（电路与系统专业论文）遥感信息处理算法的dsp系统实现.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 摘要 传感器绝对辐射定标是实现遥感数据定量化的前提，是资源卫星遥感信息应 用建模的基础，主要包括传感器辐射定标、大气订正和目标信息获取三个部分。 本文实现了一种适合野外工作低功耗要求、利用u s b 通信的d s p 系统，完成绝 对辐射定标6 s 核心算法。论文主要有以下几个部分组成： 。1 )介绍了绝对辐射标定的理论基础并比较了几种实现方法；详细讨论了 6 s ( s e c o n ds i m u l a t i o no ft h es a t e l l i t es i g n a li nt h es o l a rs p e c t r u m ) 辐射传输模型，完成了p c 机上的6 s 算法实现。 2 ) 设计了一个d s p 板级系统用于实现辐射定标软件的核心算法。硬件 系统以t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 芯片为核心，配有f l a s h 、s r a m 存储器、c p l d 可编程逻辑器件和u s b 接口芯片；通过u s b 与p c 主机进行数据交互并利用u s b 总线供电以便于野外操作。 3 )在d s p 系统软件上，依靠d s p 芯片内部固化好的b o o t l o a d e r 程序和 系统本身的f l a s h 芯片，实现了d s p 系统自启动程序的设计，并通 过软件实现了f l a s h 芯片的在线烧写。 。 4 )利用c p l d 可编程逻辑器件实现一个有限状态机，控制p c 主机通过 u s b 接口芯片同d s p 系统的通信过程。 5 ) 完成了6 s 辐射定标的核心算法从p c 机向d s p 系统的软件移植，达 到了预期设计的目标。 关键词：6 s 算法、数字信号处理器、通用串行总线、有限状态机 中国科学技术大学硕七学位论文 a b s t r a c t r e m o t es e n s i n gq u a n t i z a t i o ni st h ep r o c e s si nw h i c ht h eg r o u n di n f o r m a t i o ni s a c q u i r e dt h r o u g ha b s o l u t er a d i a l i z a t i o ns c a l i n gf o rs e n s o ra n dn m d i f y i n gi m a g ed a t u m i tr e s e a r c h si n t oa n df o u n d sv a r i o u sa p p l i c a t i o n 【m o d e l sf o rg e o s c i e n c e s a n d i t i n c l u d e sr a d i a l i z a t i o ns c a l i n gf o rt h es e n s o r ，r e v i s i n gt h ea t m o s p h e r ep a r m n e t e r ad s p b o a r d - s y s t e mw i t hl o wp o w e rs u p p l yw h i c hc a nb eu s e di nt h ef i e l do u t d o o ra n dc a n r e a l i z et h ed a t at r a n s m i s s i o nw i t hp cv i au s bi sh l t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dd i s c u s s e st h et e c m i q u e su s e di na l g o r i t h m ss t u d i e sa n d h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ni nd e t a i l 。 1 ) h a v eat h o r o u g h ，s t u d ya n dd i s c j u s s i o no nt h ew a y s f o r r a d i c a l i z a t i o n s c a l i n g ，w h i c hi n c l u d e ? t h e 姆? 打。妒it h ew a y s ? 埘c 9 筘a s l b e t w e e n _ | 1_ ” t h e m i nn e e d so ft h ei m p l e m e n t ，w ei n t r o d u c et h e6 s ( s e c o n d s i m u l a t i o no ft h es a t 。e l l i t es i g n a ii nt h es 。o l a rs 融t ) r a d i a t i o n ， t r a n s m i s s i o nm o d e la n dd = i ；i s c u s s e 。d “1i ti nd e t a i l , a t t h 。e 舀矗e i m e ，w ec 哪， o u tt h es o f t w a r eo n 。