RTLinux在雷达信号采集处理系统的应用
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篇1：RTLinux在雷达信号采集处理系统的应用
RTLinux在雷达信号采集处理系统的应用
介绍了RTLinux的结构特点,提出对某雷达信号采集处理系统改进的设计方案,分析了雷达信号采集处理系统的软硬件组成.重点研究了RTLinux对该系统的实时模块的'任务控制方法.并给出了非实时任务的实现结果,在RTLinux下对中断响应时间进行了实时性能测试.结果表明,RTLinux具有好的实时性能,新系统的实时和稳定等性能得以提高.
作 者：胡桂兰 石昭祥 姚龙海 HU Gui-lan SHI Zhao-xiang YAO Long-hai 作者单位：解放军电子工程学院,合肥230030 刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL 年，卷(期)： 14(3) 分类号：V247 TN959 关键词：实时操作系统 RTLinux 信号采集 信号处理篇2：TigerSHARC DSP在信号处理系统中的应用
TigerSHARC DSP在信号处理系统中的应用
摘要：文中讨论了TiserSHARCDSP在信号处理系统中的几个应用问题。介绍了多片TigerSHARCDSP芯片构成的信号处理系统组成；估计了系统的运算量、所需的计算时间以及完成算法所需的DSP数目；讨论了DSP复位波形的要求以及与CPLD配置芯片的关系；最后说明了DSP的电源供电和功耗的计算方法。关键词：TigerSHARCDSP；运算量；复位；功耗
随着人们对实时信号处理要求的不断提高和大规模集成电路的迅速发展，作为数字信号处理核心和标志的数字信号处理器?DSP?芯片得到了快速的发展和应用。本文将介绍AnalogDevice公司的一款DSP－TigerSHARC在信号处理系统中的应用，并将对设计中的一些问题进行讨论说明。
1系统设计及各部分功能简介
图1所示是一个信号处理系统的硬件框图。实际上，为了简化系统硬件，减少DSP片间连线，该系统的6个DSP以松耦合的链路方式进行连接。首先由DSP1通过外部DMA方式读入中频解调后的I、Q路数据，并由DSP1对读入数据进行脉冲压缩?匹配滤波?，脉冲压缩后进行二次对消，以消除固定杂波。再由DSP1将处理后的数据按距离单元段通过链路口0、1分别发送给DSP2、DSP4。DSP2、DSP4主要进行目标检测?MTD?，并采用滑窗加权FFT实现窄带多谱勒滤波器组。当DSP2、DSP4完成MTD后?再将对应每个距离单元的16个输出数据通过链路口分别送到DSP3和DSP5。之后，由DSP3、DSP5先进行求模运算，再进行恒虚警计算。DSP3、DSP5处理后的数据经链路口传输到DSP6，在DSP6接到该信号后，先对距离单元内16个输出进行门限处理，并选择其中最小杂波剩余值作为本单元的输出。门限处理后，DSP6还应完成视频积累，视频积累采用累加求平均的方式，这样可以避免反馈积累的拖尾现象。视频数据以DMA方式通过外部口送出，并分别加到D／A与DS96F172等输入端，前者产生模拟视频，后者以差分形式送到显示单元。
图1
2TigerSHARCDSP简介
TigerSHARCDSP是一款高性能的静态超标量数字信号处理器，该处理器专为大的信号处理和通信任务而在结构上进行了优化。由于该处理器将非常宽的存储带宽和双运算模块结合在一起，从而建立了数字信号处理器性能的新标准。TigerSHARC静态超标量结构使DSP每周期能够执行多达4条指令、24个16－bit定点运算和6个浮点运算。
该TigerSHARCDSP器件在三条相互独立的128bit宽度的内部数据总线中，每条可连接三个2Mbit内部存储器中的一个，并可提供4个字的数据、指令及I／O访问和12Gbytes／s的内部存储器带宽。当其运行在250MHz时，ADSP－TS101S的内核指令周期为4ns，同时可以提供20亿次的40bitMAC运算或者500万次80bitMAC运算。
TigerSHARCDSP器件的主要性能如下：
●最高运行速度为250MHz，指令周期为4ns；
●带有6Mbits片内SRAM；
●带有双运算模块?每个内部包含有一个ALU、一个乘法器、一个移位器和一个寄存器组；
●具有一个外部端口、4个链路口和可编程标志引脚、SDRAM控制器和2个定时器；
●与用于片上仿真的IEEE1149．1标准的JTAG接口兼容；
●可通过共享总线无缝连接多达8个Tiger-SHARCDSP的片内总线仲裁。
3系统运算量分析及计算时间估计
根据信号处理任务，下面具体分析系统各组成部分的'运算量，并估计所需的时间，并确定完成算法所需的DSP数目（总信号处理周期小于1000μs）。
3．1脉冲压缩
图2所示是采用FFT技术实现脉冲压缩滤波的算法框图。若总距离单元数为1200，则需做2048点复数FFT。当2048点复数FFT完成后，还必须和预先存储好的匹配滤波器系数H?k?相乘。一般需要做2048个复数乘法，相乘结果还需做2048点复数IFFT以获得脉冲压缩结果。TigerSHARCDSP做2048点复数FFT?IFFT?大约需要100μs?工作在250MHz?。因此，可以充分利用TigerSHARCDSP的双运算块和单指令多数据?SIMD?特点同时进行两个距离单元的复数乘法，这种方法完成2048个复数乘法仅需25μs。
