基于DSP的無人值守地面探測系統(tǒng)

傳統(tǒng)的無人值守地面探測系統(tǒng)可以探測一定范圍內(nèi)的地面運動目標。其工作模式是把采集到的信號發(fā)送回地面接收站再進行處理。此方法不能實現(xiàn)終端實時信號處理，且反應(yīng)時間較長。另外，信號在傳輸和接收的過程中會受到不同程度的干擾，這樣就會使識別效果出現(xiàn)偏差，特別是在復(fù)雜電磁環(huán)境條件下，無線通信時間越長，傳輸數(shù)據(jù)量越大，則受到的干擾越多，且探測系統(tǒng)越容易被敵方發(fā)現(xiàn)。本文所設(shè)計的探測系統(tǒng)提出了一種實時處理信號的方法，直接將處理的結(jié)果發(fā)送給決策者，這樣既避免了震動和聲音信號在傳輸過程中的失真，又縮短了反應(yīng)時間，同時還增加了探測系統(tǒng)的隱蔽性。

系統(tǒng)總體方案設(shè)計

無人值守探測系統(tǒng)一般由地震動和聲音傳感器、中央處理芯片、運算放大電路以及無線收發(fā)裝置等模塊組成，通過傳感器系統(tǒng)采集震動和聲音信號經(jīng)過濾波電路、運算放大電路以及AD轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再對這些信號進行時頻分析，以期達到識別目標性質(zhì)的目的。根據(jù)系統(tǒng)探測和監(jiān)視的需求，地震動傳感器應(yīng)能探測到200m以內(nèi)的運動車輛及20m以內(nèi)人員腳步的信號，聲音傳感器應(yīng)能感應(yīng)到600m以內(nèi)的車輛噪聲。

由于DSP處理器具有效率高，適合數(shù)據(jù)量較大、算法較復(fù)雜的信號處理等特點，因此本文選取DSP作為無人值守地面探測系統(tǒng)運算處理芯片。

本文所設(shè)計的地面探測系統(tǒng)主要由前端探測識別——地面探測主系統(tǒng)和后端顯示——接收顯示子系統(tǒng)兩部分組成。當探測區(qū)域出現(xiàn)激勵時，系統(tǒng)開始工作，DSP的集成A/D采樣接口開始采集地震動和聲音傳感器經(jīng)過放大調(diào)理的信號。DSP模塊識別目標性質(zhì)以后，通過串口發(fā)送相應(yīng)的編碼到無線收發(fā)模塊，然后經(jīng)過無線傳輸，發(fā)送到接收顯示子系統(tǒng)的無線收發(fā)模塊，最后通過單片機串口將編碼發(fā)送給單片機，將編碼代表的目標屬性在液晶模塊上顯示出來。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

設(shè)計所需器件選型

傳感器的選型

（1）地震動傳感器

系統(tǒng)所使用的地震動傳感器安裝在探測系統(tǒng)中并布設(shè)到地面上，用于檢測目標運動引起的地震動信號。

動圈磁電式傳感器是地震勘探中廣泛使用的一種成熟的傳感器，其性能可靠、價格低廉，而且輸出信號對后續(xù)電路要求不高，可以簡化系統(tǒng)電路設(shè)計。本文選用DX20動圈磁電式傳感器。

（2）聲音傳感器

聲音傳感器主要用于檢測目標發(fā)動機引起的噪聲和聲壓變化，是由探測到的聲音信號的頻率和聲強級來識別目標的出現(xiàn)。常用的聲音傳感器可分為電容式、碳粉式、壓電式和光纖聲音傳感器。其中電容式聲音傳感器具有較高的靈敏度、較低的自生噪聲及較低的失真，性能優(yōu)良，其性能可以滿足本系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)選用電容式聲音傳感器。

電子元件的選型

為了使該系統(tǒng)在野外長期穩(wěn)定地工作，系統(tǒng)需采用低功耗設(shè)計。在該系統(tǒng)中，DSP、運算放大器和無線收發(fā)模塊的功耗占系統(tǒng)功耗的很大部分。所以對此三種器件的選擇需特別注意功耗的問題。

（1）DSP的選型

隨著半導(dǎo)體科技的發(fā)展，DSP的種類越來越多。選擇DSP處理器主要從以下幾個方面考慮：

② 性能：描述DSP性能的最重要的指標是運算速度。

②片內(nèi)硬件資源：片內(nèi)硬件資源主要包括片內(nèi)RAM、ROM的數(shù)量，I/O接口的種類和個數(shù)，總線驅(qū)動能力，外部可擴展的程序和數(shù)據(jù)空間等。