p c i 2 ) d e s i g n e dad s p s y s t e mb o 。a r dw h i c hi sc o m p o s e d 6 f r v c 5 4 1 6 d s pa n d c p l da n du s b 、a n d f l a s h f o r t h eh a r d w 、a r ei m p l e m e n t a t i o no f t h e6 s a l g o r i t h m a c c o m p l i s ht h eis o 、f t w 。a r e 熟d s p js y s t e mb o a r d t h e 8 7 r y 誓i p 。1 唑j 。t h eu j s b 。粤罂螋a t i o n w 曩i t h 。9 磐d s p 。b o o t 。 。、 ” o r 、p 、 _ i 。+ 、“ 1 。8 妇p r o g r a mo nf 。l a s | 一h _ 黪笋! e ，t h e 。s y s j t e m u s j e st h e 。p o w e r 舶m u s bb u 8 ，o n h eo t h e rh a n d , t h e s y s j t e ma n d 粤。p cc o m m u n i c a t e dv i a u s bb u s i 。 。 3 ) ab o o t l o a d e rp r o g r a mi sa v a i l a b l ei nt h es t a n d 时dv c 5 4 1 6o n c h i p r o m u s i n gt h eb o o t l o a d e rp r o g r a ma n dt h ef l a s hc h i pi nt h es y s t e m ， s e l f - s t a r t u pp 。r o g r a m w a sr e a l i z e d a tt h es a m et i m e , d e v e l o p e da m e t h o dt ob u mt h ef l a s hw i t h o u tg e t t i n gi no u to f t h es y s t e m 4 ) d e s i g n e d af i n i t es t a t em a c h i n e ( f s m ) i nt h ec p l dt or e a l i z et h ed a t a t r a n s m i s s i o np r o c e s sb e t w e e nh p im a dh o s tm a c h i n e 5 )u s i n gt h em i g r a t i o no fs o m ec o r ea l g o r i t h mo ft h e6 ss o f t w a r ef r o mp c t od s ps y s t e m s ，a c c o m p l i s h e dt h ep r i m a r yp e r f o r m a n c et e s t ，。r e a c ht h e p r o s p e c t i v eg o a l k e yw o r d s ：6 sa l g o r i t h m d s p u s b f i n i t es t a t em a c h i n e ( f s m ) i i 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1背景介绍遥感及其信息定量化的发展 简单地讲，遥感就是在一定的距离之外，不实际接触物体通过测量而获得物 体有关信息的一门科学技术。现代遥感系统中，普遍测量的量是被测目标被动反 射或自身辐射出来的电磁波能量。遥感就是从这些电磁波信息中提取有用成份并 加以分析与综合，解译出我们感兴趣的东西的过程。 现代遥感技术是六十年代迅速发展起来的一门综合技术，它是建立在空间技 术、物理学、计算机技术、数学方法以及地学规律等现代科学技术的基础之上的。 按探测模式上的不同，遥感基本上可分为主动遥感系统和被动遥感系统，被动遥 感系统仍是现代遥感系统的主流，也就是说，传感器只是接受来自一个被外部辐 射源( 通常是太阳) 照明或自身热辐射的目标的( 电磁波) 能量而进行的探测。 主动遥感系统则是在系统内部产生和发出能量( 如激光雷达，微波散射计等) ， 同时接收目标物反射或散射回来的( 电磁波) 能量所进行的探测i l j 。 遥感在近3 0 多年来有了飞速的发展，遥感的应用领域及应用的深度在不断 的扩大和延伸，并取得了丰硕的成果和显著的经济效益、社会效益和生态效益， 引起了世界各国的广泛关注和重视。尤其自8 0 年代以来，随着计算机技术、网 络技术、通讯技术、传感器技术的迅速发展和遥感本身的发展以及全球对资源和 环境认识的进一步加深，遥感应用的领域更加广泛，同时也对遥感数据的处理与 分析提出了新的要求，促使遥感向定量化的方向发展。因此，实现遥感数据绝对 量化、定量化是遥感发展的必然趋势。 传感器输出的量都是相对值，只能作相对比较和定性分析，只有给出各探测 器所对应象元内地物的实际辐射值，才能对这些不同传感器、不同时间、不同区 域获取的遥感数据进行定量比较和综合利用口j 。 