基于TMS320C6202的主被動復合制導信號處理系統(tǒng)的研制

摘要：介紹了一種適用于主被動復合制導實時信號處理的多處理器并行處理系統(tǒng)。論述了實際系統(tǒng)中信號處理器的軟硬件結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)，針對主被動復合制導信息處理算法的特點和要求，充分利用了TMS320C6202芯片的軟硬件資源，如DMA、中斷、多通道串口、擴展總線等。經(jīng)過外場試驗表明，該處理機能朗好地完成主被動復合制導的處理任務，實現(xiàn)預定目標。關(guān)鍵詞：DSP TMS320C6202 主被動 雷達 信號處理 在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，隨著戰(zhàn)場環(huán)境的日益復雜化，單一制導方式已經(jīng)不能很好地滿足在復雜戰(zhàn)場環(huán)境下具有良好的戰(zhàn)術(shù)性能的要求。單純采用主動或單純采用被動制導都存在一定的總是，已經(jīng)不適應現(xiàn)實的需求。主動跟蹤適用范圍廣、信息量大，但一旦受到復雜電子系統(tǒng)的干擾，其工作性能將受到影響，甚至完全失去工作能力；而被動制導的角通道精度較高，但缺乏距離分量。因此采用主被動復合制導可以彌補單一制導技術(shù)的缺陷，發(fā)揮各自的優(yōu)點，通過信息的綜合利用使整個系統(tǒng)在性能上取得互補，從而提高系統(tǒng)總的性能指標。 在主被動復合制導中，背景復雜、目標較我，為了有效地從復雜背景中檢測和跟蹤目標，必須采用羅復雜的算法；為了滿足復雜算法的實時性要求，需要選用一款高速的DSP芯片進行系統(tǒng)設(shè)計。目前TI公司的高速定點DSP芯片中，速度最快的是TMS320C64X系列，但TMS320C64X系列現(xiàn)在只有商業(yè)級芯片，不能滿足制導信號處理的環(huán)境，因此選用TMS320C6202，它最高能工作在250MHz的主頻下，峰值處理速度可以達到2000MIPS。1 處理機功能及結(jié)構(gòu) 處理機功能如下： 根據(jù)上位機提供的目標距離、角度預定信息，對指定區(qū)域進行搜索。 能從多目標環(huán)境中分選識別多個目標。 能對目標的角度、距離進行跟蹤并具有抗干擾功能。 處理機的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 整個信號處理器由兩塊信號處理板和一塊電源板組成，分別完成主動通道的信號處理及主被動的數(shù)據(jù)融合、被動通道的信號處理主整個系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生。兩塊信號處理板之間通過同步串口通訊。另外，主動信號處理板產(chǎn)生的時鐘和定時信號通過軟線提供給被動信號處理板。2 系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計 2.1 信息處理系統(tǒng)原理框圖 信號處理機原理框圖如圖2所示。主要工作通道有兩個：主動通道和被動通道。主動通道完成波門內(nèi)的目標檢測，被動通道則在全程上完成干擾檢測。然后對主、被動通道檢測到的信息進行融合，再對目標進行跟蹤。 2.2 信息處理系統(tǒng)硬件組成 2.2.1 主動信號處理板 主動信號處理板主要完成雷達回波信號的數(shù)據(jù)采集、目標的搜索跟蹤、主被動的數(shù)據(jù)融合以及各種定時信號的產(chǎn)生。主動信號處理板的結(jié)構(gòu)如圖3所示。 主動信號處理板采用兩片TMS320C6202，在圖中標準為DSP0和DSP1。兩片DSP的周邊除了最小系統(tǒng)所必需的時鐘、復位電路、調(diào)試JTAG口外，還外掛了SBSRAM以提高系統(tǒng)的存儲容易，另外還有用來固化系統(tǒng)運行程序的引導FLASH。DSP1主要完成數(shù)據(jù)要集預處理任務，所以它的擴展總線上連接了六片同步FIFO，用來存儲A/D采樣后的雷達回波數(shù)據(jù)；DSP0則主要完成數(shù)據(jù)融合和控制的任務，故其EMIF總線上連接了低速A/D、低速D/A、異步串口，用來接收和輸出天線角度信息及控制信號。