③系統(tǒng)運算量。

④通常，DSP的功耗是較大的，系統(tǒng)采用的DSP芯片需具有空閑模式，能夠做到有目標的時候探測，沒有目標的時候休眠的要求，以降低功耗。

TI公司是DSP主要生產(chǎn)廠家，它的產(chǎn)品主要包括TMS320C6000、TMS320C5000、TMS320C2000系列。其中，C5000DSP可達200MHz左右的工作時鐘頻率，被廣泛應(yīng)用于語音信號處理和調(diào)制解調(diào)器等領(lǐng)域，其價格適中，且硬件設(shè)計要求比較高。

本系統(tǒng)所必需的DSP片內(nèi)外設(shè)主要包括集成ADC轉(zhuǎn)換器、DPLL時鐘產(chǎn)生器、DMA控制器、EMIF、MCBSPS、通用定時器、看門狗定時器等，同時本系統(tǒng)具有一定的運算量。因此，本系統(tǒng)選用C5000DSP作為主要運算處理芯片。C5000 DSP包括C55x和C54x兩代產(chǎn)品。充分考慮到系統(tǒng)的實時性和低功耗要求，本系統(tǒng)選取TI公司生產(chǎn)的TMS320VC5509A作為核心計算單元，它的處理能力可達到400MIPS，其資源可以完成地震動和聲音信號采樣以及目標識別功能。該型DSP具有休眠功能，當探測區(qū)域內(nèi)沒有目標時，主系統(tǒng)DSP進入旁路模式，處于空閑模式，其工作電流僅為16μA，大大降低了DSP的功耗；當目標出現(xiàn)時，DSP開始工作。

TMS320VC5509A集成一個雙通道10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)換器不能工作在連續(xù)模式下，DSP必須向ADC控制寄存器(ADCctl)的ADCstart位寫入1來初始化每次轉(zhuǎn)換。一旦轉(zhuǎn)換開始，DSP必須等到轉(zhuǎn)換完成才能選擇另外一個通道或者初始化另外一次新的轉(zhuǎn)換。ADC不會向DSP發(fā)出中斷信號，所以DSP只有通過查詢ADC數(shù)據(jù)寄存器(ADCdata)的ADCBusy位來獲取ADC的狀態(tài)。當轉(zhuǎn)換完成時，ADCBusy由1被置為0，表示轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)已經(jīng)存放在數(shù)據(jù)寄存器ADCData中，然后DSP能夠從ADCData讀取數(shù)據(jù)。ADCData中也包含寄存器ADCctl中表示多路選擇器通道選擇值的ChSelect的值，所以DSP能夠鑒別是從哪個通道獲取的采樣值。

（2）外設(shè)控制和擴展芯片的選型

本系統(tǒng)的可編程邏輯器件需滿足上電即可工作，其作用是作為DSP外設(shè)控制和擴展的芯片，設(shè)計的組合邏輯比較多，因此首選CPLD。隨著大規(guī)?？删幊唐骷陌l(fā)展，采用DSP+CPLD結(jié)構(gòu)的信號處理系統(tǒng)顯示出了優(yōu)越性，該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)靈活，通用性較強，適于模塊化設(shè)計，易于維護和擴展。

可編程邏輯器件(CPLD)采用ALTERA公司的EPM570T100C5N來實現(xiàn)系統(tǒng)的接口邏輯。該邏輯器件采用FPGA結(jié)構(gòu)，配置芯片集成在內(nèi)部，和普通PLD一樣滿足上電即可工作。

（3）集成運放的選型

地震動傳感器需探測200m以內(nèi)的運動車輛及20m以內(nèi)人員腳步的信號，聲音傳感器需感應(yīng)600m以內(nèi)的車輛噪聲（探測距離與傳感器的靈敏度關(guān)系非常密切）。在如此遠距離情況下，由傳感器檢測得到的目標信號很微弱，通常只有毫伏級。如此小的信號必須先經(jīng)過前置放大和預(yù)處理后才能進行采集處理。另外，信號放大處理電路功耗應(yīng)盡量小。

由于原始信號極其微弱，很容易被噪聲所淹沒，為了能有效抑制干擾，設(shè)計選用美國TI公司生產(chǎn)的OPA4336運算放大器，它的內(nèi)部集成了四個運算放大器，具有精度高、功耗低等特點。