遥感信息定量化就是通过对传感器的绝对辐射标定和对获取遥感信息时的 一些影响因素( 如大气，观测几何以及地形等) 的订正，来最终得到地面目标真 实信息的过程，其内容主要包括传感器辐射定标、大气订正、目标的信息获取三 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 个部分。 l - 2 遥感传感器辐射定标及其意义 遥感传感器定标是遥感信息定量化中很关键的一步，遥感数据的可靠性在很 大程度上取决于定标精度，定标精度高低是衡量光学遥感数据质量的一个重要指 标，其实质就是要建立遥感器每个探测元所输出信号的数值量化值( d c t ) 与该 探测器对应像元内的实际地物辐射亮度值( l i ) 之间的定量关系，也就是所谓的 绝对辐射标定，即：d c * = a l i ，式中a 为遥感器定标系数。定标的目的是 为了更好的识别地面目标，确定一个能对地物作出直接判断和比较的标准 3 1 。 传感器的绝对辐射定标具有多方面的意义，概括起来主要有： 1 遥感数据定量化的需要： n 2 可以获取地表物质及大气的定量参数，精确确定目标特性的时间和空间变 化： 3 监测在轨卫星传感器的变化并不断给出修正系数，弥补星上定标的不足； 4 多种传感器和多时相遥感资料的综合应用的需要。 从光学遥感的定标方法上讲，卫星传感器绝对辐射定标可分为飞行前实验室 定标、星上定标和飞行定标三种定标方法。这三类定标方法之中每一种都是有用 的，但每一种都有其局限性。图1 1 给出了这三种方法的示意图 飞行前的实验室定标是必要的，它确定了传感器的线性度，每个通道的光谱 带以及每个通道的刻度。星上定标的优点是可对一些光学遥感器实时定标，不足 的是，大部分星上定标都只是部分系统和部分口径定标，没有模拟遥感器的成象 状态。 由于飞行前定标和星上内定标都不能完全确定由各种情况所引起的传感器 特性的变化，因此要得到真正精确定标的数据还必须采用飞行定标的方法。飞行 定标是指传感器在正常运行和外界环境条件下，在地球表面选取一些均匀区域作 为定标场，利用定标场的均匀地物为目标，通过同步测量实现在轨遥感卫星传感 器的辐射校正的一种定标方法。飞行定标是指传感器在正常运行和外界环境条件 下，在地球表面选取一些均匀区域作为定标场，利用定标场的均匀地物为目标， 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 通过同步测量实现在轨遥感卫星传感器的辐射校正的一种定标方法。目前辐射校 正场的测量与评价技术的研究在国外已经走向成熟，并且成功的运用于在轨卫星 遥感器的同步辐射校正中。 飞行定标的方法也很多，常用的三种方法是：反射率基法、辐亮度基法和辐 照度基法。其中反射率基法和辐照度基法紧紧依赖于精确测量地面场地的反射 率。反射率基法是把测得的反射率输入辐射传输计算软件( 如6 s ) ，然后计算出 卫星传感器入瞳处的辐亮度。所需的其它输入的参数还有分子散射和气溶胶光学 厚度、气溶胶复折射指数及其谱分布。此外还要做大气吸收订正：包括所标定通 道上的臭氧( 0 3 ) 、水汽( h 2 0 ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 和氧( 0 2 ) 的吸收订正。辐 照度基法所用的输入参数除反射率基法的输入量外，还要测量向下到达地面的漫 射总辐射比，该比值是对参考板测出的：先用辐射计测出板上的总辐照度，然 后用不透明的遮挡罩挡掉太阳直射辐射，这样便测出漫射辐射分量。对于太阳光 入射天顶角和观测方向的漫射总辐射比在辐照度基法中也必须知道。由于在作 辐射传输计算时对所选用的气溶胶模式需作某些假定，利用辐照度基法可减少由 这些假定引出的不确定性。辐亮度基法不需要输入地面反射率，它采用一台稳定 的作过辐亮度定标的仪器搭载在高空飞行的飞机上，进行同步测量来实现标定， 它要求这台仪器观测时的几何关系与卫星传感器观测时相同，而且要将参考仪器 高度以上至标定传感器之间的大气影响订正到所测的辐亮度中。由于水汽和气溶 胶粒子大部分位于低层大气中，这时所需的大气订正比在地面测量要小得多。参 考仪器所在的高度越高，这种大气订正就越小。但由于需要高空作业，增加了测 量的难度【i o 】。 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 一级辐 射标准 二级标准 传感 飞 图1 1 卫星传感器绝对辐射标定示意图 1 3辐射标定6 s 算法简介 1 3 16 s 传输模型 大气辐射校正的目的就是将这些卫星遥感定标后的表观辐射亮度转换为反 映地物真实信息的地表反射率。实践表明，由法国大气科学实验室( l a b o r a t o i r e d f o p t i q u e a t m o s p h 6 r i q u e ) 开发的，用来模拟太阳反射光谱区( o 2 5 4 o p m ) 卫 星传感器信号的辐射传输软件6 s 算法，是目前研究太阳反射光谱区卫星遥感或 航空遥感的一种较为实用、方便、高精度的辐射传输计算软件。 6 s 模型软件是法国大气科学实验室( l a b o r a t o i r ed o p t i q u ea t r n o s p h e r i q u e ) 研 究开发的，该实验室十年前曾开发出5 s ( s i m u l a t i o no ft h es a t e l l i t es i g n a li nt h e 中国科学技术大学t 丽- j r 学位论文第一章绪论 s o l a rs p e c t r u m ) 传输模型。6 s 是5 s 传输模型的改进版本。