（信号与信息处理专业论文）超短基线定位系统数字信号处理硬件和软件的实现.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： 一i u d c ： 。t i 1 1 ii ij il li lll lli i i y 18 0 9 0 9 5 a3 i s s e r t a t i o nf o rd e g r e eo fm e n g h a r d w a r ea n ds o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o no f u l t r as h o r tb a s e l i n e p o s i t i o n i n gs y s t e m c a n d i d a t e ：t a n gj i w e i s u p e r v is o r ：p r o f s u nd a j u n 、j ，7 一 6 0 0 0 米 6 0 0 0 米 t r a n s c e i v e r s8 0 2 48 0 2 l 、8 0 2 3 、8 0 9 l 8 0 2 1 ，8 0 2 3 ，8 0 2 4 ，8 0 9 1 r e s p o n d e r s 不支持支持 支持 外部输入 g p sg p s 、m a h p sg p s 、m a h p s 、s v p 显示方式 雷达 雷达雷达 系统校准内部磁罗盘校准外部c a s i u s 校准外部c a s i u s 校准 1 3 论文内容概述 本文主要完成声学定位系统数字信号处理的硬件和软件实现，以及在硬 件平台上完成系统的调试和测试。主要内容安排如下： 介绍宽带声学定位系统基本原理，包括声学定位原理、时延差估计、 坐标转换； 设计多d s p 并行数字信号处理板，包括三片t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 、一片 c y c l o n ei if p g a 、两片a d 、一片d a 、一片串口通信芯片、两片 s d r a m 和三片f l a s h ； 完成多目标数字信号处理软件设计，在以t i 公司t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 为 核心的处理板上，设计实时数字信号处理软件，包括主片d s p 程序、 从片d s p 程序； 对整个系统进行调试和改进，进行实验验证系统的性能； 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章宽带声学定位原理 目前声学定位采用两种信号形式，即窄带信号和宽带信号，宽带信号多 采用编码信号和调频信号。窄带声学定位系统是通过测量信号到达接收基阵 阵元之间的相位差来实现定位的，而宽带声学定位系统是通过测量信号到达 接收基阵阵元之间的时延差来实现的。窄带声学定位系统容易受到相位模糊、 象限畸变、多途干扰等问题的困扰h ，而宽带声学定位系统，可以增强系统 的抗多途干扰能力和增加用户通道数，更适合在工作环境复杂的海洋工程中 使用。 2 1 声学定位原理 宽带水声定位是通过测量声波在水下传播时间和信号到达阵元的时延差 来确定信标位置，即：测定声波在水下传播的往返时间丁，再由r = c t 2 计 算信标距基阵的距离，测定各阵元接收声波信号的时延差计算信标的俯仰角 和方位角，从而确定被测信标的位置坐标。取“北东地”直角坐标系( x ，l ，z ) ， 其定位原理图如图2 1 所示。 4 个水听器位于两个相互垂直的基线上( 即在彳和】，轴) ，如图2 2 所示。 声信标s 发出的信号到基阵原点的声线与x 轴及y 轴的夹角分别为口和， 声信标距基阵的距离r = c t 2 ，其中丁为声波往返时间，c 为声波的传播速 度，s 为s 在x o y 平面上的投影，它与x 轴的夹角0 为信标水平方位角。 y 泓。 弋：7 z 图2 1 声学定位解算图 5 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 j 】， () 1 i 。dk i r ，i 厂、厂、董 v 7 2o 4 () 3 图2 2 声学定位系统4 元接收基阵 由图2 1 可知： x = r c o s ( 2 1 ) y = r c o s f l( 2 - 2 ) r = c 叫2( 2 3 ) z = r 2 x 2 一y 2( 2 4 ) 乡：t g l 上：t g c o s f l ( 2 - 5 ) xc o s 口 ( 2 1 ) - ( 2 5 ) 式为定位解算的基本公式，其中口、和r 为测量值。如果测 得口、和r 值，即可按上述诸式计算信标的位置参数。 由于基阵间的距离仅为几十厘米，尺寸甚小，可认为是远场接收的情况， 即入射到所有基元的声线平行，如图2 3 所示。 由图2 3 中的几何关系有： t l = d c o s a cq q 同理： 其中：c 水中声速 d 阵元间距 勺= d c o s c ( 2 7 ) 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 r 。x 轴两阵元接收信号的时延差 l y - - - y 轴两阵元接收信号的时延差 将( 2 6 ) 和( 2 7 ) 式代入( 2 1 ) 和( 2 2 ) 式，得到： x = c r , , r d ( 2 8 ) y = c 0 r d ( 2 9 ) 因此，在实际应用中只需测量r 。