TMC2310 DSP芯片在水下目標(biāo)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)中的應(yīng)用

對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、估計(jì)、跟蹤是雷達(dá)與聲納應(yīng)用的最終目的，其任務(wù)是對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行一定的處理、提取特征、分析識(shí)別，以檢測(cè)目標(biāo)的存在與否，進(jìn)而通過(guò)對(duì)信號(hào)的處理與運(yùn)算估計(jì)出目標(biāo)的方位、距離與速度，實(shí)現(xiàn)定位和跟蹤。對(duì)于水下目標(biāo)的檢測(cè)與參量估計(jì)有兩種方式：一是對(duì)海洋聲場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從接收信號(hào)中提取目標(biāo)輻射噪聲并進(jìn)行識(shí)別與參量估計(jì)（即被動(dòng)方式）；二是由聲納系統(tǒng)發(fā)射給定的序列信號(hào)（常用的有cw信號(hào)和fm信號(hào)等），并對(duì)接收的回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與參量估計(jì)。由于海洋聲場(chǎng)極其復(fù)雜多變，受溫度、鹽度、深度、梯度、水流、水域、季節(jié)、氣候、風(fēng)浪、溫層、流層、界面的反射與折射等諸多因素的影響，使水聲信道相當(dāng)復(fù)雜，接收信號(hào)通常會(huì)畸變，并淹沒在噪聲之中。對(duì)水下目標(biāo)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確、精確地檢測(cè)與參量估計(jì)是聲納系統(tǒng)不斷追求的目標(biāo)。充分利用高性能的數(shù)字信號(hào)處理（dsp）器件及技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)具有良好特性的算法，將會(huì)顯著提高檢測(cè)目標(biāo)的概率和參量估計(jì)的精度，從而推動(dòng)聲納的發(fā)展與應(yīng)用。

近二十年來(lái)，相繼出現(xiàn)了許多重要的目標(biāo)檢測(cè)及參數(shù)估計(jì)算法，如分裂波束精確測(cè)向算法[2]、arma法[4]、music法[5]和esprit法[6]等doa估計(jì)方法，以及l(fā)ms算法[7]等自適應(yīng)信號(hào)處理方法。這些算法的實(shí)現(xiàn)，大多需要通過(guò)一些通用的數(shù)學(xué)運(yùn)算以及矩陣運(yùn)算，并采用如fft、ifft等快速算法，而這些運(yùn)算均可方便地利用tmc2310器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文將對(duì)tmc2310芯片應(yīng)用于水下目標(biāo)的檢測(cè)與估計(jì)進(jìn)行介紹。

1 tmc2310簡(jiǎn)介

tmc2310是美trw公司生產(chǎn)的高速度（實(shí)現(xiàn)一次基二蝶形運(yùn)算僅需100ns）、多功能（共有16種運(yùn)算功能）、可編程的專用數(shù)字信號(hào)處理（dsp）器件，其使用靈活、操作方便、性價(jià)比高，可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、通訊及虛擬儀器等領(lǐng)域。

1.1 主要特點(diǎn)

1.2 主要功能

可快速完成不加窗及加窗（實(shí)數(shù)窗或復(fù)數(shù)窗）的fft及ifft算法

可同時(shí)構(gòu)成兩路并行的fie濾波器（16～1024階）

可構(gòu)成自適應(yīng)fir濾波器

可進(jìn)行實(shí)數(shù)、復(fù)數(shù)的乘及乘加運(yùn)算

可進(jìn)行復(fù)數(shù)求模及陣列矢量的平方運(yùn)算

1.3 結(jié)構(gòu)與管腳

tmc2310由兩個(gè)算術(shù)單元（ae0、ae1）、片內(nèi)系數(shù)rom、控制邏輯單元和外部接口電路五個(gè)主要部分構(gòu)成，其邏輯框圖見圖１。每個(gè)算術(shù)單元包括一個(gè)乘法序列電路和乘—加算術(shù)邏輯電路塊。該芯片采用了88引腳的pga封裝形式。

