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基于單片機(jī)和DSP的被動聲目標(biāo)探測平臺

jf_pJlTbmA9 ? 來源:網(wǎng)絡(luò) ? 作者:網(wǎng)絡(luò) ? 2023-10-31 18:17 ? 次閱讀

1 引言

被動聲目標(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,較難達(dá)到要求, 必須使用先進(jìn)的檢測、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,對系統(tǒng)提供了豐富的接口,可使其滿足被動目標(biāo)探測系統(tǒng)的不同要求。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

目標(biāo)探測通用平臺的主要功能是目標(biāo)信息的獲取、檢測、對目標(biāo)位置信息進(jìn)行相應(yīng)的定位算法處理和后續(xù)控制。此平臺主要由4個(gè)部分組成:信號采集模塊、算法處理模塊、系統(tǒng)控制模塊和電源模塊。平臺的原理框圖如圖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,先對傳感器來的信號進(jìn)行調(diào)理,使之滿足采樣要求,再由DSP控制 A/D轉(zhuǎn)換器對信號進(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)對整個(gè)系統(tǒng)的電源管理,TMS320C5000數(shù)字信號處理器工作在從機(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)存儲器允許數(shù)據(jù)緩沖存儲,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)容包括存儲器類型、存儲器寬度、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,即存儲器類型是16 bit寬異步存儲器,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,即讀延長保持時(shí)間為0個(gè)時(shí)鐘周期,寫延長保持時(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)外部存儲器接口,實(shí)現(xiàn)了和異步存儲器如EPROM,SRAM以及同步存儲器等外部設(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,原理框圖如圖3所示。


基于所設(shè)計(jì)的信號處理硬件平臺,設(shè)計(jì)完成了相應(yīng)的驅(qū)動程序,包括:與信號采集模塊連接的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,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、具有精簡指令集、超低功耗的混合型單片機(jī),適于電池應(yīng)用的場合或手持設(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。基于MSP430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,原理框圖見圖4。


在上述的硬件平臺中,MSP430單片機(jī)可以通過串行通信接口中的SPI模式和信號處理模塊進(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)信號采集模塊的輸入信號的前置調(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,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)動模塊,完成了MSP430單片機(jī)和信號處理模塊的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,對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。在已完成的平臺上實(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誤差為±3.8%,方位角引起的距離相對誤差為±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聲目標(biāo)探測平臺的設(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。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)軟硬件平臺通過了外場的實(shí)際測試,能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

審核編輯黃宇

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