（4）其他器件的選型

SDRAM選用HY57V641620ETP，F(xiàn)LASH選用S29AL800D；選用78M05（12V-5V電壓轉(zhuǎn)換芯片）作為輔助芯片。

DSP系統(tǒng)設(shè)計

DSP工作模塊設(shè)計

在此主要介紹硬件電路設(shè)計，通常是指以DSP為中心的外圍電路設(shè)計，包括前向通道（輸入數(shù)據(jù)通道）和后向通道（輸出數(shù)據(jù)通道），以及復(fù)位電路、電源設(shè)計等。DSP工作模塊原理如圖2所示。

DSP系統(tǒng)采用四節(jié)3V高效能電池串聯(lián)供電（供電電壓DC12V），采用78M05轉(zhuǎn)換出來的DC5V，再由TLV1117-3.3和TLV1117-ADJ穩(wěn)壓芯片提供的3.3V與1.6V兩種電壓作為DSP的工作電壓，并用JTAG口硬件仿真并下載程序，SDRAM用于動態(tài)存儲采集到的數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH保存DSP運行程序，待復(fù)位后重新載入DSP內(nèi)部RAM中運行，CPLD負責(zé)外圍器件的選擇控制。DSP通過16根數(shù)據(jù)線和14根地址線與SDRAM、FLASH、CPLD進行通信。DSP作為系統(tǒng)的核心，完成信號采集、過零數(shù)分析、短時能量分析、功率譜相似性識別算法等處理過程。

系統(tǒng)電源模塊設(shè)計

主系統(tǒng)額定輸入電壓DC12V，78M05（圖3中U22）轉(zhuǎn)換出DC5V（供無線通信模塊使用）再由TLV1117-3.3（圖3中U2）和TLV1117-ADJ（圖3中U1）轉(zhuǎn)換DC3.3V和DC1.6V供DSP系統(tǒng)使用，系統(tǒng)電源電路如圖3所示。

由于本系統(tǒng)需要將采集到的信號做信號分析和變換等工作，對DSP的時鐘信號有較高的要求，因此采用12M有源晶振作為DSP系統(tǒng)工作時鐘源。DSP等各個芯片的濾波電容均放置于芯片的底層，一方面可以節(jié)省頂層布線空間，另一方面可以較好地濾除電源產(chǎn)生的毛刺等干擾信號。另外將10uF和0.1uF的電容交叉放置可以產(chǎn)生更好的濾波效果，系統(tǒng)晶振與DSP的濾波電容電路如圖4所示。

DSP與SDRAM和FLASH的接口電路設(shè)計

本系統(tǒng)硬件設(shè)計中涉及較多的DSP與存儲器的連接與訪問。TMS320VC5509A的外部存儲器接口除了對異步存儲器的支持以外，還提供對同步突發(fā)靜態(tài)存儲器(SBSRAM)和同步動態(tài)存儲器(SDRAM)的支持。異步存儲器可以是靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)、閃存等存儲設(shè)備，也可以是A/D轉(zhuǎn)換器件、并行顯示設(shè)備等。DSP與SDRAM和FLASH的接口電路如圖5所示。

存儲模塊的設(shè)計

DSP既可將SRAM作為程序存儲器，也可作為數(shù)據(jù)存儲器。本系統(tǒng)用FLASH存放程序，在系統(tǒng)運行時，為提高運行速度，需將程序從FLASH搬至快速SRAM中運行，此時SRAM地址映射在程序空間中，而當系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲空間超過內(nèi)部RAM時，SRAM地址映射在數(shù)據(jù)空間中。系統(tǒng)采用HY57V641620型動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM作為SRAM。

為了充分發(fā)揮DSP性能，在加電后需要將用戶代碼裝載到高速RAM存儲器中運行。FLASH存儲器是一種高密度、非易失性的電可擦寫存儲器，存儲量大，使用方便，適用于低功耗、高性能的系統(tǒng)。設(shè)計FLASH與DSP的接口時，F(xiàn)LASH的數(shù)據(jù)線和地址線分別和DSP的外部數(shù)據(jù)和地址總線相連，F(xiàn)LASH的分頁控制位A[13:18]位連接CPLD，對CPLD編程實現(xiàn)寄存器控制高位譯碼，使得DSP可以訪問FLASH的高位存儲地址段。

