基于DSP與CPLD空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

探測(cè)系統(tǒng)對(duì)輸入的空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別處理，反演估算出空間瞬態(tài)信號(hào)能量大小并報(bào)告發(fā)生時(shí)刻。采用DSP+CPLD的數(shù)字處理方案，利用dsp的高速數(shù)字信號(hào)處理特性及cold的復(fù)雜邏輯可編程特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)識(shí)別和處理。其中用cpld實(shí)現(xiàn)a/d變速率采樣，解決了嵌入式系統(tǒng)線路板面積有限與實(shí)時(shí)處理需要大容量存儲(chǔ)空間的矛盾。

實(shí)時(shí)處理我國(guó)現(xiàn)役空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)中，老型號(hào)較多，大部分沒(méi)有配備自動(dòng)檢測(cè)和錄取設(shè)備。空間瞬態(tài)信號(hào)的錄取、數(shù)據(jù)的處理和上報(bào)大多由人工進(jìn)行，難以勝任復(fù)雜環(huán)境下快速、準(zhǔn)確錄取信號(hào)以及氣象情報(bào)入網(wǎng)的要求。為適應(yīng)現(xiàn)代化氣象分析的要求，采用dsp+cpld的方式將極大地提高現(xiàn)有空間瞬態(tài)信號(hào)探測(cè)的自動(dòng)錄取和分析能力。

在實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)中，dsp+cpld方式是目前國(guó)際上比較通用的方法，如美國(guó)、俄羅斯等多采用這種方式。dsp是一種可編程的數(shù)字微處理器。與單片機(jī)相比，dsp芯片具有更適于數(shù)字信號(hào)處理的軟件和硬件資源，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法。本文采用美國(guó)ti公司的tms320c3x系列浮點(diǎn)dsp芯片tms320c32作為整個(gè)系統(tǒng)的主機(jī)，利用其完成系統(tǒng)的控制和數(shù)字信號(hào)處理功能。

cpld是一種多用途、高密度的復(fù)雜可編程邏輯器件，可將系統(tǒng)的部分或全部功能集成在一塊芯片上，并且具有設(shè)計(jì)方便靈活、易于修改等特點(diǎn)，可大大縮短研制時(shí)間，并減小系統(tǒng)硬件復(fù)雜度。本文采用美國(guó)altera公司的max7000s系列cpld芯片epm7128slc84，利用cpld實(shí)現(xiàn)a/d變速率采樣及其它邏輯控制。

1 系統(tǒng)組成及基本原理

本探測(cè)系統(tǒng)主要解決了嵌入式系統(tǒng)線路板面積有限與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理需要大量存儲(chǔ)空間的矛盾，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理信號(hào)。

空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)主要由三大模塊組成：前級(jí)預(yù)處理電路模塊、a/d變速率采樣模塊、dsp信號(hào)識(shí)別及存儲(chǔ)模塊。

各模塊的主要功能為：

(1)前級(jí)預(yù)處理電路模塊，負(fù)責(zé)空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換、背景扣除、動(dòng)態(tài)范圍壓縮等任務(wù);

(2)a/d變速率采樣模塊，負(fù)責(zé)觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生、上升速率初判、信號(hào)采集時(shí)序控制、a/d變速率采樣及fifo緩沖存儲(chǔ)等任務(wù);

(3)dsp信號(hào)識(shí)別及存儲(chǔ)模塊，負(fù)責(zé)對(duì)空間瞬態(tài)信號(hào)進(jìn)行快速識(shí)別處理，反演計(jì)算出能量大小，報(bào)告事件發(fā)生時(shí)刻并存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù);同時(shí)控制整個(gè)系統(tǒng)、并與pc機(jī)或其它系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送。

2 前級(jí)預(yù)處理電路模塊

2.1光電轉(zhuǎn)換

由于空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大，故對(duì)光輻射探測(cè)器要求較高。本文采用日本濱松公司的s2387-1010r硅光電二極管，它具備靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、時(shí)間響應(yīng)快和覆蓋范圍大等特性。

