（通信与信息系统专业论文）基于dsp的光纤传感振动信号处理研究.pdf

中文摘要 摘要：本文基于d s p ，在“双环结构马赫泽德干涉仪的光纤振动传感系统”项目中， 针对系统信号处理终端，进行实时数据采集和处理研究。 本文首先从光纤振动传感系统的振动定位原理出发，运用信号处理知识，提 出系统的振动信号空间定位处理方案。在分析1 m s 3 2 0 c “1 6 d s p 开发平台和功能 部件a i c 2 3 、m c b s p 、e d m a 的结构及性能的基础上，探索研究基于硬件接口和 基于设备驱动的两种d s p 系统开发方案，并对其作以比较和讨论。 课题从功能上将系统划分为数据采集和数据处理两大模块，根据项目需求选 择基于硬件接口的方案来制定开发步骤。论文对基于d s p 系统开发的硬件实施、 算法设计和软件编程工作作了详细介绍。数据采集模块在传统技术上作了两点优 化。在数据传输方式上采用双缓冲存储结构和e d m a 传输链接技术，增强了系统 的实时性能。数据处理模块提取有效振动信号，将自相关与互相关运算相结合设 计出振动点的空间位置检测算法，并用m a t l a b 进行了仿真和验证。在d s k 上 的测试结果表明，信号处理系统的软、硬件设计己基本达到设计要求，能实时的 采集传感器输入信号，并实现单点振动信号的空间定位。 关键词：d s p ；t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s k ；光纤振动传感；数据采集；数据处理。 分类号：t p 9 1 1 7 2 ；t p 2 1 2 9 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h i sp a p e rp e r f o r m st h er e s e a r c hi ns i g n a lp r o c e s s i n gt e r m i n a lo ft h e o p t i c a lf i b e rv i b r a t i o ns e n s i n gs y s t e m ，w h i c hi sap a r to ft h ep r o j e c t “o p t i c a lf i b e r v i b r a t i o ns e n s i n gs y s t e mb a s e do nd o u b l el o o pm a c h - - z e h n d e ri n t e f f e r o m e t e r h e r e , a r e a l - w o r l dv i b r a t i o nl o c a t i n gs y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o ni sp r e s e n t e d w i t hv i b r a t i o nl o c a t i n gp r i n c i p l eo fo p t i c a lf i b e rv i b r a t i o ns e n s i n gs y s t e m ，t h e s c h e m eo fs i n g l ev i b r a t i o nl o c a t i n gi s p u tf o r w a r da n ds i g n a lp r o c e s s i n gf l o wi s d e s i g n e dw i t hs t e p so fa l g o r i t h m b ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fr e l e v a n t d s pp e r i p h e r a lm c b s p e d m aa n dt m s 3 2 0 c 6 4 16 d s ko n b o a r dr e s o u r c ea i c 2 3 ，t w o d e v e l o p i n gm o d e l so nb a s i so fh a r d w a r ei n t e r f a c ea n dd e v i c ed r i v e ra r er e s p e c t i v e l y e x p l o i t e da n dd i s c u s s e d t h et e r m i n a lc o n s i s t so ft w of u n c t i o nm o d u l e s ：s i g n a lc o l l e c t i n gm o d u l ea n dd a t a p r o c e s s i n gm o d u l e w i t hr e g a r dt oe x p r e s sc o m m u n i c a t i o nn e e do ff i b e rs e n s i n gs y s t e m ， a p p r o a c h e sa r em a d eb a s e do nt h et r a d i t i o n a li