固定杂波对消可以采用二次对消器来实现，其
差分方程为：
y（n）＝x（n）－2x（n－1）＋x（n－2）
对于每个距离单元，它都需要取三个数、做两个减法、一个加法并存储一个数，这样，完成1200个距离单元的二次对消大约需要25μs。因此，脉冲压缩和固定杂波二次对消只需要一片DSP便可完成，而且还有较多时间富余。
3．2动目标检测（MTD）
用FFT实现窄带多谱勒滤波器组时，为了降低旁瓣，可在系统中采用滑窗加权FFT的方法，权系数为海明权，即：
S（k）＝FFT{S(n)W(n)}?n＝0,1,2,…N－1
其中S(n)为雷达回波序列,而W(n)则可用下式表示：
W(n)＝0．54－0．46cos[2πn／（N－1）]
n＝0,1,2,…N－1
TigerSHARCDSP做16点加权复数FFT大约需要80个指令周期?0．32μs?，因此，当距离单元数为1200时，共需384μs。这样，此滑窗多谱勒滤波器组?考虑到运算的辅助操作?仅需要两片TigerSHARCDSP就可实现并行处理，且还有较多的富余时间。
3．3求模
求模可采用如下近似公式：
一般情况下，求模须对每个距离单元的16个通道FFT输出进行运算。TigerSHARCDSP做一个16通道的求模运算需要0．5μs，距离单元数为1200时，共需600μs?故可由两片TigerSHARCDSP并行处理。
3．4恒虚警
恒虚警算法框图如图3所示。
该算法可充分利用TigerSHARCDSP的双运算模块，同时并行处理两个距离单元的两个通道，完成1200个距离单元的16个通道的恒虚警计算共需500μs，故可用DSP3和DSP4并行处理。
3．5积累
积累可采用简单累加求平均的方式，由于其计算量较少，因此，用一片TigerSHARCDSP实现仍有较大时间富余。
综上所述，由TigerSHARCDSP构成的高速信号处理系统总共仅需6片DSP，即可对不同的距离单元段进行并行处理。
4TigerSHARCDSP特殊的复位方式
TigerSHARCDSP的上电复位波形较为特殊，在设计时应充分重视，建议采用CPLD实现其复位。上电复位波形要求如图4所示。但应注意以下几点：
（1）tSTART＿LO在供电稳定之后必须至少大于1ms?
（2）tPULSE1＿HI必须大于50个系统时钟周期，同时小于100个系统时钟周期；
（3）tPULSE2＿LO必须大于100个系统时钟周期。
（4）在DSP上电后，如需正常复位，其低电平持续时间必须大于100个系统时钟周期。
本系统采用EP1K50产生上电复位波形和时序控制。由于EP1K50需要一个配置芯片，而且它和DSP存在一个上电先后的问题。也就是说，在上电后，如果CPLD芯片完成配置文件的读入时，DSP仍未上电稳定，则应充分延长Tstart＿lo的低电平时间，以避免DSP上电未稳定而CPLD上电波形已结束。因此，应保证DSP上电稳定先于CPLD芯片配置文件的读入，此问题在系统设计时应予以充分重视，否则DSP将无法正常工作。
5电源供电及功耗估计
TigerSHARCDSP有三个电源，其中数字3．3V为I／O供电；数字1．2V为DSP内核供电；模拟1．2V为内部锁相环和倍频电路供电。TigerSHARCDSP要求数字3．3V和1．2V应同时上电。若无法严格同步，则应保证内核电源1．2V先上电，I／O电源3．3V后上电。本系统在数字3．3V输入端并联了一个大电容，而在数字1．2V输入端并联了一个小电容，其目的就是为了保证3．3V充电时间大于1．2V充电时间，以便很好地解决电源供电先后的问题。
5．1内核功耗估计
内核最大电流为1．277A，该电流是DSP进行单指令多数据（SIMD）方式下，4个16位定点字乘加与两个四字读取并行操作以及进行由外部口到内部存储器DMA操作所需的电流。实际上，DSP内核电流大小还和
内核工作频率有关，图5所示是其内核电流与频率的关系曲线。因此，供给DSP内核电流可根据不同的并行处理任务和内核工作频率来确定。若并行处理较少，工作频率低，所需电流就小。这样，最大内核功耗为：
PDD＝VDD×IDD＝1．2×1．277＝1．534W
5．2外部口功耗估计
外部口的功耗（对VDD－IO）主要是输出引脚(例如数据线的某个位由高到低，或由低到高)转换的功率消耗，而且该功耗与系统无关。由于这种转换的外部平均电流为0．137A，因此，功耗为：
PDD＿IO＝0．1370A×3．3V＝0．45W
6结束语
本文介绍了多片TigerSHARCDSP在实时信号处理系统中的应用。该系统充分利用了TigerSHARCDSP高速的运算能力及数据吞吐量，可对不同的距离单元段进行并行处理。文中分析了系统的运算量、所需计算时间以及完成算法所需的DSP数，并且讨论了DSP应用过程中的复位，电源设计和功耗问题，因而具有一定的工程指导意义。实践表明，由TigerSHARCDSP构成的系统硬件结构简单，软件编写容易，且成本较低。目前该系统已成功用于某雷达系统。
篇3：阵列超声场的信号采集与处理系统
阵列超声场的信号采集与处理系统
摘要：介绍了一种新型的基本计算机和数字示波器的阵列超声场的信号采集和处理系统。系统利用Windows平台，采用VC、VB和Matlab编程方法，采集信号并进行信号处理，从而为相控阵聚焦声场的研究提供了很好的试验平台。利用提出的系统，可对样品中的缺陷进行无损检测。关键词：信号采集和处理 超声相控阵
