1.3 系統(tǒng)的特點
??? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分層次后變得比較靈活,便于擴展。對于多通道并行數(shù)據(jù)處理,如材料分選,可采用多個信號處理器并聯(lián)結(jié)構(gòu);對于單通道高速數(shù)據(jù)處理,如雷達(dá)脈沖信號分選,可采用多個處理器級聯(lián)結(jié)構(gòu)。
??? 分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能強大。第三層次可以處理納秒級事件,如高速脈沖信號的瞬態(tài)參數(shù)測量;第二層次可以處理微秒、毫秒級事件,如數(shù)字濾波及高精度參數(shù)估計算法的實現(xiàn);第一層次可以處理非實時但較復(fù)雜的事件,如實現(xiàn)圖形用戶界面、存盤打印、數(shù)據(jù)庫管理以及網(wǎng)絡(luò)功能等。
??? 第一、二層次在硬件上有完全的通用性,數(shù)字信號處理器的基本輸入輸出軟件(DSP-BIOS)及其對應(yīng)的主機接口軟件也基本上具有完全的通用性,可編程器件的充分利用還可使第三層次在硬件上具有一定的通用性。因此,采用這種結(jié)構(gòu)開發(fā)后續(xù)產(chǎn)品時,研發(fā)工作將越來越容易而且迅捷。
2 硬件/軟件協(xié)同設(shè)計過程
??? 將上述具有通用性與分層結(jié)構(gòu)的高速數(shù)字信號處理系統(tǒng)應(yīng)用于具體產(chǎn)品設(shè)計時,首先要對硬件/軟件功能進行合理的劃分,這實際上是一個硬件/軟件協(xié)同設(shè)計的過程,如圖2所示。

?

??? 第一步,確定應(yīng)用系統(tǒng)具體功能及性能指標(biāo)要求。
??? 第二步,應(yīng)用獨立于任何硬件/軟件的功能性規(guī)格方法對系統(tǒng)進行描述,如有限態(tài)自動機(FSM)、統(tǒng)一化的規(guī)格語言(CSP、HDLs、C、…)或其它基于圖形的表示工具。其作用是對硬件/軟件統(tǒng)一表示,便于進行功能的劃分和綜合。
??? 第三步,從系統(tǒng)功能要求和限制條件出發(fā),依據(jù)一定的算法,進行硬件/軟件的功能劃分。
??? 第四步,對劃分結(jié)果作出評估。一種是性能評估(A),另一種是對硬件/軟件綜合后的系統(tǒng)依據(jù)指令級評價參數(shù)作出評估(B)。如果評估結(jié)果不滿足要求,需重復(fù)第三步,重新劃分硬件/軟件的功能,直至獲得一個最佳的硬件/軟件實現(xiàn)為止。
??? 一個大的科研項目都需要多所做人分工協(xié)作,以上所述實際上也是總體上為硬件組與軟件組所做的任務(wù)分配。在進行硬件系統(tǒng)" title="硬件系統(tǒng)">硬件系統(tǒng)基本功能調(diào)試的同時,軟件組可以編寫人機界面程序、數(shù)據(jù)庫操作程序、模擬數(shù)據(jù)與處理的脫機版程序。由于用規(guī)格語言對實際硬件/軟件功能描述存在失真情況,設(shè)計階段的硬件/軟件功能劃分也難免有不合理之處,但這可在聯(lián)機調(diào)試中得以修正。
3 關(guān)鍵技術(shù)
??? 本文用TI公司的高速處理器芯片TMS320VC33實現(xiàn)通用數(shù)字信號處理嵌入式系統(tǒng)。
3.1 DSP-BIOS設(shè)計
??? DSP-BIOS軟件是實現(xiàn)數(shù)字信號處理嵌入式系統(tǒng)通用性的關(guān)鍵所在。TMS320VC33在微處理器(μP)模式下,復(fù)位后即運行DSP-BIOS軟件;如在微計算機(MP)模式下,復(fù)位后運行其內(nèi)部固化的Boot-Loader程序,然后從外部低速RAM或串口讀取DSP-BIOS軟件并調(diào)入片內(nèi)高速CACHE進行全速運行。
??? 一個通用DSP-BIOS軟件應(yīng)具有以下功能:
??? ·DSP的初始化;
??? ·最小系統(tǒng)硬件的自檢;
??? ·與上位機的通信;
??? ·接收上位機命令及命令處理;
??? ·從上位機下載應(yīng)用程序并執(zhí)行;
??? ·DSP特殊寄存器的設(shè)置,如外總線等待周期數(shù);
??? ·DSP片上功能塊(定時器、中斷)的控制;
??? ·I/O口的讀寫(單地址);
??? ·存儲器的讀寫(成片地址)。
3.2 系統(tǒng)調(diào)試過程
??? 系統(tǒng)的調(diào)試一般包括兩個過程:基本功能調(diào)試與正式應(yīng)用功能調(diào)試。
??? 基本功能調(diào)試的目的是排除硬件系統(tǒng)設(shè)計與制作中存在的錯誤,并測試評估每一個子系統(tǒng)(模塊或芯片)的功能與性能。調(diào)試步驟如下:
??? ·按設(shè)計編程并燒寫DSP主板上的可編程邏輯器件(CPLD),確認(rèn)CPLD器件已正常工作。
??? ·調(diào)試確認(rèn)DSP芯片。H1和H3信號是所有片內(nèi)功能塊時序的同步時鐘,是測量關(guān)鍵點。
??? ·把DSP-BIOS軟件燒寫入Flash-ROM,調(diào)試確認(rèn)DSP的Boot-Load過程。若BIOS程序未正常運行,可按流程圖3來調(diào)試。

?

