基于DSP的聲雷達(dá)信號(hào)采集系統(tǒng)

在聲雷達(dá)系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)定向發(fā)出不同頻率的聲信號(hào)，隨后接收不同距離上的回波信號(hào)，利用回波中頻率的偏離可以測(cè)定風(fēng)速、風(fēng)向隨高度的變化。本文介紹的基于美國模擬器件公司的DSP ADSP-TS201S和ADC AD7864的信號(hào)采集系統(tǒng)能夠滿足這些要求。

　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1 系統(tǒng)功能模塊劃分

　　聲雷達(dá)信號(hào)采集系統(tǒng)主要由信號(hào)采集、信號(hào)處理、電源和時(shí)鐘四部分組成，如圖1所示。信號(hào)采集模塊由CPLD和4片ADC組成，負(fù)責(zé)完成A/D轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送至信號(hào)處理模塊，DSP ADSP-TS201S負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和處理，兩片512k×32b的SRAM完成了多幀數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)任務(wù);一片雙口RAM為ADSP-TS201S和其他處理器板交換信息提供了方便的接口，F(xiàn)lash用于存儲(chǔ)用戶的應(yīng)用程序。電源模塊為其他模塊提供正常工作所需的電壓。在時(shí)鐘模塊中，由晶振產(chǎn)生的27MHz時(shí)鐘通過倍頻芯片得到54MHz時(shí)鐘后進(jìn)入CPLD，它一方面作為ADSP-TS201S的系統(tǒng)時(shí)鐘SCLK，另一方面在CPLD內(nèi)12分頻之后作為AD7864的工作時(shí)鐘信號(hào)AD_CLK。

　　本系統(tǒng)之所以采用ADSP-TS201S芯片源于其強(qiáng)大的處理能力，可以對(duì)大量的回波數(shù)據(jù)作實(shí)時(shí)處理。它在600MHz的內(nèi)核時(shí)鐘下可以達(dá)到每秒48億次乘累加(MAC)運(yùn)算和每秒36億次浮點(diǎn)運(yùn)算(FLOP)，具有比同類處理器高出50%～100%的處理能力。它內(nèi)部集成了24Mb的存儲(chǔ)器，這種片內(nèi)大存儲(chǔ)量與高達(dá)33.6Gb/s的內(nèi)部帶寬相結(jié)合，是提高性能的關(guān)鍵。其外部64位數(shù)據(jù)總線和32位地址總線時(shí)鐘最高可達(dá)125MHz。

　　圖1 信號(hào)采集系統(tǒng)電路圖

　　聲雷達(dá)系統(tǒng)中需要多通道同時(shí)采樣，AD7864芯片的高速多通道和同時(shí)采樣特性滿足了系統(tǒng)的要求，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，它的轉(zhuǎn)換精度為12位，吞吐量最高可達(dá)520KSPS，單通道轉(zhuǎn)換時(shí)間最快可達(dá)1.65μs，采樣/保持時(shí)間為0.35μs。此外，其單電源和低功耗特性(最低可達(dá)20μW)也滿足了系統(tǒng)的要求。

　　系統(tǒng)工作時(shí)，首先是由后端處理器板向ADSP-TS201S發(fā)出中斷信號(hào)，通知TS201從雙口RAM中讀取命令字。根據(jù)命令字，TS201通過CPLD控制前端的ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并利用DMA方式讀取數(shù)據(jù)，處理好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于雙口RAM中，TS201也通過中斷方式來通知后端處理器板來讀取數(shù)據(jù)并顯示。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　在時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)中，晶振和倍頻芯片的電源與本板電源之間要用電感或磁珠來隔離，防止它們對(duì)系統(tǒng)電源產(chǎn)生耦合干擾。為了抑制由電壓波動(dòng)引起的電流涌動(dòng)和低頻干擾，兩者的電源引腳處要加上一個(gè)10μF的鉭電容，0.1μF的用于抑制高頻干擾的小電容也是必不可少的，而且要貼近管腳放置。此外，還應(yīng)注意不要在時(shí)鐘芯片底下走線，防止相互耦合干擾。倍頻芯片輸出端可以加一個(gè)33Ω的匹配電阻，以減少輸出電流，提高時(shí)鐘波形質(zhì)量。為了減少EMI輻射和時(shí)鐘抖動(dòng)，要盡量減少過孔的使用。