超声相控阵技术在医学和工业无损检测方面有着广阔的应用前景，近年来研究非常广泛。本文介绍的基于计算机的线性超声阵列的信号采集和处理系统，为相控阵的研究建立了很好的理论基础。
数字示波器与模拟示波器相比，(本网网收集整理)能将待测模拟信号实时数字化，并且在波形处理方面有很大改进，从而使其在电子测量中日益得到广泛应用。但是其存储容量和数据处理能力有限，如果能用计算机控制示波器，将示波器采集到的数据及时存储，并用软件分析存储的波形数据和测量结果，就能形成一套有效的信号采集与处理分析系统。本文以TDS210型数字示波器为例，介绍如何将计算机与数字示波器组成一套高性能的信号采集与处理系统，并介绍如何将其应用于相控阵超声无损检测的数据采集和信号处理中。
1 系统硬件组成
系统主要包括：计算机、TDS210型数字示波器、TDS2MM扩展模块、换能器阵列及译码选通装置等。
1.1 试验样块及换能器阵列
如图1所示，在一块235×195.6mm×20.6mm的铜板的顶部贴上64个紧密排列的晶片，晶片截面尺寸为18mm×3.06mm，厚度是0.8mm，材质为PZT-5，固有频率为2.8MHz。在铜板上加工7个通孔（分别为a、b、c、d、e、f、g）作为人工缺陷，其中的圆孔(a、b、c、e、f、g)直径为3.2mm，长方孔（d）截面尺寸为10mm×6mm。
用两个译码选通电路，每次同时选通晶片I和II，分别发射和接收超声波，并分别与示波器通道1和2接通。采用XC16B脉冲发生器产生始脉冲来激励晶片I，始脉冲脉宽为240ns，电压为20V。晶片I受激振动发生超声波，在铜板中传播，遇到气孔与铜材质的界面反射回来，用晶片II接收回波信号，并送入示波器通道2。然后计算机通过示波器的DS2MM扩展模块的串口，并波采集示波器通道2的回波信号，提取和存储许多特征参数，并用应用软件（如Matlab）分析波形，进行信号处理分析。
1.2 TDS210型示波器
本系统采用美国Tektronix公司的TDS210型数字存储示波器。该示波器带宽为60MHz，取样速率为1GS/s，双通道输入，记录长度为2500个点，采样位数为8bit，垂直分辨率为0.4%，水平精度为±0.01%。该示波器还带有非易失性存储器，可以存储两个基准波形和5个前面板设置[1]。
该示波器的TDS2MM扩展模块带有RS-232八位串行通信接口、Centronics硬拷贝打印输出接口和GPIB 8位并行通信接口，可直接与外部的控制器、打印机、计算机等设备进行通信。示波器与计算机可直接用带DB-9型连接器的电缆连接，使用非常方便。
2 系统软件开发
2.1 系统软件设计
本系统开发工具为VB6.0与VC6.0，由于使用了其自带的通信控件MSComm6.0，因而使编程更为方便快捷。MSComm6.0ocx封装了大量标准的通信控制及线程管理函数，通过这些函数可以方便地与串行端口建立连接。这样就可通过串行端口去控制示波器，发出命令，交换数据。
系统工作步骤如下：启动后自动完成初始化，检测硬件配置，设定通讯参数；设置示波器特性，进行数据的人工采集或自动采集；在自动采集的情况下，控制光电继电器按照一定顺序，定时选通阵列中的两个晶片，分别接通发射和接收回路；实时采集通道2中的回波信号，并将其转换成二时制数据文件；利用Matlab编程，对采集的信号组进行排列、移项、叠加、频谱分析等；进而根据信号处理的结果，对缺陷的形状、位置、大小进行成像分析。
系统软件采用模块化方式编写，包括数字示波器初始化、译码选通、数据采集、参数测量、全波存储以及各种信号处理模块。
2.2 通信与数据采集
借助TDS210示波器自带的TDS2MM扩展模块的编程手册，可非常方便地实现计算机和示波器之间的通信，并对示波器中波形信号进行采集。系统启动后，对示波器进行初始化，设定通信参数，将示波器基、通道、触发、显示等子系统做相应设置，并开动选通，进行自动扫查。示波器实时采集换能器阵列装置中的超声波信号，同时计算机向示波器发送命令，取加数据，放入计算机内存，对常用波形参数（如周期、频率、振幅、上升时间、下降时间、脉冲宽度、峰-峰值等）做测量，将波形数据与测量结果存入计算机硬盘，留做后处理。所有数据可存成一个64阶的矩阵，矩阵的每个元素对应的是一个2500个点的回波信号。
2.3 信号处理与分析
通常的信号处理软件首先检出波形数据部分，从时域、空域和频域三个方面分别提取其有关特征参数。时域参数包括波的前沿、后沿、存在时间等；空域参数包括其均值、均方值、方差、概率密度等；频域参数包括其频谱密度等。
本系统不是简单地对单个波形数据进行特征提取。而是将一组波形数据先进行预处理，提高了信噪比后再进行信号的分析处理。
3 相控阵模拟及缺陷检测
图2是一组回波，代表的是第17号晶片接收的各个晶片所发射的超声波信号的反射回波。信号群A、B、C、D、E、F、G分别对应铜块试样中的预留孔a、b、c、d、e、f、g。在回波信号后面，与之平行等距而且波幅有所减小的为侧面波。如果信号足够强，可以有多次侧面波，例如B1、C1、C2等。
相控阵的工作原理是通过改变相邻超声换能器的相位差Δφ值（也就是调整各个晶片发射时间），来达到在指定位置聚焦的目的。相控阵超声的精确延时发射是超声相控阵系统中的重要环节，其硬件设计和调试过程是很复杂的。本系统采用一种新的思路，即把信号做移项处理，然后虚拟延时发射、定点聚焦，而无需制作实际的相控延时和同步发射的控制电路。