n t e r f a c i n gm o d e c o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o n o f h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n 、a l g o r i t h md e s i g n i n ga n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n gi se x p l i c i t l y d e s c r i b e di nt h i sp a p e r i ns i g n a lc o l l e c t i n gm o d u l e ，t w oo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e sa r e a p p l i e du t i l i z i n gp i n g - p o n gb u f f e ra n de d m at r a n s f e rl i n kt oi m p r o v et h er e a l - t i m e p e r f o r m a n c eo fd a t at r a n s m i s s i o n i nd a t ap r o c e s s i n gm o d u l e , w i t hv a l i dv i b r a t i o ns i g n a l b e i n ge x t r a c t e d ，a l la l g o r i t h mi n t e g r a t i n ga u t o r e l a t i o na n dc o - r e l a t i o na r i t h m e t i ct o d e t e c tt h es p a t i a lp o s i t i o no fv i b r a t i o ni ss i m u l a t e da n dv a l i d a t e do nm a t l a b t e s t r e s u l to nd s ks h o w st h a t ，b o t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea s p e c to ft h es i g n a l p r o c e s s i n g t e r m i n a lm e e tt h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m i n p u ts i g n a lf r o mt h e s e n s o rc o u l db ec o l l e c t e di nr e a lt i m ea n ds p a t i a ll o c a t i n go fs i n g l ev i b r a t i o ni sr e a l i z e d k e y w o r d s ：d s p ；t m s 3 2 0 c 6 4 16 d s k ；o p t i c a lf i b e rv i b r a t i o ns e n s i n g ；d a t a c o l l e c t i n g ；d a t ap r o c e s s i n g c l a s s n 0 ：t p 9 1 1 7 2 ：t p 2 1 2 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：多勤娟 签字日期：加朔年b 月，日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 砂囊移碍签字日期： 埘年占月，日 5 3 致谢 本论文的工作是在我的导师娄淑琴教授的悉心指导下完成的，娄淑琴教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的影响，在此衷心感谢两年来娄淑琴 老师对我的培养和教育。 盛新志教授和钱满义老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在学习上和生活上都给予了我很大的关怀和帮助，在此表示由衷的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，胡延、张继文等同学对我论文中的理论研究 工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 课题研究的背景 随着社会的发展、科学技术的进步，大量的社会财富、军事要地、重要的设 施、电站、易燃易爆物资仓库等都需要采取有效的防范预警措施以确保其安全。 因此，安防预警系统的发展越来越受到各方面的关注和重视。 安防预警系统的目的是对防范场所和周边区域进行监控和管理，实时地检测 干扰和入侵，从而有效地跟据预警信息来采取防范措施。现代预警系统的种类繁 多，归纳起来按传感方式可分为两大类型，具有发射部分的主动式和不具有发射 部分、必须由入侵者触发后产生预警的被动式【l 】。