基于單片機(jī)和DSP的被動(dòng)聲目標(biāo)探測(cè)平臺(tái)

1 引言

被動(dòng)聲目標(biāo)的信息一般夾雜在復(fù)雜多變的環(huán)境噪聲中，信噪比低。采用傳統(tǒng)的目標(biāo)探測(cè)，較難達(dá)到要求， 必須使用先進(jìn)的檢測(cè)、定向定位算法，然而這些算法的運(yùn)算量都較大，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)有一定難度。數(shù)字信號(hào)處理器DSP的出現(xiàn)，使得先進(jìn)算法的工程實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)成為可能。但系統(tǒng)的體積、功耗和可靠性又成為主要問題。本系統(tǒng)采用TI公司的低功耗5000系列DSP和微功耗430系列單片機(jī)，采用主從式通用化體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿足系統(tǒng)功能要求的前提下，對(duì)系統(tǒng)的體積、功耗和可靠性做了很大的改進(jìn)，特別適于在電池供電、功耗要求嚴(yán)格的設(shè)備中使用。另外，對(duì)系統(tǒng)提供了豐富的接口，可使其滿足被動(dòng)目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的不同要求。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

目標(biāo)探測(cè)通用平臺(tái)的主要功能是目標(biāo)信息的獲取、檢測(cè)、對(duì)目標(biāo)位置信息進(jìn)行相應(yīng)的定位算法處理和后續(xù)控制。此平臺(tái)主要由4個(gè)部分組成：信號(hào)采集模塊、算法處理模塊、系統(tǒng)控制模塊和電源模塊。平臺(tái)的原理框圖如圖1所示。


系統(tǒng)的基本工作流程是在主控單片機(jī)的控制下，先對(duì)傳感器來的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使之滿足采樣要求，再由DSP控制 A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行同步采樣，把A／D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送給數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC5509進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，最后把處理結(jié)果傳給主控機(jī)MSP430單片機(jī)，再由單片機(jī)去控制其他電路的工作。

其中，信號(hào)采集模塊由4通道同步采樣A／D轉(zhuǎn)換器 THS1206組成，算法處理模塊由低功耗的TMS320-C5000數(shù)字信號(hào)處理器組成，系統(tǒng)控制模塊由微功耗的MSP430單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，電源模塊主要由TPS73HD-3XX系列雙電壓調(diào)整器來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的電源管理，TMS320C5000數(shù)字信號(hào)處理器工作在從機(jī)模式下，系統(tǒng)電源管理和從機(jī)的工作情況由主控機(jī)MSP430單片機(jī)控制。

2.1 信號(hào)采集模塊

模塊采用TI公司的A／D轉(zhuǎn)換器THS1206。THS1206是1個(gè)可編程12 bit CMOS低功耗4通道同步采樣A／D轉(zhuǎn)換器，最高轉(zhuǎn)換速度是6 Msample／s，最大功耗216 mW，其速度、分辨率、帶寬都非常適合較寬的應(yīng)用方向。THS1206不需任何額外器件便可與DSP系統(tǒng)非常方便地進(jìn)行連接。THS1206內(nèi)有2個(gè)12 bit控制寄存器(0，1)，用來控制其工作方式(具體的工作方式可查閱參考文獻(xiàn)[1])。一個(gè)完整的16 byte深先進(jìn)先出(First In First Out，F(xiàn)IFO)存儲(chǔ)器允許數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)，減少了DSP中斷的次數(shù)，提高了DSP的工作效率。內(nèi)部參考電壓范圍為1.5 V和3.5V。THS1206和TMS-320VC5509的具體硬件連接圖如圖2所示。


THS1206和DSP是通過DSP的EMIF連接的，其轉(zhuǎn)換時(shí)鐘信號(hào)是由DSP的通用定時(shí)器(Timer)給出的，便于靈活設(shè)置不同的采樣速率。TMS320VC5509在FULL_EMIF方式下時(shí)，C0是EMIF.ARE，C2是EMIF.AWE，C5是EMIF.CE1。而片選CS1接的是A13，所以THS1206在TMS320CV5509中的地址是CE1空間和A13為高的交集。在TMS320CV5509中CE1段，其字節(jié)地址是0x400000～0x800000，再要求A13為高，所以其地址是：(xxxx，xxxx，xx1x，xxxx，xxxx，xxxxB)∩(0x400000～0x800000)，則可以取字節(jié)地址為0x412000，對(duì)應(yīng)的字地址是0x209000。

根據(jù)THS1206和TMS320VC5509的具體硬件連接電路，進(jìn)行A／D接口初始化設(shè)置。THS1206的初始化可以查閱參考文獻(xiàn)[1]，這里著重介紹一下DSP的接口初始化配置。TMS320VC5509中外部存儲(chǔ)器有4個(gè)片選空間，并且都可以單獨(dú)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置的內(nèi)容包括存儲(chǔ)器類型、存儲(chǔ)器寬度、讀寫時(shí)序參數(shù)等。根據(jù)DSP的系統(tǒng)時(shí)鐘(筆者設(shè)定是80 MHz)和THS1206的讀寫時(shí)序要求，將片選控制寄存器CE1_1配置為：0x1009，即存儲(chǔ)器類型是16 bit寬異步存儲(chǔ)器，讀建立時(shí)間為0個(gè)時(shí)鐘周期，讀選通時(shí)間為2個(gè)時(shí)鐘周期，讀保持時(shí)間為1個(gè)時(shí)鐘周期；片選控制寄存器CE1_1配置為：0x0009，即讀延長(zhǎng)保持時(shí)間為0個(gè)時(shí)鐘周期，寫延長(zhǎng)保持時(shí)間為0個(gè)時(shí)鐘周期，寫建立時(shí)間為0個(gè)時(shí)鐘周期，寫選通時(shí)間為2個(gè)時(shí)鐘周期，寫保持時(shí)間為1個(gè)時(shí)鐘周期；片選控制寄存器CE1_1配置為：0x0001，即禁止超時(shí)功能，在該配置下，DSP可以可靠地與THS1206進(jìn)行通信。

