基于HPI接口的雙CPU水中目標探測平臺設(shè)計

自動目標識別系統(tǒng)ATR(Automatic Target Recognition)的基本功能是對目標進行探測、識別及分類[1]，而水中目標探測平臺是一種特殊的自動目標識別系統(tǒng)。

　水中ATR平臺一般需要對信號進行連續(xù)采集并且實時處理， 以獲取目標的特征信息，從而進行目標識別和參數(shù)估計。由于水中ATR平臺工作環(huán)境的特殊性，要求整個硬件系統(tǒng)具有極低的功耗。以往的水中ATR平臺一般采用ADC+DSP(Digital Signal Processor)+FPGA(Field Programmable Gates Array)構(gòu)架[2]來實現(xiàn)目標的檢測與識別。FPGA主要負責(zé)地址譯碼和數(shù)據(jù)緩存，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)簡化了DSP軟件設(shè)計任務(wù)。但是由于FPGA工作電流一般是幾十毫安,導(dǎo)致系統(tǒng)功耗較大。為了克服傳統(tǒng)的基于單CPU的探測平臺功耗高、控制復(fù)雜等缺點,本系統(tǒng)采用了MCU+DSP的雙CPU的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于快速高效地實現(xiàn)兩者之間通信。傳統(tǒng)的基于串行多通道緩沖串口McBSP(Multichannel Buffered Serial Ports)的通信模式通信帶寬利用率低，數(shù)據(jù)傳輸速率低，成為整個系統(tǒng)實時處理的瓶頸。為此,本文設(shè)計了基于HPI (Host Port Interface)接口的MSP430與DSP主從式雙CPU目標探測系統(tǒng)，使ATR平臺滿足系統(tǒng)低功耗和實時性的需求。

1 HPI接口

目前比較常用的多CPU之間連接方式主要有兩種：直接互連和間接互連。直接互連主要通過SPI串口、HPI并口實現(xiàn)互連；間接互連主要通過FPGA、CPLD等可編程邏輯器件、雙端口RAM、FIFO存儲器等實現(xiàn)互連。

在ATR平臺中，主要考慮使用直接互連方法。一方面，沒有額外增加器件，降低了系統(tǒng)功耗；另一方面，大大簡化了多CPU之間的硬件連接。SPI接口方式連接簡單，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦碚搨鬏斔俣戎荒苓_到12.5 MB/s，在一些實時性要求比較高的場合，數(shù)據(jù)傳輸成為整個信號處理能力提高的瓶頸，致使多CPU之間通信效率下降。而DSP的HPI接口提供了一個16 bit的并行數(shù)據(jù)接口，理論傳輸速度達到50 MB/s，遠高于串行接口傳輸速度。因此，選用HPI接口可以很容易地實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的快速傳輸。通過HPI，主機可以訪問DSP內(nèi)部的雙訪問數(shù)據(jù)存儲器(DARAM)，此時，DSP相當于主機的一個外設(shè)。


2 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)工程設(shè)計要求，水中ATR平臺必須具備低功耗特點，因此選擇德州儀器公司的超低功耗微控制器MSP430F149作為系統(tǒng)的主CPU。其擁有5種低功耗模式，在低功耗模式LPM3下,只需要2.0 μA供電電流，采用3.3 V供電情況下，全速運行也只需要420 μA的電流。它還擁有多種時鐘模式，通過程序控制，可以靈活地選擇不同的時鐘來降低系統(tǒng)功耗[4]。選擇TI DSP家族中功耗優(yōu)化產(chǎn)品TMS320C55X系列中的TMS320VC5509A作為從CPU，其最高主頻為200 MHz，功耗僅為C54的1/6?？梢愿鶕?jù)所需時鐘不同靈活選擇1.2 V、1.35 V和1.6 V內(nèi)核電壓[5]，電壓越高，DSP最高主頻越大，功耗越大，在實際的設(shè)計過程中，根據(jù)算法實時性需求,靈活選擇內(nèi)核電壓以達到降低系統(tǒng)功耗的目的。