所采用的传感器探测技术有振动 电缆、微波探测、红外对射探测、通电栅栏探测掣2 1 ，然而这些探测器易受环境温 度、湿度、风雨烟尘等气候环境的影响，误报和漏报率高，探测范围有限，且人 性化程度不够，在特殊应用场合甚至可能造成人员伤亡，已经满足不了人们的要 求。 在这种情形下，利用光纤传感器的安防预警系统就显示出了极大的优势。光 纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的特殊光纤作为传感元件，将 “传”和“感”合为一体，以其卓越的技术性能和良好的物理特性，克服了普通传感器 的不足，被广泛地应用在了各个领域，包括飞机场、边境线、核电站、监狱、军 事基地、变电站、高级别墅等。因此，光纤传感技术对于我国安防产业的发展起 着重要的作用，有着极大的市场潜力和应用前景。 1 2 光纤传感技术 2 0 世纪6 0 年代，激光使得利用光的各种属性( 干涉、衍射、偏振、反射、吸 收、发光等) 的光检测技术，作为非接触、高速度、高精确度的监测手段获得了 飞速发展p j 。由于光纤不但具有良好的传导特性，而且本身就可用来进行信号传递， 具有不受电磁干扰、绝缘性好、安全防暴、损耗低、传输频带宽、容量大、直径 细、质量轻、可绕曲和耐腐蚀耐高温等优点【3 】，无需任何中间媒体就能把测量值与 光纤内的光特性变化联系起来，可对电磁、振动、温度、化学成分等多种物理量 进行精确测量，在解决常规检测技术难以胜任的测量问题上表现出了巨大的优势 和实用价值，不仅用于科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，更是应用 到了航天、机械、电力、石化、海洋运输、地理等多个工程领域。随着2 0 世纪9 0 年代后期光通信带动下光子产业的成功，光纤传感更是呈现产业化发展。 光纤式传感基于通过被测量光纤内传输光的调制，即振幅、相位、频率或偏 振态等光特性的变化，进行相应的测量。光调制是光纤式传感器的基础，按调制 方式的不同，可以分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、波长调制和 分布式调$ 0 t 4 1 。常用的四种光纤干涉仪是迈克耳逊( m i c h e l s o n ) 干涉仪、马赫泽 德( m a c h - z e l m d e r ) 干涉仪、萨格纳克( s a h n a c ) 干涉仪和法布里伯罗( f a b r y - p e r o t ) 干涉仪。普通光纤干涉仪测量的对象都是单个被测点，而对于被测量对象不是一 点而是呈一定空间分布的场( 如应力场) 时，为了获得振动事件比较完整的信息， 需要采用分布式调制的光纤传感系统。全分布式光纤振动传感( d o f s s ) 是分布 式光纤传感的一个重要分支，它利用光纤的应力敏感性，连续实时地监测作用于 光纤上的压力或光纤附近的振动。测量利用了光纤一维空间连续特性进行测量的 技术，整个光纤长度上的任一点都是敏感点，属于海量测量，检测没有盲区。 干涉性光纤传感器具有极高的探测灵敏度，但是在分布式传感中如何实现准 确定位却是一个难题。国外的研究大多基于迈克耳逊、马赫泽德、萨格纳克干涉 仪复用的方法，只能实现单点干扰定位，并且系统复杂、信号处理困难。本文实 验系统中，基于环形马赫泽德干涉仪结构的全分布式光纤振动传感采用直流光实 时动态定位技术，通过在干涉仪光路中引入环结构，将直线型干涉仪转化为环形 回路，使得一个马赫泽德干涉仪中相向传输两路光波，相当于构成双马赫泽德干 涉仪。当振动信号作用于传感光纤时，相向传输的两路直流光同时产生相同的相 位信号并沿不同的路径传输至光接收单元，采用数字信号处理技术分析接收信号 即可实时获得振动的空间位置和频率、幅度等特性参数。系统结构简单，成本低， 集合了光纤传感器的优势和工程运用的实际特点，仅需在监控区域周围铺设一条 普通光缆就能够保证在长距离范围内连续、实时地对干扰( 挖掘、入侵、破坏等) 进行检测，不仅可以用于学校、住宅小区、政府机关、军队银行等场所的安全监 控，还能够对地震监测及海啸预警起指导作用，具有多方面的应用前景和重大的 经济效益。 1 3d s p 技术 信号处理是传感检测系统的关键环节之一，它通过适当的实验方法与必须的 信号分析与处理基础，由检测所得信号求取与研究对象有关的信息量值5 1 。数字信 号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 是信息处理技术与计算机技术、现代电 子技术发展的产物，它能快速实现各种数字信号处理算法，是针对信号处理需求 2 发展出的快速、高效的可编程处理器【6 j ，被广泛地应用于检测系统中。 d s p 的主要供应商有美国德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ，简称n ) 、美国模拟 期间公司( a n a l o gd e v i c e ，简称a d ) 、摩托罗拉( m o t o r o l a ) 、朗讯( l u c e n t ) 等， 其中最成功的d s p 芯片当数t i 公司的一系列产品，其所占市场份额达6 0 1 7 1 ，在 芯片品种、功能、集成化程度以及开发环境上都优于其它厂商。