2.2 算法處理模塊

本模塊主要由核心處理器TMS320VC5509組成，它是TI推出的新一代低功耗高性能16 bit定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，其工作主頻可達(dá)到200 MHz，周期效率達(dá)到了C54X的2倍，且功耗只有C54X的1／6。它還提供了豐富的外設(shè)資源，其中包括1個(gè)外部存儲(chǔ)器接口，實(shí)現(xiàn)了和異步存儲(chǔ)器如EPROM，SRAM以及同步存儲(chǔ)器等外部設(shè)備的無縫連接；3個(gè)全雙工的高速多通道緩沖串口，DSP通過McBSP可以與其他DSP，編解碼器等相連；另外的外設(shè)有通用串行總線，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，看門狗定時(shí)器，I2C總線，10bit ADC，多媒體卡控制器和通用輸入輸出接口等。在考慮充分利用DSP的外設(shè)資源的基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)了外擴(kuò)功能完善的硬件平臺(tái)，原理框圖如圖3所示。


基于所設(shè)計(jì)的信號(hào)處理硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)完成了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，包括：與信號(hào)采集模塊連接的EMIF的接口程序，和系統(tǒng)控制模塊通信的SPI程序，可以和PC相連的USB驅(qū)動(dòng)程序，支持I2C的通信程序以及DSP集成的ADC的采樣程序等。程序設(shè)計(jì)都采用模塊化，便于應(yīng)用程序的開發(fā)集成。基于上述軟硬件平臺(tái)，可以進(jìn)一步開展后續(xù)開發(fā)，基本上可以滿足各種目標(biāo)探測(cè)算法的需求。

2.3 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊主要由MSP430單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。MSP430系列是一個(gè)16 bit、具有精簡(jiǎn)指令集、超低功耗的混合型單片機(jī)，適于電池應(yīng)用的場(chǎng)合或手持設(shè)備。筆者采用MSP430F149芯片，它集成的外設(shè)有：8通道12 bit ADC，2個(gè)具有3個(gè)捕獲／比較寄存器的16 bit定時(shí)器、2通道串行通信接口(軟件選擇UART／SPI模式)等?；贛SP430單片機(jī)的具體外設(shè)資源，筆者設(shè)計(jì)了相應(yīng)的系統(tǒng)控制模塊硬件平臺(tái)，原理框圖見圖4。


在上述的硬件平臺(tái)中，MSP430單片機(jī)可以通過串行通信接口中的SPI模式和信號(hào)處理模塊進(jìn)行高速通信；可以通過串行通信接口0中的USART模式和PC機(jī)進(jìn)行通信；可以通過串行通信接口1中的USART模式和姿態(tài)傳感器TCM2進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)獲取平臺(tái)本身的姿態(tài)信息。另外筆者還把MSP430單片機(jī)的8通道ADC和2個(gè)16bit定時(shí)器全部外接出來，利用這些資源可以實(shí)現(xiàn)多種控制功能，比如可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集模塊的輸入信號(hào)的前置調(diào)理和控制(以滿足AD采樣的要求)，傳統(tǒng)的前置通道設(shè)計(jì)一般是模擬的或固定的，利用筆者所設(shè)計(jì)的平臺(tái)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的前置通道控制(如程控濾波器和數(shù)字AGC等)。

基于所設(shè)計(jì)的硬件，開發(fā)出了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊，完成了MSP430單片機(jī)和信號(hào)處理模塊的SPI通信程序、與PC進(jìn)行串口通信程序和獲取TCM2姿態(tài)信息的串口通信程序等。

2.4 電源模塊

本模塊主要由TPS73HD3XX系列雙電壓調(diào)整器和一些附加電路組成。具體的電路原理框圖如圖5所示。


從THS73HD3XX電壓調(diào)整器出來的1.6 V和3.3 V電壓經(jīng)過由MSP430單片機(jī)P5.0口控制的開關(guān)電路再提供給DSP供電，而DSP的復(fù)位信號(hào)與MSP430單片機(jī)P1.0口相連。這種設(shè)計(jì)可以很方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電源控制，系統(tǒng)的功耗可以有效地進(jìn)行控制，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的功耗主要在DSP上，MSP430單片機(jī)的功耗很低，在不需要DSP工作的時(shí)候，可以適時(shí)地讓其掉電，需要的時(shí)候再進(jìn)行上電和復(fù)位。

3 系統(tǒng)調(diào)試和外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

在上述硬件模塊及相應(yīng)軟件的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。在已完成的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)參量模型法定向定位算法，進(jìn)行了消聲室模擬縮比定向試驗(yàn)，俯仰角引起的距離相對(duì)誤差為±3.8％，方位角引起的距離相對(duì)誤差為±0.88％，算法的精度和處理的實(shí)時(shí)性達(dá)到了滿意的結(jié)果。定向定位散布界面示意圖如圖6所示。


4 結(jié)束語

筆者完成了通用被動(dòng)聲目標(biāo)探測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，其具有強(qiáng)大的外設(shè)擴(kuò)展功能、電源控制，系統(tǒng)的平均功耗可控制到毫安級(jí)。由于采用高集成度的器件，電路板尺寸較小，為94mm×140mm，能滿足實(shí)際運(yùn)用的要求。接口驅(qū)動(dòng)軟件為應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了便利。整個(gè)軟硬件平臺(tái)通過了外場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試，能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

審核編輯黃宇