傳感器調(diào)理及放大電路設(shè)計

（1）地震動信號采集電路

考慮到地震動信號的頻率均為150Hz以下，在儀器用測量放大器的基礎(chǔ)上添加了低通濾波電路，以進一步抑制環(huán)境高頻噪聲對信號產(chǎn)生的不良影響，該低通濾波器將采集到的地震動信號頻率限制在340Hz以下。

OPA4336是CMOS型、軌對軌輸入輸出的運算放大器，提供了4個獨立的放大器，具有高輸入阻抗、低輸入失調(diào)電壓、低輸入偏置電流、低噪聲等特點，其電源工作范圍為2.3V~5.5V。系統(tǒng)放大電路由兩級組成：兩個對稱的同相放大器U6A和U6C構(gòu)成第一級，U6B為第二級放大器，U6D是聲音放大器，震動信號調(diào)理及放大電路如圖6所示。

該兩級放大電路，既滿足電路穩(wěn)定性要求，又可提供一定倍數(shù)的增益。對經(jīng)過放大的信號進行A/D轉(zhuǎn)換后即可送入DSP進行信號的采集與識別。

（2）聲信號采集電路

聲音放大電路附加了一個一階低通硬件濾波器(C41=470pF)以消除較高頻環(huán)境噪聲。此外，由于采用單電源模式，供電電壓為3.3V，因此需提供一偏置電壓將參考電平拉高1.6V，以保證信號的完整性。為了電源去耦，應(yīng)在電源引腳和印制線路板上與運放參考端之間連接一個旁路電容。同時該電容在元器件布局時應(yīng)盡量靠近運放電源引腳。VOICE接聲音傳感器，AIN1接DSP的A/D轉(zhuǎn)換接口ADC1。聲音信號調(diào)理及放大電路如圖7所示。

便攜式接收顯示子系統(tǒng)的設(shè)計

單片機接收系統(tǒng)電路設(shè)計

采用ATMEL公司推出的AT89S52作為單片機接收系統(tǒng)主控芯片。AT89S52除了具有8051的全部功能外，還內(nèi)置了一些比較實用的功能部件。如AT89S52內(nèi)部的程序存儲器是8KB可擦寫的FLASH存儲器，支持在線系統(tǒng)編程ISP，調(diào)試非常方便。單片機接收系統(tǒng)電路如圖8所示。

液晶顯示電路設(shè)計

顯示模塊有兩種選擇方案：①用數(shù)碼管作為顯示器；②LCD液晶顯示。雖然數(shù)碼管使用簡單，但不能顯示漢字、字符等，為了使指揮員能夠更加直觀并且更加迅速地了解目標的屬性，便攜式接收顯示子系統(tǒng)采用JM12864帶中文字庫的液晶顯示器作為顯示模塊。

JM12864可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字（16×16點陣）、128個字符（8×16點陣）及64×256點陣顯示RAM(SDRAM)。液晶顯示模塊電路如圖9所示。

無線收發(fā)模塊設(shè)計

無線收發(fā)模塊選用深圳科易連公司生產(chǎn)的KYL-1020L，它的優(yōu)點是通信距離遠，并且具有休眠控制功能，DSP可以通過軟件控制它處于工作或休眠狀態(tài)，極大地降低了系統(tǒng)功耗。

KYL-1020L具有如下特點：①載波頻率為433MHz；②多種可選的通訊接口，如RS-232和TTL；③8個通訊信道；④傳輸數(shù)率為9600bps；⑤數(shù)據(jù)格式為8N1/8E1/801；⑥提供方波傳輸功能，方便非標的編碼客戶使用；⑦收發(fā)一體，半雙工工作模式；⑧低功耗，并具有休眠功能；⑨工作溫度為-35℃~+75℃（工業(yè)級）。

KYL-1020L的休眠功能對本系統(tǒng)極為重要。由于休眠電流只有不到20μA，功率不到0.18mW，極大地降低了系統(tǒng)功耗，使得系統(tǒng)能夠長時間工作。無線收發(fā)模塊電路如圖10所示。

結(jié)束語

本文完成了基于DSP無人值守地面探測系統(tǒng)的硬件設(shè)計。首先介紹了系統(tǒng)總體方案設(shè)計以及傳感器和電子元件的選型，然后闡述了DSP工作模塊、電源模塊、外部寄存器接口電路、存儲模塊和傳感器調(diào)理及放大電路的設(shè)計，最后介紹了便攜式接收顯示子系統(tǒng)的設(shè)計。該地面探測系統(tǒng)性能穩(wěn)定，原理可行，能實時地為偵察或警戒分隊提供戰(zhàn)場信息。