TMC2310DSP芯片在水下目标检测中的应用
对目标进行检测、估计、跟踪是雷达与声纳应用的最终目的,其任务是对接收信号进行一定的处理、提取特征、分析识别,以检测目标的存在与否,进而通过对信号的处理与运算估计出目标的方位、距离与速度,实现定位和跟踪.对于水下目标的检测与参量估计有两种方式:一是对海洋声场进行监测,从接收信号中提取目标辐射噪声并进行识别与参量估计(即被动方式);二是由声纳系统发射给定的序列信号(常用的有CW信号和FM信号等),并对接收的回波信号进行检测与参量估计.由于海洋声场极其复杂多变,受温度、盐度、深度、梯度、水流、水域、季节、气候、风浪、温层、流层、界面的反射与折射等诸多因素的影响,使水声信道相当复杂,接收信号通常会畸变,并淹没在噪声之中.对水下目标实现实时、快速、准确、精确地检测与参量估计是声纳系统不断追求的目标.充分利用高性能的数字信号处理(DSP)器件及技术来实现具有良好特性的算法,将会显著提高检测目标的概率和参量估计的精度,从而推动声纳的发展与应用.
近二十年来,相继出现了许多重要的目标检测及参数估计算法,如分裂波束精确测向算法、ARMA法、MUSIC法和ESPRIT法等DOA估计方法,以及LMS算法等自适应信号处理方法.这些算法的实现,大多需要通过一些通用的数**算以及矩阵运算,并采用如FFT、IFFT等快速算法,而这些运算均可方便地利用TMC2310器件来实现.本文将对TMC2310芯片应用于水下目标的检测与估计进行介绍.
1 TMC2310简介
1.1 主要特点
·可自动或手动地实现浮点块的溢出调整
·具有流水线及管道操作两种寻址方式
·用户可编程窗函数功能
·具有片内系数存储器
·具有两个算术运算单元
·19bit的运算精度及输出位宽
1.2 主要功能
·可快速完成不加窗及加窗(实数窗或复数窗)的FFT及IFFT算法
·可同时构成两路并行的FIE滤波器(16～1024阶)
·可构成自适应FIR滤波器
·可进行实数、复数的乘及乘加运算
·可进行复数求模及阵列矢量的平方运算
1.3 结构与管脚
TMC2310由两个算术单元(AE0、AE1)、片内系数ROM、控制逻辑单元和外部接口电路五个主要部分构成,其逻辑框图见图1.每个算术单元包括一个乘法序列电路和乘—加算术逻辑电路块.该芯片采用了88引脚的PGA封装形式.
管脚定义如下:
VDD VSS 电源输入引脚,采用单一+5V供电
CLK系统时钟输入引脚
读信号,低电平有效
写信号,低电平有效
SEMSEL 外部存储器选择信号输出引脚
SCEN 定标输出允许引脚
DONE 系统工作结束标志输出引脚
CMD0～CMD1 控制命令输入引脚
W0～W16双功能数据总线,用于输入窗函数、 滤波器系数及输出定标器的移位指数和最后一次溢出
AD0～AD9 外部数据存储器地址总线
RG0～RG18 实部双向数据总线
IM0～IM18 虚部双向数据总线
1.4 配制寄存器
TMC2310片内有两个16bit的配制寄存器(CR1、CR2),用来对TMC2310进行编程设置,其主要用途如下:
CR1 用来设定芯片的处理功能、转换长度、输出格式及定标方式;
CR2 主要用来设定寻址方式和变换路数(1～64路).
2 电路设计
由于TMC2310是可编程的专用DSP器件,我们用一片TMS320C25 DSP器件与之配合,采用主从结构、并行处理方式,加上外围共享存储器阵列对等组成处理模块.TMS320C25除对TMC2310进行编程及控制外,还以并行运算处理的方式完成一些后续处理及辅助运算(如数据抽取、积分等).整个电路系统采用模块化设计,便于调试及扩展.信号处理模块原理框图如图2所示.
在图2中,TMC2310和TMS320C25之间设计了一个以乒乓方式工作的双口RAM阵列,其作用有四:(1)存放待处理的数据(实部数据放在REM块,虚部数据放在IMM块);(2)存放TMC2310所需的系数或参数(放在WDM块);(3)存放TMC2310的输出结果并作为TMC2310中间结果缓存;(4)构成TMS320C25的运算内存.为了便于构成系统及满足实时需要,用一片IDT7025双口RAM(8K×16)构成一个TMS320C25与外部共享的RAM区,以便实时地与外部进行数据交换和通讯.这个双口RAM区也以乒乓方式工作,以增强模块的宽容性.
电路的乒乓工作方式控制逻辑是由TMS320C25根据系统的节拍时序进行控制的.控制电路确保CAA12与CAB12互斥,CAL12与CAR12互斥.整个电路简单、紧凑、协调有序.由于采用了VLSI器件设计,电路设计大大简化,调试方便、功能强大、性能可靠、吞吐量大(完成1024点FFT的数据通过率为2.343M字/秒).
3 软件设计
TMS320C25的主要任务有:(1)根据功能需要对TMC2310进行编程设置及控制管理;(2)与TMC2310进行数据交换;(3)完成部分处理运算(如:抽样、积分、数值及参量计算等);(4)与系统进行通讯(如数据输入输出及功能、方式的设立等).我们将这些内容分成不同的子程序按模块进行设计,既便于调试又易于功能扩展.
软件主要由一个主程序与若干个子程序模块组成.主要的模块有:TMC2310的设置与控制;与外部的通讯;数据的输出、数据加载、系数加载及十几个运算子模块.由于篇幅有限,以下仅给出主程序流程框图(见图3).
将TMC2310应用于水下目标的检测与估计,具有速度快、功能强、可编程、易操作等特点.我们用其开发研制的信号处理模块,体积小、易扩展.组成的系统能在飞机、舰船等环境下可靠工作.几年来,经水池、湖及海上的多次试验和试用,证明其设计合理、应用成功,已投入小批量生产.此外还可用于雷达、通讯及虚拟仪器等许多领域,具有很好的应用前景.
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