搭建，它们均是由3 个运算放大器( o p a 2 3 4 4 ) 构成的2 阶滤波器”1 。本系统中低通滤波器和高通 滤波器的截止频率分别为6 k h z 和5 k h z ，滤波器截止频率和q 值可通过改变 电阻值的方式进行调节，便于系统调试。采用低通滤波和高通滤波电路级联 而成的带通滤波器，比同等结构和带宽的直接型的带通滤波器有更好的滤波 i o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 效果。 低通滤波电路原理如图2 7 所示。 图2 7 低通滤波电路 低通滤波器的截止频率是由电阻髓和墨决定的，计算公式为： r l = r 5 = 5 0 3 x 1 0 1 | o ( 2 - 4 ) 其中以为低通截止频率。低通截止频率为6 k h z ，故r = = 8 8 k 。 高通滤波电路原理如图2 8 所示。 图2 8 高通滤波电路 类似于低通滤波电路，截止频率是由电阻r ：。和j k 决定的，计算公式为： r 2 6 = r 2 9 = 5 0 3 x 1 0 7 ，： ( 2 5 ) 其中以为高通截止频率高通截止频率为5 k h z ，故r ：。= 月2 9 = 1 0 k 。以上的低 通滤波与高通滤波电路级联便构成了带通滤波电路。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 7 光耦隔离电路 为了避免电路板上模拟信号与数字信号相互干扰，提高其抗干扰能力， 这里用数字光耦h c p l 0 7 0 8 隔离数字部分，选用线性光耦i l 3 8 8 隔离模拟部 分。注意光耦两边的地必须分开。 咂 锄 解 v o 臻k 磬 图2 9 h c p l 0 7 0 8 的内部结构图和真值表 数字电位计的片选信号、时钟信号和串行输入控制信号均是由d s p 产生 的，为避免数字与模拟间的相互干扰，经过数字光耦进行隔离后送入数字电 位计。数字光耦h c p l 0 7 0 8 最高转换率达1 5 m b d ，它兼容c m o s 电平，最 高6 0 n s 的传输延时。 h c p l 0 7 0 8 的内部结构和真值表如图2 9 ”所示，它由一个高速发光二极 管和c m o s 检测电路组成。检测电路集成一个光敏二极管、放大器和驱动输 出的电压比较器。外部输入引起发光二极管发光，并被光敏二极管感应到， 最后经放大器和比较器输出。图中还显示了l e d 开关与输出的对应关系。显 然，当外部输入为高电平时光耦输出为低电平，也就是说该数字电位计的输 出是反相的。为了使数字光耦输出期望信号，需要将隔离信号反相后再输入 到h c p l 0 7 0 8 。 典型应用电路如图2 1 0 ”所示。在实际电路中为了保护数字光耦，在输 入端串联了1 0 0 欧姆的电阻。 髓 雠 | | | 撇 辩 摊 期 湖 哈尔滨工程大学硕士学位论文 v v o 图2 1 0h c p l 0 7 0 8 典型电路 模拟信号经过模拟接收系统处理后也要经过光耦隔离电路才可以进行模 数转换处理。这里我们选用线性光耦i l 3 8 8 ，线性光耦器内部由一个发光二 极管l e d 和两个光敏二极管组成，输入信号激发l e d 发光，输入光敏二极 管监控和稳定l e d 的光源，消除l e d 中的非线性和漂移，输出光敏二极管 感应产生光敏电流，从而在输入和输出之间进行了有效的隔离。线性光耦 i l 3 8 8 其灵敏度高，信号失真度小于8 0 d b 。因此，线性光耦i l 3 8 8 可以在保 证很高线性度的基础上对模拟信号和数字信号进行有效的隔离，避免相互干 扰，满足系统的要求。 线性光耦隔离电路由i l 3 8 8 和两个o p a 2 3 4 4 组成。i l 3 8 8 需电流驱动， 故使用两个o p a 2 3 4 4 。首先，前端的运算放大器将电压转换为电流用于驱动 线性光耦。输出端运算放大器将光耦输出电流再转换为电压。图2 1 1 ”是该电 路的原理图。 图2 1 l 线性光耦原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 数字处理系统硬件设计 2 3 1 数字处理系统硬件简介 数字处理系统主要由d s p 、c p l d 、拨码开关、模数转换器和数模转换 器组成，如图2 1 2 所示。