虚拟聚焦点在孔b的中心，坐标为(58.6,74)。17号晶片在孔b的正上方，因它发出的超声到达b孔中心的距离最短，所以也就能最早接收到由b孔反射回来的超声。因此它的回波信号在信号族B中，应该在最前面。根据声程的不同，将64条信号进行移项处理，使之都与17号晶片的信号B对齐，结果如图3所示。经过延时，所有晶片发射的超声在该点的.回波信号(B')在时间上排列一致，即各个晶片发射的超声在该点处发生了实际的聚焦。数据处理分析的结果和实际情况相吻合，说明此处确实存在缺陷。
将图3所示的延时排列的信号叠加，得到图4所示的信号i。i为所有晶片发射的超声在b点聚焦的信号，64个晶片的贡献同相叠加，所以信号很强。信号ii是第17号晶片对孔b自发自收的回波信号，只是一个晶片的贡献，最高峰不到18mV。从图中可以明显看出，聚焦后孔b的回波信号i显著增强，回波峰-峰值达到0.45V，随机的噪声信号以及其它孔的回波信号和噪声都互相抵消而几乎消失，只留下缺陷孔b的一次回波及其自身的一次侧面波。
将图4中的信号i、ii进行傅立叶变换，得到图5所示的频谱图[2]。如图5（a）所示，聚焦信号i的能量主要集中在1.2MHz左右，能量分布规整，带宽约为0.5MHz。图5(b)所示的单个晶片的回波信号ii，其中心频率为1.2MHz，与信号i的中心频率基本吻合，但是能量分布比较分散，最大值也只有i信号的300分之一。
幅值和频谱对比的结果表明，如果只用一个晶片的回波信号进行处理分析，缺陷的回波信号很微弱，信噪比低，信号的能量 也很低。采用阵列晶片的聚焦信号，缺陷孔的回波信号显著增强，信噪比很高，而且反映在频谱图上，主频信号能量较大，分布规整，有一定的带宽，从而使得有效的检测信号得到增强，更便于缺陷的识别和检出。
如果虚拟焦点实际上不存在缺陷，则根据声程差移项后的信号不能在时间上排列一致，信号叠加时互相抵消，得到的合成聚焦的信号很微弱，能量也很低，可以通过滤波将其滤掉。
把64 2个波形数据进行处理分析，以一定间距对铜板中的各点进行虚拟扫描聚焦，便可得知整个铜板中缺陷的分布情况，从而在计算机上实现了数字化探伤仪的功能。如果做进一步处理，信将信号的各种参数在时域、频域中进行综合分析，可以做出铜板中缺陷分布的直观示意图。
本文提出的用软件分析方法对超声相控阵的试验数据进行处理分析，无需相控延时硬件电路的设计，极大地节约了成本和时间。本文提出的信号处理方法，能很好地过滤噪声，强化有用的信号，对缺陷的无损检测有很高的分辨率。这套系统不仅可以用于相控超声信号的采集和处理分析，还可用于各种具有通信接口的测量仪器的功能扩展开发中。
篇4：阵列超声场的信号采集与处理系统
阵列超声场的信号采集与处理系统
摘要：介绍了一种新型的基本计算机和数字示波器的阵列超声场的信号采集和处理系统。系统利用Windows平台，采用VC、VB和Matlab编程方法，采集信号并进行信号处理，从而为相控阵聚焦声场的研究提供了很好的试验平台。利用提出的系统，可对样品中的缺陷进行无损检测。关键词：信号采集和处理 超声相控阵
超声相控阵技术在医学和工业无损检测方面有着广阔的应用前景，近年来研究非常广泛。本文介绍的基于计算机的线性超声阵列的信号采集和处理系统，为相控阵的研究建立了很好的理论基础。
数字示波器与模拟示波器相比，能将待测模拟信号实时数字化，并且在波形处理方面有很大改进，从而使其在电子测量中日益得到广泛应用。但是其存储容量和数据处理能力有限，如果能用计算机控制示波器，将示波器采集到的数据及时存储，并用软件分析存储的波形数据和测量结果，就能形成一套有效的信号采集与处理分析系统。本文以TDS210型数字示波器为例，介绍如何将计算机与数字示波器组成一套高性能的信号采集与处理系统，并介绍如何将其应用于相控阵超声无损检测的.数据采集和信号处理中。
1 系统硬件组成
系统主要包括：计算机、TDS210型数字示波器、TDS2MM扩展模块、换能器阵列及译码选通装置等。
1.1 试验样块及换能器阵列
如图1所示，在一块235×195.6mm×20.6mm的铜板的顶部贴上64个紧密排列的晶片，晶片截面尺寸为18mm×3.06mm，厚度是0.8mm，材质为PZT-5，固有频率为2.8MHz。在铜板上加工7个通孔（分别为a、b、c、d、e、f、g）作为人工缺陷，其中的圆孔(a、b、c、e、f、g)直径为3.2mm，长方孔（d）截面尺寸为10mm×6mm。
用两个译码选通电路，每次同时选通晶片I和II，分别发射和接收超声波，并分别与示波器通道1和2接通。采用XC16B脉冲发生器产生始脉冲来激励晶片I，始脉冲脉宽为240ns，电压为20V。晶片I受激振动发生超声波，在铜板中传播，遇到气孔与铜材质的界面反射回来，用晶片II接收回波信号，并送入示波器通道2。然后计算
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篇5：信号处理系统在大学生电子设计竞赛中的应用
信号处理系统在大学生电子设计竞赛中的应用
该文根据全国大学生电子设计竞赛的培训需求,设计了一款基于61板的信号采集分析系统,该系统集中了单片机开发、Mat-lab软件开发等方面的'必备知识,软硬件兼备,在培训中,要求学生掌握该系统的结构和工作原理,并动手实现这一系统.通过训练使学生在较短的时间内掌握系统开发的基本思路和方法,从而提高学生的系统分析能力和实践动手能力.对于高等学校如何培养创新型人才方面做出了积极的探索.