2.2 背景扣除

太陽(yáng)光輻射能量比空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)能量高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于系統(tǒng)而言，由于太陽(yáng)光的影響，目標(biāo)信號(hào)十分微弱，大多掩埋在強(qiáng)噪聲之中。因此必須對(duì)強(qiáng)背景信號(hào)進(jìn)行扣除處理，提取出有用目標(biāo)事件瞬態(tài)信號(hào)。

在信號(hào)自動(dòng)處理和分析技術(shù)中，強(qiáng)背景下弱信號(hào)的提取是一個(gè)難點(diǎn)。本文根據(jù)背景信號(hào)變化緩慢而目標(biāo)信號(hào)變化快速的特點(diǎn)，采用高通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行背景扣除。

高通濾波器在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上可以采用數(shù)字電路，也可以采用模擬電路。為簡(jiǎn)化電路、減輕后續(xù)處理電路壓力，本文采用電容、電阻等構(gòu)建一個(gè)模擬高通濾波器進(jìn)行背景扣除。

濾波器的傳遞函數(shù)為：

h(s)=r/[(1/sc)+r]=src/(1+src)

選擇適當(dāng)電阻、電容值即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的背景扣除。

2.3 動(dòng)態(tài)范圍壓縮

空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍太大，如果直接對(duì)其進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，則a/d的量化分辨率至少要15bit，并且因bit數(shù)多而增加后級(jí)數(shù)字信號(hào)處理的數(shù)據(jù)量、降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因此采用對(duì)數(shù)放大器對(duì)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮。采用12bit的a/d轉(zhuǎn)換器即可滿足要求，且減少了處理的數(shù)據(jù)量，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。本文采用美國(guó)ti公司的tl441m對(duì)數(shù)放大器。它是由四級(jí)30db對(duì)數(shù)放大器級(jí)聯(lián)成的單片高性能對(duì)數(shù)放大器芯片，可以得到120db的輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍。

3 a/d變速率采樣模塊

3.1 閾值觸發(fā)

經(jīng)前級(jí)預(yù)處理后，目標(biāo)信號(hào)進(jìn)入閾值觸發(fā)電路中的電壓比較器。dsp設(shè)置閾值信號(hào)，鎖存后經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換輸出到電壓比較器，與輸入的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行比較：若目標(biāo)信號(hào)超過(guò)閾值信號(hào)，則產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)并驅(qū)動(dòng)時(shí)序控制電路及a/d轉(zhuǎn)換電路工作;否則不工作。

3.2 cpld控制a/d變速率采樣

為了進(jìn)一步減少信號(hào)處理的數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，本文采用了變速率采樣的方法解決線路板面積有限與數(shù)據(jù)處理需要大容量存儲(chǔ)空間的矛盾。

由空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)特征可知，其初始值變化速度快，高頻分量所占比重較大;而后面信號(hào)變化速度逐漸減小，越靠后信號(hào)越接近緩變信號(hào)，低頻含量高。所以采用采樣間隔逐漸增大的方法實(shí)現(xiàn)變速率采樣。

初始采樣頻率為f,每隔m個(gè)采樣點(diǎn)采樣頻率下降一半,一直到采樣結(jié)束。在電路實(shí)現(xiàn)中采用的方法是：a/d轉(zhuǎn)換器按照固定的轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，而cpld控制采樣數(shù)據(jù)的變速率接收并存儲(chǔ)至fifo。

fifo存儲(chǔ)數(shù)據(jù)由其寫使能控制信號(hào)wen(低電平有效)決定：當(dāng)wen為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)在每個(gè)寫時(shí)鐘信號(hào)wclk的上升沿寫入fifo;當(dāng)wen為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)保持不變。因此，控制fifo變速率接收數(shù)據(jù)即控制它的寫使能信號(hào)wen為低電平的間隔變速率變化。在CPLD中由寫時(shí)鐘信號(hào)wclk每隔m點(diǎn)二分頻后、再調(diào)整占空比即可實(shí)現(xiàn)wen的時(shí)序信號(hào)。

