基于DSP的無(wú)人值守地面探測系統

傳統的無(wú)人值守地面探測系統可以探測一定范圍內的地面運動(dòng)目標。其工作模式是把采集到的信號發(fā)送回地面接收站再進(jìn)行處理。此方法不能實(shí)現終端實(shí)時(shí)信號處理，且反應時(shí)間較長(cháng)。另外，信號在傳輸和接收的過(guò)程中會(huì )受到不同程度的干擾，這樣就會(huì )使識別效果出現偏差，特別是在復雜電磁環(huán)境條件下，無(wú)線(xiàn)通信時(shí)間越長(cháng)，傳輸數據量越大，則受到的干擾越多，且探測系統越容易被敵方發(fā)現。本文所設計的探測系統提出了一種實(shí)時(shí)處理信號的方法，直接將處理的結果發(fā)送給決策者，這樣既避免了震動(dòng)和聲音信號在傳輸過(guò)程中的失真，又縮短了反應時(shí)間，同時(shí)還增加了探測系統的隱蔽性。

系統總體方案設計

無(wú)人值守探測系統一般由地震動(dòng)和聲音傳感器、中央處理芯片、運算放大電路以及無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置等模塊組成，通過(guò)傳感器系統采集震動(dòng)和聲音信號經(jīng)過(guò)濾波電路、運算放大電路以及AD轉換電路將模擬信號轉換為數字信號，再對這些信號進(jìn)行時(shí)頻分析，以期達到識別目標性質(zhì)的目的。根據系統探測和監視的需求，地震動(dòng)傳感器應能探測到200m以?xún)鹊倪\動(dòng)車(chē)輛及20m以?xún)热藛T腳步的信號，聲音傳感器應能感應到600m以?xún)鹊能?chē)輛噪聲。

由于DSP處理器具有效率高，適合數據量較大、算法較復雜的信號處理等特點(diǎn)，因此本文選取DSP作為無(wú)人值守地面探測系統運算處理芯片。

本文所設計的地面探測系統主要由前端探測識別——地面探測主系統和后端顯示——接收顯示子系統兩部分組成。當探測區域出現激勵時(shí)，系統開(kāi)始工作，DSP的集成A/D采樣接口開(kāi)始采集地震動(dòng)和聲音傳感器經(jīng)過(guò)放大調理的信號。DSP模塊識別目標性質(zhì)以后，通過(guò)串口發(fā)送相應的編碼到無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，然后經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸，發(fā)送到接收顯示子系統的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，最后通過(guò)單片機串口將編碼發(fā)送給單片機，將編碼代表的目標屬性在液晶模塊上顯示出來(lái)。系統工作原理如圖1所示。

設計所需器件選型

傳感器的選型

（1）地震動(dòng)傳感器

系統所使用的地震動(dòng)傳感器安裝在探測系統中并布設到地面上，用于檢測目標運動(dòng)引起的地震動(dòng)信號。

動(dòng)圈磁電式傳感器是地震勘探中廣泛使用的一種成熟的傳感器，其性能可靠、價(jià)格低廉，而且輸出信號對后續電路要求不高，可以簡(jiǎn)化系統電路設計。本文選用DX20動(dòng)圈磁電式傳感器。

（2）聲音傳感器

聲音傳感器主要用于檢測目標發(fā)動(dòng)機引起的噪聲和聲壓變化，是由探測到的聲音信號的頻率和聲強級來(lái)識別目標的出現。常用的聲音傳感器可分為電容式、碳粉式、壓電式和光纖聲音傳感器。其中電容式聲音傳感器具有較高的靈敏度、較低的自生噪聲及較低的失真，性能優(yōu)良，其性能可以滿(mǎn)足本系統的要求。本系統選用電容式聲音傳感器。

電子元件的選型

為了使該系統在野外長(cháng)期穩定地工作，系統需采用低功耗設計。在該系統中，DSP、運算放大器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的功耗占系統功耗的很大部分。所以對此三種器件的選擇需特別注意功耗的問(wèn)題。

（1）DSP的選型

隨著(zhù)半導體科技的發(fā)展，DSP的種類(lèi)越來(lái)越多。選擇DSP處理器主要從以下幾個(gè)方面考慮：

② 性能：描述DSP性能的最重要的指標是運算速度。

②片內硬件資源：片內硬件資源主要包括片內RAM、ROM的數量，I/O接口的種類(lèi)和個(gè)數，總線(xiàn)驅動(dòng)能力，外部可擴展的程序和數據空間等。

③系統運算量。

④通常，DSP的功耗是較大的，系統采用的DSP芯片需具有空閑模式，能夠做到有目標的時(shí)候探測，沒(méi)有目標的時(shí)候休眠的要求，以降低功耗。

TI公司是DSP主要生產(chǎn)廠(chǎng)家，它的產(chǎn)品主要包括TMS320C6000、TMS320C5000、TMS320C2000系列。其中，C5000DSP可達200MHz左右的工作時(shí)鐘頻率，被廣泛應用于語(yǔ)音信號處理和調制解調器等領(lǐng)域，其價(jià)格適中，且硬件設計要求比較高。

本系統所必需的DSP片內外設主要包括集成ADC轉換器、DPLL時(shí)鐘產(chǎn)生器、DMA控制器、EMIF、MCBSPS、通用定時(shí)器、看門(mén)狗定時(shí)器等，同時(shí)本系統具有一定的運算量。因此，本系統選用C5000DSP作為主要運算處理芯片。C5000 DSP包括C55x和C54x兩代產(chǎn)品。充分考慮到系統的實(shí)時(shí)性和低功耗要求，本系統選取TI公司生產(chǎn)的TMS320VC5509A作為核心計算單元，它的處理能力可達到400MIPS，其資源可以完成地震動(dòng)和聲音信號采樣以及目標識別功能。該型DSP具有休眠功能，當探測區域內沒(méi)有目標時(shí)，主系統DSP進(jìn)入旁路模式，處于空閑模式，其工作電流僅為16μA，大大降低了DSP的功耗；當目標出現時(shí)，DSP開(kāi)始工作。

