DSP+FPGA結(jié)構(gòu)在雷達模擬系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

隨著信息技術(shù)革命的深入和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，低速、低可靠性的單片機以及小規(guī)模的集成電路已經(jīng)越來越不能滿足需要，正逐漸被DSP與可編程邏輯器件(如FPGA、CPLD)所取代。一方面，數(shù)字信號處理技術(shù)逐漸地發(fā)展成為一門關(guān)鍵的技術(shù)學(xué)科，而DSP芯片由于集成度高、運算速度快、性能穩(wěn)定等特點，極大地促進了數(shù)字信號處理技術(shù)，也使其在數(shù)字信號處理的應(yīng)用領(lǐng)域得到了極大的拓展;另一方面，電子系統(tǒng)集成化程度的提高，不僅可使系統(tǒng)的體積變小、重量減輕、功耗降低，更重要的是可使系統(tǒng)的可靠性大大地提高，因此電子系統(tǒng)日趨數(shù)字化、復(fù)雜化和大規(guī)模集成化。而由于可編程邏輯器件(如FPGA、CPLD)是一種數(shù)字集成電路的半成品，在其芯片上按一定排列方式集成了大量的門和觸發(fā)器等基本邏輯元件，利用某種開發(fā)工具對其進行加工，即按設(shè)計要求將這些片內(nèi)的元件連接起來(此過程稱為編程)，就能使其完成某個邏輯電路或系統(tǒng)的功能，成為一個可在實際電子系統(tǒng)中使用的專用集成電路，這樣就使得集成電路的體積大大地縮小，電路的集成規(guī)模也大大地提高。因此，DSP與可編程邏輯器件已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于當(dāng)今各個領(lǐng)域中。

2 系統(tǒng)組成及芯片介紹

該雷達模擬系統(tǒng)對真實雷達的整個操作和探測實施過程進行了全仿真，能與雷達本機完全脫離，并能夠?qū)﹀e誤操作情況作出實時提示及對訓(xùn)練結(jié)果進行定量成績評估。該系統(tǒng)主要由兩個分系統(tǒng)構(gòu)成，一個是在主控計算機上的軟件模擬分系統(tǒng);另一個是在主機柜方面的硬件模擬分系統(tǒng)，它包括了實現(xiàn)全仿真效果所需的全部硬件電路以及相應(yīng)的軟件控制程序。其中數(shù)字電路部分是以TI公司的TMS320C32式浮點DSP芯片為主控制芯片，與ALTERA公司的可編程邏輯陣列FLEX 10K系列器件組成核心控制系統(tǒng)，采用C語言作DSP的軟件開發(fā)程序。DSP芯片完成數(shù)據(jù)的采集、處理以及通訊，FPGA中集成了實現(xiàn)雷達模擬系統(tǒng)功能的各種模塊，而所需的輸出波形由獨立的模擬電路完成。

TI公司的TMS320C32式浮點DSP芯片是一個性能價格比比較高的浮點處理器，為用戶提供了豐富的硬件與軟件資源。它的主要特點包括：哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、快速的指令周期等，這些特點使其可以實現(xiàn)快速的DSP運算，并使大部分運算(如乘法)能在一個指令周期內(nèi)完成。而且該DSP芯片是軟件可編程器件，具有通用微處理器的方便靈活等特點。

ALTERA公司的FLEX 10K系列器件是業(yè)界第一塊嵌入式可編程邏輯器件，它基于可重復(fù)配置的CMOS SRAM工藝，為柔性邏輯元素陣列架構(gòu)，使用通用的門海架構(gòu)來實現(xiàn)一般性的邏輯功能，同時采用專用的硅片來實現(xiàn)規(guī)模較大的專用功能。和標(biāo)準(zhǔn)的門陣列比較，由于嵌入式功能在硅片上實現(xiàn)，因此所需的硅片面積更小，系統(tǒng)速度更高。FLEX 10K系列器件不僅能夠提供高密度、高速度和系統(tǒng)集成功能，并且在單個器件內(nèi)部包含多重32比特總線、6144比特的RAM空間，還支持串行與并行兩種配置方式以及JTAG模式的在線仿真，這些特點使得FLEX 10K系列器件成為目前應(yīng)用最為廣泛的可編程邏輯器件之一。

3 硬件實現(xiàn)