、勺及r 即可得出信标在基阵下的坐标。 d 图2 3 同轴上两个基元的定位原理 2 2 时延差估计 重写式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 有： x = c l , r d y = 既y r | d 为求定位误差，对( 2 8 ) 式求全微分有： d x = 等啦+ 等出+ 等出一争砌 用x 去除上式，得到位置测量相对误差的表示式： 叔d f d rd c d d 一= 二i - 一0 一一 x t x r c d 注意到r = c t 2 有： 7 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 哈尔滨下程大学硕士学位论文 一d r ：生+ 塑 f 2 1 2 ) rc2 一广 将式( 2 1 2 ) 代入到( 2 1 1 ) ，得到： 。鱼：亟+ 塑+ 2 尘一塑 ( 2 1 3 ) 。一xf ，tcd 、 当要求的定位精度以水平位置精度与斜距之比来衡量时有： 一d x ：生( 鱼+ 塑+ 2 生一堕) ( 2 1 4 ) rd 、f tcd 7、7 同理： a y ：旦( 堕+ 塑+ 2 生一丝) ( 2 - 1 5 ) rd 、f tcd 7 一般说，时间测量误差d t 可达到相当高的精度，声速误差在声线修正后 也可达相当高的精度，阵元间距的误差主要由安装精度决定，可忽略不计。 因此最重要的误差是时延误差引起的误差嗍。 在宽带声学定位系统中，时延差估计是最为重要的一个环节，系统定位 精度的高低直接取决于时延差估计的精度。求信号时延差有很多方法，最常 用的有相关法、最大似然时延估计和自适应参数估计方法等脚。本系统采用 相关法进行时延估计，相关法测时延可分为时域相关法和频域相关法两种。 时域相关法就是简单的移位乘累加，频域相关法就是利用f f t 计算线性相关。 设两序列分别为x ( 胛) 、y ( 胛) ，贝j jx ( n ) 和y ( ，z ) 的线性相关定义为m 1 ： 勺( 栉) = x ( m ) y ( m - n ) = x ( n + m ) y + ( 肌) ( 2 - 1 6 ) m 2 m 2 鉴于实际中的信号常为有限长实序列，上式相应的可变为： t 从一1n 一1 勺( 力) = 2 x ( 所) y + ( 聊一刀) = x ( n + m ) y ( m ) ( 2 1 7 ) l一1，一1 勺( 玎) = x ( 所) y ( 聊一疗) = 石+ 所) y ( 聊) ( 2 1 8 ) m = 0 m = 0 8 哈尔滨工程大学硕十学位论文 其中：n l ，n 2 分别为x ( 甩) ，y ( 船) 的长度，勺0 ) 的长度为m + 2 1 。 设n 。= ：= ，两个长度是n 点的序列在时域上做相关，需要做加法 c = ( 一1 ) 2 ，需要做乘法= n 2 。 在频域上做相关方法如图2 4 所示。 图2 4 频域相关法计算框图 对于d i t - f f t 算法，2 n 点f f t 所需加法c a = 2 n l 0 9 2 ( 2 n ) ，所需乘法 c 0 = n l o g ：( 2 ) 1 0 1 ，i f f t 与f f t 计算量相近，故频域做相关所需加法 = 6 n l 0 9 2 ( 2 n ) ，所需乘法= 3 n l 0 9 2 ( 2 n ) + 2 n ，两种方法计算量对比 如图2 5 和2 6 所示。 图2 5 时域相关与频域相关所需加法次数比较曲线 9 的计算 量，当n = 2 0 4 8 时，时域相关法的加法次数是频域相关法加法次数的2 8 倍， 时域相关法的乘法次数是频域相关法乘法次数的5 4 倍，故本系统采用频域相 关法。 采用传统的时延估计算法，时延估计精度取决于采样频率，约为采样周 期的一半。按本系统2 0 0 k h z 的采样频率计算，时延估计精度约为2 5 9 s ，不 能满足系统要求，故需要采用相关峰内插技术提高时延估计精度。相关峰内 插技术已经很成熟，详细的推导过程请参考文献 2 和 2 2 】，本文不再赘述。 2 3 基阵坐标到大地坐标的转换 水声定位系统一般由两个部分组成：湿端和干端。湿端就是声学定位基 一阵和水下应答器，干端包括船载g p s 、姿态传感器和数字信号处理处理机。 声学定位系统示意图如图2 7 所示。声学定位系统工作过程为：首先由声学 。 定位系统向应答器发出询问信号，应答器检测到该询问信号后发射定位信号。 当处理机检测到信号后，计算得到应答器在基阵坐标系下的坐标，将应答器 在基阵坐标系下的坐标融合船载g p s 与姿态传感器的信息转换成绝对大地 坐标，从而就得到了应答器在大地上的位置。安装时，基阵坐标系与船坐标 系之间不可能完全重合，存在安装偏差，这种安装偏差包括平移偏差和旋转偏 1 0 偏差是由 、姿态传 器与船、 图2 7 声学定位系统示意图 如何将应答器的基阵坐标转换为大地坐标呢，下面做一下简要的公式推 导： 基阵坐标系到船坐标系的坐标转换公式为： r a b + r 2f ，q ，卢，? 7 r t a = r t b ( 2 - 1 9 ) 其中：r a 口表示基阵在船坐标系下的位置，就是基阵安装的平移偏差， 平移偏差可由系统校准得到，a 表示基阵( a r r a y ) ，下标b 表示船坐标系；r t a 表 示目标在基阵坐标系下的位置，r 表示目标( t a r g e t ) ，下标a 表示基阵坐标系； 口表示目标在船坐标系下的位置；r ( q ，p ，叩) 是基阵坐标系到船坐标系的转 换矩阵， ，p ，y ) 为基阵安装的旋转偏差，旋转偏差可由系统校准得到。 