命令码通过拨码开关输入到d s p ，d s p 解析命令码 从而确定系统工作状态。另外，d s p 是整个系统的核心，主要的信号处理运 算和控制工作都由它完成。模数转换器将模拟接收系统的输出信号转换成数 字信号，再由d s p 进行处理。d s p 将要发射的信号经数模转换后送入发射模 块。发射模块将d s p 送出的信号进行功率放大后，通过水声换能器向外发射。 c p l d 为系统提供必要的时序逻辑，包括：模数转换器( a d c ) 和数模转换 器( d a c ) 的时序逻辑、d s p 的上电复位和程序加载逻辑等。 图2 1 2 数字处理系统硬件框图 2 3 2 模数转换电路 模数转换器即a d c 是不可或缺的部分，a d c 的任务是将一个连续的模 拟输入信号用一个数字化的值来表示，以便于进一步由d s p 处理。系统中 a d c 选用的是b u r r - b r o w n 公司的a d s 8 3 2 0 ，它是单通道、1 6 位、高速、 低功耗模数( d ) 转换器。动态范围可以达到9 6 d b 。电源为2 7 v 5 2 5 v 可选。当工作在2 7 v 电源和l o o k h z 的最高采样率下，它的功耗只有1 8 m w 。 即使工作在1 0 0 k h z 的全速状态下功耗也非常低。在采样率较低的情况下， 由于芯片的转换效率较高，可以使其在大量时间内都工作在省电模式下。因 此，在采样率为1 0 k h z 时，芯片的平均功耗低于1 0 0 i _ t w 。可见，芯片的效率 高、功耗低，满足系统需要。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 v + i n n 口 d c l o c k 曩歌删 图2 1 3 a d s 8 3 2 0 结构图 a d s 8 3 2 0 的内部结构如图2 1 3 ”1 所示，显然这是一款逐次逼近型的模数 转换器。主要由接收放大器、c d a c 模块、电压比较器、s a r ( s u c c e s s i v e a p p r o x i m a t i o n r e g i s t e r ) 、串行接口和控制模块组成。它支持差分输入，并提 供一个同步串行接口( 与s p u s s i 兼容) 。 v r e f 是a d c 的外部参考电压，d c l o c k 是外部输入时钟，c s s h d n 为选通信号，d o u t 是串行输出引脚，图2 1 4 0 ”所示的是基本时序图。c s s h d n 是转换的使能信号，该信号为低时转换开始。前几个周期是采样时间，紧接 着是转换后的输出，在d c l o c k 的每个上升沿输出1 b i t 数据，共1 6 个时钟 周期。这样c s s h d n 的低状态至少保持2 2 个d c l 0 c k 周期，然后c s s ) n 由低变高进入省电模式，一个转换周期结束。外部时钟通过d c l o c k 脚送 入a d s 8 3 2 0 ，其频率( 厶删r ) 范围为：2 4 k h z 2 4 m h z ，而采样频率即数 据转换频率( f ) 为： f 【= 2 4 x 4 由时序图可见，因子“2 4 ”是由于假设一次完整的采样周期为2 4 个d c l o c k 时钟周期，且采样频率z 范围为：l k h z l o o k h z 。转换后的串行数据从d o u r 引脚输出，在最高数据位( m s b ) 输出前的一个d c l o c k 周期d o u t 输出为 零，表示转换数据在下一时钟上升沿出现，最高有效位首先输出，直到最低 有效位输出结束。当最低有效位输出完成且片选信号仍为低时，那么d o u t 将重复输出上一次的转换结果，不同的是这时是最低有效位首先输出。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 、。o ”枇妯 w 广 一i 譬咖叫。叫爿 - t l 一 m p m 蝴h m w r 广蛾倒彝网小划殛蚵心弛陬峒墨r j l 卜t # m 一一i 一t c o w 一i 图2 1 4a d s 8 3 2 0 基本时序图 外部参考电压v r e f 是a d s 8 3 2 0 的最高可采样电压，由于是1 6 b i t 的a d c ， 分辨率为v r e f 6 5 5 3 6 。