自t i 公司推出 t m s 3 2 0 系列中第一块d s p 芯片问世至今，已经发展为t m s 3 2 0 系列d s p 已经发 展为t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 和t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 和o m a p 四大主系列【引，其 中c 6 0 0 0 系列以高性能著称，包括c 6 4 x x 、c 6 7 x x 和c 6 4 x x 。 与a s i c 和f p g a 相比，d s p 有明显的优势，它运算量大、运算速度和精度高、 芯片的硬件资源丰富、成本低、体积小、功耗低而且能实时处理高频信号，以本 设计所选用的1 m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s p 为例，其优势具体体现在以下几点【9 】： 1 ) c p u 具有程序取指单元、指令分配单元、指令译码单元、寄存器、两个数 据通道( 每个数据通道有4 个功能单元) 、控制寄存器、控制逻辑单元以 及测试、仿真、中断控制； 2 ) 采用程序空间和数据空间分开的哈佛结构、8 条总线( 4 条程序数据总线 和4 条地址总线) 、流水线结构和多处理单元( 如算数逻辑单元a l u 、辅 助寄存器运算单元a ra u 、累加器a c c 以及硬件乘法器m u l 等) ； 3 ) 采用超长指令字v l i w 结构，单指令字长3 2 b i t ，取指令、指令分配和指 令译码单元每周期可以从程序存储器传递8 条指令到功能单元，这8 条指 令组成一个总长为2 5 6 b i t 的指令包。芯片内部设置了专门的指令分配模块， 可以将每个2 5 6 b i t 的指令包同时分配到8 个处理单元同时运行； 4 ) 最高主频7 2 0 m h z ，处理能力可达5 6 0 0 m i p s ； 5 ) 外围接口配置强：片内外设包括增强的直接存储器存取控制器( e d m a ) 、 外部存储器接口( e m i f ) 、通用输入输出( g p i o ) 、主机端口接口( h p l ) 、 多通道缓冲串行口( m c b s p ) 、外设组件互连( p c i ) 、计时器、t u r b o 解码 器协处理器、v m c r b i 解码器协处理器以及a t m 的通用测试和操作p h y 接口u t o p i a 等。 此外，d s p 开发中有比较完善的软件和硬件开发工具，包括软件仿真器 ( s i m u l a t o r ) 、在线仿真器( e m u l a t o r ) 、c 语言编译器等。啊公司的集成开发环 境c c s 更是集成了上述工具与一身，大大提高了开发效率，并增强了程序的可读 性和可移植性，使得d s p 系统接口方便、编程方便、精度高、稳定性好、可重复 性好、易集成。因此，使用d s p 研究光纤振动系统的信号处理终端无论从性能还 是成本上而言，都是有巨大的开发潜力和市场价值的。 3 1 4 论文的主要工作 本论文的主要任务是采用t id s p 芯片，研究光纤振动传感系统中的信号采集 和处理的实时实现问题，做如下工作： ( 1 ) 在查阅大量文献的基础上，对光纤振动传感系统的国内外发展现状作较 为全面的了解，明确当前光纤传感中所面临的关键问题； ( 2 ) 掌握基于环结构马赫泽德干涉仪的光纤传感系统的结构特点和设计原 理，设计振动定位的算法和振动定位系统的信号处理流程； ( 3 ) 掌握d s p 开发基本知识，了解t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s p 的c p u 、存储器、外 设的基本情况，研究6 4 1 6 d s k 开发平台的硬件资源和性能特征，研究d s p 系统开 发方案( 包括硬件开发和软件开发) ； ( 4 ) 分析所选用的d s p 硬件设备的结构和工作原理，并根据使用情况做相应 的配置，完成d s p 芯片外围电路和输入输出设备电路的硬件设计； ( 5 ) 熟悉d s p 的集成开发环境c c s 的使用，了解d s p 软件开发基本知识， 编写应用程序源代码，在c c s 中创建工程文件，通过编译、汇编和链接，生成d s p 可执行的目标代码； ( 6 ) 通过仿真器下载目标代码到目标系统中运行，利用调试工具进行调试， 并进行实际的在线测试。 论文的主要安排如下： 第一章简要介绍课题研究的背景和论文的主要工作。 第二章介绍光纤振动传感系统的结构和工作过程，结合数字信号处理的基本 知识，针对单点振动传感系统，分析其定位原理，设计信号处理方案。 第三章根据d s p 开发平台的基本情况探索研究了两种d s p 系统开发方案，在 对不同方案作分析和比较的基础上，结合课题的实际需求，确定了本文的d s p 开 发模式。 第四章将系统划分为数据采集和数据处理两大功能模块，详细阐述d s p 系统 开发中的硬件实施、算法设计和软件编程的具体实现。 第五章给出d s k 板上的测试结果和分析，并列举开发中遇到的典型问题和归 纳出的解决办法。 第六章总结全文工作并对研究的前景作展望。 