在硬件模擬分系統(tǒng)中，主要使用的開發(fā)工具是MaxplusII可編程邏輯開發(fā)軟件。MaxplusII提供了一種與結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計環(huán)境，使應(yīng)用ALTERA公司通用FPGA的設(shè)計者能夠方便地進行設(shè)計輸入、快速處理和器件編程。MaxplusII提供了全面的邏輯設(shè)計能力，可將文本、圖形和波形等設(shè)計輸入方法任意組合建立起有層次的單器件或多器件設(shè)計。MaxplusII編譯器(compiler)完成最小化和邏輯綜合，把設(shè)計裝配成一個或多個器件并產(chǎn)生編程數(shù)據(jù);還可進行設(shè)計校驗，包括功能仿真、定時仿真、影響速度的關(guān)鍵路徑的延時預(yù)測以及多系列器件交叉的多器件仿真。Compiler的Fitter(適配)模塊應(yīng)用試探法把經(jīng)過綜合的設(shè)計最恰當(dāng)?shù)赜靡粋€或多個器件實現(xiàn)。這種自動適配功能使設(shè)計者得以從繁瑣的布局與布線工作中解脫出來。綜上所述，以MaxplusII為EDA軟件工具，周期短、集成度高、價格合適、可實現(xiàn)強大的邏輯功能。因此，用MaxplusII可編程邏輯開發(fā)軟件來完成FPGA內(nèi)部的邏輯模塊。并且，由于這些邏輯模塊都是在FPGA中實現(xiàn)，所以這些模塊都具有很高的可移植性與易維護性，修改也非常方便，并且減少了電路板面積，使電路的集成度大大地提高。

硬件模擬分系統(tǒng)是整個雷達模擬系統(tǒng)的核心部分，主要完成真實雷達系統(tǒng)中主機柜的全部功能，包括數(shù)據(jù)的采集、處理、與主控計算機之間的通信以及操作過程中各種狀態(tài)信息的讀取等。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

其中，TMS320C32式浮點DSP芯片為主控制芯片，而FPGA為核心芯片。為了完成雷達模擬功能，主要在FPGA中作出了串口通信、狀態(tài)讀取、顯示控制等8個功能模塊。這些模塊與DSP進行數(shù)據(jù)交換，分別完成各自的模擬功能，然后通過相應(yīng)的軟件控制DSP的工作狀態(tài)，進而通過DSP實現(xiàn)對這些功能模塊的完全控制。限于篇幅，對于各個模塊的具體工作過程不再贅述。

4 軟件實現(xiàn)

在硬件模擬分系統(tǒng)中，采用Code Composer作為DSP芯片的開發(fā)軟件。Code Composer是TI公司提供的一款功能非常強大的DSP軟件開發(fā)工具，它提供配置、建立、調(diào)試、跟蹤和分析程序的功能，便于實時、嵌入式信號處理程序的編寫和調(diào)試。它能夠加速開發(fā)過程，減少開發(fā)周期，提高工作效率。此外，它不僅支持匯編語言開發(fā)，還支持C語言開發(fā)以及C語言與匯編語言的混合開發(fā)，而其中最后一種方法是目前DSP軟件以及其他嵌入式處理軟件的最流行和效率最高的方式。Code Composer由代碼生成工具、集成開發(fā)環(huán)境、調(diào)試分析工具等幾個主要部分組成，其中代碼生成工具奠定了CCS所提供的開發(fā)環(huán)境的基礎(chǔ)。

這里，使用C語言作為DSP芯片的軟件開發(fā)語言。當(dāng)系統(tǒng)上電后，DSP首先進行各種狀態(tài)的初始化及設(shè)置工作模式，其中重要的是對定時器中斷及外部中斷的初始化設(shè)置。然后讀取主機柜面板上的初始位置信息，接著進入主程序的查詢狀態(tài)，每隔一段時間就查詢一次主機柜面板上各種狀態(tài)值是否發(fā)生變化。如果有變化發(fā)生，則進行相應(yīng)的處理。

以串口通信中斷程序的工作過程為例。通過該程序控制可以FPGA中所作的串口通信模塊與主控計算機進行通信，波特率已經(jīng)在模塊中設(shè)定。在接收模式下，該中斷程序?qū)⒔邮盏臄?shù)據(jù)送入模塊，然后該模塊能夠自動比較接收到的數(shù)據(jù)是否為同步字符。如果是，則從接收到同步字符以后，每接收完一幀數(shù)據(jù)產(chǎn)生一次中斷，CPU響應(yīng)中斷后，讀取接收到的字符。全部接收完畢后，清除同步字符接收到標(biāo)志，則該模塊回到接收到同步字符前的狀態(tài)。在發(fā)送模式下，CPU向該模塊寫入一個8位數(shù)據(jù)，則在自動添加起、停位與奇偶校驗位后串行發(fā)送。發(fā)送完畢后，產(chǎn)生一次串口中斷，響應(yīng)中斷后，將下一次要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入該模塊即可。部分程序如下所示：