作 者：吕英英 邵建龙 贾现广 LV Ying-ying SHAO Jian-long JIA Xian-guang 作者单位：吕英英,邵建龙,LV Ying-ying,SHAO Jian-long(昆明理工大学,信息工程与自动化学院,云南,昆明,650051)贾现广,JIA Xian-guang(昆明理工大学,交通工程学院,云南,昆明,650224)
刊 名：电脑知识与技术 英文刊名：COMPUTER KNOWLEDGE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)： 5(7) 分类号：G642 TP274 关键词：SPCE061A 单片机 Matlab 大学生电子设计竞赛篇6：多DSP系统实现雷达极化信号两对IQ的采集和处理
多DSP系统实现雷达极化信号两对IQ的采集和处理
摘要：基于雷达极化信号处理技术，设计了一种多DSP方案，实现对雷达极化信号两对IQ的采集和极化处理。主要包括：采集和校正、极化参数估计、极化滤波、极化检测、PCI接口等功能单元。介绍通过总线开关多DSP共享数据的方法、多DSP之间的时序控制、PCI访问存储器等几个难点问题。关键词：极化 多DSP系统 总线开关 时序
系统设计的背景是接收和处理L波段脉冲体制窄带警戒雷达变极化改装后输出的双路IQ信号。双路正交天线接收和下变频解调系统的框图见图1。水平IQ信号反映了雷达目标回波水平方向反射的幅度和相位信息，垂直IQ信号反映了雷达目标回波垂直方向反射的幅度和相位信息。综合双路IQ信息，可以得到雷达目标回波的极化状态。极化处理单元的设计是本文讨论的重点。
1 极化信号采集和处理系统电路的设计
1.1 电路设计概况
电路提供了极化采集和处理的硬件平台。功能单元包括：采样和校正、术化特征参数计算单元、虚拟极化加权单元、根据检测单元、总控单元以及PCI接口等。
图1
电路实现框图如图2、图3所示。该电路的特点是功能模块化、逻辑编程控制。多DSP（4片TMSC5402）同时工作，灵活方便地实现各种极化算法。
1.2 采集和幅相校正
极化信号的采集要求四路信号保持良好的幅相一致性。因此四路信号经过信号调理和AD采样后，在CPLD1中做FIR幅相校正。修正包括天线通道在内的通道不一致以及正交垂直度的误差。
1.3 总线开关和DSP数据共享
四路数字化的IQ信号存放在乒乓存储的DPRAM中，由CPLD做总线开关切换逻辑，使极化数据可以被DSP1和DSP2单片分时共享。
图2
1.4 极化特征参数估算单元（DSP2）
该单元利用采集到的极化数据，估算目标或者杂波的特征极化。采用TI公司的C5402DSP完成。TMS320C54x系列是TI公司TMS320 DSP家族中的一个定点DSP系列。该系列采用16位先进的修正哈佛总线结构，内建具有高度并行性的逻辑算术单元、专用硬件逻辑、丰富的片上外设以及多种片上存储器组织，由于采用6级深度的指令流水线，大大提高了程度的执行。基本参数如下：时钟频率100MHz，单指令周期10ns，片上双口RAM（DARAM）16K字，片上ROM 4K字。数据/程序空间为64K/64K字，还有6个DMA通道。DSP2读取数字化的极化数据，并差别如在工作窗口之内，则启动估算程序。估算出的目标或杂波的特征极化，送到DPRAM中，由DSP1单元读走。
1.5 幅相加权单元（DSP1）
该单元对采集的极化数据进行虚拟加权处理。权系数来自于极化特征参数估算单元（DSP2）。加权运算后的数据通过FIFO缓存以后，DA输出。另外也可以送到下一个DSP单元做极化检测等处理。
图3
1.6 极化检测和合并单元（DSP3）
该单元接收经过DSP1单元做极化滤波处理的极化数据，做极化检测算法验证。同时做点迹合并，送到FIFO缓存。通过PCI接口送到显控计算机，显示极化运算效果。该单元也采用C5402DSP完成。
1.7 总控单元（DSP4）
该单元是整个电路的总控。传达显示计算机的操作模式指令到各个分单元。观察窗口的'建立、按方位排序和取消等工作也由该单元完成。另外，极化参数估算单元的结果也通过该单元送到DPRAM中缓存。显控计算机通过PCI接口读取极化参数。该单元采用TI TMS C5402完成。
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1.8 PCI接口
PCI接口采用PLX9054实现。采用C模式。显控计算机读写FIFO和DPRAM，实现传达工作模式控制极化参数读取以及极化处理后数据读取的任务。
1.9 SDC方位单元
该单元接收雷达自整角机送来的400Hz方位信号，通过SDC模块转换成数字量。CPLD对SDC模块做逻辑控制和方位数字量的缓存。方位信息一路送到PCI接口给显示计算机；一路送到DSP2单元，判断方式是否
