系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1 系統(tǒng)功能模塊劃分

　　聲雷達(dá)信號采集系統(tǒng)主要由信號采集、信號處理,、電源和時(shí)鐘四部分組成,，如圖1所示。信號采集模塊由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的存儲器,，這種片內(nèi)大存儲量與高達(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,，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，防止它們對系統(tǒng)電源產(chǎn)生耦合干擾,。為了抑制由電壓波動引起的電流涌動和低頻干擾,，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，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)動能力,，嚴(yán)格的將每根信號線的長度控制在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)?；旌想娐罚O(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模擬信號的干擾,，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)字信號走線和模擬信號走線要分開布放;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)動芯片,，切入硬件仿真環(huán)境時(shí)Visual DSP會出錯(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,。

    3 軟件實(shí)現(xiàn)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分包括CPLD的軟件設(shè)計(jì)和DSP內(nèi)部的程序代碼,。

　　AD7864的一些輸入引腳需要進(jìn)行配置，完成這個(gè)任務(wù)的是Altera公司的CPLD產(chǎn)品MAX3256A,。AD7864需要進(jìn)行配置的各引腳的具體狀態(tài)如表1所示,。

　　AD7864數(shù)據(jù)輸出控制采取分時(shí)輸出的方式。4片AD7864分為兩組：1,、2片一組,，3、4片一組,。采樣信號來自于TS201的定時(shí)/計(jì)數(shù)器,，每次定時(shí)器計(jì)數(shù)滿時(shí)TMROE引腳上會產(chǎn)生4個(gè)總線時(shí)鐘(SCLK，54MHz)的高電平,，在CPLD里面把這個(gè)信號反向之后作為AD7864的CONVST信號。通過延時(shí)3,、4片的CONVST信號可以控制兩組AD7864分時(shí)工作,，延時(shí)電路及仿真波形如圖3所示。通過調(diào)節(jié)兩個(gè)比較器的數(shù)值,，可以產(chǎn)生符合系統(tǒng)需要的波形,。

　　圖3 CONVST延時(shí)電路及仿真波形

　　在數(shù)據(jù)傳輸上，1,、3片的數(shù)據(jù)占據(jù)低位數(shù)據(jù)線,，2、4片的數(shù)據(jù)占據(jù)高位數(shù)據(jù)線,，分時(shí)輸出防止了總線沖突的出現(xiàn),。由于AD7864-1是補(bǔ)碼輸出，因此DSP把數(shù)據(jù)讀回后還需作數(shù)據(jù)提取和符號擴(kuò)展處理,。數(shù)據(jù)提取主要是把高低位的數(shù)據(jù)分開,，符號擴(kuò)展是根據(jù)采集回來的數(shù)據(jù)的第12位來判斷數(shù)據(jù)的正負(fù)作不同的高位擴(kuò)展，具體程序如下,。

　　j0 = datum_out0;;

　　xr0 = [j0+=0];;//讀取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)

　　xr1 = 0xfff;;

　　xr2 = r0 and r1;;//提取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的第12位

　　xr3 = 0x800;;

　　xr4 = r2 and r3;;//判斷符號位是否為1

　　if AEQ, jump data(np);;//如果符號位不為1,，跳轉(zhuǎn)

　　xr5 = 0xfffff000;;//如果符號位為1,，高位擴(kuò)展

　　xr6 = r5 or r2;;

　　xr2 = xr6;;//xr2里是擴(kuò)展后的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

　　data:

　　......//數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理

　　結(jié)語

　　經(jīng)過測試，系統(tǒng)總線在54MHz時(shí)鐘下正常工作,，數(shù)據(jù)傳輸正確,，在內(nèi)核時(shí)鐘432MHz下，圓滿完成了數(shù)據(jù)處理及顯示的任務(wù)(實(shí)際耗時(shí)1100M/432M約為2.55s,，小于一幀時(shí)間),。