　　(a)環(huán)形結(jié)構(gòu)

　　(b)星形結(jié)構(gòu)

　　高頻下總線的設(shè)計(jì)也是需要注意的，尤其是在系統(tǒng)中總線負(fù)載較重的情況下，不適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)會(huì)限制總線只能在低頻下工作，甚至無法讀取數(shù)據(jù)。由于環(huán)形結(jié)構(gòu)上任一負(fù)載的變化都會(huì)影響到其他負(fù)載的工作，本設(shè)計(jì)中采用了星形總線結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在布線過程中考慮到DSP總線的驅(qū)動(dòng)能力，嚴(yán)格的將每根信號(hào)線的長(zhǎng)度控制在6英寸左右。實(shí)踐證明，采取的以上措施是必要而且正確的。

　　ADSP-TS201S和AD7864對(duì)電源的要求都非常高，例如，S201要求500MHz核時(shí)鐘時(shí)，它的4個(gè)電源VDD、VDD_A、VDD_IO和VDD_DRAM的精度為±5%，因此，系統(tǒng)中采用了輸出電壓精度可達(dá)±1%的TPS54350作為電源芯片。

　　ADSP-TS201S的功耗可通過如下計(jì)算得到。以500MHz為例，VDD域消耗的電流可達(dá)2.67A，由式(1)可得，加上VDD_A的電流，內(nèi)核最大功耗為 2.99W。

　　由式(2)可得，VDD_IO域上的最大功耗為580mW。

　　由式(3)可得，內(nèi)部RAM的最大功耗為600mW。

　　基于以上數(shù)據(jù)，由式(4)可得，ADSP-TS201S在500MHz下的總功耗為4.17W。

　　(4)

　　ADSP-TS201S的功耗還是比較大的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要為散熱片或風(fēng)扇留出空間。電源部分的高頻噪聲會(huì)影響ADSP-TS201S的工作速度，尤其是電壓低于1.5V的部分,所以在TS201的電源輸入引腳附近要用低ESR的陶瓷貼片電容濾波，此外VREF和SCLK_VREF引腳也需要注意濾波。

　　由于系統(tǒng)是包括ADC的數(shù)?；旌想娐?，設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下問題。在AD7864和CPLD附近大面積的覆銅可以屏蔽外部對(duì)模擬信號(hào)的干擾，同時(shí)AD7864的電源引腳、參考電壓輸入引腳、VDRIVE引腳與模擬地之間要加0.1μF的貼片電容去耦;數(shù)字信號(hào)走線和模擬信號(hào)走線要分開布放;整板的數(shù)字地和模擬地要分開且保證單點(diǎn)相連，相連點(diǎn)選擇在了模數(shù)信號(hào)匯集的地方;為AD7864供電的5V電源需要遠(yuǎn)離AD7864。

　　在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，如果不為ADSP-TS201S的JTAG口加驅(qū)動(dòng)芯片，切入硬件仿真環(huán)境時(shí)Visual DSP會(huì)出錯(cuò)，所以建議即使是單片ADSP-TS201系統(tǒng)也要加一片驅(qū)動(dòng)芯片，如TI公司的74ACT11244。

　　為了提高系統(tǒng)的靈活性，建議為ADSP-TS201S的SCLKRAT0～2(用于選擇倍頻系數(shù))和DS0～2(用于選擇總線驅(qū)動(dòng)能力)引腳分別提供上拉和下拉兩種選擇，根據(jù)調(diào)試中的實(shí)際情況靈活配置。