本系统的外部参考电压是5 v ，故该系统中a d c 的分 辨率是7 6 3 u v 。a d c 的输出数据格式如表2 1 ”所示，输出为1 6 b f f 无符号数， 范围是：0 0 0 0 h f f f f h 。不论芯片的电源电压为多少，a d s 8 3 2 0 的数字输 入可以兼容最高5 5 v 的逻辑电平。因此，即使a d s 8 3 2 0 采用3 v 供电仍可 以接收5 v 的逻辑输入。 表2 1 a d c 输出数据格式 a n a l o gd i g i t 札o u t p u t d e s c 砌p t i o n l u e s t r a i g h tb i n a r y f u l ls o m er a n g e v r 耶 b i n a r yc o d eh e x c o d e l _ e a s ts i g n i f i c a n t v m 6 5 5 3 6 b i t ( l s b ) f u l is c a l e v m ! r ll s b 1 1 l l 1 1 1 l1 1 1 11 l l lf f f f m i d s e a l e v r e f 2 1 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 08 0 0 0 m i d s c a l e l l s b v r e f 2 - 1l s b 0 1 1 l1 1 l ll l l l1 1 1 17 1 ：f f z e r o 0 v 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0 a d s 8 3 2 0 的逻辑输入电压范围是：0 v r e f ，为了满足这个需要，模拟 接收系统对于接收的模拟信号均加上了2 5 v 的直流电平。a d s 8 3 2 0 与d s p 的缓冲串口o ( m c b s p o ) 相连，连接方式如下图所示。a d s 8 3 2 0 的c s s h d n 、 d c l o c k 和d o o r 引脚分别与m c b s p 0 的接收帧同步、接收时钟和串行输入 引脚相连。本系统接收信号采样率为4 0 k h z ，也就是说d s p 缓冲串口0 的接 收帧同步信号频率应为4 0 k h z ，转换后的串行数据由串行输入引脚读入d s p 内存中，由d s p 进一步处理。为了便于进行运算，需要将采样数据由无符号 数转换成有符号数。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a d $ 8 3 2 0d s p c s s h d n b f s r o d c l o c k b c l k r o d o u r b d r o 图2 1 5a d s 8 3 2 0 与m c b s p 0 连接图 2 3 3d s p 及其外围电路 2 3 3 1d s p 的选用 随着数字信号处理技术的迅速发展及其应用的日益广泛，针对数字信号 处理的专用处理器，即d s p 应运而生。由于数字信号处理有别与普通的科学 计算，它强调运算处理的实时性；因而d s p 除了具备普通微处理器所强调的 高速运算和控制功能外，其针对实时信号处理，在处理器结构、指令系统、 指令流程上都作了很大改进。 与通用微处理器相比，d s p 具有以下一些显著特点”“： ( 1 ) 采用改进的哈佛结构，片内有独立的程序总线和数据总线，可以 同时访问指令和数据； ( 2 ) 支持流水线操作，取指、译码和执行等操作可以重叠执行； ( 3 ) 在一个指令周期内可以完成一次乘法和一次加法运算； ( 4 ) 硬件支持低开销或无开销循环及跳转； ( 5 ) 具有单独的d m a 控制器，可以在不影响d s p 处理速度的情况下 做并行的高速数据传输。 在本系统的设计与实现过程中，我们曾分别选用了t i 公司的 1 m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 和1 m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 两款d s p 。实际上我们首先使用v c 5 4 1 6 为核心完成了系统的基本动能，后来又使用v c 5 5 0 9 a 作为核心处理单元对 系统功能进行了完善。