4 2 光纤振动传感系统 本章主要介绍光纤振动传感系统的结构以及振动定位原理，并运用信号处理 知识，提出系统的信号处理方案。 2 1 系统组成及工作过程 如图1 所示，光纤振动传感系统主要由三部分构成：光收发终端、长程光缆 和数据处理终端。基于环形马赫一泽德干涉仪结构的分布式光纤振动传感系统通过 光纤耦合器组成的分光单元在干涉仪光路中引入环结构，将直线型干涉仪转化为 环形回路，使得一个马赫泽德干涉仪中相向传输的两路直流光波同时产生相同的 相位信号并沿不同的路径传输至接收单元【l o 】。 为克服传感干涉仪相干长度有限的不足，采用单色性好的d f b 激光器作为光 源，并采用双芯单模光缆作传感光缆，其中的两根等长度光纤分别作为马赫泽德 干涉仪的参考臂和信号臂。光收发终端和数据处理终端是系统的工作核心，长程 光缆组成无源传感单元用于感知振动信号。 d f b l d ：分布反馈半导体激光器p d l ，p d 2 ：光电探测器c l ，c 2 ，c 3 ：3 d b 光纤耦合器 图l光纤振动传感系统结构框图 f i 9 1 b l o c kd i a g r a m o fo p t i c a lf i b e rv i b r a t i o ns e n s i n gs y s t e m 整个系统的工作过程如下：直流电流驱动窄线宽的d f b l d ，发出光功率恒定 的直流高相干激光，经c l 等功率分成两束：其中一束光波经c 2 等比例分光后分 别输入传感光缆的两根光纤中，沿顺时针方向从光缆的始端a 点传输至末端b 点， 再由c 3 汇合，两光纤中的光波在c 3 处发生干涉，干涉光强由p d 2 探测；同样 5 的，另一束光波经c 3 输入传感光缆，但是沿逆时针方向从b 点传输至a 点，并 在c 2 处发生干涉，干涉信号由p d i 探测。因此，c 2 、传感光缆和c 3 组成的马 赫泽德干涉仪在环结构下相当于光波相向传输的两个干涉仪。当外界振动信号作 用于与传感光纤时，传输的光信号受到相位调制，表现为输出干涉信号的光强变 化，利用两个干涉仪的输出光强和光相位调制型传感的高灵敏度特性，可以探测 微弱信号的振动，进而分析振动信号的空间位置和频率、幅度等特性参数。 根据振动点个数不同，对振动定位的研究可分为单点定位和多点定位两种模 式。其中，单点振动定位是研究多点振动的前提和基础，接下来，本文对单点振 动定位的原理进行简要介绍。 2 2 单点振动定位原理 如图2 所示，a 为传感光纤起点，b 为传感光纤终点，a 到b 之间的光纤总 长度为l ，l 和光波在光纤中的传播速度已知。对于单点振动，设p 为振动点，振 动点p 距离传感光纤起点a 的长度为z ，则p 至b 之间的距离便是l z 。当传感 光纤在p 点发生振动，传感光纤中顺时针方向( c w ) 传播和逆时针方向( c c w ) 传播的两束直流光波同时受到相同的相位调制，并继续沿各自的方向向前传播。 p ab 图2 定位原理 f i 9 2 l o c a t i n gp r i n c i p l e 顺时针光信号的传输路径为p _ b 一探测器，其传输距离为： z c = l z【2 一l j 逆时针光信号的传输路径为p a 一探测器，其传输距离为： k 矿= z【2 2 ) 那么，到达监测终端的两束信号之间的时间差为： a t = 亿一2 z ) v( 2 3 ) 因此，振动点位置即可利用测量t 根据式( 2 - 4 ) 精确计算出。 z = f 三一r 兰l 2( 2 4 ) 6 2 3 单点振动的信号处理设计 ( 1 ) 相关处理 设置( f ) 是c w 方向传输的振动信号，逆( f ) 是c c w 方向传输的振动信号，o ) 和玎：( f ) 是噪声信号，则探测器的输出信号乃o ) 和儿( f ) 可以表示为： f m o ) = 墨( f ) + ，z i o ) i 儿( f ) = 品( f ) + 他o ) ( 2 5 ) 对y l ( t ) 和y 2 ( t ) 进行互相关处理： ( r ) = b ( f 波o + r ) d e ( 2 - 6 ) = b o + r 波o 胁+ b ( f k ：o + fd r + n ( f 波( f + f + n o k ：g + f 胁 ttfi 由于振动信号与噪声信号是不相关的，( 2 6 ) 中后三项随着t 的增大而趋向于 零，那么公式就可以变为 氏儿( ) = n o + f 波o = 如是g ) ( 2 - 7 ) 这样，经过互相关处理，不仅减少了噪声分量，还增强了振动信号特性。 ( 2 ) 时间差求解 s o ) 和岛o ) 是由同一激光器分振幅得到，且受到完全相同的振动作用，只是 到达监测终端的路径长度不同，在此可以假设他们只存在时间延迟，将墨( f ) 和最o ) 描述为： l 墨( f ) = s ( f ) 【s 2 ( t ) = s ( t a t ) 于是 ( 2 8 ) 咫而( ) = p 1 6 f + f 声o 一r 胁= b p 一丁) ( 2 9 ) t 这里，b g 一力为s ( f ) 的自相关函数。 