相对于5 s ，6 s 有很 大改进，主要表现在下面几个方面 3 , 4 1 ： ( 1 ) 、可以模拟任意高度的航空观测，原来的5 s 只能模拟计算几种卫星传感器 的高度( 如l a n d s a tt m ，s p o th r v 等) ，而6 s 通过输入传感器高度可以模拟计 算任意高度的航空观测。 ( 2 ) 、可以计算任意海拔高度的目标，原来的5 s 只能模拟计算目标在海平面的 情况，而6 s 通过输入目标高度可以计算目标在任意高度的情况。 ( 3 ) 、考虑到地面的非朗伯特性，5 s 假定地面为朗伯反射面，而6 s 计算中考虑 到地面的非朗伯特性，用户可输入地面目标的b r d f 值来描述地面的朗伯特性。 ( 4 ) 、6 s 在气体透过率计算中除了考虑5 s 中的四种气体( o 。、0 。、h 2 0 和c o 。) 外，又增加了c h 4 、n 2 0 、c o 三种气体的吸收作用。 ( 5 ) 、光谱积分间隔由原来5 s 中的5 纳米提高到2 5 纳米，精度大为提高。 ( 6 ) 、采用更为合理的近似和逐次迭代算法，在瑞利和气溶胶散射方面的计算精 度有了很大的提高。 ( 7 ) 、原来的5 s 模型中只有大陆、海洋、城市三种标准气溶胶类型，6 s 中除了 包含5 s 中的气溶胶类型外又增加了沙漠背景气溶胶类型。 因为电磁辐射与地球大气之间的相互作用是很复杂的，实际应用过程中， 通常假设天空是均匀朗伯散射体，天空辐照是各向同性的，这对于一般的天气条 件是成立的。另外，还假设地表是水平均匀的，这对于大面积地面目标是成立的 ( 如敦煌辐射标定场) 。在这样前提下，如果用辐射度量来表示，则传感器入瞳 处辐射度l s ( 柚的经典表达式为【4 】： t ( 丑) = ( 1 力。毛以 ) 以巨( 丑) e - r 。) i s , + 目( 丑) g 。肌+ 岛( 旯 n 1 其中， t g 是向上和向下两方向的大气总吸收透过率； p 是地面双向反射率因子； e s 是大气外太阳光谱辐照度； “s 是太阳天顶角o s 的余弦( = c o s o s ) ： “v 是观测天底角e v 的余弦( = c o s o v ) ； e d 是入射到地表的大气漫射辐照度； 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 r 是太阳到地面方向的垂直大气散射光学厚度； e 一一p s 是该方向上的大气散射透过率； t ”是地面到传感器方向的垂直大气散射光学厚度： e t ”g v 是该方向上的大气散射透过率； l p 是大气路径散射辐射度。 本系统中采用改进反射率方法，其标定精度比常规反射率方法要高，国际上 现已进入了运行阶段。改进反射率法( 辐照度法) 就是利用地面测量的向下漫射 与总辐照度值来确定卫星传感器高度的表观反射率。这种方法使用解析近似方法 来计算反射率，降低了对气溶胶粒子的完整和准确描述的要求，从而可大大缩减 计算时间和计算复杂性。其主要改进之处在于，同步测量地面和大气光学特性参 量的同时，再测量出大气漫射总辐照比a 。因此，对于改进反射率方法来说，传 感器入瞳处辐射度l s 可通过传感器高度的表观反射率因子p + ( g s ，+ s ；十v ) 来表 示： p + = 等= 卜篙p o - p - s ) 篙) 其中， d 为日一地距离校正因子； p a 是大气固有反射率； t d ( g s ) 是向下方向( 太阳到地面) 的大气漫射透过率； t d ( 1 v ) 是向上方向( 地面到传感器) 的大气漫射透过率； s 是大气球面反照率； 其它参量的涵义与式( 1 ) 相同。 1 3 26 s 算法流程 根据上面算法，6 s 模型由输入模块，运算模块，输出模块组成。其运算流 程图如图1 2 所示。 ( 一) 、输入模块6 s 要求输入的参数主要有： 1 几何条件 几何条件主要指太阳几何与观测几何。太阳几何包括太阳天顶角和方位角， 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 它可由卫星过顶时间，经纬度计算出来，这由专门的小程序来实现。观测几何指 观测天底角和方位角，它由不同的传感器来决定。 2 大气条件( p ( z ) 、t ( z ) 、u 0 3 ( z ) 、u h 2 0 ( z ) ) 在6 s 中提供了无气体吸收大气、热带大气、中纬度夏季大气、中纬度冬季 图1 26 s 算法流程 大气、副极带夏季大气、副极带冬季大气和美国标准大气七种标准大气模式数据 ( 温度、压强、密度、湿度廓线及与气体吸收有关的数据等) 。两种用户自定义 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 模式，用户可根据自己的情况来选择。 一种用户自定义模式要求输入大气柱水汽含量和臭氧含量，大气廓线采用 美国标准大气廓线，另- - t 0 用户白定义模式则要求输入3 4 层大气的探空数据( 每 层的高度、气压、温度、水汽密度和臭氧密度) 。 3 气溶胶模式 气溶胶模式主要包括气溶胶类型和气溶胶含量。6 s 中提供了几种标准气溶 胶类型数据( 大陆，海洋，城市，背景沙漠等) 和用户自定义类型。用户可输入 气溶胶的谱分布来定义气溶胶的类型。气溶胶含量通过输入o 5 5um 波长处的 气溶胶光学厚度( 或水平能见度) 来表示的。 