分層結(jié)構(gòu)高速數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：介紹了一種具有分層結(jié)構(gòu)的高速數(shù)字信號(hào)處理嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的不同層次完成了具有不同實(shí)時(shí)性要求與復(fù)雜程度的任務(wù)。詳術(shù)了基于TMS320VC33的嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程及關(guān)鍵技術(shù)，最后給出了幾個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理（DSP） 嵌入式系統(tǒng) 分層結(jié)構(gòu) 目前，DSP應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)一般都需要昂貴的專(zhuān)扇開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，而且大多是功能與用途特殊的產(chǎn)品且批量小，其成本主要花在長(zhǎng)時(shí)間研發(fā)上。對(duì)于民品，時(shí)間就是市場(chǎng)占有率和金錢(qián)；對(duì)于軍品，時(shí)間就是戰(zhàn)斗力和生命。分層結(jié)構(gòu)高速數(shù)字信號(hào)處理嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都在很大程度上具有通用性，極大地降低了這一類(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)難度與研發(fā)周期。 1 系統(tǒng)組成 1．1 設(shè)計(jì)思路 一個(gè)工業(yè)測(cè)控儀表產(chǎn)品首先需要友好的人機(jī)界面、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集與控制及準(zhǔn)實(shí)時(shí)的高速數(shù)字信號(hào)處理。DSP專(zhuān)用芯片雖然具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，但若用于人機(jī)界面設(shè)計(jì)將事倍功半，若用于強(qiáng)實(shí)時(shí)控制則極易被一個(gè)簡(jiǎn)單任務(wù)耗盡資源。因此，系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)方案是：采用體積小、結(jié)構(gòu)緊湊可靠的PCI04工控機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面，以高速DSP芯片進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理，而強(qiáng)實(shí)時(shí)信號(hào)處理任務(wù)由復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)和專(zhuān)用芯片(ASIC)完成。1．2 分層式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 根據(jù)以上思路，系統(tǒng)宜采用分層式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中，自定義系統(tǒng)總線(類(lèi)似于GPIB總線)及接口模塊實(shí)現(xiàn)主機(jī)(層次一)對(duì)多個(gè)信號(hào)處理模塊(層次二、三)的監(jiān)控，基于16位ISA并行接口的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。對(duì)于監(jiān)控主機(jī)，在通過(guò)了調(diào)試階段后，可以用單片機(jī)替代之以進(jìn)一步減小體積重量，降低成本。在信號(hào)處理器模塊中，DSP芯片及其RAM與EPROM組成的最小系統(tǒng)構(gòu)成第二層次，其硬件／軟件都具有通用性。真正與具體產(chǎn)品特定功能有關(guān)的是第三層次，它是由CPLD、ASIC芯片或級(jí)聯(lián)工作的從處理器構(gòu)成的應(yīng)用硬件模塊。隨著軟件無(wú)線電技術(shù)與器件的發(fā)展，非通用性功能越來(lái)越趨向．于用軟件實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)用硬件模塊則主要是高速CPLD、偏速模／數(shù)轉(zhuǎn)換器及數(shù)／模轉(zhuǎn)換器。因此第三層次也具有一定的通用性。 1．