管腳定義如下：

vdd vss 電源輸入引腳，采用單一＋5v供電

clk　系統(tǒng)時(shí)鐘輸入引腳

　讀信號(hào)，低電平有效

　寫信號(hào)，低電平有效

semsel 外部存儲(chǔ)器選擇信號(hào)輸出引腳

scen 　定標(biāo)輸出允許引腳

done 　系統(tǒng)工作結(jié)束標(biāo)志輸出引腳

cmd0～cmd1　控制命令輸入引腳

w0～w16 雙功能數(shù)據(jù)總線，用于輸入窗函數(shù)、 濾波器系數(shù)及輸出定標(biāo)器的移位指數(shù)和最后一次溢出

ad0～ad9 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址總線

rg0～rg18 實(shí)部雙向數(shù)據(jù)總線

im0～im18 虛部雙向數(shù)據(jù)總線

1.4 配制寄存器

tmc2310片內(nèi)有兩個(gè)16bit的配制寄存器（cr1、cr2），用來(lái)對(duì)tmc2310進(jìn)行編程設(shè)置，其主要用途如下：

cr1 用來(lái)設(shè)定芯片的處理功能、轉(zhuǎn)換長(zhǎng)度、輸出格式及定標(biāo)方式；

cr2 主要用來(lái)設(shè)定尋址方式和變換路數(shù)（1～64路）。

2 電路設(shè)計(jì)

由于tmc2310是可編程的專用dsp器件，我們用一片tms320c25 dsp器件與之配合，采用主從結(jié)構(gòu)、并行處理方式，加上外圍共享存儲(chǔ)器陣列對(duì)等組成處理模塊。tms320c25除對(duì)tmc2310進(jìn)行編程及控制外，還以并行運(yùn)算處理的方式完成一些后續(xù)處理及輔助運(yùn)算（如數(shù)據(jù)抽取、積分等）。整個(gè)電路系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于調(diào)試及擴(kuò)展。信號(hào)處理模塊原理框圖如圖2所示。

在圖2中，tmc2310和tms320c25之間設(shè)計(jì)了一個(gè)以乒乓方式工作的雙口ram陣列，其作用有四：(1)存放待處理的數(shù)據(jù)(實(shí)部數(shù)據(jù)放在rem塊，虛部數(shù)據(jù)放在imm塊)；(2)存放tmc2310所需的系數(shù)或參數(shù)（放在wdm塊）；(3)存放tmc2310的輸出結(jié)果并作為tmc2310中間結(jié)果緩存；(4)構(gòu)成tms320c25的運(yùn)算內(nèi)存。為了便于構(gòu)成系統(tǒng)及滿足實(shí)時(shí)需要，用一片idt7025雙口ram（8k×16）構(gòu)成一個(gè)tms320c25與外部共享的ｒａｍ區(qū)，以便實(shí)時(shí)地與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通訊。這個(gè)雙口ｒａｍ區(qū)也以乒乓方式工作，以增強(qiáng)模塊的寬容性。

電路的乒乓工作方式控制邏輯是由tms320c25根據(jù)系統(tǒng)的節(jié)拍時(shí)序進(jìn)行控制的。控制電路確保caa12與cab12互斥，cal12與car12互斥。整個(gè)電路簡(jiǎn)單、緊湊、協(xié)調(diào)有序。由于采用了vlsi器件設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，調(diào)試方便、功能強(qiáng)大、性能可靠、吞吐量大（完成1024點(diǎn)fft的數(shù)據(jù)通過(guò)率為2.343m字／秒）。

3 軟件設(shè)計(jì)

tms320c25的主要任務(wù)有：(1)根據(jù)功能需要對(duì)tmc2310進(jìn)行編程設(shè)置及控制管理；(2)與tmc2310進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；(3)完成部分處理運(yùn)算（如：抽樣、積分、數(shù)值及參量計(jì)算等）；(4)與系統(tǒng)進(jìn)行通訊（如數(shù)據(jù)輸入輸出及功能、方式的設(shè)立等）。我們將這些內(nèi)容分成不同的子程序按模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，既便于調(diào)試又易于功能擴(kuò)展。

軟件主要由一個(gè)主程序與若干個(gè)子程序模塊組成。主要的模塊有：tmc2310的設(shè)置與控制；與外部的通訊；數(shù)據(jù)的輸出、數(shù)據(jù)加載、系數(shù)加載及十幾個(gè)運(yùn)算子模塊。由于篇幅有限，以下僅給出主程序流程框圖（見圖3）。

將tmc2310應(yīng)用于水下目標(biāo)的檢測(cè)與估計(jì)，具有速度快、功能強(qiáng)、可編程、易操作等特點(diǎn)。我們用其開發(fā)研制的信號(hào)處理模塊，體積小、易擴(kuò)展。組成的系統(tǒng)能在飛機(jī)、艦船等環(huán)境下可靠工作。幾年來(lái)，經(jīng)水池、湖及海上的多次試驗(yàn)和試用，證明其設(shè)計(jì)合理、應(yīng)用成功，已投入小批量生產(chǎn)。此外還可用于雷達(dá)、通訊及虛擬儀器等許多領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用前景。