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1 引言 被動(dòng)聲目標的信息一般夾雜在復雜多變的環(huán)境噪聲中，信噪比低。采用傳統的目標探測，較難達到要求， 必須使用先進(jìn)的檢測、定向定位算法，然而這些算法的運算量都較大，實(shí)時(shí)實(shí)現有一定難度。數字信號處理器DSP的出現，使得先進(jìn)算法的工程實(shí)時(shí)實(shí)現成為可能。但系統的體積、功耗和可靠性又成為主要問(wèn)題。本系統采用TI公司的低功耗5000系列DSP和微功耗430系列單片機，采用主從式通用化體系結構設計，在滿(mǎn)足系統功能要求的前提下，對系統的體積、功耗和可靠性做了很大的改進(jìn)，特別適于在電池供電、功耗要求嚴格的設備中使用。另外，對系統提供了豐富的接口，可使其滿(mǎn)足被動(dòng)目標探測系統的不同要求。 2 系統的整體設計 目標探測通用平臺的主要功能是目標信息的獲取、檢測、對目標位置信息進(jìn)行相應的定位算法處理和后續控制。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轉換器THS1206組成，算法處理模塊由低功耗的TMS320-C5000數字信號處理器組成，系統控制模塊由微功耗的MSP430單片機來(lái)實(shí)現，電源模塊主要由TPS73HD-3XX系列雙電壓調整器來(lái)實(shí)現對整個(gè)系統的電源管理，TMS320C5000數字信號處理器工作在從機模式下，系統電源管理和從機的工作情況由主控機MSP430單片機控制。 2.1 信號采集模塊 模塊采用TI公司的A/D轉換器THS1206。THS1206是1個(gè)可編程12 bitCMOS低功耗4通道同步采樣A/D轉換器，最高轉換速度是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用方向。THS1206不需任何額外器件便可與DSP系統非常方便地進(jìn)行連接。THS1206內有2個(gè)12bit控制寄存器(0，1)，用來(lái)控制其工作方式(具體的工作方式可查閱參考文獻[1])。一個(gè)完整的16 byte深先進(jìn)先出(First InFirst Out，FIFO)存儲器允許數據緩沖存儲，減少了DSP中斷的次數，提高了DSP的工作效率。內部參考電壓范圍為1.5V和3.5V。THS1206和TMS-320VC5509的具體硬件連接圖如圖2所示。 根據THS1206和TMS320VC5509的具體硬件連接電路，進(jìn)行A/D接口初始化設置。THS1206的初始化可以查閱參考文獻[1]，這里著(zhù)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，并且都可以單獨進(jìn)行設置，設置的內容包括存儲器類(lèi)型、存儲器寬度、讀寫(xiě)時(shí)序參數等。根據DSP的系統時(shí)鐘(筆者設定是80MHz)和THS1206的讀寫(xiě)時(shí)序要求，將片選控制寄存器CE1_1配置為：0x1009，即存儲器類(lèi)型是16bit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(cháng)保持時(shí)間為0個(gè)時(shí)鐘周期，寫(xiě)延長(cháng)保持時(shí)間為0個(gè)時(shí)鐘周期，寫(xiě)建立時(shí)間為0個(gè)時(shí)鐘周期，寫(xiě)選通時(shí)間為2個(gè)時(shí)鐘周期，寫(xiě)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)數字信號處理器，其工作主頻可達到200MHz，周期效率達到了C54X的2倍，且功耗只有C54X的1/6。它還提供了豐富的外設資源，其中包括1個(gè)外部存儲器接口，實(shí)現了和異步存儲器如EPROM，SRAM以及同步存儲器等外部設備的無(wú)縫連接;3個(gè)全雙工的高速多通道緩沖串口，DSP通過(guò)McBSP可以與其他DSP，編解碼器等相連;另外的外設有通用串行總線(xiàn)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，看門(mén)狗定時(shí)器，I2C總線(xiàn)，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的外設資源的基礎上，筆者設計了外擴功能完善的硬件平臺，原理框圖如圖3所示。 2.3 系統控制模塊 系統控制模塊主要由MSP430單片機來(lái)實(shí)現。MSP430系列是一個(gè)16bit、具有精簡(jiǎn)指令集、超低功耗的混合型單片機，適于電池應用的場(chǎng)合或手持設備。筆者采用MSP430F149芯片，它集成的外設有：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�；贛SP430單片機的具體外設資源，筆者設計了相應的系統控制模塊硬件平臺，原理框圖見(jiàn)圖4。 基于所設計的硬件，開(kāi)發(fā)出了相應的驅動(dòng)模塊，完成了MSP430單片機和信號處理模塊的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 系統調試和外場(chǎng)試驗結果 在上述硬件模塊及相應軟件的基礎上，對整個(gè)系統進(jìn)行了調試。在已完成的平臺上實(shí)現了自適應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，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)性達到了滿(mǎn)意的結果。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)聲目標探測平臺的設計，其具有強大的外設擴展功能、電源控制，系統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(mǎn)足實(shí)際運用的要求。接口驅動(dòng)軟件為應用系統設計提供了便利。整個(gè)軟硬件平臺通過(guò)了外場(chǎng)的實(shí)際測試，能滿(mǎn)足系統設計的要求。 |
