基于ADSP-TS201S的聲雷達信號采集系統(tǒng)

在聲雷達系統(tǒng)中，發(fā)射機定向發(fā)出不同頻率的聲信號，隨后接收不同距離上的回波信號，利用回波中頻率的偏離可以測定風(fēng)速、風(fēng)向隨高度的變化。系統(tǒng)的多通道采樣數(shù)據(jù)量接近500k32b/s，一幀時間（約2.7s）內(nèi)要求處理1100兆條指令，其大數(shù)據(jù)量和要求實時處理的特性對信號采集處理系統(tǒng)的設(shè)計提出了很高的要求，本文介紹的基于美國模擬器件公司的DSP ADSP-TS201S和ADC AD7864的信號采集系統(tǒng)能夠滿足這些要求。

系統(tǒng)的設(shè)計

1 系統(tǒng)功能模塊劃分

聲雷達信號采集系統(tǒng)主要由信號采集、信號處理、電源和時鐘四部分組成，如圖1所示。信號采集模塊由CPLD和4片ADC組成，負責(zé)完成A/D轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送至信號處理模塊，DSP ADSP-TS201S負責(zé)數(shù)據(jù)的接收和處理，兩片512k32b的SRAM完成了多幀數(shù)據(jù)的存儲任務(wù)；一片雙口RAM為ADSP-TS201S和其他處理器板交換信息提供了方便的接口，F(xiàn)lash用于存儲用戶的應(yīng)用程序。電源模塊為其他模塊提供正常工作所需的電壓。在時鐘模塊中，由晶振產(chǎn)生的27MHz時鐘通過倍頻芯片得到54MHz時鐘后進入CPLD，它一方面作為ADSP-TS201S的系統(tǒng)時鐘SCLK，另一方面在CPLD內(nèi)12分頻之后作為AD7864的工作時鐘信號AD_CLK。

本系統(tǒng)之所以采用ADSP-TS201S芯片源于其強大的處理能力，可以對大量的回波數(shù)據(jù)作實時處理。它在600MHz的內(nèi)核時鐘下可以達到每秒48億次乘累加（MAC）運算和每秒36億次浮點運算（FLOP），具有比同類處理器高出50%～100%的處理能力。它內(nèi)部集成了24Mb的存儲器，這種片內(nèi)大存儲量與高達33.6Gb/s的內(nèi)部帶寬相結(jié)合，是提高性能的關(guān)鍵。其外部64位數(shù)據(jù)總線和32位地址總線時鐘最高可達125MHz。

圖1 信號采集系統(tǒng)電路圖

聲雷達系統(tǒng)中需要多通道同時采樣，AD7864芯片的高速多通道和同時采樣特性滿足了系統(tǒng)的要求，簡化了硬件設(shè)計，它的轉(zhuǎn)換精度為12位，吞吐量最高可達520KSPS，單通道轉(zhuǎn)換時間最快可達1.65μs，采樣/保持時間為0.35μs。此外，其單電源和低功耗特性（最低可達20μW）也滿足了系統(tǒng)的要求。

系統(tǒng)工作時，首先是由后端處理器板向ADSP-TS201S發(fā)出中斷信號，通知TS201從雙口RAM中讀取命令字。根據(jù)命令字，TS201通過CPLD控制前端的ADC進行數(shù)據(jù)采集并利用DMA方式讀取數(shù)據(jù)，處理好的數(shù)據(jù)存儲于雙口RAM中，TS201也通過中斷方式來通知后端處理器板來讀取數(shù)據(jù)并顯示。

2 硬件電路設(shè)計

在時鐘電路的設(shè)計中，晶振和倍頻芯片的電源與本板電源之間要用電感或磁珠來隔離，防止它們對系統(tǒng)電源產(chǎn)生耦合干擾。為了抑制由電壓波動引起的電流涌動和低頻干擾，兩者的電源引腳處要加上一個10μF的鉭電容，0.1μF的用于抑制高頻干擾的小電容也是必不可少的，而且要貼近管腳放置。此外，還應(yīng)注意不要在時鐘芯片底下走線，防止相互耦合干擾。倍頻芯片輸出端可以加一個33Ω的匹配電阻，以減少輸出電流，提高時鐘波形質(zhì)量。為了減少EMI輻射和時鐘抖動，要盡量減少過孔的使用。

（a）環(huán)形結(jié)構(gòu)

（b）星形結(jié)構(gòu)

高頻下總線的設(shè)計也是需要注意的，尤其是在系統(tǒng)中總線負載較重的情況下，不適當?shù)脑O(shè)計會限制總線只能在低頻下工作，甚至無法讀取數(shù)據(jù)。由于環(huán)形結(jié)構(gòu)上任一負載的變化都會影響到其他負載的工作，本設(shè)計中采用了星形總線結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在布線過程中考慮到DSP總線的驅(qū)動能力，嚴格的將每根信號線的長度控制在6英寸左右。實踐證明，采取的以上措施是必要而且正確的。