4 光谱条件 主要包括波段范围和波段光谱响应函数，6 s 提供了常用的几种卫星传感器的 波段宽度和光谱响应数据( 如l a n d s a t 卫星的t m 传感器、s p o r t - - 1 卫星的 h r v l 和h r v 2 传感器、n o a a 系列卫星的a v h r r 传感器以及g o e s 卫星的 可见波段传感器等) 。用户可根据情况选用这些标准的光谱条件。对于6 s 中没包 括的其他传感器，用户可输入传感器波段的上下限和波段光谱响应来定义光谱波 段状况，同时6 s 还提供了默认光谱响应( 矩形光谱响应) 。另外，这一部分6 s 还提供了单色光谱计算功能。 5 地面反射率( 类型和随光谱变化特性) 这一部分主要定义了地面的光学均匀性，反射特性等地表状况。它考虑了地 面的非朗伯特性，用户可用地面的b r d f 值进行校正。首先输入地面是否均匀， 若地面不均匀，则要求输入目标和背景的反射率值及目标大小。如果地面均匀， 要求输入地面是否有方向影响，如果地面均匀且无方向影响，直接输入地面反射 率值即可，如果地面均匀有方向影响，则除了要输入地面的反射率之外，还要输 入反映地面的方向特性的b r d f 值。6 s 还提供了一些公认的数据：绿色植被， 清澈的海水，典型的沙漠及湖水的反射率光谱数据供用户选择 6 其它数据 6 s 还允许用户任意定义传感器的高度和目标高度，只要输入相应值即 可。 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 ( 二) 、运算模块 6 s 的运算是分阶段进行的，只要在某一阶段的输入参量个数够了且无误， 6 s 就开始运算，运算完了再输入剩下的参量，再运算。一旦某一阶段的输入有 误，程序就退出，具有很大的灵活性。 ( - - ) 、输出模块 6 s 的运算结果存在用户指定的文件里，以文件形式输出。用户可通过查看 输出文件看到6 s 的输出结果。6 s 的输出结果包括传感器处的表观辐亮度、表观 反射率、气体的总透过率，及各种气体的向上、向下、总的透过率等参量 3 , 4 1 。 t a n r e 等人发展的6 s 已成为世界上发展完善的大气辐射校正模型算法之 一，该模型既能较合理的处理大气散射，气体吸收，又能产生连续光谱，避免了 在光谱反演中的较大的定量误差，6 s 充分利用了分析表达式和预选大气模式， 从而使计算时间很短。6 s 模型不仅可用来定标，同时也可进行辐亮度，反射率 等物理量的反演，而且实用，精度高，操作方便。 1 3 3 对原6 s 算法的改进 原6 s 算法是由一个包含1 0 0 多个f o r t r a n 语言编写的小程序组成，通常 是将这些小程序做成一个动态链接库，在由其它高级语言编写的软件操作环境下 调用这些动态链接库。为了将6 s 软件的某些核心算法移植到我们开发的d s p 系 统上运行，必须将这些f o r t r a n 语言小程序全部改成能在d s p 上运行c c + + 代码程序，并且要在p c 端编写上位机程序以便用户控制数据输入及观察运行结 果。图1 3 是我们在v c 6 0 环境下完成的这个程序界面。 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 图1 36 s 算法d s p 系统实现用户界面 1 4 本文的主要工作 我国的遥感事业起步于6 0 年代，进入7 0 年代以来，随着国际空间技术和 遥感技术的发展，我国遥感也有了相应的发展，7 0 年代初我国成功地发射了第 一颗人造地球卫星，并很快掌握了卫星回收技术，获得我国的一批卫星图象。“七 五”期间的国家科技攻关计划中，遥感技术项目的列入反映了我国对发展遥感技 术的重视，此间建立了十多个遥感实验场和一个辐射定标实验室【1 3 】。8 0 年代， 我国开始制定资源卫星计划，研制成功了一批高性能的航空遥感器。近年来在国 际对地观测计划的促进下，我国也制定了自己的长期遥感发展计划，这些计划在 “8 6 3 ”空间对地观测计划、遥感信息获取与处理计划、国家重大空间工程计划 和“九五”遥感应用计划中都得到了落实。1 9 9 4 年年底立项的“中国遥感卫星 辐射校正场”项目也已开始实施，并对敦煌辐射校正场地的地面和大气状况进行 了几次测量。我国传感器辐射校正场的建立，不但可以满足我国资源卫星、气象 卫星和军事卫星辐射定标的需要，还能推动我国遥感信息的定量应用。同时还可 按照国际规范运行，与国际其他场地联系，实现我国遥感与国际接轨【1 1 , 1 2 。 基于我国遥感研究的现状，本文紧密结合“中国遥感卫星辐射校正场”敦 煌辐射校正场研究项目的开展，解决了以下方面的问题： 中国科学技术大学硕上学位论文 第一章绪论 1 对实现绝对辐射定标的方法进行了的讨论：包括实现绝对辐射标定 的理论基础和实现几种方法的比较。并为了方法实现的需要，引入并详细 介绍了6 s 辐射传输模型，同时，根据该模型，在p c 机上完成了软件实 现。 2 设计了d s p 硬件系统，配合p c 机上位机程序通过软硬件结合实现 辐射定标算法。浚硬件系统以t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 芯片为核心，配 有f l a s h s r a m 存储器和u s b 接口芯片，并通过d s p 芯片上的h p i 口实现了与p c 主机的数据交互。 1 5本章小结 本章首先对要在我们开发的d s p 系统上完成的算法的模型做了详细介绍， 为了完成算法的部分移植，分析了6 s 的算法的完整流程。原有的6 s 程序是用 f o r t r u n 编写的1 0 0 多个小程序组成，将6 s 程序转变为可应用于d s p 的c c + + 程序和汇编程序是个及其复杂的过程，并且还要对原有的程序做针对5 4xx 系 列d s p 的优化，以提高效率。 