f 0 0 6 p 0 0 s q c c s c s i n a血p1 胀履仂爿伽6 徊q 血俩胁q0 0 6 胆小却腕a盘叩0 0 s pi ( 2 2 0 ) i 血俩m 铘徊胁q - s i n 7 7 t s i n f l s i n a0 0 6 7 7 0 0 6 例 叩= a s i n ( s i n t c o s 3 )( 2 - 2 1 ) 哈尔滨丁程大学硕七学何论文 船坐标系到大地坐标系的坐标转换公式为： r b o + r 。( 向，p ，尼) r t s = r t o( 2 - 2 2 ) 其中：柏g 表示船在大地坐标系下的位置，由g p s 得到，b 表示船( b o a t ) ， 下标g 表示大地坐标系；r t 占表示目标在船坐标系下的位置，f 表示目标 ( t a r g e t ) ，下标b 表示船坐坐标系；r t o 表示目标在大地坐标系下的位置； r ( h ，p ，k ) 是船坐标系到大地坐标系的转换矩阵，h 指船体的航向角，p 指船 体的纵倾角，指船体的横摇角，船的姿态数据由罗经提供。 f c o s p c o s hc o s p g m hg m p1 舷另约= i _ 0 0 s 七s i n 乃一s i n k g m p e o s he o s k s h s i n 七s i n p 如办g m k c o s pl ( 2 2 3 ) 【s i n 七s i n 办一c o s k f f m p c o s h - g m k c o s h c o s k g m p g m hc o s 七c o s p j k = 口s i n ( s i n ，c o s p )( 2 2 4 ) 将式( 2 19 ) 代到式( 2 2 2 ) 有： r b o + r 2 ( 办，p ，尼) r a b + r 7 ( 乃，p ，后) r 7f ，q ，p ，刀，) r t a = r t o( 2 - 2 5 ) 根据式( 2 2 5 ) 即可计算出应答器的大地坐标。 2 4 本章小结 本章主要介绍了声学定位系统工作原理，并分析了时延差估计精度是决 定声学定位系统定位精度的主要因素。本章还叙述了时延差估计的一种常用 方法一频域相关法，此算法与常规时域相关法相比，计算量大大减少，可进 行实时时延差估计。最后，本文阐述了基阵坐标到大地坐标的转换过程。 1 2 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 第3 章基于t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 并行d s p 板的设计与 ，- 一 实现 。3 1 电路结构概述 随着计算机技术和数字信号处理技术的飞速发展，单d s p 系统在很多领 域中很难满足系统实时性的要求，例如雷达和声纳阵列信号的实时处理，因 而多片d s p 并行处理技术应运而生，实现数据高速传输和处理成为可能。本 系统要实现4 目标实时定位，计算量较大故采用多d s p 并行处理技术。系统 框图如图3 1 所示。 d lmm 州 图3 1 系统框图 1 3 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 本系统包括三片t i 高性能定点d s pt m s 3 2 0 c 6 4 1 6 、一片低功耗c y c l o n e i if p g a 。d s p 分为一片主片，两片从片。从片d s p 2 和d s p 3 主要完成时延 估计，并将结果发送至主片。当d s p 2 和d s p 3 完成时延估计后，将时延信 息通过多通道缓冲串口发送到d s p l 中，d s p l 利用串口芯片t l l 6 c 7 5 4 接收 到的g p s 和罗经数据综合计算出目标的大地坐标，然后将结果通过串口发送 到显控。f p g a 主要完成4 路信号数据采集、f i r 滤波、同步信号的产生和 串口通信芯片的控制。本系统为了能对并行d s p 处理板进行有效和简便的监 控，电路中还设置了r s 2 3 2 串口来与工控计算机通信。 3 2 主要芯片的选择 3 2 1d s p 芯片选择 目前性能比较出众的处理器有a d i 公司的t i g e r s h a r c 系列数字信号处 理器a d s p t s 2 0 1 s ，t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 4 x x 系列数字信号处理器 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 ，m o t o r o l a 公司的p o w e r p cg 4 系列处理器m p c 7 4 1 0 。表3 1 和表3 2 给出了它们之间的结构和性能比较1 6 1 。 