探測系統(tǒng)對輸入的空間瞬態(tài)光輻射信號進(jìn)行實(shí)時識別處理，反演估算出空間瞬態(tài)信號能量大小并報告發(fā)生時刻,。采用dsp+cpld的數(shù)字處理方案,，利用dsp的高速數(shù)字信號處理特性及cold的復(fù)雜邏輯可編程特性，可實(shí)現(xiàn)對瞬態(tài)信號的實(shí)時識別和處理,。其中用cpld實(shí)現(xiàn)a/d變速率采樣,，解決了嵌入式系統(tǒng)線路板面積有限與實(shí)時處理需要大容量存儲空間的矛盾。
實(shí)時處理我國現(xiàn)役空間瞬態(tài)光輻射信號探測系統(tǒng)中,，老型號較多,，大部分沒有配備自動檢測和錄取設(shè)備?？臻g瞬態(tài)信號的錄取,、數(shù)據(jù)的處理和上報大多由人工進(jìn)行,，難以勝任復(fù)雜環(huán)境下快速、準(zhǔn)確錄取信號以及氣象情報入網(wǎng)的要求,。為適應(yīng)現(xiàn)代化氣象分析的要求,，采用dsp+cpld的方式將極大地提高現(xiàn)有空間瞬態(tài)信號探測的自動錄取和分析能力。
在實(shí)時信號處理技術(shù)中,，dsp+cpld方式是目前國際上比較通用的方法,，如美國,、俄羅斯等多采用這種方式,。dsp是一種可編程的數(shù)字微處理器。與單片機(jī)相比,，dsp芯片具有更適于數(shù)字信號處理的軟件和硬件資源,，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法。本文采用美國ti公司的tms320c3ｘ系列浮點(diǎn)dsp芯片tms320c32作為整個系統(tǒng)的主機(jī),，利用其完成系統(tǒng)的控制和數(shù)字信號處理功能,。
cpld是一種多用途、高密度的復(fù)雜可編程邏輯器件,，可將系統(tǒng)的部分或全部功能集成在一塊芯片上,，并且具有設(shè)計(jì)方便靈活、易于修改等特點(diǎn),，可大大縮短研制時間,，并減小系統(tǒng)硬件復(fù)雜度。本文采用美國altera公司的maｘ7000s系列cpld芯片epm7128slc84,，利用cpld實(shí)現(xiàn)a/d變速率采樣及其它邏輯控制,。
1 系統(tǒng)組成及基本原理本探測系統(tǒng)主要解決了嵌入式系統(tǒng)線路板面積有限與實(shí)時數(shù)據(jù)處理需要大量存儲空間的矛盾，實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理信號,。
空間瞬態(tài)光輻射信號實(shí)時探測系統(tǒng)主要由三大模塊組成：前級預(yù)處理電路模塊,、a/d變速率采樣模塊、dsp信號識別及存儲模塊,。
各模塊的主要功能為：
(1)前級預(yù)處理電路模塊,，負(fù)責(zé)空間瞬態(tài)光輻射信號的光電轉(zhuǎn)換、背景扣除,、動態(tài)范圍壓縮等任務(wù),；
(2)a/d變速率采樣模塊，負(fù)責(zé)觸發(fā)信號產(chǎn)生,、上升速率初判,、信號采集時序控制、a/d變速率采樣及fifo緩沖存儲等任務(wù),；
(3)dsp信號識別及存儲模塊,，負(fù)責(zé)對空間瞬態(tài)信號進(jìn)行快速識別處理,，反演計(jì)算出能量大小，報告事件發(fā)生時刻并存儲和傳輸數(shù)據(jù),；同時控制整個系統(tǒng),、并與pc機(jī)或其它系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送。
2 前級預(yù)處理電路模塊
2．1光電轉(zhuǎn)換
由于空間瞬態(tài)光輻射信號速度快,、動態(tài)范圍大,，故對光輻射探測器要求較高。本文采用日本濱松公司的s2387－1010r硅光電二極管,，它具備靈敏度高,、動態(tài)范圍大、時間響應(yīng)快和覆蓋范圍大等特性,。
2．2 背景扣除
太陽光輻射能量比空間瞬態(tài)光輻射信號能量高幾個數(shù)量級,。對于系統(tǒng)而言，由于太陽光的影響,，目標(biāo)信號十分微弱,，大多掩埋在強(qiáng)噪聲之中。因此必須對強(qiáng)背景信號進(jìn)行扣除處理,，提取出有用目標(biāo)事件瞬態(tài)信號,。
在信號自動處理和分析技術(shù)中，強(qiáng)背景下弱信號的提取是一個難點(diǎn),。本文根據(jù)背景信號變化緩慢而目標(biāo)信號變化快速的特點(diǎn),，采用高通濾波器對信號進(jìn)行背景扣除。
高通濾波器在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上可以采用數(shù)字電路,，也可以采用模擬電路,。為簡化電路、減輕后續(xù)處理電路壓力,，本文采用電容,、電阻等構(gòu)建一個模擬高通濾波器進(jìn)行背景扣除。
濾波器的傳遞函數(shù)為：
h(s)＝r/[(1/sc)+r]＝src/(1+src)
選擇適當(dāng)電阻,、電容值即可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信號的背景扣除,。
2．3 動態(tài)范圍壓縮