cpld對(duì)fifo變速率接收采樣數(shù)據(jù)的邏輯控制，用美國(guó)altera公司的軟件mux+plus ii可由三種方法實(shí)現(xiàn)：一是用計(jì)數(shù)器、分頻器等畫電路圖實(shí)現(xiàn);二是用vhdl語(yǔ)言或ahdl語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn);三是輸入時(shí)序波形文件實(shí)現(xiàn)。針對(duì)本系統(tǒng)而言，采取第二本文中a/d轉(zhuǎn)換器采用美國(guó)ad公司的ad678，它是一個(gè)12bit的多用途a/d轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部包括采樣保持器、微處理器接口、基準(zhǔn)電壓源和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路，具有高可靠性和低功耗等特性。

3.3 由cpld進(jìn)行上升速率初判

目標(biāo)信號(hào)幅度值從超過(guò)閾值起始點(diǎn)開始的一段時(shí)間內(nèi)的上升速率是判斷其能量范圍的重要判據(jù)。因此電路中采用cpld對(duì)a/d采樣的數(shù)據(jù)做初步判斷。當(dāng)目標(biāo)信號(hào)上升速率滿足設(shè)定要求時(shí)，產(chǎn)生上升速率觸發(fā)信號(hào)，并與其它結(jié)果做符合判定;否則丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù)，等待下一次探測(cè)數(shù)據(jù)。

3.4 fifo存儲(chǔ)

fifo(first in first out)是一種先進(jìn)先出的存儲(chǔ)器，即先讀入的數(shù)據(jù)先讀出。fifo存儲(chǔ)器自身的訪問(wèn)時(shí)間一般為幾十納秒。a/d轉(zhuǎn)換器等外設(shè)速度一般比DSP慢。如果采用fifo，a/d可以先將數(shù)據(jù)送往fifo，一旦fifo滿，fifo再向dsp申請(qǐng)中斷。這樣可以省去dsp等待與查詢的時(shí)間，而且中斷次數(shù)也可以減少，從而提高傳輸速度。

本系統(tǒng)中,fifo作為緩沖存儲(chǔ)器給上升速率初判電路和dsp處理器提供數(shù)據(jù)，同時(shí)作為變速率采樣結(jié)果的暫存單元。本文采用美國(guó)idt公司的idt72xxx系列同步并行fifo實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的緩存。

4 dsp信號(hào)識(shí)別及存儲(chǔ)模塊

4.1 dsp處理及存儲(chǔ)

目標(biāo)信號(hào)自動(dòng)識(shí)別能量范圍和錄取的核心是dsp信號(hào)處理模塊。為了滿足實(shí)時(shí)處理的要求，硬件的選取應(yīng)以盡可能少的占用系統(tǒng)時(shí)間資源為基礎(chǔ)。從這個(gè)基本原則出發(fā)，采用tms320c32作為處理器。它是目前ti公司浮點(diǎn)dsp系列中性價(jià)比較高、在國(guó)內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用的芯片。它的指令周期為33/40/50ns，具有豐富的硬件資源，如內(nèi)部有512字節(jié)的ram、串行口、分開的程序總線、數(shù)據(jù)總線和dma總線等，并且外部存儲(chǔ)器寬度可變、有程序引導(dǎo)(boot-load)功能。在軟件方面，它豐富的指令系統(tǒng)、靈活的程序控制、流水線操作和多樣的尋址方式等特點(diǎn)使其特別適合于數(shù)字信號(hào)處理。

dsp處理模塊主要由dsp、慢速eprom、高速sram、絕對(duì)時(shí)鐘芯片rtc(real-time-clock)及rs232串口組成。其中，選擇慢速eprom主要是為了降低系統(tǒng)成本，本文采用美國(guó)atmel公司的at27c010芯片。用于存儲(chǔ)程序和初始化數(shù)據(jù)。高速sram用于程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)的暫存，本文采用美國(guó)issi公司的is61c6416芯片，它與慢速eprom配合，既降低了系統(tǒng)成本，又能使程序快速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。