表3 1 结构比较 a d s p t $ 2 01st m s 3 2 0 c 6 416 主频 6 0 0m h z6 0 0 m h z 处理器类型3 2 位浮点d s p3 2 位定点d s p 定点处理能力4 8 0 0 仉d ac s3 0 0 0i 、仆，i a c s 浮点处理能力 3 6 0 0m f l o p s 无 片内r a m2 4m b i t8 2 5 6m b i t 外部总线一个簇总线，6 4 位数据总线，3 2 2 个e m i f 接口总线，6 4 1 6 位数 位地址总线，一个h p i 接口据总线，一个h p i 接口 总线仲裁机制完善无 支持存储器同步异步存储器( 包括s d r a m )同步异步存储器( 包括s d r a m ) 链路口4 个，方便进行片间级联 无 串口 无3 个，可灵活配置 支持3 g 方面有一些通信专用指令有v c p ，t c p 两个通信协处理器 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 表3 2f f t 算法性能比较 a d s p t s 2 01st m $ 3 2 0 c 6 416m p c 7 4 1 0 主频 6 0 0 m h z6 0 0m h z5 0 0m h z 1 0 2 4 点复数f f t 指标 1 5 7 岬1 9 9 1 a s2 2 t s 1 0 2 4 点复数f f t 近似周期数 9 4 1 91 1 8 9 51 1 0 0 0 可以看出，如果看一片d s p 的某些运算能力的话，t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 显然 不如a d s p t s 2 0 1 s 。a d s p t s 2 0 1 s 具有浮点功能，这对于一些数据动态范 围大，或者要求软件开发周期短的应用来说比较有用。从存储器方面看， a d s p t s 2 0 1 s 具有更多的存储空间，两者均具有丰富的外界存储器接口。从 多片互联来看，a d s p t s 2 0 1 s 具有很大的优势，它除了有完善的总线仲裁机 制还有4 个链路口，可以用于各种拓扑结构的d s p 互联。尽管t i 的d s p 也 可以互联，但机制比较复杂。串口对于通信领域的应用来说非常重要， a d s p t s 2 0 1 s 没有集成串口，应该说是一个遗憾。而t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 集成了 3 个多通道串口。在精度要求可以满足的前提下，定点d s p 具有更高的速度 和更低的价格，综合考虑我们选用了t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 作为主处理器。 3 2 1 1t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 介绍 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的硬件结构如图3 2 所示。内部包括一个d s p 内核，该内 核包含8 个功能单元( l 1 、l 2 、s 1 、s 2 、m 1 、m 2 、d 1 和d 2 ) ，2 个数据 读取通路( l d l 、l d 2 ) ，2 个数据存储通路( s t l 、s t 2 ) ，2 个寄存器组交 叉通路( 1 x 、2 x ) ，2 个数据寻址通路( d a l 、d a 2 ) ，还有6 4 个3 2 位通 用寄存器。为了使数据能保持对超快速d s p 内核的供给，d s p 内部存储器包 含 的 个 储 和 环 编 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 位指令，运算能力可达到4 8 0 0 m i p s ( 每秒百万条指令) ，支持8 1 6 3 2 6 4 b i t 的数据类型。两个乘法单元一个时钟周期可同时执行4 组1 6 b i t 乘法或8 组 8 b i t 乘法，对于3 2 b i t 数据每秒可完成2 4 0 0 m m a c s ，对于8 b i t 数据每秒可完 4 8 0 0 m m a c s 。 由于t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 采用了c m o s 工艺，i o 电压为3 3 v ，内核电压为 1 4 v ，具有强大处理能力和低功耗特性，一般情况下约为1 5 w 。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 3 2 2f p g a 芯片选择m 1 一， 选择f p g a 芯片主要考虑以下三个因素： 1 、芯片性能 。 a l t e r a 和x i l i n x 同为全球两家最大的p l d 厂家，应该说在他们的产品系 列中都能找到从性能上满足要求的芯片。a l t e r a 公司高端f p g a 有s t r a t i x 系 列、s t r a t i xi i 系列、s t r a t i xi i i 系列、s t r a t i xi v 系列，中端f p g a 有a r r i a 、 a t r i ai i ，低成本f p g a 有c y c l o n e 、c y c l o n ei i 、c y c l o n ei v 。x i l i n x 高性能 f p g a 有v i r t e x ，v i r t e x 系列产品是世界上最畅销的f p g a 之一，1 9 9 8 首次 发布的v i r t e x 系列，促使x i l i n x 取得了当前市场的领导地位。