中国科学技术大学硕士学位论文第二章基于d s p 的6 s 软件处理系统概述 第二章基于d s p 的6 s 软件处理系统概述 2 1 数字信号处理器的特点 近几年，随着数字信号处理器d s p 在通信领域广泛应用，d s p 芯片、应用 软件和系统迅猛发展，每年以4 0 的速度增长，究其市场驱动力是i n t e m e t 、无 线通信、硬盘驱动器、可视电话、会议电视以及其它消费类电子产品，也就是说 d s p 产业的发展依赖于通信技术和通信市场。随着新的通信体制、传输方式和多 媒体智能终端的发展，其算法、标准和规程都需要在实践中不断发展、改进和优 化。由于可编程d s p 的灵活性和不断增强的运算能力，将使其应用到许多目前 尚未涉及的领域，进一步激发人们的想象力和创造力，开发出数字通信的崭新应 用领域，使通信技术向更高的层次迈进。 数字信号处理相对于模拟信号处理有很大的优越性，表现在精度高、灵活 性大、可靠性好、易于继承等方面。随着人们对实时信号处理要求的不断提高和 大规模集成电路技术的迅速发展，数字信号处理技术也发生着日新月异的变革。 实时数字信号处理技术的核心和标志是数字信号处理器。自第一个微处理器问 世以来，处理器技术水平得到了十分迅速的提高，而快速傅立叶变换等实用算法 的提出促进了专门实现数字信号处理的一类微处理器的分化和发展。数字信号处 理有别于普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，针对实时数字信号处 理，在处理器结构、指令系统、指令流程上做了很大的改动，其结构特点如下【2 7 l ： ( 1 ) 、d s p 普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结 构，比传统的冯诺依曼结构有更高的执行速度； ( 2 ) 、d s p 大多采用流水技术，即每条指令都由片内多个功能单元分别完成 取指、译码、取数、执行等多个步骤，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每 条指令的执行时间； ( 3 ) 、片内由多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅 助寄存器用于寻址，它们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指向下 一个要访问的地址； ( 4 ) 、针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘法累加运算的特点，d s p 配 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章基于d s p 的6 s 软件处理系统概述 有独立的乘法器和加法器。使得同一时钟周期内可以完成相乘累加两个运算； ( 5 ) 、许多d s p 带有d m a 通道控制器，以及串行通信口等，配合片内多总线 结构，数据块传送速度大大提高； ( 6 ) 、配有中断处理器和定时器，可以很方便地构成一个小规模系统； ( 7 ) 、具有软、硬件等待功能，能与各种存储器接口。 2 2d s p 应用系统的特点 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础的，因此具有数字处理的全部 优点盼3 6 1 。 ( 1 ) 、接口方便。d s p 应用系统与其它以现代数字技术为基础的系统系统或 者设备都是相互兼容的，它与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这 些系统接口要容易得多； ( 2 ) 、编程方便。d s p 应用系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过 程中灵活方便的对软件进行修改和升级； f 3 1 、稳定性好。d s p 应用系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影 响比较小、可靠性高； ( 4 ) 、精度高。1 6 位数字系统可以达到i 0 - - 5 级的精度； ( 5 ) 、可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响比较大，而 数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； ( 6 ) 、集成方便。d s p 应用系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集 成。 虽然d s p 应用系统也存在着由于高速时钟可能带来的高频干扰和电磁泄 漏，开发和调试工具有待完善等等问题，但是其突出的优点已经使得它在通信、 语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等领域得到越来越多的应用。 2 3 本系统的d s p 选型 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是一个非常重要的环节。只有选定了 d s p 芯片才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。