根据相关函数的性质，振动信号s o ) 的自相关函数b ( r ) 满足如下不等式 r 5 ( r ) r s ( o )( 2 1 0 ) 同理，墨o ) 和岛o ) 的相关函数墨是g ) 满足如下不等式 r s , s , ( r ) 如岛( 0 )( 2 1 1 ) 由于光电探测器输出信号要经过数模转换变为离散数字信号才能进行处理， 假设a d 采样周期为t s ，那么传感器的两路测量信号经同步采样后相应的时间差 可以表示为 m r s = a t( 2 1 2 ) 因此，只要测出传感器两路输出信号之间的数字互相关与其中一路信号自相 7 关的峰值对应的序号差朋，即可由公式( 2 1 2 ) 得到待测得时间差。 ( 3 ) 振动定位的空间分辨率 在信号处理中，a d 采样率有限，m r s 只能表达离散的值，时间差的测量值 对应乃的整数倍a t - m r s ，所以实际的时间差范围是z 胁- 1 2 ) t s ，聊乃】或者 乃 m r s ，b + l 2 ) t s 】。因此，数据处理中，五决定了丁的测量误差，误差为： 心r = - t - r s 2( 2 1 3 ) 从而，确定振动点位置时的误差即振动定位空间分辨率为 恐：如导：千等( 2 _ 1 4 ) 刀z 刀 2 3 本章小结 本章介绍基于环结构马赫泽德干涉仪的光纤传感系统的组成和工作过程，针 对单点振动这种情形，分析振动定位的原理，并利用相反方向的两路振动信号之 间的自然相关特性，结合信号处理知识，提出单点振动传感系统的信号处理方案。 8 3d s p 系统开发方案的分析和比较 本章介绍d s p 开发平台以及相关功能部件的结构和性能，探索研究基于硬件 接口和基于设备驱动的两种d s p 系统开发模式，并从课题的需求出发，对两种开 发方案作分析和比较，确定本课题的实施方案。 3 1d s p 开发平台 3 1 1t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s k 板 t m s 3 2 0 c 6 416d s ps t a r t e rk i t ( 简称t m s 3 2 0 c 6 4 16d s k 板) 是c 6 4 16d s p 试验板，支持t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p 7 e 3 ，工作频率可以高达7 2 0 m h z ，工作的核电 压为1 4 v ，i o 电压为3 3 v 。同时，与c c s 6 0 0 0 集成开发环境相兼容，是一个低 成本、独立的6 4 x 系列开发平台。它提供的电路的原理图、c p l d 可编程逻辑和应 用注释可以用来简化硬件开发的难度。在此基础上用户可以进行一些基本的d s p 软件和硬件设计技术。t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s k 如图3 所示。 线路输入耳机输出 麦克输入 线路譬出 图3t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s k f i 9 3 t m s 3 2 0 c 6 4 16d s k 9 其主要特征如下【1 1 】： 1 ) t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p ，工作频率7 2 0 m h z ，定点处理，内部r a m 为 1 m b y t e ，其内部功能框图见附录a ； 2 ) a i c 2 3 编解码器( c o d e r - d e c o d e r ，简称c o d e c ) ，包含a d 、d a 电 路，完成音频信号、传感器输出的模拟信号的编解码功能，通过m c b s p 与d s p 进行通信，实现模拟信号的接收和发送； 3 ) 1 6 m b y t e 同步d r a m ( s d r a m ) ，通过e m i f a ( 6 4 b i t ) 与d s p 相连； 4 ) 5 1 2 k b y t e 的f l a s h 存储器，通过e m i f b ( s b i t ) 与d s p 相连； 5 ) l e d 和d i p 开关各4 个，用于提供反馈，可通过c p l d 配置； 6 ) c p l d 控制d s k 板上组件，用户可通过读写c p l d 寄存器进行相应配 置： 7 ) 可配置引导模式，可选择时钟输入； 8 ) 标准扩展板接口； 9 ) j t a g 仿真，内嵌j t a g 可通过u s b 主机接口与c c s 通信，外部仿真 器可通过外部j t a g 连接器与d s k 连接； 1 0 ) 单电压电源( + 5 v ) 。板上的线性电源稳压器提供1 4 v d s p 核电压和 3 3 v i o 电压。 3 1 2 功能部件介绍 光纤振动传感系统中信号处理包含了数据采集和数据处理两大部分，涉及到 的硬件设备主要是数模转换设备、通讯串口以及数据读取设备，本文选用d s k 板 上数模转换设备a i c 2 3 以及d s p 的外设m c b s p 和e d m a 来实现d s p 与外部设 备的通讯。 ( 1 ) 数模转换设备 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s k 使用的是t l v 3 2 0 a i c 2 3 立体声c o d e c 用于信号的输入 和输出。