2 0 0 6 年5 月， x i l i n x 宣布推出最新v h t e x 5 系列针对特定领域进行了优化的f p g a 。1 9 9 8 年，x i l i n x 通过发布s p a r t a n 系列引发了低成本f p g a 革命。现在，s p a r t a n 系列产品已广泛用于大批量应用( 如通信) 、工业和消费类( 如机顶盒和平板 电视) 。s p a r t a n 3 系列是目前最大批量的9 0 n mf p g a 产品。x i l i n x 最近推出 了s p a r t a n 3 a 和s p a r t a n 3 a n 平台，并将继续为其应用增加针对特定领域进 行了优化的s p a r t a nf p g a 平台。 2 、芯片功耗和价格 c y c l o n ei if p g a 在低功耗上具有绝对优势，是同类9 0 n m 低成本f p g a 功耗的一半。在价格上功耗降低而价格不变，而同类的9 0 n m 低成本f p g a 器件是提高价格，以获得低功耗。性能卓越，性能超出同类9 0 n m 低成本f p g a 6 0 ，由单片f p g a 实现低功耗和高性能。c y c l o n ei if p g a 仅是x i l i n x s p a r t a n 3 和s p a r t a n 3 lf p g a 全部功耗的一半。即使c y c l o n ei if p g a 芯片处 于8 5 0 c 最差情况下，与2 5 0 c 下的s p a r t a n 3 和s p a r t a n 3 l 器件典型芯片相比， 一 情况也是如此。图3 3 显示了三种产品系列总功耗的对比，它们具有等价的 资源利用率。a l t e r a 和x i l i n x 产品采用了功耗估算工具，分别是c y c l o n ei i ， p o w e rp l a ye a r l yp o w e re s t i m a t o rv e r s i o n1 0 和s p a r t a n - 3w e bp o w e rt o o l4 1 1 功耗估算工具。以目前的市场看在同等性能芯片上，a l t e r a 能作到比x i l i n x 更低的价格。 1 7 产品。此外a l t e r a 在国内的代理中也加入了全球领先的代理商a r r o w ( 艾睿电 子) ，应该说a l t e r a 产品得到越来越多的支持。 综合以上分析本系统决定采用a l t e r a 公司的c y c l o n ei if p g a 系列，因为 c y c l o n ei if p g a 在功耗和价格上具有很大的优势。 3 2 1 1a l t e r ac y c l o n ei i 介绍 寸 术 嵌 了 器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表3 3c y c l o n ei if p g a 系列特性对比表 器件 e p 2 c 5 e p 2 c 8e p 2 c 1 5 e p 2 c 2 0 e p 2 c 3 5 e p 2 c 5 0 e p 2 c 7 0 逻辑单元 4 6 0 88 2 5 61 4 4 4 81 8 7 5 23 3 2 1 65 0 5 2 86 8 4 1 6 m 4 k r a m 块 2 63 65 25 21 0 51 2 92 5 0 总比特数 1 1 9 8 0 81 6 5 8 8 82 3 9 6 1 62 3 9 6 1 64 8 3 8 4 05 9 4 4 3 21 1 5 2 0 0 0 嵌入式乘法器 1 31 82 62 63 58 61 5 0 p l l s224 4444 i o 管脚1 5 8 1 8 23 1 53 1 54 7 54 5 06 2 2 差分通道5 8 7 71 3 21 3 22 0 51 9 32 6 2 根据本系统f p g a 所完成的功能，e p 2 c 8 将是很好的选择。 3 3 电源电路设计 数字系统使用的电源大部分是数字电源，还有一部分是模拟电源。这些 电源必须满足一定的要求，一般而言，要求波纹系数不超过5 ，能够提供 足够的电流。此外还应该估算出数字系统主要器件的功耗，各个厂商提供的 芯片数据手册上，都给出了器件工作时所需的电流。我们在设计电源系统时， 必须考虑在电源电流和实际所需电流之间留有一定的余量，因为器件工作的 峰值电流有时会很大。 1 、d s p 的功耗。 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 主频工作在6 0 0 m h z 时，需要给它提供3 3 v 的i o 电压， 1 4 v 的内核电压。功耗与器件的工作温度、内核利用率、i o 读写速度等有 关。根据本系d s p 的使用率，使用t i 公司提供的功耗估计软件 6 4 1 456进行估算，可知主片内核电流需要，电流_powerr 27 2 0 m ai o 1 8 1 m a ，总功耗大概是1 6 0 7 w ，从片内核电流需要8 3 4 m a ，i o 电流1 9 6 m a ， 总功耗大概是1 8 1 3 w 。 2 、f p g a 的功耗。 