基于TMS320VC33-150的聲探測系統(tǒng)設計

引言

被動聲源探測定位技術(shù)是一種利用聲學傳聲器陣列和電子裝置接收運動目標的輻射噪聲,以確定目標所處位置的技術(shù)。

本文正是基于聲探測技術(shù)原理和成熟的微電子技術(shù), 采用ti公司的32位浮點dsp芯片tms320vc33-150來實現(xiàn)聲源目標的探測定位算法，并輔之以adc、cpld、單片機等器件來實現(xiàn)聲源信號的采集、系統(tǒng)邏輯控制以及通信功能。對于數(shù)字電路的邏輯控制功能，本文選用了altera公司的cpld芯片epm7128aetc100-10來實現(xiàn)。該芯片功耗低、資源豐富、內(nèi)部延時固定，有助于時序邏輯電路的設計。本系統(tǒng)主要分為兩部分：聲探測系統(tǒng)數(shù)字電路的硬件實現(xiàn)和dsp軟件設計。系統(tǒng)現(xiàn)已完成調(diào)試，運行穩(wěn)定，探測效果較好。
　　
系統(tǒng)功能

聲探測系統(tǒng)通過傳聲器陣列獲得聲源目標的輻射噪聲信息，通過前端模擬信號處理后，在數(shù)字電路中由dsp進行高速的聲探測定位算法處理，并把獲得的聲源方位、速度等信息，發(fā)送給計算機終端進行交匯顯示。

聲探測系統(tǒng)的硬件設計

在聲探測系統(tǒng)中，數(shù)字電路是最為關(guān)鍵的部分。本文以dsp、cpld和單片機為核心器件，完成了聲探測系統(tǒng)的數(shù)字電路的硬件設計。其數(shù)字電路框圖如圖1所示。

由雙口ram實現(xiàn)dsp和c8051f020目標信息的交換，最終通過max3485完成和終端的rs-422通信。另外，dsp根據(jù)處理后的結(jié)果實現(xiàn)對前端模擬電路的增益控制。

adc設計

被動聲探測系統(tǒng)中對聲音的相位一致性要求很高，因此，在設計中采用了具有同時采樣保持功能的14位并行輸出adc ad7865。本設計中,經(jīng)放大濾波處理后的6路聲源目標信號通過兩片ad7865實現(xiàn)a/d轉(zhuǎn)換。本文利用dsp定時器的輸出信號作為adc的啟動采樣信號，采樣轉(zhuǎn)換完成后，通過adc的busy信號給dsp一個中斷，然后dsp進入中斷處理程序，讀取a/d數(shù)據(jù)，而讀寫信號和adc片選信號由cpld對dsp的讀寫信號和地址信號進行邏輯組合來完成。

dsp及周邊電路設計

dsp的主要功能有根據(jù)采集到的數(shù)字信號的幅度來完成對前端模擬信號的自動增益控制，增益控制的級別有16、64、256、1024、4096、16384、65536共7檔；對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波、快速fft變換以及正交變換等運算，進而完成對目標的定位、識別等運算；通過雙口ram完成和單片機的通信，以及adc的定時啟動。

dsp周邊電路包括程序引導區(qū)flash、程序運行區(qū)sram、數(shù)據(jù)交換區(qū)雙口ram及增益控制。flash采用容量為1m*8b的amd29lv040b構(gòu)成代碼存儲空間；sram則采用容量為512k*8b的sram存儲器cy7c1049-cv33，在電路中使用4片進行位擴展，從而構(gòu)成512k*32位的程序運行空間；雙口ram為2k*8位的idt71v321；而增益控制則采用8位 cmos鎖存器來實現(xiàn)。

tms320vc33-150有四個外部中斷，都可以作為bootloader的中斷，因此bootloader首選高優(yōu)先級的中斷，否則有可能在脫機上電加載程序時無法加載成功。因為在上電復位后，dsp執(zhí)行駐留程序，根據(jù)中斷級別去尋找bootloader存儲區(qū)域，如果沒有把高于bootloader中斷的中斷置無效，那么dsp將會根據(jù)高優(yōu)先級尋找bootloader存儲區(qū)域，因而導致程序加載不成功。

此外，在設計過程中，對于一些重要的信號如#rdy、#hold、edgemode、mcbl/#mp、#shz等，要根據(jù)具體設計，參照數(shù)據(jù)手冊相應給予上拉或下拉處理。本設計在調(diào)試過程中因為對#hold信號未做處理，導致不能在線下載
程序，最后通過拉高才解決。