进入预定的工作窗口。
1.10 逻辑控制
板上所有逻辑均由CPLD或者FPGA控制。灵活方便，易于修改。
2 几个难点问题的设计
2.1 总线开关实现多DSP共享数据
图4方法用的芯片多，对板上的译码控制、印制板走线都带来困难。设计采用了总线切换和乒乓读的方式见图5，用一片CPLD实现两个DSP对一组数据的分享。
方法是DSP1先读上面两片DPRAM，与此同时，DSP2读下面两片DPRAM。也就是DSP1数据总线挂在上面两片DPRAM上，DSP2数据总线挂在下面两片DPRAM上。当DSP1读完后发信号SW_EN1置1申请交换。同样，DSP2读完后也发SW_EN2置1申请交换。如果SW_EN1和SW_EN2均为1，即可以交换，DSP1上数据线挂在下两片DPRAM，而DSP2数据线挂在上两片DPRAM上。实现两个DSP共享交叉读一组双口RAM数据。注意：切换发生后，产生一个信号SW_BUS，两个DSP各自采样到这个信号，表示可以读另外两片DPRAM的数据了。从时序图6上可以看到，总线切换后，有20ns左右的不稳定期。所以在收到SW_BUS信号为1时，DSP要延时20ns再读另外的两片DPRAM。也就是DSP读操作前加两个NOP指令。
2.2 多DSP时序配合
系统上有4片DSP，各DSP均以雷达重复脉冲为工作节拍产生中断，各分系统任务在一个雷达中断完成。每个DSP处理数据的流程都是：读数、处理、输出。当DSP用到前面DSP处理后的数时，要比前面的DSP工作节拍慢一个中断周期。如图7，DSP1处理第n周期时，DSP3在处理第n-1周期的数。DSP3接收DSP1处理后的放在FIFO中的数据，DSP3处理的数据和DSP1处理的数据时间上相差一个中断时间，也就是一个雷达脉冲周期。
图6
2.3 PCI接口访问存储器设计
设计采用基于PLX9054的数据采集方案；采用9054 C模式、PCI局部端挂存储器的方法。PCI总线通过9054读取采集卡中存于FIFO的DPRAM中的数据。设计工作非常简单。用户所做的工作为三个：
一是烧与串行EEPROM值。设置自己对系统的有关资源分配、中断等信息的要求。
二是对PCI局部总线的地址并结合相关控制线进行译码，选通相应的存储器。
图7
三是利用windriver提供的驱动程序，在系统上编写读写PCI设备的应用程序。
这样，就很方便地实现了PCI设备的数据采集。
篇7：基于DSP和光缆通信的远程高速数据采集及处理系统的设计与应用
基于DSP和光缆通信的远程高速数据采集及处理系统的设计与应用
摘要：介绍一种以TMS320VC5402DSP为核心处理器的高速远程数据采集与处理系统。该系统以分时采集方式对多路模拟信号进行数据采集，采样率达40MHz。经过高速处理器的实时处理，通过光缆将数据传送到主控计算机端，作进一步处理与分析。该系统可以广泛应用于需要较高频率远程模拟信号的采集处理场合。关键词：远程数据采集DSP光纤通信信号处理
随着数字信号处理技术及通信技术的发展，DSP技术应用越来越广泛。将DSP技术应用于高速数据采集，可以对采集数据进行实时处理，同时将高速光缆通信技术应用于远程数据采集的数据传递，能够使采集的大量信号高速可靠地传递至主控计算机作进一步的分析处理。本文介绍了一种使用TMS320VC5402作为处理器，用高速A／D转换芯片进行数据采集与处理，使用光缆进行数据通信的高速远程数据采集板。将此采集板应用于油田超声波测井系统，为探测油井下内壁、壁厚以及油井外固井水泥环的情况提供充分的数据基础。
作为一个使用DSP芯片作为处理器的远程数据采集系统，不但要完成数据的采集工作，而且还要能够对数据进行实时处理，然后将数据传递至远处控制端。同时，数据采集部分还要能够接收远端控制端发出的命令，及时对数据采集进行总体上的控制。
此远程数据采集系统需要完成的基本功能是：接收地面主控计算机发出的控制命令，自动完成多路超声波电信号的采集工作：将信号放大，滤波处理后数字化，经过短暂存储及初步处理，将数字化的超声波信号分组，传递至地面主控计算机，供分析软件进行数据分析。
1系统硬件的设计
整个系统由数据采集和计算机控制卡两部分组成。数据采集部分完成超声波信号的放大、滤波、模数转换以及处理和传输控制；计算机控制卡接收由数据采集卡经过光缆传递的数据信号，送至计算机PCI总线，由处理软件进行数据处理。PCI控制卡经过控制软件向数据采集卡发送数据采集命令，使数据采集卡根据命令改变工作状态。
1．1数据采集卡的硬件设计
图1为数据采集卡部分的电路原理图。由于数据采集板工作在恶劣的环境中，要求硬件电路保证完成尽可能多工作的同时，使用尽可能少的器件，以保证采集板能够长时间地稳定工作。