c y c l o n ei i 器件做为业界成本最低、功耗最低的9 0 n mf p g a ，其静态功 耗低至1 2 m w ，一直保持在低成本f p g a 领域的市场领先地位。c y c l o n ei i 器件从根本上针对低成本进行构建，对低功耗进行优化，功耗仅是相竞争 1 9 图3 4e p 2 c 8 功耗估计 从图中可以看出总功耗为1 3 4 m w ，内核电流i c c 附为6 3 m a ，i o 电流i c a o 为1 8 m a 。 3 、其它外围器件的功耗。 f l a s h 采用s s t 3 9 v f 0 4 0 芯片，3 3 v 供电，动态消耗电流典型值为 1 0 m a 。s d r a m 采用h v 5 7 v 2 8 3 2 2 0 t 7 ，3 3 v 供电，消耗电流最大为3 0 0 m a 。 串口通信芯片本系统采用t l l 6 c 7 5 4 ，3 3 v 供电，工作频率为1 8 m h z ，最大 消耗电流为1 2 m a 。a d 转换芯片采用的是a d 7 6 5 5 ，5 v 供电，典型2 4 m a 。 光藕采用p c 4 1 0 ，输入最大功耗4 0 m w ，输出最大功耗5 0 m w 。r s 2 3 2 电平 转换芯片a d m 2 0 8 ，5 v 供电，最大消耗电流为1 7 0 m a 。r s 4 2 2 2 电平转换芯 片m a x 4 8 8 ，5 v 供电，最大消耗电流为9 5 m a 。 本系统共有2 4 v 、5 v 、3 3 v 、1 4 v 和1 2 v 五种电源。2 4 v 为整个系统 供电，5 v 为a d 7 6 5 5 、m a x 4 8 8 、a d m 2 0 8 和p c 4 1 0 供电，3 3 v 为d s pi o 、 f p g a i o 和p c 4 1 0 供电，1 4 v 为d s p 内核供电，1 2 v 为f p g a 的内核供电。 所以需要2 4 v 转5 v 的电源芯片，5 v 转3 3 v 的电源芯片，3 3 v 转1 4 v 和 1 2 v 的电源芯片。 根据各芯片的资料，对各部分消耗的电流估计如下： 2 0 - 哈尔滨工程大学硕士学何论文 1 2 v 工作电流为6 3 m a ，f p o a 内核供电。 1 4 v 工作电流为7 2 0 + 2 x 8 3 4 m a ，d s p 内核供电。 3 3 v 工作电流为2 3 m a ( f p g a 内核) 、1 8 m a ( f p g ai o ) 、1 0 1 3 m a ( d s p 内核) 、5 7 3 m a ( d s pi o ) 、1 0 m a ( f l a s h ) 、3 0 0 m a ( s d r a m ) 、 1 2 m a ( t l l 6 c 7 5 4 ) 、1 6 1 m a ( p c 4 1 0 ) ，总计2 1 1 a 。 5 v 工作电流为1 3 9 3 a ( 3 3 v 供电) 、4 8 m a ( a d 7 6 5 5 ) 、1 7 0 m a ( a d m 2 0 8 ) 、9 5 m a ( m a x 4 8 8 ) 、9 2 m a ( p c 4 1 0 ) ，总计1 8 a 。 2 4 v 转5 v 的芯片本系统采用n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的l m 2 6 7 8 5 0 ， 该芯片的转换效率高达9 2 ，电压输入范围8 v - 4 0 v ，电压输出范围1 2 v - 3 7 v ， 最大负载电流为5 a 满足系统要求。工作原理图如图3 5 所示。 i n o u l v o i 锄o 8 v 协4 0 v 3 1 1 s 弘f 图3 5l m 2 6 7 8 5 0 工作原理图 5 v 转3 3 v ，1 4 v ，1 2 v 的电源芯片，本系统采用t i 公司的t p s 7 5 9 0 1 ， 电压输入范围2 8 v - 5 5 v ，输出电压范围1 2 2 v - 5 v ，最大负载电流为7 2 a ， 满足系统要求。工作原理图如图3 6 所示，输出电压可以根据式( 3 1 ) 调整。 圪= x ( 1 + r , r a )= 1 2 2 4 v ( 3 1 ) t p s 7 5 9 0 1 图3 6t p s 7 5 9 0 1 工作原理图 2 l v o c o 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 3 4d s p 最小硬件系统设计 一个d s p 硬件系统可以分为最小硬件系统设计和外围接口设计两个部 分。d s p 最小硬件系统包括电源电路、复位电路、时钟电路、e m i f 总线接 口和j t a g 接1 ：3 等部分，缺一不可u 5 1 。本节主要介绍最小硬件系统的构造， 最小硬件系统构成如图3 7 所示。 。电源电路巴 r e 二刮存储器 复位电路卜 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 l 时钟电路卜 仁刮盯笞接 哈尔滨工程大学硕士学位论文 源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。为了简化电路本系统采用r c 复 位电路即可满足要求。图3 8 所示的r c 复位电路可以实现上述基本功能。 v c c e 11 0 k j r e s e t + 、l 心 图3 8 复位原理图 图3 8 所示的复位电路增加了二极管，在电源电压瞬间下降时使电容迅 速放电。