一旦目標(biāo)事件發(fā)生，輸入信號(hào)經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)緩存在fifo中，以備dsp調(diào)用。dsp上電復(fù)位后，將存儲(chǔ)在慢速eprom中的程序裝載到高速sram中運(yùn)行，對(duì)暫存在fifo中的目標(biāo)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行能量范圍的識(shí)別和處理;然后從絕對(duì)時(shí)鐘芯片rtc取得目標(biāo)事件發(fā)生的時(shí)刻值，和處理結(jié)果一起存儲(chǔ)在sram中;并將信號(hào)處理結(jié)果與發(fā)生時(shí)刻值從rs232串口輸出到pc機(jī)。

系統(tǒng)工作流程是：空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)經(jīng)光輻射探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)前級(jí)預(yù)處理電路放大、去噪并壓縮動(dòng)態(tài)范圍;若信號(hào)超過(guò)閾值，則閾值觸發(fā)電路觸發(fā)a/d采樣后暫存在fifo中，否則不觸發(fā)a/d;由上升速率初判電路初步檢測(cè)信號(hào)初始值的上升速率?熏當(dāng)上升速率滿足設(shè)定要求時(shí)，產(chǎn)生上升速率觸發(fā)信號(hào)，否則丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù);上升速率觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生后，dsp從fifo中取得數(shù)據(jù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別和處理，存儲(chǔ)處理結(jié)果并經(jīng)接口電路傳送到pc機(jī)。

4.2 絕對(duì)時(shí)鐘芯片rtc

所謂絕對(duì)時(shí)鐘是指不僅支持每天時(shí)間的更新，而且支持日期(世紀(jì)、年、日、星期)更新的一種永久性時(shí)鐘電路。本文采用美國(guó)motorala公司的ds12887時(shí)鐘芯片，它對(duì)年、月、日、時(shí)、分、秒、星期進(jìn)行自動(dòng)記錄，內(nèi)含114字節(jié)的ram單元和內(nèi)置晶振電路，支持多種中斷方式，備用電池可供其工作10年，是目前計(jì)算機(jī)上的主流實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。

4.3 rs232串口

由于rs232串口電平標(biāo)準(zhǔn)采用了負(fù)邏輯，與dsp的電平標(biāo)準(zhǔn)不兼容，所以采用rs232串口收發(fā)的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本文采用美國(guó)maxim公司的max232芯片作為電平轉(zhuǎn)換器件，它僅需+5v電源，電平轉(zhuǎn)換所需的±10v電源由片內(nèi)電荷泵產(chǎn)生。

dsp芯片自帶的串口為同步串口，而rs232信號(hào)是異步信號(hào)，故需外加異步串行通信接口芯片uart(universal asynchronous receiver/transmitter)。本文采用美國(guó)ti公司的tl16c550芯片，它具有全雙工、雙緩沖器發(fā)送器和接收器。uart接收dsp發(fā)送的處理結(jié)果和發(fā)生時(shí)刻值，存入自身所帶的fifo中，再通過(guò)max232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，最后從rs232串口中輸出到pc機(jī)。

本系統(tǒng)采用dsp+cpld模式實(shí)現(xiàn)對(duì)空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，有效解決了線路板面積有限和實(shí)時(shí)處理需大容量存儲(chǔ)空間的矛盾，從而使系統(tǒng)性價(jià)比達(dá)到最佳狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)可識(shí)別一般空間瞬態(tài)信號(hào)，結(jié)果較為理想。