基于DSP的無線傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 引言

在現(xiàn)代信息社會中，目標(biāo)辨識已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。例如超市中貨物的識別、圖書館中書刊的識別、銀行磁卡等都是目標(biāo)識別系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)例。尤其是近年來，自動識別方法在許多服務(wù)領(lǐng)域、在貨物銷售與后勤分配方面、在商業(yè)部門、在生產(chǎn)企業(yè)和材料流通領(lǐng)域、在智能交通管理等方面得到了快速的普及和推廣。

在幾年前，條形碼——紙帶在識別系統(tǒng)領(lǐng)域引起了一場革命并得到了廣泛的認(rèn)同與應(yīng)用。但是隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，這種技術(shù)在越來越多的情況下不能滿足人們的需求了。條形碼雖然便宜，但它的不足之處在于存儲能力小以及不能改寫。目前，另一種廣泛使用的技術(shù)是接觸式IC卡（電話IC卡、銀行卡），它是將數(shù)據(jù)存儲在一塊硅芯片里。然而，在許多情況下，機(jī)械觸點(diǎn)的接通是不可靠的。特別是對于運(yùn)動目標(biāo)或不可觸及的目標(biāo)更顯得無能為力。于是研究更好的目標(biāo)識別技術(shù)尤其是非接觸識別技術(shù)，有了它深刻的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，非接觸識別已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域。這個(gè)專業(yè)領(lǐng)域與任何傳統(tǒng)學(xué)科都不相同。它將大量來自完全不同專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)綜合到一起：如高頻技術(shù)、電磁兼容性、半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)據(jù)保護(hù)和密碼學(xué)、電信、制造技術(shù)和許多專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?；诼暠砻娌夹g(shù)的辨識標(biāo)簽由于具有無線、無源、抗干擾能力強(qiáng)與傳輸距離長等特點(diǎn)，成為當(dāng)前非接觸識別技術(shù)中很有特色的一種，具有廣泛的市場前景。
在無線電傳感系統(tǒng)需要對射頻頻帶寬度的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這就要求系統(tǒng)。自從大規(guī)模集成技術(shù)的得到廣泛應(yīng)用以來，數(shù)字信號處理器 (DSP)在功能、處理速度和處理能力方面都取得了劃時(shí)代的突破 ,并廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)通信、信號處理等技術(shù)領(lǐng)域中 ,展示了其獨(dú)特的應(yīng)用潛力。
本文討論的無線傳感裝置就是采用了定點(diǎn)DSP芯片TMS320C6201進(jìn)行計(jì)算和控制，具有高速的數(shù)字運(yùn)算能力和高速的數(shù)據(jù)通信能力。

2. 工作原理

聲表面波無源辨識標(biāo)簽主要由壓電基片、叉指換能器、天線和反射極組成。辨識標(biāo)簽工作原理如圖1所示。通過帶主動式天線的射頻信號發(fā)射出高頻脈沖信號后，辨識標(biāo)簽傳感器經(jīng)由其天線接收，該信號傳至叉指換能器，由于基片的逆壓電效應(yīng)，換能器激發(fā)出同頻的SAW，該SAW沿基片表面?zhèn)鞑?，到達(dá)一系列緊密排列編碼的反射柵后，部分能量得以反射回叉指換能器，通過基片的壓電效應(yīng)再次轉(zhuǎn)變成電磁波由天線發(fā)射回來，接收系統(tǒng)即可得到一系列編碼的高頻回波信號（如圖2所示），由收發(fā)單元接收和信號處理后以辨識不同的目標(biāo)。

聲表面波標(biāo)簽傳感器的反射極可看作是條形碼般的編碼裝置，如在反射極區(qū)域能布置32條標(biāo)簽條，則回波信號可得到232個(gè)狀態(tài)，可分別表示不同編號的車輛、集裝箱、工件、人或動物等目標(biāo)以供識別。

為提高辨識目標(biāo)的種類，在大容量的反射柵的情況下，降低辨識標(biāo)簽的插入損耗，提高反射信號的能量，從而提高無線接收信號的信噪比是實(shí)用化的關(guān)鍵。

3. 硬件結(jié)構(gòu)

此硬件設(shè)計(jì)采用了軟件無線電的中心思想，即構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)，其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 聲表面波無線傳感系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖3可見，其結(jié)構(gòu)主要由天線、射頻前端、寬帶A/D-D/A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號處理器以及各種軟件組成。射頻前端在發(fā)射時(shí)主要完成上變頻、濾波、功率放大等任務(wù)，接收時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波、放大、下變頻等功能。模擬信號進(jìn)行數(shù)字化后的處理任務(wù)完全由DSP軟件承擔(dān)。