表1 中斷號和程序裝載地址對應表

圖2 dsp軟件程序設計流程圖

本設計中采用了altera公司的epm7128aetc100-10來實現(xiàn)整個電路系統(tǒng)的時序管理及邏輯控制功能，主要包括adc控制功能模塊、存儲器讀寫時序控制模塊、通信接口時序控制模塊和增益控制。并根據(jù)dsp外部存儲器地址空間譯碼產(chǎn)生片選信號以及讀寫時序。本設計中利用quartusⅱ來完成邏輯控制仿真。

單片機電路

c8051f020單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級mcu,除了具有標準8051單片機的數(shù)字外設部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設及功能部件。

本設計中利用c8051f020的串口實現(xiàn)了和計算機終端的rs-422異步串行通信，波特率為19.2kbps；利用雙口ram完成了dsp和單片機的聲源目標數(shù)據(jù)的實時交換。

在設計單片機電路時，為保證上電復位電路的可靠性，可以使用基本的rc電路和專門的監(jiān)控集成電路如max708t等，同時應該充分利用moden vdd監(jiān)視器功能。

輔助電路

輔助電路包括晶振、看門狗、電壓基準電路以及dc/dc電源模塊。dsp時鐘采用了15mhz晶振，經(jīng)dsp內(nèi)部5倍頻后達到tms320vc33-150的最快運行速度，同時采用20mhz晶振作為單片機的時鐘源；本設計中通過采用max706看門狗芯片實現(xiàn)了對dsp的掉電監(jiān)控和程序跑飛的復位功能；電壓基準電路則利用了tps767d318來為整個系統(tǒng)提供+3.3v和+1.8v電源；dc/dc電源模塊完成外接+12v~+5v的高效轉(zhuǎn)換。

dsp軟件設計

dsp軟件流程

整個軟件基于中斷方式。dsp軟件設計包括了adc的轉(zhuǎn)換啟動、數(shù)據(jù)采集、中斷服務程序、聲源信號的數(shù)字濾波、快速fft和正交變換，以及通過頻譜分析獲得高分辨率空間聲強分布的music算法。該聲探測系統(tǒng)的dsp軟件流程如圖2所示。

dsp軟件工作流程為：系統(tǒng)上電復位后，加載外部flash的程序文件到外部sram程序區(qū)，dsp初始化各個部分后運行。程序始終查詢adc的中斷信號，在獲得adc的中斷后進入中斷服務程序，采集后的數(shù)據(jù)存儲在外部sram數(shù)據(jù)區(qū)，然后調(diào)用探測定位程序獲取聲音目標的方位等參數(shù)，并寫入外部雙口ram中，供單片機讀取后送到計算機終端進行融合交會。

dsp程序bootloader

tms320vc33-150有兩種工作方式，工作方式的選擇由mcbl/mp引腳決定。在本設計中，通過把mcbl/mp引腳上拉為高電平，使dsp工作在微計算機/引導裝入模式或外部存儲器裝載方式。在reset 信號從低電平轉(zhuǎn)為高電平后, tms320vc32-150首先檢查外部中斷輸入線電平, 決定由什么地方開始引導程序, 中斷號和對應的開始引導地址間的關(guān)系如表1所示。本設計中使用了boot2方式，即在dsp復位信號由低變高后，dsp從外部存儲地址400000h開始加載程序。

需要注意的是，使用外部存儲器裝載方式時，加載程序必須含有外部存儲器的數(shù)據(jù)總線寬度(8位、16位或32位)、程序代碼的長度、程序執(zhí)行的入口地址以及存儲器的等待狀態(tài)數(shù)。

在把已調(diào)試成功的程序裝入flash過程中，本文采用的方法是：通過編寫一個*.cmd轉(zhuǎn)換文件，然后用hex30.exe把*.out文件轉(zhuǎn)化為*.hex文件。 并把生成的*.hex文件燒寫入flash中即可。當然，也可采用在線燒寫的方法。

結(jié)語

基于tms320vc33-150的聲探測系統(tǒng)數(shù)字電路設計充分利用了tms320vc33-150強大的浮點運算能力，很好的完成了聲源目標探測定位的算法處理。同時還充分利用了cpld的邏輯控制功能和mcu豐富的外設資源，并設計出了dsp算法和中斷服務程序流程。該系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試完成，并進行了充分的外場試驗。結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，各項指標基本達到了要求。