下面分别介绍一下这两款d s p 。 1 m s 3 2 0 c 5 4 x 系列是目前使用最广泛的定点d s p 之一，它以极高的性能 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 价格比和较低的功耗，在便携产品、无线通信、网络、工业和电信系统等方 面得到广泛应用”4 。我们选用的v c 5 4 1 6 是该系列中性能较高的一款，其内 部结构如图2 1 6 m 1 所示，其主要特征如下“”： ( 1 ) 先进的多总线结构，包括3 条相互独立的1 6 b i t 位宽的数据总线和 一条程序总线； ( 2 ) 具有3 个4 0 b i t 的逻辑运算单元； ( 3 ) 具有3 2 k x l 6 - b i t 的在片存储空间； ( 4 ) 增强型外围并行接口； ( 5 ) 指令执行速度1 6 0 m 口s ； ( 6 ) 具有丰富的片内外设资源。 图2 1 6t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 结构图 t m s 3 2 0 c 5 5 x 是在c 5 4 x 的基础上发展起来的，能够与c 5 4 x 兼容。c 5 5 x 通过增加功能单元，增强了d s p 的运算能力，而且性能更好，功耗更低，是 目前t m s 3 2 0 家族中最省电的芯片“8 。这些特性使之更适合在数据速率高， 运算量大，又要求功耗低的水声应用系统。 t m s 3 2 0 c 5 5 x 由c 5 5 x 处理器( c p u ) 、接口控制器、存储器和多种接口 电路构成，目前已形成了包括c 5 5 0 9 、c 5 5 0 9 a 和c 5 5 1 0 等型号的c 5 5 x 定点 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d s p 系列。 c 5 5 x 与c 5 4 x 相比，c 5 5 x 在c p u 的功能单元方面作了如下扩展”： ( i ) 总线增加了两条，一条读操作总线( b b ) ，一条写操作总线( f b ) ； ( 2 ) 乘加单元( m a c ) 增加了一个； ( 3 ) 增加了一个1 6 比特的a l u ； ( 4 ) 将累加器增至4 个，即a c o 、a c l 、a c 2 和a c 3 ； ( 5 ) 临时寄存器增至4 个，即t 0 、t 1 、t 2 和t 3 。 与c 5 4 x 相比，c 5 5 x 不仅增加了硬件资源，也优化了资源的管理，所以 性能得到了大大的提高，其处理能力可达4 0 0 8 0 0 m i p s ，被广泛用于移动 通信终端设备中，c 5 5 x 结构如图2 1 7 1 所示。 图2 1 71 m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 的结构示意图 系统选用的t m s 3 2 0 c 5 5 x 系列中的5 5 0 9 a 是一款高性能，功耗较c 5 4 x 系列更低的高性能d s p 。其支持最高时钟频率2 0 0 m h z ，具有6 4 k - b y t e s 的 d a r a m 空间和1 9 2 k - b y t e s 的s a r a m 空间，支持外部存储器接1 3 ( e m i f ) 。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这些特点使该系列d s p 特别适合与水声信号处理领域。 2 3 3 2d s p 的程序加载电路 d s p 系统加电后，首先执行d s p 的内部r o m 中固化的一个称为b o o t 的程序，该程序就是要将外部存储器中的程序读入d s p 内部的高速r a m 中 进而执行。这是由于c 5 4 x 和c 5 5 x 系列d s p 中没有提供掉电不丢失的存储 器来存储要运行的程序，而只有可随机访问的存储空间，因而需要e e p r o m 或f l a s h 等来进行要执行程序的存储”。 根据需要，选用s s t 公司的f l a s h ：s s t 3 9 v f 0 4 0 ( 以下简称f l a s h ) 作为外部存储器。