兩片DSP之間則通過64KB的高速雙口RAM和McBSP交換數(shù)據(jù)信息。雙口RAM的采用是考慮到它具有兩套數(shù)據(jù)和地址總線，非常適合作為系統(tǒng)之間的接口存儲器?？偟膩碚f，這種設(shè)計可以減小單個DSP信號處理負擔，同時使得整個系統(tǒng)擁有一定的處理裕量。 TMS320C6202的EMIF總線上需要訪問很多器件，其中一些器件的信號電平和TMS320C6202并不匹配，再加上不同速度器件的混合訪問，所以在實際系統(tǒng)中需要考慮如何分配EMIF存儲空間以及加入適當?shù)木彌_隔離的問題。這里以DSP0的外部存儲器接口設(shè)計為例進行說明。參見圖4。 TMS320C6202整個EMIF外部空間最大容易為64MB，處理器內(nèi)部將它分成四個子空間，并對每個子空間提供獨立的選通信號，也就是圖4中標注的CE0～CE3。 當處理器設(shè)置為ROM引導時，上電后首先從CE1空間讀取64KB數(shù)據(jù)到地址0處，然后程序從地址0處開始執(zhí)行，所以引導FLASH必須配置在CE1地址空間。EPM7128的選通信號則通過高位地址譯碼獲得。圖3對于CE2空間，通過EPLD地址譯驪將該空間進一步細化，分配給三個低速器件。 這樣分配地址空間是基于如下一些考慮： （1）由于TMS320C6202只能對每個地址空間統(tǒng)一地設(shè)置訪問器件類型和訪問時序，所以設(shè)計時盡可能將訪問速度相近的器件放置在同一個地址空間，如低速A/D、低速D/A以及導步串口都分配在CE2空間，這樣有利用EMIF寄存器的設(shè)計。 （2）訪問速度較高的器件在PCB布局時應當盡量靠DSP，緩沖級數(shù)要少，以減小總線延遲，提高訪問速度。 （3）對于SBSRAM或SDRAM，由于訪問的時鐘頻率較高，應當直接掛在TMS320C6202的EMIF總線上。 圖4中加入了隔離電路，主要是基于如下考慮： （1）TMS320C6202本身輸出信號帶負載的能力不是很強，增加緩沖隔離電路可以提高信號的驅(qū)動能力。 （2）緩沖驅(qū)動芯片在未選通時輸入輸出均處于高阻狀態(tài)，且其輸入容性負載也很小，只有幾pF，所以可以用來隔離器件，避免由于大的容性負載而造成的上沖、下沖、信號上升下降沿變緩等信號完整性問題。 （3）采用的緩沖芯片的輸出管腳在片內(nèi)都串接有一個小電阻，用作源端匹配電阻，用以吸引信號反射能量，從而可以改善輸出信號質(zhì)量。圖4（4）由于低速A/D芯片的輸出信號電平和TMS320C6202的信號電平不匹配，而緩沖隔離芯片可以兼容二者，所以需要加入緩沖隔離。 （5）由于TMS320C6202為BGA封裝，在PCB布局布線時其周邊的布局空間是有限的，加入緩沖隔離可以延長信號傳輸距離，從而增大PCB布局的自由度。 當然，加入緩沖隔離后肯定會引起信號的傳輸延遲，從而降低訪問器件的速度，所以牽涉到高速器件時必須充分考慮這一點。 另外，設(shè)計中采用兩片EPLD（EPM7128AETI100-7和EPM7256144-7），主要完成定時信號、片選信號和控制信號的產(chǎn)生，這樣有利于系統(tǒng)的升級和二次開發(fā)。 2.2.2 被動信號處理板 被動處理板結(jié)構(gòu)如圖5所示?？梢钥闯鍪潜粍有盘柼幚戆搴椭鲃有盘柼幚戆宓陌逍突鞠嗤?，只是由于被動信號處理板的處理量相對主動信號處理板較少，故只采用一片TMS320C6202。為了實現(xiàn)主、被動信號處理板的同步，將主動信號處理板的時鐘信號、定時同步信號引出并提供給了被動信號處理板。 TMS320C6202的多通道串口為同步串口，由于具有很強的可編程性，如時鐘、幀同步和時鐘源都是可以軟件設(shè)置的，因此實現(xiàn)起來非常簡單，最多只需要7根信號線就可以了。所以通過它實現(xiàn)主、被動信號處理板之間少量的數(shù)據(jù)交換非常方便。 2.2.3 電源板 整個系統(tǒng)所需要的電源品種較多，有數(shù)字3.3V、1.8V、5V和模擬的+/-5V、+/-15V。其中3.3V、1.8電源的功耗較大，整個系統(tǒng)功耗在18W左右。設(shè)計中，為了避免數(shù)字信號和模擬信號的相互干擾，數(shù)字電源和模擬電源分別產(chǎn)生。 