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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，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(dòng)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。 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 bitCMOS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216mW，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)12bit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 InFirst 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1.5V和3.5V。THS1206和TMS-320VC5509的具體硬件連接圖如圖2所示。 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80MHz)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16bit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16bit定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，其工作主頻可達(dá)到200MHz，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，10bitADC，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。 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)16bit、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12bit ADC，2個(gè)具有3個(gè)捕獲/比較寄存器的16bit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。 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。 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。 筆者完成了通用被動(dòng)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(dòng)軟件為應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了便利。整個(gè)軟硬件平臺通過了外場的實(shí)際測試，能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。 |
