DSP+FPGA實現(xiàn)定位數(shù)字信號處理模塊

DSP+FPGA實現(xiàn)定位數(shù)字信號處理模塊1系統(tǒng)的硬件設計對于主動定位系統(tǒng).水下目標的合作聲信標發(fā)射的信號頻率可達100kHz，因此為了滿足工程應用所需的測量精度，信號處理模塊的采樣頻率應不小于500kHz。但是由于主動定位系統(tǒng)是在統(tǒng)一的同步時序下工作的，因此每個處理模塊只要獲得接收信號相對同步信號的時延即可，也就是說，每個處理模塊只需進行一路接收信號與不同發(fā)射信號的時延估計。而對于被動定位系統(tǒng)，目標輻射噪聲的頻率范圍主要位于100Hz～2kHz，因此信號處理模塊的采樣頻率不小于10kHz就可以滿足要求。但是由于被動定位系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的同步時序，因此只能通過估計不同接收信號的相對時延來進行目標的方位估計，也就是說，每個處理模塊所需進行處理的接收信號不小于2個通道。深入分析主/被動定位方法的信號體制及相應的處理方法可知，主動定位系統(tǒng)所需的信號處理模塊的硬件規(guī)模和性能要求較高，因此信號處理模塊的硬件設計以主動定位系統(tǒng)的性能指標為主、兼顧被動定位系統(tǒng)的指標要求。1.1模塊的硬件功能及組成本文設計的數(shù)字信號處理模塊的主要技術指標包括：1)輸入模擬信號：通道數(shù)為3路，信號幅度為-10～10V，頻率為100Hz～30kHz;2)通訊接口：RS422口及RS232接口各1個，自定義的通用IO口16位;3)輸出模擬信號：通道數(shù)為2路，信號幅度為-10～10V;4)LCD顯示屏：彩色觸摸屏;5)運算能力：實時進行水下目標定位。

根據(jù)水下定位系統(tǒng)的功能需求和上述的指標要求，采用基于DSP+FPGA的硬件架構進行數(shù)字信號處理模塊的設計，如圖1所示。其中FPGA實現(xiàn)系統(tǒng)的時序控制、各種接口轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號預處理(如FIR濾波、FFT運算)，而DSP實現(xiàn)系統(tǒng)的副本相關或互相關、包絡檢波等信號處理任務;這樣既充分利用了FPGA的高度并行性和實時性，又充分使用了DSP的信號處理能力，使系統(tǒng)結構靈活、通用性強、運算能力強度，具有較好的工程應用參考價值。1.2硬件系統(tǒng)的主要器件選型1.2.1信號處理器數(shù)字信號處理(DigitalSignalProcessing，DSP)的主要任務是完成水下目標的方位估計。因此選擇DSP時首先考慮它的運算能力，在滿足運算速度要求的前提下，要求DSP的功耗小、外圍電路設計簡單，軟件開發(fā)容易。目前可供選擇的DSP很多，包括TI公司的C2000系列、C5000系列、C6000系列，AD公司的BlackFin系列、SHARC系列、TigerSHARC系列等等，每款DSP都有其不同的特點。針對本文設計的定位系統(tǒng)，綜合考慮各因素，選用TI公司的TMS320VC5509A作為系統(tǒng)的DSP。TMS320VC5509A是一款16位定點DSP，其片內(nèi)的128Kx16bitSRAM空間可滿足算法的存儲空間需求;內(nèi)核200MHz的時鐘頻率可滿足系統(tǒng)的實時性要求;4個外部存儲器片選信號便于通過FPGA，實現(xiàn)DSP與其他在板外設的數(shù)據(jù)交流和通信;5個外部中斷輸入可滿足外部設備對DSP的突發(fā)請求。1.2.2FPGA現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA)的功能是實現(xiàn)系統(tǒng)的時序控制，并完成外部設備與DSP的接口轉(zhuǎn)換，同時為了提高系統(tǒng)的實時性，實現(xiàn)定位系統(tǒng)的數(shù)字信號預處理，因此本文的FPGA選擇主要考慮FPGA的片內(nèi)存儲器容量、乘法器數(shù)量、宏單元數(shù)量、性價比及開發(fā)的方便性等。目前可供選用的FPGA很多，根據(jù)定位系統(tǒng)的具體需求和研發(fā)人員的開發(fā)經(jīng)驗，選用Altera公司的EP2C35F484作為系統(tǒng)的FPGA，用于實現(xiàn)其相應的功能。EP2C35F484內(nèi)部具有33216個邏輯單元(LEs)，能夠滿足系統(tǒng)的各種時序控制;483840bits的RAM容量可以為DSP提供足夠大的輸入輸出緩存，配合35個的乘法器，可以方便地實現(xiàn)數(shù)字信號預處理;4個PLL可以很方便地為系統(tǒng)產(chǎn)生不同的時鐘信號或時序;322個用戶I/O引腳數(shù)配合豐富的Les便于實現(xiàn)各種輸入輸出接口轉(zhuǎn)換。1.2.3模數(shù)及數(shù)模轉(zhuǎn)換器模數(shù)及數(shù)模轉(zhuǎn)換器的選擇需同時考慮轉(zhuǎn)換頻率和分辨率。因此根據(jù)系統(tǒng)對輸入模擬信號的精度要求，選擇分辨率為16位的AD7665作為系統(tǒng)的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器。AD7665的最高采樣頻率可達570kS/s，而且其允許的輸范圍為±10V。滿足系統(tǒng)的動態(tài)范圍;其數(shù)字輸出可采用串行或并行接口方式，便于與DSP或FPGA接口。根據(jù)系統(tǒng)對輸出模擬信號的精度要求，選用18位的AD5545作為系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)。AD5545是電流型輸出型的雙路D/A轉(zhuǎn)換器。由于AD5545采用串行接口方式接收控制器的數(shù)據(jù)，因此AD5545的幾何尺寸極小，便于高度集成。1.2.4存儲器作為一個可以獨立運行的系統(tǒng)，總需要一定容量的非易失性存儲器，用于存儲系統(tǒng)的指令代碼和缺省的系統(tǒng)參數(shù)，因此本模塊采用閃存(FLASH存儲器)AMD29LV256M進行系統(tǒng)的非易失存儲器設計。AM29LV256M的容量為256MBit，可以方便地構成16Mx16-Bit或者32Mx8-Bit的存儲器，滿足代碼的固化需求。另外由于采用LCD液晶屏作為系統(tǒng)的顯示器，而現(xiàn)有的LCD顯示器沒有顯