3 系統(tǒng)的特點(diǎn) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分層次后變得比較靈活，便于擴(kuò)展。對(duì)于多通道并行數(shù)據(jù)處理，如材料分選，可采用多個(gè)信號(hào)處理器并聯(lián)結(jié)構(gòu)；對(duì)于單通道高速數(shù)據(jù)處理，如雷達(dá)脈沖信號(hào)分選，可采用多個(gè)處理器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。 分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能強(qiáng)大。第三層次可以處理納秒級(jí)事件，如高速脈沖信號(hào)的瞬態(tài)參數(shù)測(cè)量；第二層次可以處理微秒、毫秒級(jí)事件，如數(shù)字濾波及高精度參數(shù)估計(jì)算法的實(shí)現(xiàn)；第一層次可以處理非實(shí)時(shí)但較復(fù)雜，的事件，如實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面、存盤(pán)打印、數(shù)據(jù)庫(kù)管理以及網(wǎng)絡(luò)功能等。 第一、二層次在硬件上有完全的通用性，數(shù)字信號(hào)處理器的基本輸入輸出軟件(DSP-BIOS)及其對(duì)應(yīng)的主機(jī)接口軟件也基本上具有完全的通用性，可編程器件的充分利用還可使第三層次在硬件上具有一定的通用性。因此，采用這種結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)后續(xù)產(chǎn)品時(shí)，研發(fā)工作將越來(lái)越容易而且迅捷。 2 硬件／軟件協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程 將上述具有通用性與分層結(jié)構(gòu)的高速數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)應(yīng)用于具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)硬件／軟件功能進(jìn)行合理的劃分，這實(shí)際上是一個(gè)硬件／軟件協(xié)同設(shè)計(jì)的過(guò)程，如圖2所示。 第一步，確定應(yīng)用系統(tǒng)具體功能及性能指標(biāo)要求。 第二步，應(yīng)用獨(dú)立于任何硬件／軟件的功能性規(guī)格方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述，如有限態(tài)自動(dòng)機(jī)(FSM)、統(tǒng)一化的規(guī)格語(yǔ)言(CSP、HDLs、C、…)或其它基于圖形的表示工具。其作用是對(duì)硬件／軟件統(tǒng)一表示，便于進(jìn)行功能的劃分和綜合。 第三步，從系統(tǒng)功能要求和限制條件出發(fā)，依據(jù)一定的算法，進(jìn)行硬件／軟件的功能劃分。 第四步，對(duì)劃分結(jié)果作出評(píng)估。一種是性能評(píng)估(A)，另一種是對(duì)硬件／軟件綜合后的系統(tǒng)依據(jù)指令級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)作出評(píng)估(B)。如果評(píng)估結(jié)果不滿足要求，需重復(fù)第三步，重新劃分硬件／軟件的功能，直至獲得一個(gè)最佳的硬件／軟件實(shí)現(xiàn)為止。 一個(gè)大的科研項(xiàng)目都需要多所做人分工協(xié)作，以上所述實(shí)際上也是總體上為硬件組與軟件組所做的任務(wù)分配。在進(jìn)行硬件系統(tǒng)基本功能調(diào)試的同時(shí)，軟件組可以編寫(xiě)人機(jī)界面程序、數(shù)據(jù)庫(kù)操作程序、模擬數(shù)據(jù)與處理的脫機(jī)版程序。由于用規(guī)格語(yǔ)言對(duì)實(shí)際硬件／軟件功能描述存在失真情況，設(shè)計(jì)階段的硬件／軟件功能劃分也難免有不合理之處，但這可在聯(lián)機(jī)調(diào)試中得以修正。3 關(guān)鍵技術(shù) 本文用TI公司的高速處理器芯片TMS320VC33實(shí)現(xiàn)通用數(shù)字信號(hào)處理嵌入式系統(tǒng)。 3．1 DSP-BIOS設(shè)計(jì) DSP-BIOS軟件是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理嵌入式系統(tǒng)通用性的關(guān)鍵所在。TMS320VC33在微處理器(μP)模式下，復(fù)位后即運(yùn)行DSP-BIOS軟件；如在微計(jì)算機(jī)(MP)模式下，復(fù)位后運(yùn)行其內(nèi)部固化的Boot-Loader程序，然后從外部低速RAM或串口讀取DSP-BIOS軟件并調(diào)入片內(nèi)高速CACHE進(jìn)行全速運(yùn)行。 