总的来说，d s p 芯片 的选择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于其应用的 中国科学技术大学硕士学位论文第二章基于d s p 的6 s 软件处理系统概述 场合、应用目的等不尽相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。一般来说，选择 d s p 芯片时应考虑到以下几个因素： ( 1 ) 、性能指标、指令速度m i p s 。实时信号处理要求d s p 处理系统必须在限 定的时间内完成任务，或者在允许的输出一输入响应迟延范围内，系统的数据输 入、输出吞吐率达到一定速度；精度和动态范围、数据字宽、定点、浮点； ( 2 ) 、。d s p 芯片的硬件资源。选用的d s p 芯片应具备本应用所需要的某些特殊 功能。如串行通信口、片内语音处理功能、片内a d 或d a 集成、与特定外部设 备接口等： ( 3 ) 、功耗。是否需要低功耗型号，因为在某些应用场合，功耗是一个特别 需要注意的问题。如便携式d s p 设备、野外应用的d s p 设备等对功耗有特殊的要 求。我们设计的这套d s p 系统正是应用于野外作业，因而功耗问题是首要关心的； ( 4 ) 、应用开发周期。在开发d s p 应用系统中，开发工具必不可少。因而选 用的d s p 芯片应具备完善的开发调试工具，d s p 本身易学易用； ( 5 ) 、型号延续性。产品有较好的应用前景，或者未来有兼容替代型号，这 要求生产厂家要有一定的实力，能在芯片生产或开发调试系统上得到其它厂商 的支持。 当选择了一种d s p 满足上述要求后，还应选择更具体的类型，如速度、工作 温度范围、封装等。许多d s p 都提供了具各片内r o m 型的产品，片内r o m 可以 将定型的程序代码固化至i j d s p 片内，从而减少了系统的体积、功耗、电磁辐射干 扰，速度也有所提高，在采用大批量生产时可以降低成本。但这种r o m 几乎都 是一次性写入的，而且需要由厂家专门制作，其批量起点高( 万片) ，带来了很大 的资金投入和生产风险，因此对普通使用者，这些r o m 是无用的。所以d s p 处理 系统中除了d s p 夕b ，另外的不可缺器件就是存储器，一个独立系统必须有 e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h 等非易失性存储器来存放程序、初始化数据、表格 等。当d s p 的片内存储器不够使用时，有必要采用可读写的片外存储器，静态r a m ( s r a m ) 速度高，与d s p 连接简单，能被d s p 全速访问( 无等待) ，但成本高、容量 小、体积大，动态r a m ( d r a m ) 则与之相反。 综合考虑了以上所有的情况后，本d s p 应用系统中我们采用的是t i 公司的 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6d s p 芯片，辅以c p l d 、f l a s h 存储器、s r a m 存储器、u s b 接 口芯片f t 2 4 5b m 等芯片。 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章基于d s p 的6 s 软件处理系统概述 2 4t m s 3 2 0 v c 5 4 16d s p 芯片简介 2 4 1c p u t m s 3 2 0 c 5 4 系列d s p 有相同的c p u 结构。 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ( 本文简称v c 5 4 1 6 ) 的c p u 结构特征如下嘲： ( 1 ) 、具有高性能的改进哈佛总线结构，即具有三条独立的1 6 b “数据存储器 总线和一条1 6 b i t 的程序存储器总线； ( 2 ) 、4 0 b i t 的算术逻辑单元，包括一个4 0b i t 的桶形移位寄存器和两个独立 的加法器： ( 3 ) 、1 7 1 7b i t 的并行乘法器与专用的的4 0b i t 加法器相结合可以在一个非 并行指令周期内完成一次乘加( m a c ) 操作； ( 4 ) 、具有专用于维特比蝶形算法的比较、选择和存储单元( c s s u ) ； ( 5 ) 、指数译码器可以在一个指令周期内求一个4 0b “累加数的指数值，这 里的指数定义为累加器中没有数据占用的位数的个数减去8 ，因此，指数的范围 为一8 3 1 ； ( 6 ) 、两个地址发生器、8 个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术单元( a r a u ) ； ( 7 ) 、单周期定点指令执行时间为6 2 5 n s 。 2 4 2 存储器 t m $ 3 2 0 c 5 4 系列d s p 芯片内部均带有一定数量( 通常是1 9 2 k 字1 6 位) 的高速物理存储区空间，这些空间可分为三种专门的存储器空间，即6 4 k 字的 程序空间，6 4 k 字的数据空间和6 4 k 字的i o 空间。t m $ 3 2 0 c 5 4 系列d s p 芯 片体系结构的并行特性和片内r a m 双访问功能，允许c 5 4 器件在任何给定的 机器周期内执行四个并行存储器操作：一次取指、读取两个操作数和写一个操作 数。与片外存储器相比，片内存储器具有几个优点：不需要插入等待状态、低成 本和低功耗。但是，片外存储器具有寻址较大存储空间的能力，片内存储器寻址 空间小。