t l v 3 2 0 a i c 2 3 是t i 公司推出的一款高性能、集成了模拟功能的立体声音 频c o d e c d 2 ，器件中a d 和d a 转换器采用多位- 技术，内含抗混叠滤波器 和重构滤波器，在d a c 之前有插值滤波器以保证输出信号平滑，在a d c 之后有 抽值滤波器以提高输入信号信噪比，其内部结构见附录b 。数字传输字长可为1 6 、 2 0 、2 4 和3 2 b i t ，带宽为4 8 k h z ，采样率在8 k h z 9 6k h z 可调，a d c 和d a c 的信 噪比分别可以达到9 0 d b1 0 0 d b 。数字供电电压1 4 2 v 3 6 v ，模拟供电电压 2 7 v 0 3 6 v ，与d s p 的i o 电压兼容；主时钟1 2 m h z ，可以通过分频，为d s p 或 其他外设提供1 2 m h z 或6 m h z 的系统时钟。 1 0 a i c 2 3 与微处理器的接口有两个，一个是控制接口，用于配置a i c 2 3 的内部 寄存器，设置工作参数；一个是数据接口，用于传输a i c 2 3 的a d 、d a 数据。 a i c 2 3 有多个可编程控制寄存器，每个寄存器字长为9 b i t ，地址为7 b i t ，共1 6 b i t 。 其中，地址为在高7 位，控制字在低9 位，通过编写控制寄存器，可以配置a i c 2 3 的工作模式、音量、数据格式、输入输出选择、采样率和省电模式等参数。 ( 2 ) 多通道缓冲串行口 c 6 4 1 6 具有3 个高速全双工同步串行口，可用来与系统中的其他c 6 4 x 器件、 编码解码器、串行a d 、d a 转换器以及其他的串行器件直接接口，这3 个串行 口均为多通道缓冲串行口m c b s p 。 1 ) m c b s p 的结构 从结构上，m c b s p 可分为一个数据通道和一个控制通赳1 3 】，其结构如图4 所 示。数据通道完成数据的发送和接收；控制通道完成的任务包括内部时钟的产生、 帧同步信号产生、对这些信号的控制以及多通道的选择等，控制通道还负责产生 接口信号送往c p u ，产生同步事件通知d m a 控制器。 图4m c b s p 结构框图 f i g4 b l o ckd i a g r a mm c b s p m c b s p 用于与其他设备通讯的7 个引脚信号是： d r ：串行数据接收引脚，输入； d x ：串行数据发送引脚，输出： c l k x ：发送时钟，输入或输出，可编程： 壤 饿 一一瞅嗽一 c l k r ：接收时钟，输入或输出，可编程； f s x ：发送帧同步信号，输入或输出，可编程； f s r - 接收帧同步信号，输入或输出，可编程； c l k s ：外部时钟，输入。 m c b s p 用于控制信号接口的4 个引脚是： o r i n t ：给c p u 的接收中断信号； o x i n t ：给c p u 的发送中断信号； r e v t ：给d m a 的接收同步事件信号； x e v t ：给d m a 的发送同步事件信号。 此外，m c b s p 还提供了3 2 位的s p c r 串口控制寄存器、r c r 接收控制寄存 器、x c r 发送控制寄存器、s r g r 采样率发生器寄存器、m c r 多通道控制寄存器、 r c e r 接收通道使能寄存器、x c e r 发送通道使能寄存器、p c r 管脚控制寄存器用 于控制m c b s p 的工作方式，如同步、时钟、多通道选择等。c 6 4 1 6 d s p 通过片内 的外设总线访问串口控制寄存器，进而实现与m c b s p 的通讯和控制。 2 ) m c b s p 的工作原理 m c b s p 的接收和发送数据的工作原理如下： m c b s p 的接收操作采用三级缓冲方式。接收数据到达d r 管脚后移位进入r s r 接收移位寄存器，一旦整个数据单元( 8 b i t 、1 2 b i t 、1 6 b i t 、2 0 b i t 、2 4 b i t 或3 2 b i t ) 接收完毕，如果此时r b r 接收缓冲寄存器空，则r s r 的内容被复制到r b r 中。 如果d r r 数据接收寄存器中旧的数据已经被c p u 或d m a 读空，则r b r 随后被 复制到d r r 。 m c b s p 的发送操作采用二级缓冲方式。发送数据首先由c p u 或d m a 控制器 写入d x r 数据发送寄存器，如果x s r 发送移位寄存器为空，则d x r 中的数据被 复制到x s r 准备移位输出；否则，d x r 会等待x s r 中的旧数据的最后一位被移 位输出到d x 管脚后，才可将数据复制到x s r 中。 m c b s p 的这种多级缓冲数据收发方式使得片内的数据搬移和外部数据的通信 可以同时进行。 ( 3 ) 扩展的直接存储器读取控制器 d m a ( d i r e c tm e m o r y a c c e s s ) ，直接存储器访问，是d s p 系统中重要的片上 外设，d m a 控制器可以在不影响c p u 的情况下完成数据的传输，其数据的源地 址和目的地址可以是片内存储器、片上外设和片外设备。