空間瞬態(tài)光輻射信號的動態(tài)范圍太大，如果直接對其進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換,，則a/d的量化分辨率至少要15bit,，并且因bit數(shù)多而增加后級數(shù)字信號處理的數(shù)據(jù)量、降低系統(tǒng)的實(shí)時性,。因此采用對數(shù)放大器對信號的動態(tài)范圍進(jìn)行對數(shù)壓縮,。采用12bit的a/d轉(zhuǎn)換器即可滿足要求，且減少了處理的數(shù)據(jù)量,，提高了系統(tǒng)實(shí)時性,。本文采用美國ti公司的tl441m對數(shù)放大器,。它是由四級30db對數(shù)放大器級聯(lián)成的單片高性能對數(shù)放大器芯片，可以得到120db的輸入電壓動態(tài)范圍,。
3 a/d變速率采樣模塊
3．1 閾值觸發(fā)
經(jīng)前級預(yù)處理后,，目標(biāo)信號進(jìn)入閾值觸發(fā)電路中的電壓比較器。dsp設(shè)置閾值信號,，鎖存后經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換輸出到電壓比較器,，與輸入的目標(biāo)信號進(jìn)行比較：若目標(biāo)信號超過閾值信號，則產(chǎn)生觸發(fā)信號并驅(qū)動時序控制電路及a/d轉(zhuǎn)換電路工作,；否則不工作,。
3．2 cpld控制a/d變速率采樣
為了進(jìn)一步減少信號處理的數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理,，本文采用了變速率采樣的方法解決線路板面積有限與數(shù)據(jù)處理需要大容量存儲空間的矛盾,。
由空間瞬態(tài)光輻射信號特征可知，其初始值變化速度快,，高頻分量所占比重較大；而后面信號變化速度逐漸減小,，越靠后信號越接近緩變信號,，低頻含量高。所以采用采樣間隔逐漸增大的方法實(shí)現(xiàn)變速率采樣,。
初始采樣頻率為f,每隔m個采樣點(diǎn)采樣頻率下降一半,一直到采樣結(jié)束,。在電路實(shí)現(xiàn)中采用的方法是：a/d轉(zhuǎn)換器按照固定的轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，而cpld控制采樣數(shù)據(jù)的變速率接收并存儲至fifo,。
fifo存儲數(shù)據(jù)由其寫使能控制信號wen(低電平有效)決定：當(dāng)wen為低電平時,，數(shù)據(jù)在每個寫時鐘信號wclk的上升沿寫入fifo；當(dāng)wen為高電平時,，數(shù)據(jù)保持不變,。因此，控制fifo變速率接收數(shù)據(jù)即控制它的寫使能信號wen為低電平的間隔變速率變化,。 在cpld中由寫時鐘信號wclk每隔m點(diǎn)二分頻后,、再調(diào)整占空比即可實(shí)現(xiàn)wen的時序信號。
cpld對fifo變速率接收采樣數(shù)據(jù)的邏輯控制,，用美國altera公司的軟件mux+plus ii可由三種方法實(shí)現(xiàn)：一是用計(jì)數(shù)器,、分頻器等畫電路圖實(shí)現(xiàn)；二是用vhdl語言或ahdl語言編程實(shí)現(xiàn),；三是輸入時序波形文件實(shí)現(xiàn),。針對本系統(tǒng)而言，采取第二本文中a/d轉(zhuǎn)換器采用美國ad公司的ad678,，它是一個12bit的多用途a/d轉(zhuǎn)換器,，內(nèi)部包括采樣保持器,、微處理器接口、基準(zhǔn)電壓源和時鐘驅(qū)動電路,，具有高可靠性和低功耗等特性,。
3．3 由cpld進(jìn)行上升速率初判
目標(biāo)信號幅度值從超過閾值起始點(diǎn)開始的一段時間內(nèi)的上升速率是判斷其能量范圍的重要判據(jù)。因此電路中采用cpld對a/d采樣的數(shù)據(jù)做初步判斷,。當(dāng)目標(biāo)信號上升速率滿足設(shè)定要求時,，產(chǎn)生上升速率觸發(fā)信號，并與其它結(jié)果做符合判定,；否則丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù),，等待下一次探測數(shù)據(jù)。
3．4 fifo存儲
fifo(first in first out)是一種先進(jìn)先出的存儲器,，即先讀入的數(shù)據(jù)先讀出,。fifo存儲器自身的訪問時間一般為幾十納秒。a/d轉(zhuǎn)換器等外設(shè)速度一般比dsp慢,。如果采用fifo,，a/d可以先將數(shù)據(jù)送往fifo，一旦fifo滿,，fifo再向dsp申請中斷,。這樣可以省去dsp等待與查詢的時間，而且中斷次數(shù)也可以減少,，從而提高傳輸速度,。
本系統(tǒng)中,fifo作為緩沖存儲器給上升速率初判電路和dsp處理器提供數(shù)據(jù)，同時作為變速率采樣結(jié)果的暫存單元,。本文采用美國idt公司的idt72xxx系列同步并行fifo實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的緩存,。
4 dsp信號識別及存儲模塊
4．1 dsp處理及存儲