其容量为4 m b i t ( 5 1 2 k x 8 b f f ) ，只需2 7 v 的电压就可完成 读、写和擦除操作，写入一个字节( s b f f ) 仅需2 0 邶，整个存储器的擦除只 需8 s 。 f l a s h 片内提供了硬件和软件的数据保护措施防止数据被意外清除。有 以下三种硬件数据保护措施： 小于5 n s 的w e 或c e 脉宽不能进行写操作。 电源低于1 5 v 禁止写操作。 出现c e - - h 或o e 一l ”或w e - h 三种情况之一时，写操作被禁 止。 f l a s h 为数据写入和擦除提供了软件数据保护措施。写入一个字节的数 据之前，要求必须顺序写入三个字节序列；数据擦除前，要求必须顺序写入 六个字节序列。利用命令序列还可进入或退出产品识别模式。 f l a s h 的控制信号线只有三根：写使能w e 一读写信号；片选c e 一写 数据时可替代w e ；输出使能o e 一数据输出缓冲寄存器的使能信号。读数 据：c e - - l ，o e - - l ，w e - - h ”。图2 1 8 ”为f l a s h 两个连续数据读周 期的时序图。读数据的周期t r 。= 9 0 n s 。 w e 控制下的数据写周期时序如下图”所示。数据写或擦除：c e = l ， o e = h ”，w e d l 。w e 或c e 的脉冲宽度低( 1 0 或1 0 ) 要求至少4 0 n s ， 高( l 。或t c 。) 要求至少3 0 n s ：1 b p 为内部编程时间，其间不需要外界干 预，t r ，时间之后可以重复图示的操作过程写入下一个字节。另外，也可在c e 控制下进行数据写操作，这只须把图中“w e ”与“c e ”两个字的位置互换，即 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可得到石巨控制下的数据写时序图。 i r ct a a xxxxxxxx：x xxxx i c er 一t n ， i x 一 ， 一 t o 。z h t o l z 岫 h i g h - z t l z t o hi - t c h z h i g h - z ( ) 【刃d a t a v a l i d ：| ( 盖盖：d a t a v a l i d ： 图2 1 8 数据读周期时序图 b p - ， ：5 5 5 5x2 a a ax5 5 5 5xa d d rx x x x x x x x x x x x x x ：默： 席丑一 t o h r a r础1 乙 8 以 t d s ，ywt 。， 、 m l l l l l l l t l l t 箩z 回 t c i - - - a纠 少 i i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12 , 7 - - t c s _l a 0：d a t a s w 0s w l5 w 2 b y t e 图2 1 9w e 控制下的数据写周期时序图 由该f l a s h 芯片的特性，我们选择d s p 的8 位并行引导模式叫。根据 该f l a s h 的读写特性，可得到下面的电路连接图。接口电路很简单，d s p 通过相关引脚来擦除和读写f l a s h ，逻辑关系为：c e = d s ，o e - - n o tr w ( 这里也可作为o e = ( n o tr w ) o rm s t r b ) ，w e d 0 5 。8 】 开 li 关低2 位命令码 ，： b d r l 2 图2 2 l 命令输入电路示意图 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 2 3 4c p l d 及其外围电路 2 3 4 1c p l d 简介 a l t e r a 公司的m a x 7 0 0 0 系列c p l d 是比较成熟，性价比较高的一系 列p l d 器件，包括了e p m 7 0 3 2 、e p m 7 0 6 4 、e p m 7 1 2 8 、e p m 7 2 5 6 等型号， 其内部结构框图如下图1 所示。从结构上看，m a x 7 0 0 0 器件包括以下几个部 分： 逻辑阵列块l a b ( l o g i c a r r a yb l o e k s ) ； 宏单元( m a e r o c