TMS320C203在高性價(jià)比、低功耗短波數(shù)字化接收機(jī)中的應(yīng)用

摘要：數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于短波通信領(lǐng)域已成為趨勢(shì)，TI公司在90年代中后期推出了TMS320C2XX系列的DSP芯片，從而使便攜式戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)數(shù)字化成為可能。本文介紹了一種高性能、低功耗的TMS320C203 DSP芯片的結(jié)構(gòu)組成以及實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)數(shù)字化改造的軟、硬件方案，并成功地研制了樣機(jī)。

關(guān)鍵詞：短波通信 戰(zhàn)術(shù)接收機(jī) 數(shù)字信號(hào)處理 TMS320C203

1 引言

在短波通信領(lǐng)域，短波數(shù)字化接收機(jī)以其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)正逐步取代傳統(tǒng)的模擬接收機(jī)，它采用先進(jìn)的DSP技術(shù)和高精度A/D電路來完成對(duì)中頻信號(hào)的濾、邊帶分離、放大、解調(diào)、AGC控制等功能。與傳統(tǒng)的模擬機(jī)相比，短波數(shù)字化接收機(jī)的濾波性能、群時(shí)延、邊帶隔離度、AGC線性度及解調(diào)靈活性、整機(jī)可靠性、抗干擾性等均有顯著提高。因此，國內(nèi)短波接收機(jī)的制造廠家均相繼推出中、高檔的數(shù)字化接收機(jī)。然而，受成本、功耗、體積、性能等方面的限制，目前在短波通信領(lǐng)域廣泛使用的便攜式戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)尚無數(shù)字化的替代產(chǎn)品。TI公司在90年代中后期推出了高性能、低功耗、低價(jià)位的C2XX系列DSP芯片，從而使便攜式戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)的數(shù)字化成為可能。本文介紹的就是用TI公司的TMS320C203來完成戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)數(shù)字化改造的解決方案。

2 TMS320C203芯片介紹

該戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)中使用了16位定點(diǎn)、40MIPS的TMS320C203DSP，這種DSP產(chǎn)品價(jià)格低廉，因而具有較高的性能價(jià)格比。該系列芯片是基于C5X系列的結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的，因而大大節(jié)省了功耗和芯片體積。

C2XX系列DSP芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)部總線是分開的。各型號(hào)具有相同的CPU和總線結(jié)構(gòu)。其CPU包括:32-bit算術(shù)邏輯單元CALL、32-bit累加器、16×16bit并行乘法器、32-bit乘積結(jié)果、3個(gè)定標(biāo)器和8個(gè)16-bit輔助寄存器，且?guī)в袛?shù)據(jù)空間間接尋址用的專用算術(shù)單元；

程序控制部分提供了指令執(zhí)行的4級(jí)流水結(jié)構(gòu)，8級(jí)硬件堆棧和用戶禁止中斷線。程序控制部分的指令包括有指令操作、單周期乘法/累加指令、存儲(chǔ)器塊推移指令和檢索尋址等。

C2XX系列的最大尋址空間為224kB，其中程序空間、數(shù)據(jù)空間和I/O空間各占64kB，全局空間占32kB(主要用于程序和數(shù)據(jù)引導(dǎo))。在C203中具有544B的雙訪RAM（在一個(gè)指令周期內(nèi)可以被訪問兩次，但至多允許一次寫操作）可以分為B0、B1和B2三塊。B0塊長256B，被配置為片內(nèi)程序/片內(nèi)數(shù)據(jù)空間；B1塊長256B，只能配置在數(shù)據(jù)空間（可間接尋址和頁尋址，不能直接尋址）；長32B的B2塊只能配置于數(shù)據(jù)空間（地址為60H～7FH），可直接尋址）。

C203中具有一個(gè)片內(nèi)16bit定時(shí)器，可用于程序、數(shù)據(jù)和I/O空間的軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器（0～7個(gè)等待狀態(tài)），以及時(shí)鐘選擇的片內(nèi)振蕩器和鎖相環(huán)。為提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，一般都使用鎖相環(huán)方式。

C203提供的42個(gè)通用中斷包括RS、INT1、INT2及不可屏中斷NMI。RS為中斷0，用于上電復(fù)位時(shí)將程序和數(shù)據(jù)從ROM中引導(dǎo)入RAM，INT1和INT2雖然各有引出腳等外設(shè)連接，但它們共用同一個(gè)中斷向量。在C203內(nèi)部還集成有一個(gè)同步串行口和一個(gè)異步串行口。

與C50相比，C203也具有自己的一些缺點(diǎn)：

（2）不能自動(dòng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)而必須由用戶自己缺點(diǎn)：

（2）無桶形移位寄存器，濾波時(shí)不能對(duì)程序空間中的濾波器系數(shù)自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)尋址的首尾銜接；