系统上电时电容两端的电压变化如图3 9 所示。t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 输入 低电平的最高电压为o 8 v ，电容两端的电压从0 v 到o 8 v 所需时间2 7 7 6 m s ， 故低电平持续时间远大于2 5 0 i t s ，系统从上电到电源稳定所需时间小于2 m s ， 故复位时间满足要求。 图3 9 电容电压变化曲线 2 3 哈尔滨下稗大学硕+ 学位论文 3 4 2 时钟电路 外部输入如时钟经过倍频以后，产生d s p 的工作时钟以及外部接口所需 的时钟信号。t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 内部没有起振电路，故需要接一个有源晶体，作 为时钟输入信号。t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的p l l 内部结构如图3 1 0 所示。 f 甜t h ep uo o t i o n s c l k m o d ep i n ss e t u p ，甜畦 p l lc l o c kf r e q u e n c yr a n g e s ，s t a b l e3 2 图3 1 0p l l 内部结构图 如图3 1 0 所示c l k m o d e o 与c l k m o d e l 管脚决定p l l 倍频数，本系 统d s p 使用的有源晶振频率为5 0 m h z ，经过1 2 倍频，d s p 工作时钟为 6 0 0 m h z 。d s pe m i f 时钟有两种选择，一种是使用外部时钟e c l k i n ，一种 是使用内部4 分频时钟c l k o u t 4 或6 分频时钟c l k o u t 6 ，通过对管脚 b e a 1 7 ：1 6 的配置可选择e m i f a 时钟工作方式，通过对管脚b e a 1 5 ：1 4 的 配置可选择e m i f b 时钟工作方式。本系统d s p 的e m i f a 与e m i f b 时钟使 用的是4 分频时钟c l k o u t 4 。为了保证p l l 稳定工作，p l l 的电源应该稳 定供电。为了保证p l l 电源稳定，电源在被引入之前，应通过一个e m i 滤 波器，然后再经过两个电容滤波，最后送入p l l 。 2 4 一 p 一 哈尔滨丁程大学硕士学何论文 3 4 3e m i f 总线接口电路 大多数情况下，系统需要外界大容量的存储器，以满足算法和程序的需 要。e m i f 是外部存储器和c 6 0 0 0 片内其他单元通信的接口，d s p 访问外部 存储器和外设必须通过e m i f 控制。t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的e m i f 支持多种外部器 件的无缝接口，包括 流水线式同步猝发s r a m ( s b s r a m ) 。 同步d r a m ( s d r a m ) 。 异步器件，包括s r a m 、r o m 和f i f o 等。 外部共享存储器。 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的e m i f a e o 嘟m l a c e 3 a c e 2 a c e l a c e o l l d f 雏2 ：3 l a b e 7 矗b e 6 蕊 a b e 4 a b e 3 丽 a b e l a b e o b e d 1 5 ：棚 8 c 3 b c e 2 b c e l 8 c e 0 b e a ( 2 0 ：t | 两 b 8 e o 接口信号如图3 1 1 所示。 6 4 i 1 l 一 l m e m o r y m a p e x t e r n , 1 1 1 s p a c es e l e c t m e m o r y 诈 c o n t r o t 2 0 , e a r e s $ b y r ee 珀由| e s i 僦l i e m i f a1 6 4 - b n ) f 6 j， - i d a t a i m e m o r ym a p e x t e m 羽 s p a c es e l e c t m e m o r yl ：f c o n l r o l 1 柏 a d a r e s s b y t ee r m b l e s b u s a f b 轴r 删 e m | f b “6 b l | ) t a c l k 狲 a e c l k o u t l a e c l k o u t 2 a s d c k e 丽窬芍芒焉窬薇露罩高翟 a a o ea s o r a sa s o e a a w ea s d w e a s w e a a r d y a s o e 3 a p d r a h o l d a l l o l d a a 8 u s r e q b e c l k i h b e c l k o u t l b e c l k o u t 2 百j j 罨雨西力露丽瓦涔 圊定 8 a o e8 s o r a sb s o e 8 a w e8 s d w e b s w e 8 a r d y b s u e j b p o t b h o l o b h o l d a 图3 1 1t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的e m i f 接口信号 2 5 哈尔滨工程大学硕十学位论文 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的e m i f 分为e m i f a 和e m i f b ，e m i f a 为6 4 位数据总 线，e m i f b 为1 6 位数据总线。