在实时性要求很高的应用系统中，应尽量将程序和数据存放在内部物理 存储区中，而且尽可能的将数据区定义在内部双访问r a m ( d a r a m ) 中，程 序区可定义在内部单访问r a m ( s a r a m ) 、d a r a m 或是r o m 中，一些查找 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章基于d s p 的6 s 软件处理系统概述 表或是初始化数据也可以放在程序区中。因为对于程序区常常只要读操作，而对 于数据区往往可以同时存在读操作和写操作，所以数据区尽可能定义在d a r a m 中。 一般来说，t m s 3 2 0 c 5 4 系列d s p 的数据区和i o 区是片外资源，而且常 常是不能被扩展访问的。程序区可以分为基本程序区和扩展程序区，显然是可以 被扩展访问的。基本程序区的访问空间是6 4 k 字，对于不同的d s p 芯片，扩展 能力不同，对于v c 5 4 1 6 来说，最大扩展访问空间为8 1 9 2 k 字( 8 m 1 6 b i t ) ，因 此可以说d s p 系统的映射存储器代表了d s p 芯片的一种寻址能力和可访问空间 的大小，在没有对映射存储器配置前，这些映射存储器是虚拟的，是不能用来存 储程序和数据的。所以在对d s p 程序的编译和汇编之后，链接生成目标文件之 前，必须加入存储器配置文件( c m d 文件) ，将实际的物理存储区映射到映射存储 器空间上。 v c 5 4 1 6 提供了1 6 k x1 6 b i t 的片上r o m 和1 2 8 k 1 6 b i t 的片上r a m ，这 1 2 8 k 字的r a m 由8 块8 k x l 6 b i t 的片上d a r a m 和8 块8 k 1 6 b i t 的片上 s a r a m 区块组成。映射存储器的配置受v c 5 4 1 6 外部管脚m p m c 以及处理器 状态模式寄存器p m s t 的控制，我们开发的系统的具体配置方案下一章详细介绍。 表2 1 是v c 5 4 1 6 对另外两款流行的5 4 xd s p 芯片v c 5 4 0 2 、v c 5 4 1 0 作的一个 简单比较： 表2 1v c 5 4 1 6 与5 4 0 2 、5 4 1 0 性能比较 t m s v 3 2 0 c 5 4 1 6t m $ 3 2 v c 5 4 1 0 t m $ 3 2 0 v c 5 4 0 2 l 处理速度 1 6 0 m i p s 1 0 0 m i p sl o o m i p s l 片上r a m 1 2 8 k x1 6 b i t6 4 k x l 6 b “一 4 k 1 6 b i t 等优点。所以本系统选择了技术上比较先进，价格可以接受的v c 5 4 1 6 作为硬件 开发对象。 2 4 3 片上外设 v c 5 4 1 6 具有以下片上外设嗍： ( 1 ) 一个增强的8 1 6 主机接口 ( 2 ) 具有并行i o 口： ( 3 ) 两个控制外部总线的单元 ( h p l 8 h p l l 6 ) 等待状态发生器和分区转换逻辑单元 中国科学技术大学硕士学位论文 第二二章基于d s p 的6 s 软件处理系统概述 ( 4 ) 三路多通道缓冲串行口( m c b s p s ) ； ( 5 ) 具有外部时钟源的片内外设锁相环( p l l ) 的时钟发生器 ( 6 ) 一个硬件定时器； ( 7 ) 具有6 通道的d m a 控制器。 2 。5 系统总体架构设计 本文设计的d s p 硬件系统，是为了有效保护野外实验所采集的6 s 算法所需 的数据库，防止非法拷贝，以t i 的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6d s p 芯片作为系统主控元件 的d s p 硬件系统。事先将6 s 软件所需要的这部分数据库及相关算法写入板上的 闪存f l a s h 中，上电后自动加载程序到d s p 芯片内部高速r a m 上，实现软件 功能。同时为了解决户外操作的供电电源问题，使用了u s b 接口芯片。图2 1 是我们设计的这个系统的硬件架构框图： 图2 1 系统架构 首先系统依靠u s b 总线的5 v 电源上电，通过电源转换芯片t p s 7 6 7 d 3 0 1 转换至系统所需的3 3 v 和1 6 v ；为了系统的正常运行、复位，使用电源监控复 位芯片t p s 3 3 0 7 ，当供电不足或者手动复位时，系统均能正常复位。d s p 运行内 部b o o t l o a d e r ，从f l a s h 存储器调用客户机程序，等待上级p c 的数据和指令。 p c 端运行上位机程序，与d s p 上运行的客户机程序通过u s b 总线进行数据交 换，上位机程序将所需要运算的数据送给d s p 运算，p c 将运算完的数据取回继 续运行后续上位机程序。下面的几个章节即围绕这个硬件系统详细叙述整个设计 流程。 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章基于d s p 的6 s 软件处理系统概述 2 6 本章小结 本章首先介绍了数字信号处理的概念和若干特点，讨论了基于d s p 的数字 系统设计的优势，阐述了如何在设计d s p 系统前选择合适的d s p 芯片，重点介 绍了本文设计的d s p 系统的核心芯片v c 5 4 1 6 的c p u 结构、存储器和外设，最 后简要说明