数据采集板的核心处理器是TMS320VC5402。该芯片是TI公司TMS320VC54x系列的DSP芯片，是为实现低功耗、高性能而专门设计的定点DSP芯片，主要应用在通信、数据采集等系统中。该芯片采用CMOS制造工艺，属于第七代DSP产品，它的工作频率可以根据需要进行调整。
由于TMS320VC5402芯片内部不带FLASH程序存储器，因此，在采集板上要让FLASH存储器保存程序。使用的芯片是SST39VF400A。此芯片是SiliconStorageTechnology生产的256K字节的16位FLASH存储器。在电路启动时，由TMS320VC5402内部ROM中的引导程序将存储在FLASH中的工作程序转移到SRAM中，提高程序运行效率，降低对外部ROM的速度要求。这样，不仅可以提高系统硬件的成本，而且可以提高系统的整体抗干扰性。
TMS320VC5402DSP芯片内带16K字节的RAM，其中一部分用来运行程序，另外一部分可以用来存储临时数据，片内的RAM存储器不能满足数据存储容量的要求，因此在采集板上还要扩充一部分SRAM。此采集卡上使用的SRAM芯片为CY7C1021。此芯片是Cypress公司生产的16位64K字节的静态RAM存储器，采用CMOS工艺，具有自动低功耗模式的功能，降低系统功耗，保证低散热量。
A／D转换电路使用TLC5540模数转换芯片，这是TI公司的8位A／D转换器，它的最高转换速率可以达到每秒40兆字节。TLC5540采用了一种改进的半闪结构，使用CMOS工艺，因而大大减少了器件中比较器的数量，而且在高速转换的同时，能够保持低功耗，在推荐的工作条件下，其功耗仅为75mW。使用TLC5540进行数据采集的控制信号由TMS320VC5402产生，采样时钟经过5402的CLKOUT端口分频得到。当采集卡进行数据采集时，首先DSP芯片选通要采集的模拟信号通路，将经过处理的模拟信号送至TLC5540的模拟输入端口，然后DSP芯片通过地址使能转换芯片TLC5540，控制转换芯片进行模数转换，将模拟信号转换为数据量，送至数据总线。由于TLC5540是8位模数转换芯片，因此只将8位数字信号送至数据总线的低8位上，由DSP芯片进一步处理。
远程数据采集，采集端与控制端之间必须要使用高速通信电路，使得两端能够及时通信。在本采集系统中，为解决高速数据传输的问题，选用了光缆进行数据传输。现代光通信技术的发展，已经使光纤通信的速率可以达到每秒钟几G比特，中继距离也可达几百千米，因此使用光缆进行数据通信，无疑是解决高速率远距离数据传输问题的好方法。由于光缆本身的物理性质，其自身比较脆弱，但是可以在光纤外面使用钢缆或钢丝网进
行加固，使得光缆的外部物理特性大大增强，保障数据的可靠传输。
电气电路和光缆之间的接口使用光端机，光端机的输入输出接口是串行通信接口，使用非平衡传输方式进行数据输入输出。在DSP芯片与光端机通信模块之间，必须将总线上的并行数据串行化，转换为串行数据，以便光端机进行光通信。DSP接收信号时必须将光端机输出的串行信号反串行化，转换为并行数据，进行处理。光缆通信的速率比处理器的处理速率要高，因此，在串行器、反串行器和处理器的数据总线之间要加入先进先出存储器，将数据暂时存储，等积累了一定数量的数据之后，由串行化器进行发送或者处理器接收反串行化器送来的光缆上的数据。
在数据总线和串行化器／反串行化器之间加入FIFO，对于数据传输效率有很大的提高。IDT72V02是IDT公司生产的低电压CMOS异步先进先出存储器，有1024×9字节的存储空间，可以保存1K的9位字节数据。在本设计中，数据总线上的数据为八位数据，因此只使用了FIFO中的低八位数据作为有效数据，第九位数据用作校验位。串行化与反串行化芯片选用了TI公司的SN65LV1021／1212，这两个芯片是10：1和1：10串行化／反串行化芯片，并行数据可以在10MHz～40MHz时钟下传输，相应的串行数据可以在100bps～400bps的速率下传输。SN65LV1021／1212均能够工作在低功耗方式下，不传递数据时，可以降低整个系统的功耗，输出数据总线可以保持高阻抗状态。
由于TMS320VC5402的通用I／O接口比较少，因此数据采集板上使用了一片CPLD作为通用I／O的扩展接口。DSP芯片将A／D转换器、FIFO、串行化／反串行化器等器件都作为统一的外设，对每一外设进行地址编码。通过CPLD将DSP的外设操作信号转换为对具体芯片的'控制信号。这样在程序的效率以及整体电路工作的协调性上都有了很大的提高。
1．2地面PCI总线控制卡的硬件设计
为了方便地面计算机对数据采集卡进行实时控制，高速接收数据，因此设计一块PCI卡，将从光缆送来的数据直接送至计算机的PCI数据总线是一种高效且实用的方法。
光端机接收光缆传递的光信号，由反串行化器将串行数据转换为并行数据，送至存储器进行暂时存储，再将整个数据段送至计算机PCI总线，由软件进行处理并存储至硬盘。