天線/射線部分：

信號收發(fā)系統(tǒng)包括高頻發(fā)送電路、高頻接收電路、快速切換開關(guān)、天線和中頻調(diào)制解調(diào)器等。在高頻信號的發(fā)送和接收電路中常使用的方式有三種：二次變頻式、一次變頻式和直接變頻式。二次變頻式采用兩個(gè)中頻，一個(gè)較高的中頻（第一中頻）用來提高抗干擾性能，而另一個(gè)較低中頻（第二中頻）用來提供大的放大量，高增益和穩(wěn)定性都容易得到保證，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且組合頻率干擾比較嚴(yán)重；直接變頻結(jié)構(gòu)實(shí)際上不使用中頻放大，接收機(jī)直接變換移頻鍵控（FSK）的fc+f與fc-f的頻率成分為數(shù)字輸出比特電流，所有濾波工作都在低頻完成，它易于大規(guī)模集成化，使器件能大幅度小型化，但其內(nèi)部存在不平衡信號和寄生干擾等問題；一次變頻方式只需一個(gè)本振，因而電路簡單，頻率穩(wěn)定度也較高，但需用一個(gè)中頻同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益與高穩(wěn)定性，與二次變頻方式相比，整機(jī)使用的元器件可減少，便于集成化。本系統(tǒng)同時(shí)考慮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和調(diào)試方便，采用一次變頻的超外差式電路。系統(tǒng)中頻(IF)選擇為70MHz，系統(tǒng)的射頻(RF)為270MHz。

高頻發(fā)送電路主要有高頻振蕩器、緩沖放大器、上行變換器和功率放大器等部分組成，其作用是將一等幅的調(diào)制信號作為聲表面波標(biāo)簽傳感器的激勵信號通過天線發(fā)送出去；高頻接收電路有低噪聲放大器、下行變換器、寬帶增益等，其任務(wù)是將天線感應(yīng)到的聲表面波標(biāo)簽的高頻反射信號解調(diào)出其正交分量Q和同相分量I。

快速切換開關(guān)的作用是讓高頻信號單向傳輸。在發(fā)送時(shí)，信號從功率放大器傳向天線，有效地阻止它對接收支路的影響；而從天線過來的接收信號能有效地傳向接收回路。天線發(fā)射和接收電磁波的能力，與天線結(jié)構(gòu)、尺寸、使用的頻率有關(guān)，從電性能要求來說，要求天線有更大的尺寸，結(jié)構(gòu)上也可以更復(fù)雜一點(diǎn)，收、發(fā)天線宜分開。但從造型、實(shí)用角度看，又要求天線簡單、小巧。這是一對矛盾，往往犧牲電性能，讓天線服從造型的要求。系統(tǒng)可采用簡單的線天線作為信號的收發(fā)天線。

考慮到發(fā)射信號的功率受固定值的限制，因此，提高接收機(jī)的靈敏度尤為重要。在高頻電路中還應(yīng)包括一些相應(yīng)的匹配電路和濾波器，調(diào)整高頻匹配元件，使其工作于匹配狀態(tài)，使之發(fā)揮最佳效能。

數(shù)據(jù)處理部分：

雙通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是聲表面波自動目標(biāo)識別系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為識別系統(tǒng)的前端，用于采集聲表面波標(biāo)簽反射回波并經(jīng)濾波處理后的I、Q兩路信號。

如圖3所示，信號處理部分采用工作頻率為200MHz的TMS320C6201作為核心。采樣的時(shí)序由FPGA XCS20XL控制完成，主要包括控制天線的發(fā)射/接收開關(guān)切換、在接收傳感器信息時(shí)啟動A/D轉(zhuǎn)換、并將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲到4K×32位IDT7024雙口RAM中等內(nèi)容。在一次整周期采樣過程中數(shù)據(jù)量不超過640字節(jié)。當(dāng)被測量變化較慢時(shí)，對發(fā)射/接收機(jī)完成8次整周期采樣后進(jìn)行數(shù)據(jù)平均，然后DSP一次將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)讀至片內(nèi)RAM中，進(jìn)行運(yùn)算處理，然后送PC機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的功能或直接輸出。

在系統(tǒng)中，相位誤差大小與采樣所使用的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的性能緊密相關(guān)。理想情況下，ADC唯一的誤差源是量化，量化誤差是由在變換范圍內(nèi)可能取任何值的模擬輸入信號轉(zhuǎn)化為有限精度的數(shù)字序列時(shí)產(chǎn)生的；由于ADC信噪比為：