2.2.4 設(shè)計難點 信號處理板設(shè)計的難點主要是高頻率數(shù)字電路設(shè)計和模/數(shù)電路的混合設(shè)計。由于TMS320C6202工作在250MHz的主頻下，其外部存儲設(shè)備也工作在很高的時鐘頻率下，因此PCB布局布線時需要考慮信號的完整性問題。在實際設(shè)計過程當中，通過選擇合適的總線拓撲結(jié)構(gòu)、合理的疊層結(jié)構(gòu)，對高速數(shù)字信號線在仿真的基礎(chǔ)上加入適當?shù)亩私酉盘柗瓷鋯栴}，較好地解決了信號的完整性問題。 由于信號處理板上模擬器件和數(shù)字器件共享，并且模擬部分的信號電平也存在較大差別，如低速A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號在%26;#177;10V之間，而高速A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入信號只有幾百mV，所以設(shè)計當中一方面應充分考慮數(shù)字電路對模擬電路的干擾問題。在實際系統(tǒng)中，采取器件隔離、元器件合理布局、電源濾波等方法，例如在運放和ADC的電源端，采用串接鐵氧體磁芯來獲得較好的濾波效果，模擬地、數(shù)字地僅在電源入口處一點連接，最終比較好地解決了噪聲串擾問題，A/D轉(zhuǎn)換器的精度均達到系統(tǒng)要求。 2.3 信息處理系統(tǒng)軟件設(shè)計 整個處理機需要編寫軟件的是三個EPLD和三個DSP。EPLD完成各種時序的產(chǎn)生和控制以及一些簡單的地址譯碼，編寫不是很復雜；軟件設(shè)計的重點是三個DSP的功能分配和軟件的編寫。 整個信號處理機的DSP處理流程如圖6所示。根據(jù)信號處理機的硬件結(jié)構(gòu)和計算量的大小，將各個DSP的功能和流程分配如下： （1）主動板DSP1 %26;#183;利用DM將高速A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)從FIFO讀到片內(nèi)。利用DMA傳數(shù)有兩個原因：①高速A/D的FIFO連在TMS320C6202的擴展總線（XBUS）上，擴展總線工作在I/O口工作方式，只有DMA能訪問，CPU不能進行讀寫；②利用DMA可以將傳數(shù)和數(shù)據(jù)處理并行起來，充分利用DSP的處理能力。 %26;#183;對讀入的數(shù)據(jù)進行非相參積累和恒虛警檢測。 %26;#183;提取跟蹤波門的面積中心和角誤差信息。 %26;#183;將檢測到的信息通過雙口RAM送到DSP0。 （2）主動板DSP0 %26;#183;從雙口RAM接收DSP1的檢測結(jié)果。 %26;#183;對DSP1的檢測結(jié)果進行二次檢測。 %26;#183;根據(jù)二次檢測結(jié)果控制導引頭狀態(tài)的切換。 %26;#183;通過低速A/D轉(zhuǎn)換器獲得天線的角度和速度，通過低速A/D轉(zhuǎn)換器控制天線的角度或速度。 %26;#183;通過多通道串口（MCBSP）接收被動通道的檢測信息，完成主被動信息融合。 %26;#183;通過異步串口和上位機進行通訊：傳送導師引頭狀態(tài)或連接上位機命令。（3）被動板DSP %26;#183;利用DMA讀取高速A/D采樣數(shù)據(jù)。 %26;#183;對采樣數(shù)據(jù)進行檢測。 %26;#183;將檢測結(jié)果通過MCBSP送給主動板DSP0。 DSP的軟件開發(fā)一般分為三個階段：（1）編寫C代碼；（2）如果不滿足實時性要求，則要優(yōu)化C代碼；（3）若仍不滿足實時性要求，則要對關(guān)鍵性代碼用線性匯編改寫。對于本文所設(shè)計的信號處理機，由于利用了三個高速的DSP芯片并行處理，再加上對C程序進行了人工優(yōu)化和TI提供的C編譯器具有的良好的編譯性能，整個程序都是利用C代碼實現(xiàn)，完全能夠滿足信號處理實時性的要求。 本文設(shè)計的以TMS320C6202為核心處理器的信號處理機已應用于某導引頭的原理樣機，并經(jīng)過外場試驗，性能指標滿足了系統(tǒng)各方面的要求，效果理想。