PCI卡的主要芯片为PLX公司的PCI9052。该芯片在PCI总线接口芯片市场有相当的份额，是在PCI从模式接口设计卡中得到广泛应用的接口芯片，可以提供用于适配卡的小型而高性能的PCI总线目标，实现PCI数据总线上的33MHz的数据传输。PCI9052的主要特点有：
（1）进行数据接收时，PCI卡通过光端机接收由光纤送来的光信号，转换为串行电信号由光端机接口送出，经过SN65LVDS1212反串行器转换成并行信号，由控制器送入到FIFO中缓存。当接收完一个数据包后，由PCI9052将数据包中的数据送到计算机PCI总线，系统软件将接收的数据进行分析，并根据需要保存到硬盘。
（2）当计算机控制采集卡进行数据采集时，计算机软件向总线发出命令，PCI卡接收到系统软件送至PCI总线上的数据后，转送到串行器的数据总线上，将并行数据转化为串行数据，经光端机转化为光信号，送至光缆向采集卡进行传输。
2系统软件的设计
远程数据卡的实时系统控制软件包括两部分：采集卡上DSP控制及数据处理软件；上位机接收并处理DSP发送来的数据的实时处理控制软件。
固化在采集板上的DSP处理程序是软件部分的主体，程序主流程图如图2所示。
软件采用模块化的设计方法，其中包括采集卡的初始化、定时器处理、数据采集控制、数据处理,以及接收和发送数据几个模块。采集卡启动DSP芯片首先通过BOOTLOADER程序将存储在FLASH中的程序代码转移到RAM中，高速运行程序。程序首先进行初始化，然后由DSP本身完成对数据的自动采集，计算机并不参与采集的具体过程。采集后的数据暂时存储在RAM中，当采集到一定数量的一组数据，由DSP芯片对数据根据需要进行处理。例如，对信号进行互相关、自相关、功率谱、互谱、压缩算法等分析计算，减少传输过程以及上位机的负担。经过处理获得数据，DSP芯片将其按照一定的协议送至传输总线，控制串行化器通过光端机将其传送至上位主机，以进一步分析、处理数据。DSP程序使用CCS集成开发环境开发，编程语言使用C语言与汇编语言相结合的方法，程序整体使用C语言编写以提高程序开发周期。对于实时性要求强或比较复杂的算法，为提高DSP代码芯片的执行效率，使用汇编语言编写。
上位机的软件编写包括PCI卡驱动程序和应用程序两部分。在Windows操作系统下，普通用户不能进行直接读写物理地址和读取系统分配的资源信息的底层硬件操作，因此，在硬件设施完备的基础上，编写PCI接口卡的驱动程序，是上位机工作软件中的一个重要环节。使用Jungo公司的Windriver开发工具编写本PCI卡的驱动程序。该程序为一般的用户应用程序提供了一个很好的底层硬件接口，对于实时性要求不很严格的情况下，应用程序能够直接对底层硬件进行操作。由于本系统的数据采集工作完全由采集卡上的DSP自动控制完成，计算机对采集卡的控制只是一些工作方式的控制选择，因此对于PCI卡的时序要求并不十分严格，使用Windriver开发PCI卡的驱动程序完全可以满足需要。
用户应用程序使用高级语言进行开发，通过Windriver提供的接口，程序控制者可以利用对PCI卡的操作向采集卡
发出控制命令，同时接收PCI卡送来的采集数据信息，对数据进一步处理、存储。
3试验结果
在实际的油井测量实验中，选用1MHz的超声波信号，对5．5英寸的套管井进行测量，用10MHz的采样率对超声波信号进行采样。采集接收到的超声波数据，计算机上得到的数据经过转换和处理，可以为超声波测井提供充分的依据。如图3所示。
4设计中需要注意的问题
采集卡的设计过程中，主要问题在于硬件电路的设计。DSP芯片是高速数据处理芯片，外部总线的速率若达到40MHz，内部的时钟则可以达到更高。因此设计上要充分考虑DSP芯片引脚的外接方式和工艺特性。采集卡上有数字和模拟两种信号系统，在设计时要将数字信号和模拟信号电气上相互隔离，距离要尽量远，减少两种信号之间相互干扰。在每个元件的电源引脚附近都要加上一个小滤波电容，减小电源的不稳定因素。系统的电源设计要使用响应快、稳定性好、精度高的电源芯片，电源输出加上大的滤波电容以提高整个电路板的稳定性。尽量选用贴片封装的元件，减小元件本身散热量的同时增加电路焊接的可靠性以及抗干扰性。元件分布版面设计时，元件在电路板上的质量分布要均匀，以增加电路板的机械性能。
本文介绍了一种基于DSP芯片、通过光缆进行数据传递的高速远程数据采集系统，设计了一套完整的远程高速数据采集方案。该方案在强大的DSP处理器控制下利用高速A／D芯片完成多路模拟信号的分时采集工作，采集后的数据可以进行实时处理与高速传输。将该数据采集卡应用于油田超声波测井系统，对超声波测井信号进行高速采集，送至计算机进行数据分析处理，为测井工作提供了充足的数据基础。
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