目標(biāo)信號自動識別能量范圍和錄取的核心是dsp信號處理模塊。為了滿足實(shí)時處理的要求,，硬件的選取應(yīng)以盡可能少的占用系統(tǒng)時間資源為基礎(chǔ),。從這個基本原則出發(fā)，采用tms320c32作為處理器,。它是目前ti公司浮點(diǎn)dsp系列中性價比較高,、在國內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用的芯片。它的指令周期為33/40/50ns,，具有豐富的硬件資源,，如內(nèi)部有512字節(jié)的ram、串行口,、分開的程序總線,、數(shù)據(jù)總線和dma總線等，并且外部存儲器寬度可變、有程序引導(dǎo)(boot－load)功能,。在軟件方面,，它豐富的指令系統(tǒng)、靈活的程序控制,、流水線操作和多樣的尋址方式等特點(diǎn)使其特別適合于數(shù)字信號處理,。
dsp處理模塊主要由dsp、慢速eprom,、高速sram,、絕對時鐘芯片rtc(real－time－clock)及rs232串口組成 。其中,，選擇慢速eprom主要是為了降低系統(tǒng)成本,，本文采用美國atmel公司的at27c010芯片。用于存儲程序和初始化數(shù)據(jù),。高速sram用于程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)的暫存,，本文采用美國issi公司的is61c6416芯片，它與慢速eprom配合,，既降低了系統(tǒng)成本,，又能使程序快速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對信號的實(shí)時處理,。
一旦目標(biāo)事件發(fā)生,，輸入信號經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)緩存在fifo中,，以備dsp調(diào)用。dsp上電復(fù)位后,，將存儲在慢速eprom中的程序裝載到高速sram中運(yùn)行,，對暫存在fifo中的目標(biāo)信號數(shù)據(jù)進(jìn)行能量范圍的識別和處理；然后從絕對時鐘芯片rtc取得目標(biāo)事件發(fā)生的時刻值,，和處理結(jié)果一起存儲在sram中,；并將信號處理結(jié)果與發(fā)生時刻值從rs232串口輸出到pc機(jī)。
系統(tǒng)工作流程是：空間瞬態(tài)光輻射信號經(jīng)光輻射探測器轉(zhuǎn)換為電信號,，經(jīng)前級預(yù)處理電路放大,、去噪并壓縮動態(tài)范圍；若信號超過閾值,，則閾值觸發(fā)電路觸發(fā)a/d采樣后暫存在fifo中,，否則不觸發(fā)a/d；由上升速率初判電路初步檢測信號初始值的上升速率?熏當(dāng)上升速率滿足設(shè)定要求時,，產(chǎn)生上升速率觸發(fā)信號,，否則丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù)；上升速率觸發(fā)信號產(chǎn)生后，dsp從fifo中取得數(shù)據(jù),，對信號進(jìn)行模式識別和處理,，存儲處理結(jié)果并經(jīng)接口電路傳送到pc機(jī)。
4．2 絕對時鐘芯片rtc
所謂絕對時鐘是指不僅支持每天時間的更新,，而且支持日期(世紀(jì),、年、日,、星期)更新的一種永久性時鐘電路,。本文采用美國motorala公司的ds12887時鐘芯片，它對年,、月,、日、時,、分,、秒、星期進(jìn)行自動記錄,，內(nèi)含114字節(jié)的ram單元和內(nèi)置晶振電路,，支持多種中斷方式，備用電池可供其工作10年,，是目前計(jì)算機(jī)上的主流實(shí)時時鐘芯片,。
4．3 rs232串口
由于rs232串口電平標(biāo)準(zhǔn)采用了負(fù)邏輯，與dsp的電平標(biāo)準(zhǔn)不兼容,，所以采用rs232串口收發(fā)的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,。本文采用美國maxim公司的max232芯片作為電平轉(zhuǎn)換器件，它僅需+5v電源,，電平轉(zhuǎn)換所需的±10v電源由片內(nèi)電荷泵產(chǎn)生,。
dsp芯片自帶的串口為同步串口，而rs232信號是異步信號,，故需外加異步串行通信接口芯片uart(universal asynchronous receiver/transmitter),。本文采用美國ti公司的tl16c550芯片，它具有全雙工,、雙緩沖器發(fā)送器和接收器,。uart接收dsp發(fā)送的處理結(jié)果和發(fā)生時刻值，存入自身所帶的fifo中,，再通過max232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,，最后從rs232串口中輸出到pc機(jī)。
本系統(tǒng)采用dsp+cpld模式實(shí)現(xiàn)對空間瞬態(tài)光輻射信號的實(shí)時處理,，有效解決了線路板面積有限和實(shí)時處理需大容量存儲空間的矛盾,，從而使系統(tǒng)性價比達(dá)到最佳狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)可識別一般空間瞬態(tài)信號,，結(jié)果較為理想,。