MSP430F149主要負責(zé)數(shù)據(jù)采集，DSP電源管理，以及一些運算量比較小的算法的實現(xiàn)(如系統(tǒng)中的預(yù)警檢測算法)TMS320VC5509A主要實現(xiàn)運算量較大的目標識別及參數(shù)估計算法。雙CPU之間通信采用HPI接口，實現(xiàn)主從機之間的無縫連接。具體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的基本工作流程是信號經(jīng)過模擬預(yù)處理之后，在單片機MSP430的控制下，利用其內(nèi)部的ADC對經(jīng)調(diào)理后的信號進行采樣。將采集到的數(shù)據(jù)做預(yù)警檢測，當預(yù)警發(fā)現(xiàn)可疑目標時啟動DSP，MSP430將需要分析的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP中，進行高階譜分析、小波變換等參數(shù)估計及特征提取算法，最后把結(jié)果傳回MSP430，再由單片機控制其他電路工作。

2.1 電源模塊

本模塊主要是由雙輸出電源調(diào)整芯片TPS73HD301和外圍器件構(gòu)成。具體硬件連接如圖2所示。

THP73HD301輸出3.3 V和1.2 V兩路直流電源，其使能引腳接入到MSP430的IO口，可以方便地實現(xiàn)DSP電源的控制，從而決定DSP的工作與否。只有在需要進行參數(shù)估計及特征提取等運算量大的運算時才啟動DSP。這樣的電源設(shè)計模式可以有效地控制系統(tǒng)功耗。因為系統(tǒng)的功耗主要集中在DSP上，而MSP430的功耗極低。

2.2 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主要由MSP430內(nèi)部的12 bit ADC12完成,其最高采樣率達200 KS/s；具有多種轉(zhuǎn)換模式,可以通過軟件靈活選擇；依據(jù)系統(tǒng)采樣要求,對ADC12內(nèi)部寄存器進行配置。配置的內(nèi)容主要包括采樣選擇通道、參考電壓、采樣時鐘、采樣模式、采樣保持時間等。根據(jù)采樣時序要求,需要配置的寄存器有ADC12CTL0、ADC12CTL1、ADC12MCTLx。本系統(tǒng)中選擇單通道重復(fù)采樣模式,采樣觸發(fā)源選擇Timer_A.OUT1，采樣頻率完全由Timer_A來決定，在ADC12的中斷服務(wù)程序中讀取采樣結(jié)果。只有需要進行數(shù)據(jù)搬移時才中斷MSP430的CPU，CPU上電工作，這種“Sleep/Wake”工作體制使得功耗較大的CPU工作時間大大減少,從而降低了系統(tǒng)功耗。

此外，HPI傳輸數(shù)據(jù)時，ADC數(shù)據(jù)存儲采用“乒乓操作”，在RAM中開辟一個緩沖區(qū)，當該緩沖區(qū)半滿時，讀數(shù)據(jù)指針指向整個緩沖區(qū)開始，寫數(shù)據(jù)指針指向另外一半緩沖區(qū)開始。這樣的設(shè)計保證數(shù)據(jù)高效、快速地傳輸?shù)紻SP中。

2.3 信號處理模塊

數(shù)字信號處理的核心是TI公司的低功耗16 bit定點DSP-TMS320VC5509A，其擁有一個增強型主機接口(HPI),可以與主處理器(如PC、DSP、ARM、51系列、MSP430系列單片機)構(gòu)成主從構(gòu)架處理器，增強系統(tǒng)的靈活性和可操作性。

信號處理模塊的主要作用就是對采集到的數(shù)據(jù)作進一步的分析，以便更加可靠地探測到目標。信號處理算法主要包括有限帶寬聲源級估計、高階譜分析中的雙譜分析、小波分析等。此外，在搭建好硬件DSP平臺上編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序如(與MSP430通信的HPI接口程序、I2C模式的Bootloader程序)。程序的開發(fā)均采用模塊化編程，以便于后續(xù)資源的利用。