??? ·DSP與PC機接口的調(diào)試。在圖1所示的分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,同處層次二的多個信號處理模塊是多塊DSP板。各DSP板上都有撥碼開關(guān)設(shè)置的“ID”標(biāo)識,主機發(fā)送的每個命令中都帶有板選碼,只有“ID”標(biāo)識與板選碼相符的DSP才會響應(yīng)該命令。因此,只需確認(rèn)PC機能對一個DSP進行正常復(fù)位與其它控制即可。通信調(diào)試的關(guān)鍵是檢查各標(biāo)志信號。
??? ·DSP外設(shè)的調(diào)試。包括DSP板上的主內(nèi)存,應(yīng)用板(第三層次)上的RAM、I/O口及ASIC器件的控制接口等。
??? 正式應(yīng)用功能調(diào)試的主要目的是:排除應(yīng)用軟件與應(yīng)用板上硬件系統(tǒng)中存在的錯誤,并測試評估整個系統(tǒng)的功能與性能。調(diào)試步驟如下:
??? ·把調(diào)試用軟件提取為與硬件系統(tǒng)有關(guān)的一類子程序庫,加入到包括界面與數(shù)據(jù)庫操作的主程序中,形成聯(lián)機運行的正式應(yīng)用軟件。
??? ·整個系統(tǒng)的功能與性能測試。當(dāng)無法達(dá)到設(shè)計要求時,分析問題之所在,盡快修改應(yīng)用軟件或硬件,甚至重新設(shè)計制作硬件系統(tǒng)。
??? ·精簡優(yōu)化,去掉調(diào)試階段的冗余設(shè)計部分。但在用戶使用過程中仍有可能提出更高的要求,因此始終保持一定的資源余留是有必要的。
4 應(yīng)用實例
?? 用TMS320VC33來實現(xiàn)通用分層結(jié)構(gòu)數(shù)字信號處理嵌入式系統(tǒng),它已經(jīng)被成功應(yīng)用于多項軍用/民用產(chǎn)品。
4.1 電臺自動測試儀——單DSP系統(tǒng)
??? 通信電臺在出廠前以及維護維修時,都要測試其性能指標(biāo),包括頻率響應(yīng)、失真度、信噪比等。應(yīng)此需求研制的電臺自動測試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該測試儀硬件系統(tǒng)主要由四大部分組成:數(shù)字化高速信號采集電路、數(shù)字信號處理器、多波段多制式的信號產(chǎn)生電路及上位機。信號采集電路中應(yīng)用了高速數(shù)字下變頻器HSP50214,信號產(chǎn)生器應(yīng)用了數(shù)字上變頻器AD9856,DSP在零中頻信號上進行處理,大大降低了對處理速度與容量的要求。因而單個DSP足以勝任對單個窄帶零中頻信號的多制式軟件調(diào)制與解調(diào)、濾波及參數(shù)估計等數(shù)字運算。

?

4.2 基于DSP的材料分選系統(tǒng)" title="分選系統(tǒng)">分選系統(tǒng)——多DSP并聯(lián)工作
??? 為了適應(yīng)市場需要,對材料(如糧食、礦物等)進行質(zhì)量檢測與分選有著重要意義。分選是利用不同質(zhì)量材料的重量、顏色、尺寸等物理特性不同的原理進行的。根據(jù)該原理,本實驗室開發(fā)研制了基于多DSP的材料分選控制系統(tǒng)。國內(nèi)早期的分選系統(tǒng)智能部件都采用MCS-51系列的單片機,其控制功能基本可以滿足需要,但是它的計算精度和工作速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,因此系統(tǒng)的分選精度等指標(biāo)很難做高。本文所研制的新型分選系統(tǒng)采用高速浮點運算DSP芯片TMS320VC33完成多通道信號采集和分選的控制,使得分選精度和工作速度都得到了大幅度提高。每個DSP可以勝任80路5kHz帶寬的傳感器信號的分析處理,每臺工控機最多可管理16個DSP模塊的并行工作,因而總的分選速度是非常快的。分選系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。

?

4.3 雷達(dá)對抗偵察信號處理機——多DSP級聯(lián)工作
??? 雷達(dá)對抗偵察的任務(wù)是偵收并分析敵方雷達(dá)信號,為干擾或火力摧毀敵方雷達(dá)提供情報。為此研制了基于多CPU級聯(lián)工作的信號處理分機,如圖6所示。它包括:雷達(dá)信號預(yù)分選模塊、分選處理模塊、識別與綜合顯示模塊。在預(yù)分選模塊中,由第一個DSP對來自參數(shù)測量分機的高速雷達(dá)視頻脈沖串進行稀釋與粗略分類(按頻率分),并把脈沖描述字(包括頻率f、方位、脈幅PA、脈寬PW、到達(dá)時間TOA等)通過雙口RAM傳遞給第二個DSP進行分選處理,以分離各部雷達(dá)的脈沖信號,從而測得各自技術(shù)參數(shù)。工控機獲得測量參數(shù)后與雷達(dá)情報數(shù)據(jù)庫比對,以識別敵方雷達(dá)類型、用途與威脅等級,為指揮決策提供依據(jù)。按處理速度、傳輸速度、存儲容量優(yōu)化配置流水線上各級CPU的任務(wù),可使整個系統(tǒng)達(dá)到最大處理能力。試驗表明其速度已符合實戰(zhàn)要求。

?