ADSP-TS201S和AD7864對電源的要求都非常高，例如，S201要求500MHz核時鐘時，它的4個電源VDD、VDD_A、VDD_IO和VDD_DRAM的精度為5%，因此，系統(tǒng)中采用了輸出電壓精度可達1%的TPS54350作為電源芯片。

ADSP-TS201S的功耗可通過如下計算得到。以500MHz為例，VDD域消耗的電流可達2.67A，由式(1)可得，加上VDD_A的電流，內(nèi)核最大功耗為 2.99W。

由式(2)可得，VDD_IO域上的最大功耗為580mW。

由式(3)可得，內(nèi)部RAM的最大功耗為600mW。

基于以上數(shù)據(jù)，由式(4)可得，ADSP-TS201S在500MHz下的總功耗為4.17W。

（4）

ADSP-TS201S的功耗還是比較大的，因此在設(shè)計時要為散熱片或風(fēng)扇留出空間。電源部分的高頻噪聲會影響ADSP-TS201S的工作速度，尤其是電壓低于1.5V的部分,所以在TS201的電源輸入引腳附近要用低ESR的陶瓷貼片電容濾波，此外VREF和SCLK_VREF引腳也需要注意濾波。

由于系統(tǒng)是包括ADC的數(shù)模混合電路，設(shè)計中應(yīng)注意以下問題。在AD7864和CPLD附近大面積的覆銅可以屏蔽外部對模擬信號的干擾，同時AD7864的電源引腳、參考電壓輸入引腳、VDRIVE引腳與模擬地之間要加0.1μF的貼片電容去耦；數(shù)字信號走線和模擬信號走線要分開布放；整板的數(shù)字地和模擬地要分開且保證單點相連，相連點選擇在了模數(shù)信號匯集的地方；為AD7864供電的5V電源需要遠離AD7864。

在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，如果不為ADSP-TS201S的JTAG口加驅(qū)動芯片，切入硬件仿真環(huán)境時Visual DSP會出錯，所以建議即使是單片ADSP-TS201系統(tǒng)也要加一片驅(qū)動芯片，如TI公司的74ACT11244。

為了提高系統(tǒng)的靈活性，建議為ADSP-TS201S的SCLKRAT0～2(用于選擇倍頻系數(shù))和DS0～2(用于選擇總線驅(qū)動能力)引腳分別提供上拉和下拉兩種選擇，根據(jù)調(diào)試中的實際情況靈活配置。

3 軟件實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分包括CPLD的軟件設(shè)計和DSP內(nèi)部的程序代碼。
AD7864的一些輸入引腳需要進行配置，完成這個任務(wù)的是Altera公司的CPLD產(chǎn)品MAX3256A。AD7864需要進行配置的各引腳的具體狀態(tài)如表1所示。

AD7864數(shù)據(jù)輸出控制采取分時輸出的方式。4片AD7864分為兩組：1、2片一組，3、4片一組。采樣信號來自于TS201的定時/計數(shù)器，每次定時器計數(shù)滿時TMROE引腳上會產(chǎn)生4個總線時鐘（SCLK，54MHz）的高電平，在CPLD里面把這個信號反向之后作為AD7864的CONVST信號。通過延時3、4片的CONVST信號可以控制兩組AD7864分時工作，延時電路及仿真波形如圖3所示。通過調(diào)節(jié)兩個比較器的數(shù)值，可以產(chǎn)生符合系統(tǒng)需要的波形。

圖3 CONVST延時電路及仿真波形

在數(shù)據(jù)傳輸上，1、3片的數(shù)據(jù)占據(jù)低位數(shù)據(jù)線，2、4片的數(shù)據(jù)占據(jù)高位數(shù)據(jù)線，分時輸出防止了總線沖突的出現(xiàn)。由于AD7864-1是補碼輸出，因此DSP把數(shù)據(jù)讀回后還需作數(shù)據(jù)提取和符號擴展處理。數(shù)據(jù)提取主要是把高低位的數(shù)據(jù)分開，符號擴展是根據(jù)采集回來的數(shù)據(jù)的第12位來判斷數(shù)據(jù)的正負作不同的高位擴展，具體程序如下。
j0 = datum_out0;;
xr0 = [j0+=0];;//讀取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)
xr1 = 0xfff;;
xr2 = r0 and r1;;//提取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的第12位
xr3 = 0x800;;
xr4 = r2 and r3;;//判斷符號位是否為1
if AEQ, jump data(np);;//如果符號位不為1，跳轉(zhuǎn)
xr5 = 0xfffff000;;//如果符號位為1，高位擴展
xr6 = r5 or r2;;
xr2 = xr6;;//xr2里是擴展后的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)
data:
......//數(shù)據(jù)進一步處理

結(jié)語

經(jīng)過測試，系統(tǒng)總線在54MHz時鐘下正常工作，數(shù)據(jù)傳輸正確，在內(nèi)核時鐘432MHz下，圓滿完成了數(shù)據(jù)處理及顯示的任務(wù)（實際耗時1100M/432M約為2.55s，小于一幀時間）。目前本設(shè)計已成功應(yīng)用于某聲雷達信號采集系統(tǒng)。