在本系統(tǒng)中，為了進一步降低系統(tǒng)功耗，在編寫信號處理模塊程序時，采用“Sleep/Wake”工作體制，當數(shù)據(jù)需要實時處理時，系統(tǒng)各個模塊均處于工作狀態(tài)，此時功耗達到最大值。數(shù)據(jù)處理完畢后系統(tǒng)進入低功耗或者DSP掉電模式，此時系統(tǒng)進入微功耗狀態(tài)，功耗達到最低值；微功耗狀態(tài)和工作狀態(tài)之間的切換由系統(tǒng)內(nèi)部中斷源產(chǎn)生。雙CPU通信就是基于此機制，由HPI中斷源喚醒DSP，DSP開始工作，MSP430進入低功耗模式。DSP結(jié)束數(shù)據(jù)處理之后，中斷源喚醒MSP430，MSP430開始工作，DSP進入低功耗模式，這種交替的Sleep-Wake-Sleep模式使MSP430和DSP交替工作，DSP工作時間大大減少,有效地降低了系統(tǒng)功耗。延長了水中ATR平臺的工作時間。

3 HPI通信

3.1 HPI硬件連接


3.2 HPI軟件操作

在本文所述系統(tǒng)中，MSP430擁有對DSP的控制權(quán)，HPI通信是基于中斷方式進行的：主機通過對采集到的信號進行簡單算法的目標檢測，如發(fā)現(xiàn)可疑目標，啟動DSP，開始通過HPI接口傳輸數(shù)據(jù)。傳輸結(jié)束之后，中斷DSP，DSP響應(yīng)中斷，開始進行復(fù)雜的特征提取算法檢測。處理結(jié)束之后，置HINT為高，中斷MSP430，DSP停機，掉電，主機繼續(xù)工作。

從機DSP相當于主機MSP430的一個存儲器映射，通過HPI接口，MSP430可以訪問C55X系列DSP內(nèi)部映射地址范圍為000060H~003FFFH 的DRAM，HPI不能直接訪問其他外設(shè)寄存器，如果主機需要從其他外設(shè)獲取數(shù)據(jù)時,則必須通過CPU或6個DMA通道中的一個,先將數(shù)據(jù)搬移到該DRAM中[6]。

HPI接口驅(qū)動程序主要由MSP430接口程序和DSP接口程序組成。MSP430和DSP的HPI接口通信流程圖如圖4所示。


4 系統(tǒng)調(diào)試及消聲水池實驗

在上述搭建的水中低功耗ATR硬件平臺上編程實現(xiàn)雙CPU之間HPI通信、預(yù)警檢測算法以及目標特征提取算法等，從而檢測系統(tǒng)硬件平臺的可靠性。

HPI通信是本硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，圖5中上側(cè)是MSP430集成開發(fā)環(huán)境IAR中ADC采集1 kHz正弦波的256點數(shù)據(jù)，采樣率為4 096 Hz。圖5下側(cè)是DSP中存入DARAM中的數(shù)據(jù)通過CCS繪制的波形圖以及DRAM中地址為0x00060處的數(shù)據(jù)。通過對比發(fā)現(xiàn)，MSP430中的數(shù)據(jù)經(jīng)過HPI接口傳輸?shù)搅薉SP的SDRAM中，由此可以看出HPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

為了測試水中目標探測平臺的性能，在西北工業(yè)大學(xué)消聲水池對該平臺樣機進行了測試，測試現(xiàn)場布置如圖6所示。功耗測試結(jié)果如下：當探測系統(tǒng)處于預(yù)警檢測狀態(tài)時，系統(tǒng)平均功耗為0.28 mW；當探測系統(tǒng)處于全速工作狀態(tài)時，系統(tǒng)的峰值功耗為118.2 mW?？紤]實際系統(tǒng)的工作時間，按照85%的預(yù)警時間+15%的全速工作時間計算，系統(tǒng)整機平均功耗為17.97 mW。系統(tǒng)測試結(jié)果如下：正確預(yù)警檢測概率為94%，A類目標識別率達到86.3%，B類目標識別率達到了87.2%，滿足設(shè)計要求。

本文在分析了自動目標探測平臺特點的基礎(chǔ)上，提出了一種基于HPI接口的MSP430+DSP主從結(jié)構(gòu)的目標探測硬件平臺，并實現(xiàn)了主從CPU的HPI通信、目標檢測和參數(shù)估計等算法。通過HPI接口通信，可以實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)快速高效的傳輸。采用這種雙CPU的構(gòu)架和使用“Sleep/Wake”編程工作體制大大降低了系統(tǒng)功耗，在采用電池供電的便攜式數(shù)據(jù)處理和目標探測識別平臺中具有很好的應(yīng)用前景。