（3）不能提供指令塊重復(fù)執(zhí)行功能。

以上這些特點(diǎn)決定了C203指令的執(zhí)行效率要低于C50。

3 DSP處理模塊硬件方案

戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)DSP處理模塊的硬件組成如圖1所示。25kHz中頻信號(hào)首先由軌對(duì)軌運(yùn)放TLC2272進(jìn)行低通放大，然后經(jīng)過8階巴特沃思型開關(guān)電容濾波器MAX295的抗混疊濾波，再經(jīng)匝數(shù)比為1：1.8的變壓器完成單雙極轉(zhuǎn)換后送往A/D轉(zhuǎn)換器。圖1中的A/D轉(zhuǎn)換器為16位精度、并行輸出的AD976A（最大功耗為100mW），其允許的最大采樣率為200kSPS，對(duì)輸入模擬電壓的轉(zhuǎn)換時(shí)間為4μs。重建濾波器采用MAX295，它輸出的模擬信號(hào)一路是AGC電壓，用以控制DSP板以前的放大器的增益；另一路為音頻信號(hào)。選用的D/A轉(zhuǎn)換器是12位精度的并口AD8582（最大功耗僅10mW）。

由于該電路相對(duì)比較簡單，因而控制電路和時(shí)鐘產(chǎn)生電路均采用74系列的CMOS芯片。EPROM27C256中存放有程序、4kB的正弦表和4kB的反正弦表以及各種濾波器系數(shù)。X25043為低電平復(fù)位的具有電壓監(jiān)控功能的E2PROM，該器件內(nèi)部同時(shí)還集成了可編程看門狗定時(shí)器。X25043及其附屬電路主要用于完成以下兩個(gè)功能；

(1)系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)，將程序和數(shù)據(jù)從27C256引導(dǎo)至RAM中，平常則監(jiān)控DSP的工作電壓。

（2）存放校準(zhǔn)濾波系數(shù)。校準(zhǔn)時(shí)，該濾波器系數(shù)從X25043中調(diào)到DSP的雙訪RAM中，以準(zhǔn)備進(jìn)行校準(zhǔn)濾波。

DSP與主機(jī)的通信接口如圖2所示。由于成本、功耗和電路板面積的限制，電路中沒有使用雙端口RAM，而是采用兩74HC574來形成與主機(jī)通信的雙向通路。采樣數(shù)據(jù)的接收采用中斷方式，實(shí)際占用的是中斷口2。而DSP則利用中斷口1來接收主機(jī)所需發(fā)送的命令。

4 軟件方案

TMS320C203以中斷方式1接收主機(jī)命令，由于主機(jī)的中斷口均已被占用，因而其指令執(zhí)行速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于DSP。因此，主機(jī)采用查詢方式接收DSP的返回信息（并口）。此時(shí)74HC574只相當(dāng)于一級(jí)的緩沖，在下次寫脈沖到來以前，其中的信息必須被取走，另外，還應(yīng)當(dāng)保證信息的保存時(shí)間不超過20μs，其命令發(fā)送格式如圖3所示。

由于每次命令發(fā)送中都包含多個(gè)命令。且每一個(gè)命令字都包括一個(gè)信頭標(biāo)識(shí)和多個(gè)信元（總長最多為4字節(jié)），因此接收命令的中斷服務(wù)程序中設(shè)立了5單元的接收緩沖區(qū)和30單元的命令放置區(qū)。命令字的信頭標(biāo)識(shí)具有兩個(gè)作用：

（1）以信頭標(biāo)識(shí)為偏址的命令字長度表為參照得出該命令令字長度。

（2）若DSP已收完該命令字，則將接收緩沖區(qū)中的各字節(jié)按含義拼裝為字，并以信頭標(biāo)識(shí)為偏址，命令放置區(qū)首址為基礎(chǔ)存入到命令放置區(qū)。

為確保命令傳送的可靠性，該系統(tǒng)采用部分反饋重傳的機(jī)制，即讓DSP將工作方式字和解調(diào)方式字等重要命令回傳給主機(jī)，主機(jī)再將其與最近發(fā)送的對(duì)應(yīng)字進(jìn)行比較，若有差別，則認(rèn)為出錯(cuò)并重發(fā)。當(dāng)然，在通信程序中還應(yīng)包含其它的容錯(cuò)處理。

接收A/D采樣數(shù)據(jù)采用中斷2，由于要進(jìn)行降5的抽取，因此，中斷服務(wù)程序要對(duì)接收的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，以在各解調(diào)程序中判斷是否已收到5個(gè)采樣數(shù)據(jù)。若是，則作解調(diào)處理，否則等待。解調(diào)程序運(yùn)行一周所需的時(shí)間必須少于50μs，以便對(duì)下次收到的5個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)地處理。圖4為簡化的主程序流程示意圖。

5 結(jié)束語

采用本文所介紹的解決方案，筆者成功地完成了對(duì)短波數(shù)字化戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)的研制。在研制過程中，由于所選的廉價(jià)DSP芯片不能全面運(yùn)行，而且片內(nèi)資源較小，因此筆者經(jīng)過多次努力壓縮運(yùn)算量，解決了低噪聲過大所造成的性能不高的問題。目前，該樣機(jī)在靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、群時(shí)延、音頻響應(yīng)以及大信號(hào)信噪比等諸多關(guān)鍵指標(biāo)上均優(yōu)于同類的模擬機(jī)，而且體積減少了二分之一，重量減輕了三分之一，整機(jī)功耗被控制在5.5W。該樣機(jī)已通過用戶驗(yàn)收并以其性能好、功耗低、體積小、重量輕、便于野外作用而得到用戶的好評(píng)，從而全面完成了對(duì)短波接收機(jī)系列化的數(shù)字化改造。