本系统的e m i f a 连接s d r a m ，原理图如图 3 1 2 所示，e m i f b 连接f l a s h ，原理图如图3 1 3 所示。 e c l k i n 1 _ 一 c e o l c s e c l k o u tc l k s d r a sr a s s d c a s c a s e m i f a 菇丽w e s d r a m s d c k e c k e b e 3 ：0 】d q m 3 ：0 】 e a 1 7 ：3 】a 1 7 ：3 】 e d 31 ：0 】 d 3 1 ：0 】 图3 1 2e m i f a 和3 2 位s d r a m 的接口 c e lc s a o eo e e f ba w e w ef l a s h e a 1 9 ：i 】a 1 9 ：i i e d 7 ：0 d 【7 ：o 】 图3 1 3e m i f b 和8 位f l a s h 的接口 e m i f a 和e m i f b 各有一组存储器映射寄存器，通过设置这 存器完成对e m i f 的控制，包括配置各个空间上的存储器类型、 时序等。 2 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 3 4 4j t a g 接口电路 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 都集成了j t a g 控制接口，j t a g 是基于i e e e 1 1 4 9 1 标准的一种边界扫描测试方式。结合仿真器和仿真软件，可以访问d s p 的所有资源，包括片内寄存器以及所有的存储器，从而提供了一个实时的硬 件仿真与调试环境，便于开发人员进行系统软件调试引。 本系统有三片d s p ，需要进行多处理器仿真调试，要求这些d s p 的j t a g 接口和1 4 p i nh e a d e r 间以菊花链方式互联。图3 1 4 是多处理器的菊花链方式 互连图。 图3 1 4 多处理器的菊花链方式互连图 3 5 数据采集电路设计 本系统的数据采样率为2 0 0 k h z ，同时采集4 路信号，由于系统输入信号 动态范围较大，故应选用1 6 b i ta d ，综合考虑本系统选用了a d i 公司的 a d 7 6 5 5 。a d 7 6 5 5 是一款低成本、4 通道、1 6 位、电荷再分配s a r 型模数 2 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 转换器( a d c ) ，采用5 v 单电源供电。该器件内设置了两个低噪声，宽带 宽，可同步采样的采样保持放大器、一个1 m s p s1 6 位高速采样a d c 、一个 内部转换时钟、纠错电路以及串行和并行系统接口。每个采样保持放大器都 含一个多路复用器，以将4 通道输入复用至a d c 。该器件具有两种采样模式： 一种是极高采样速率模式( 正常模式) ，一种是低功耗模式( 脉冲模式) ， 适用于低功耗应用，其功耗与吞吐量呈比例关系。该器件采用4 8 引脚l q f p 或4 8 引脚l f c s p 封装，工作温度范围为4 0 。c 至+ 8 5 。c 。 a d 7 6 5 5 能够采集4 路信号，最高数据率是1 m s p s ，也就是说每路能够 达到的最高采样率为2 5 0 k h z ，照此分析一片a d 7 6 5 5 即可满足要求，但是 这四路信号并不是同时采集的，也就说不能满足相位的一致性，相位差了一 个采样周期，双通道采集时序图如图3 1 5 所示。 图3 1 5 双通道采集时序图 c n v s t 是a d 采样信号，低电平有效，持续时间至少是5 n s 。a 。是通 道切换信号，在第n 个采样周期为低电平，低电平时采集1 通道的a 1 、b 1 两路信号，在第n + 1 个采样周期为高电平，高电平时采集2 通道的a 2 、b 2 两路信号。b u s y 信号为高表明一个通道正在转换，为低表明通道转换完毕。 e o c 信号为高表明一个通道中的一路信号正在进行转换，为低表明转换结 束。a d 7 6 5 5 同时采集4 路信号时，其采样率为采样信号频率的一半。 根据以上分析本系统采用了两片a d 7 6 5 5 ，通道切换信号a 。一直为低， 每片只有1 通道在工作，它们共用一个采样信号，这样就保证了相位的一致 性。电路原理图如图3 1 6 示。 2 8 哈尔滨 _ 程大学硕士学位论文 c n v s t b u s y ( n ) 。 i n a l 。 c s ( n ) a d 7 6 5 5 bf p g a ( n ) i n b l 。 r d d 1 5 ：0 卜 图3 1 6f p g a 与a d 的电路连接 f p g a 通过a d 7 6 5 5 的控制信号，对a d 7 6 5 5 进行控制，f p g a 的工作时