一個(gè)通用DSP-BIOS軟件應(yīng)具有以下功能： %26;#183; DSP的初始化； %26;#183; 最小系統(tǒng)硬件的自檢； %26;#183; 與上位機(jī)的通信；%26;#183; 接收上位機(jī)命令及命令處理； %26;#183; 從上位機(jī)下載應(yīng)用程序并執(zhí)行； %26;#183; DSP特殊寄存器的設(shè)置，如外總線等待周期數(shù)； %26;#183; DSP片上功能塊(定時(shí)器、中斷)的控制； ．I／O口的讀寫(xiě)(單地址)； %26;#183; 存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)(成片地址)。 3．2 系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程 系統(tǒng)的調(diào)試一般包括兩個(gè)過(guò)程：基本功能調(diào)試與正式應(yīng)用功能調(diào)試。 基本功能調(diào)試的目的是排除硬件系統(tǒng)。設(shè)計(jì)與制作中存在的錯(cuò)誤，并測(cè)試評(píng)估每一個(gè)子系統(tǒng)(模塊或芯片)的功能與性能。調(diào)試步驟如下： %26;#183; 按設(shè)計(jì)編程并燒寫(xiě)DSP主板上的可編程邏輯器件(CPLD)，確認(rèn)CPLD器件已正常工作。 %26;#183; 調(diào)試確認(rèn)DSP芯片。H1和H3信號(hào)是所有片內(nèi)功能塊時(shí)序的同步時(shí)鐘，是測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)。 %26;#183; 把DSP-BIOS軟件燒寫(xiě)入Flash-ROM，調(diào)試確認(rèn)DSP的Boot-Load過(guò)程。若BIOS程序未正常運(yùn)行，可按流程圖3來(lái)調(diào)試。%26;#183; DSP與PC機(jī)接口的調(diào)試。在圖1所示的分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，同處層次二的多個(gè)信號(hào)處理模塊是多塊DSP板。各DSP板上都有撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置的"ID"標(biāo)識(shí)，主機(jī)發(fā)送的每個(gè)命令中都帶有板選碼，只有"ID"標(biāo)識(shí)與板選碼相符的DSP才會(huì)響應(yīng)該命令。因此，只需確認(rèn)PC機(jī)能對(duì)一個(gè)DSP進(jìn)行正常復(fù)位與其它控制即可。通信調(diào)試的關(guān)鍵是檢查各標(biāo)志信號(hào)。 ．DSP外設(shè)的調(diào)試。包括DSP板上的主內(nèi)存，應(yīng)用板(第三層次)上的RAM、I／O口及ASIC器件的控制接口等。 正式應(yīng)用功能調(diào)試的主要目的是：排除應(yīng)用軟件與應(yīng)用板上硬件系統(tǒng)中存在的錯(cuò)誤，并測(cè)試評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的功能與性能。調(diào)試步驟如下： %26;#183; 把調(diào)試用軟件提取為與硬件系統(tǒng)有關(guān)的一類(lèi)子程序庫(kù)，加入到包括界面與數(shù)據(jù)庫(kù)操作的主程序中，形成聯(lián)機(jī)運(yùn)行的正式應(yīng)用軟件。 %26;#183; 整個(gè)系統(tǒng)的功能與性能測(cè)試。當(dāng)無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，分析問(wèn)題之所在，盡快修改應(yīng)用軟件或硬件，甚至重新設(shè)計(jì)制作硬件系統(tǒng)。 %26;#183; 精簡(jiǎn)優(yōu)化，去掉調(diào)試階段的冗余設(shè)計(jì)部分。但在用戶使用過(guò)程中仍有可能提出更高的要求，因此始終保持一定的資源余留是有必要的。4 應(yīng)用實(shí)例 用TMS320VC33來(lái)實(shí)現(xiàn)通用分層結(jié)構(gòu)數(shù)字信號(hào)處理嵌入式系統(tǒng)，它已經(jīng)被成功應(yīng)用于多項(xiàng)軍用／民用產(chǎn)品。 4．1 電臺(tái)自動(dòng)測(cè)試儀--單DSP系統(tǒng) 通信電臺(tái)在出廠前以及維護(hù)維修時(shí)，都要測(cè)試其性能指標(biāo)，包括頻率響應(yīng)、失真度、信噪比等。