e d m a 是扩展的d m a ( 直 接存储器访问) 器件，c 6 4 1 6 的e d m a 提供了6 4 个通道，通道优先级可设置，可 以实现数据传输的连接，其结构框图如图5 所示。利用e d m a ，可以实现片内存 储器( l 2s r a m ) 、片内外设，以及外部存储空间之间的数据转移。 1 2 图5e d m a 控制器结构框图 f i 9 5 b l o c kd i a g r a me d m a e d m a 控制器由以下几个部分组成【1 4 】：事件和中断处理寄存器、事件编码器、 参数r a m 和硬件地址产生。事件寄存器完成对e d m a 事件的捕获控制。一个事 件相当于一个同步信号，由它触发一个e d m a 通道开始数据传输。如果有多个事 件同时发生，由事件编码器对它们进行识别。在e d m a 的参数r a m 中存放于事 件有关的传输参数，这些参数被送入硬件地址发生器，进而产生对外设e m i f 读写 操作所需要的地址。 e d m a 控制器是基于r a m 结构的，参数r a m 中存放了每个e d m a 通道需 要的各个传输控制参数，其结构如表l 所示： 表ie d m a 的参数存储结构 乃6 l e l e d m ap a r a m e t e rr a m 可选参数( o p t ) 源地址参数( s r c ) 帧阵列计数( f c )数据单元计数( e c ) 目的地址参数( d s t ) 帧阵列索引( f i x )数据单元索引( e i x ) 数据计数重加载( e c r l d ) 链接地址( l i n ka d d r e s s ) e d m a 传输参数包括了如下几个部分： 1 ) o p t 可选参数：包括f s 帧同步、l i n k 事件链接、t c c 传输结束代码、 t c i n t 传输结束中断、2 d d 2 d s2 一维目的源传输、d u m s u m 目的源地址更新模 式、e s i z e 数据单元的字长和p r i 事件优先级，共3 2 b i t ， 2 ) s r c 源地址参数：存放e d m a 访问的起始的源地址。 3 ) f c 帧阵列计数：存放n o n - 2 d 传输数据块中的帧数，或2 d 传输数据块中 1 3 适匕。甲口-盛o薯、爵外部设备v 的阵列数；e c 数据单元计数：存放帧( n o n 2 d 传输) 或一个阵列( 2 d 传输) 中的元素的个数。 4 ) d s t 目的地址参数：存放e d m a 访问的目标地址。 5 ) e i x f i x 帧阵列数据单元索引：作为地址修改的索引值。 6 ) e c r l d 数据计数重加载：用于一帧中最后一个数据远树传输之后，数据计 数值得重新加载；l i l l l 【a d d r e s s 链接地址：e d m a 控制器提供了多种传输机制，链 接地址为多次e d m a 传输提供了触发下一事件的机制装载地址。 3 2 基于硬件接口的开发方案 基于硬件接口的开发方案的系统设计结构如图6 所示： a i c 2 3m c b s p e d m a 雾“7一?， * ， 一 ： 笋一。 ” l，d o u t ： d rd r r 一e d m a l g r ! 、外部一k一卜i 应用， ，数据， nr、qy 。程序、 ，d i nd叹dxr ，e d m a l 7 、 势。 ，。 j 1 、。 图6 硬件接口开发方案结构 f i 9 6 h a r d w a r ei n t e r f a c es t r u c t u r e 基于硬件接口的开发方案通过对各个硬件设备的配置、控制、d s p 片内外设 与外部设备的接口设计，实现外部数据与应用程序之间的数据交换。该方案的具 体实现可以概括为m c b s p 与a i c 2 3 的接口设计和e d m a 的传输操作两个部分。 3 2 1m c b s p 与a i c 2 3 的接口设计 a i c 2 3 与d s p 的接口有两个，控制接口用于控制c o d e c 内部寄存器配置， 设置a i c 2 3 的工作参数；数据接口用于传输a d 、d a 数据。基于本方案选用两 个m c b s p 实现a i c 2 3 与d s p 的接口，m c b s p l 作为控制通道对a i c 2 3 进行配置， m c b s p 2 作为数据通道接收和发送信号，具体接口方式如图7 所示。 在m c b s p 与a i c 2 3 的接口设计中，主要涉及m c b s p 与a i c 2 3 通讯的时钟和 帧同步设置，这些参数包括m c b s p 内部采样率发生器时钟源选择、帧同步信号的 极性、时钟信号的极性、选择单相帧还是二相帧、每相中数据单元的个数、数据 延迟等，下面将分别介绍m c b s p l 、m c b s p 2 与a i c 2 3 的接口设计。 1 4 麦克输入 线路输入 线路输出 耳机输出 图7a i c 2 3 与m c b s p 接口 f i 9 7 a i c 2 3a n dm c b s p i n t e r f a c , e ( 1 ) m c b s p l 作为控制通道，用于设置a i c 2 3 工作参数，控制a i c 2 3