因此，恰當(dāng)選擇ADC的位數(shù)N和采樣頻率 不僅可以減少Nyquist帶內(nèi)的量化噪聲，從而提高信噪比，而且減小了量化誤差，是非常必要的。實(shí)際采用了12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9042，確定采樣頻率為40MHz。對中頻放大至2.4±0.5V，帶寬為8MHz的回波信號進(jìn)行采樣。

AD9042設(shè)計(jì)保證在40MHZ帶寬上具有80dB的無失真動態(tài)范圍，其噪聲性能也相當(dāng)好，典型的信噪比為68dB。雙口RAM7024讀寫速度為15nS，完全滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲要求。

通過對FPGA XCS20XL芯片的進(jìn)一步設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)使數(shù)字信號通過不同的方式從A/D到DSP的流程（基于FPGA的控制方式，F(xiàn)IFO方式，DMA傳送方式）。

評價(jià)模塊是一種低成本的開發(fā)板，EVMs的硬件平臺是帶有目標(biāo)處理器、板上存儲器和少量外設(shè)的PC機(jī)插卡，插卡上配有模擬輸入/輸出接口，EVM板可用來進(jìn)行DSP芯片評價(jià)、性能評估和有限的系統(tǒng)調(diào)試。

針對TMS320C6201的DSP器件，為方便DSP目標(biāo)板的開發(fā)，采用DSP2621PA評估板進(jìn)行硬件仿真。DSP2621PA板采用TI的DSP器件（TMS320C6201），最高運(yùn)行速度可達(dá)1600MIPS，適用于雷達(dá)、通信、圖象處理系統(tǒng)。板上配置了高速同步存儲器SBSRAM（128x32Bit）和SDRAM（4Mx32Bit）。兩路A/D可同時(shí)采集，每路最高采樣頻率可達(dá)40MHz，A/D采樣頻率可變。為方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)，板上配置了大容量的FPGA器件（2萬-3萬門）和外部I/O接口。板上還提供了一個(gè)McBSP 接口，兼容5V TTL電平，方便用戶與外部系統(tǒng)通信。板上可選擇的EPLD（800門），方便用戶專用邏輯的設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)選用的TMS320C6201處理器有352只管腳，采用BGAP封裝，可采用50MHz或100MHz的工作頻率，經(jīng)片內(nèi)鎖相環(huán)路（PLL）將外部時(shí)鐘頻率乘以2或4，可以使C6201的最高工作時(shí)鐘達(dá)200MHz,運(yùn)算能力達(dá)1600MIPS，指令周期僅為5ns。

硬件結(jié)構(gòu)TMS320C6201處理器硬件資源豐富，主要由三大部分組成：CPU、外圍設(shè)備和存儲器。C6201的地址總線為32位,尋址范圍達(dá)到4GB，存儲器空間可分為四部分：片內(nèi)程序空間(包括Cache)、片內(nèi)數(shù)據(jù)空間、外部存儲空間和內(nèi)部外圍設(shè)備空間。主要特性有：
內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同于一般DSP芯片，內(nèi)部同時(shí)集成了2個(gè)乘法器和6個(gè)算術(shù)運(yùn)算單元，且它們之間是高度正交的，使得在一個(gè)指令周期內(nèi)最大能支持8條32位的指令。

指令集不同。為充分發(fā)揮其內(nèi)部集成的各指令單元的獨(dú)立執(zhí)行能力，TI公司使用了超長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)，可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)并行執(zhí)行幾條指令。

大容量的片內(nèi)存儲器和大范圍的尋址能力。片內(nèi)集成了512K字程序存儲器和512K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲器，并擁有32位的外部存儲器接口。CPU可以在一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)訪問不同RAM塊的數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)存取的并行性。

智能外設(shè)。內(nèi)部集成了4個(gè)DMA控制器， 2個(gè)32位計(jì)時(shí)器，2個(gè)雙向多通道（128個(gè)）緩沖串行口。數(shù)據(jù)可為32，24，20，16，12或8位。

4. 結(jié)束語：

基于聲表面波傳感的無線標(biāo)簽識別系統(tǒng)無疑是未來聲表面波應(yīng)用的一個(gè)潛力巨大的研究方向，采用聲表面波傳感技術(shù)所組成的目標(biāo)識別系統(tǒng)給人一個(gè)全新的概念，具有非接觸（甚至不可見），低能耗、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)、快速數(shù)據(jù)讀取及傳輸處理和低價(jià)格小體積等優(yōu)點(diǎn)，并特別適合于對運(yùn)動對象的識別。隨著聲表面波識別技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展，以及面向?qū)嵱玫母黜?xiàng)措施的完善，應(yīng)用聲表面波技術(shù)的運(yùn)動目標(biāo)識別和定位系統(tǒng)將具有廣闊的發(fā)展前景。