應(yīng)此需求研制的電臺(tái)自動(dòng)測(cè)試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該測(cè)試儀硬件系統(tǒng)主要由四大部分組成：數(shù)字化高速信號(hào)采集電路、數(shù)字信號(hào)處理器、多波段多制式的信號(hào)產(chǎn)生電路及上位機(jī)。信號(hào)采集電路中應(yīng)用了高速數(shù)字下變頻器HSP50214，信號(hào)產(chǎn)生器應(yīng)用了數(shù)字上變頻器AD9856，DSP在零中頻信號(hào)上進(jìn)行處理，大大降低了對(duì)處理速度與容量的要求。因而單個(gè)DSP足以勝任對(duì)單個(gè)窄帶零中頻信號(hào)的多制式軟件調(diào)制與解調(diào)、濾波及參數(shù)估計(jì)等數(shù)字運(yùn)算。 4．2 基于DSP的材料分選系統(tǒng)--多DSP并聯(lián)工作 為了適應(yīng)市場(chǎng)需要，對(duì)材料(如糧食、礦物等)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)與分選有著重要意義。分選是利用不同質(zhì)量材料的重量、顏色、尺寸等物理特性不同的原理進(jìn)行的。根據(jù)該原理，本實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)研制了基于多DSP的材料分選控制系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)早期的分選系統(tǒng)智能部件都采用MCS-51系列的單片機(jī)，其控制功能基本可以滿足需要，但是它的計(jì)算精度和工作速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此系統(tǒng)的分選精度等指標(biāo)很難做高。本文所研制的新型分選系統(tǒng)采用高速浮點(diǎn)運(yùn)算DSP芯片TMS320VC33完成多通道信號(hào)采集和分選的控制，使得分選精度和工作速度都得到了大幅度提高。每個(gè)DSP可以勝任80路5kHz帶寬的傳感器信號(hào)的分析處理，每臺(tái)工控機(jī)最多可管理16個(gè)DSP模塊的并行工作，因而總的分選速度是非?？斓?。分選系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。 4．3 雷達(dá)對(duì)抗偵察信號(hào)處理機(jī)--多DSP級(jí)聯(lián)工作 雷達(dá)對(duì)抗偵察的任務(wù)是偵收并分析敵方雷達(dá)信號(hào)，為干擾或火力摧毀敵方雷達(dá)提供情報(bào)。為此研制了基于多CPU級(jí)聯(lián)工作的信號(hào)處理分機(jī)，如圖6所示。它包括：雷達(dá)信號(hào)預(yù)分選模塊、分選處理模塊、識(shí)別與綜合顯示模塊。在預(yù)分選模塊中，由第一個(gè)DSP對(duì)來(lái)自參數(shù)測(cè)量分機(jī)的高速雷達(dá)視頻脈沖串進(jìn)行稀釋與粗略分類(lèi)(按頻率分)，并把脈沖描述字(包括頻率f、方位、脈幅PA、脈寬PW、到達(dá)時(shí)間TOA等)通過(guò)雙口RAM傳遞給第二個(gè)DSP進(jìn)行分選處理，以分離各部雷達(dá)的脈沖信號(hào)，從而測(cè)得各自技術(shù)參數(shù)。工控機(jī)獲得測(cè)量參數(shù)后與雷達(dá)情報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，以識(shí)別敵方雷達(dá)類(lèi)型、用途與威脅等級(jí)，為指揮決策提供依據(jù)。按處理速度、傳輸速度、存儲(chǔ)容量?jī)?yōu)化配置流水線上各級(jí)CPU的任務(wù)，可使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最大處理能力。試驗(yàn)表明其速度已符合實(shí)戰(zhàn)要求。 由于該分層結(jié)構(gòu)高速數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件具有通用性、軟件模塊化，使得在較短的時(shí)間內(nèi)成功開(kāi)發(fā)出多項(xiàng)產(chǎn)品成為可能。下一步的改進(jìn)工作之一是用PCI接口卡(對(duì)臺(tái)式機(jī)而言)和USB2．0接口(對(duì)便攜機(jī)而言)替代當(dāng)前的ISA接口卡，以提高傳輸速度；改進(jìn)之二是用TMS320C6201替代當(dāng)前的TMS320VC33，以進(jìn)一步提高DSP的處理速度。但是，本文所介紹的系統(tǒng)硬件與軟件基本架構(gòu)仍將是高端儀器設(shè)備產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和裝備研制的首選。