TMS320VC5509A集成一個(gè)雙通道10位的模數轉換(ADC)模塊。模數轉換器不能工作在連續模式下，DSP必須向ADC控制寄存器(ADCctl)的ADCstart位寫(xiě)入1來(lái)初始化每次轉換。一旦轉換開(kāi)始，DSP必須等到轉換完成才能選擇另外一個(gè)通道或者初始化另外一次新的轉換。ADC不會(huì )向DSP發(fā)出中斷信號，所以DSP只有通過(guò)查詢(xún)ADC數據寄存器(ADCdata)的ADCBusy位來(lái)獲取ADC的狀態(tài)。當轉換完成時(shí)，ADCBusy由1被置為0，表示轉換數據已經(jīng)存放在數據寄存器ADCData中，然后DSP能夠從ADCData讀取數據。ADCData中也包含寄存器ADCctl中表示多路選擇器通道選擇值的ChSelect的值，所以DSP能夠鑒別是從哪個(gè)通道獲取的采樣值。

（2）外設控制和擴展芯片的選型

本系統的可編程邏輯器件需滿(mǎn)足上電即可工作，其作用是作為DSP外設控制和擴展的芯片，設計的組合邏輯比較多，因此首選CPLD。隨著(zhù)大規?？删幊唐骷陌l(fā)展，采用DSP+CPLD結構的信號處理系統顯示出了優(yōu)越性，該結構具有結構靈活，通用性較強，適于模塊化設計，易于維護和擴展。

可編程邏輯器件(CPLD)采用ALTERA公司的EPM570T100C5N來(lái)實(shí)現系統的接口邏輯。該邏輯器件采用FPGA結構，配置芯片集成在內部，和普通PLD一樣滿(mǎn)足上電即可工作。

（3）集成運放的選型

地震動(dòng)傳感器需探測200m以?xún)鹊倪\動(dòng)車(chē)輛及20m以?xún)热藛T腳步的信號，聲音傳感器需感應600m以?xún)鹊能?chē)輛噪聲（探測距離與傳感器的靈敏度關(guān)系非常密切）。在如此遠距離情況下，由傳感器檢測得到的目標信號很微弱，通常只有毫伏級。如此小的信號必須先經(jīng)過(guò)前置放大和預處理后才能進(jìn)行采集處理。另外，信號放大處理電路功耗應盡量小。

由于原始信號極其微弱，很容易被噪聲所淹沒(méi)，為了能有效抑制干擾，設計選用美國TI公司生產(chǎn)的OPA4336運算放大器，它的內部集成了四個(gè)運算放大器，具有精度高、功耗低等特點(diǎn)。

（4）其他器件的選型

SDRAM選用HY57V641620ETP，FLASH選用S29AL800D；選用78M05（12V-5V電壓轉換芯片）作為輔助芯片。

DSP系統設計

DSP工作模塊設計

在此主要介紹硬件電路設計，通常是指以DSP為中心的外圍電路設計，包括前向通道（輸入數據通道）和后向通道（輸出數據通道），以及復位電路、電源設計等。DSP工作模塊原理如圖2所示。

DSP系統采用四節3V高效能電池串聯(lián)供電（供電電壓DC12V），采用78M05轉換出來(lái)的DC5V，再由TLV1117-3.3和TLV1117-ADJ穩壓芯片提供的3.3V與1.6V兩種電壓作為DSP的工作電壓，并用JTAG口硬件仿真并下載程序，SDRAM用于動(dòng)態(tài)存儲采集到的數據，FLASH保存DSP運行程序，待復位后重新載入DSP內部RAM中運行，CPLD負責外圍器件的選擇控制。DSP通過(guò)16根數據線(xiàn)和14根地址線(xiàn)與SDRAM、FLASH、CPLD進(jìn)行通信。DSP作為系統的核心，完成信號采集、過(guò)零數分析、短時(shí)能量分析、功率譜相似性識別算法等處理過(guò)程。

系統電源模塊設計

主系統額定輸入電壓DC12V，78M05（圖3中U22）轉換出DC5V（供無(wú)線(xiàn)通信模塊使用）再由TLV1117-3.3（圖3中U2）和TLV1117-ADJ（圖3中U1）轉換DC3.3V和DC1.6V供DSP系統使用，系統電源電路如圖3所示。

由于本系統需要將采集到的信號做信號分析和變換等工作，對DSP的時(shí)鐘信號有較高的要求，因此采用12M有源晶振作為DSP系統工作時(shí)鐘源。DSP等各個(gè)芯片的濾波電容均放置于芯片的底層，一方面可以節省頂層布線(xiàn)空間，另一方面可以較好地濾除電源產(chǎn)生的毛刺等干擾信號。另外將10uF和0.1uF的電容交叉放置可以產(chǎn)生更好的濾波效果，系統晶振與DSP的濾波電容電路如圖4所示。

DSP與SDRAM和FLASH的接口電路設計

本系統硬件設計中涉及較多的DSP與存儲器的連接與訪(fǎng)問(wèn)。TMS320VC5509A的外部存儲器接口除了對異步存儲器的支持以外，還提供對同步突發(fā)靜態(tài)存儲器(SBSRAM)和同步動(dòng)態(tài)存儲器(SDRAM)的支持。異步存儲器可以是靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)、閃存等存儲設備，也可以是A/D轉換器件、并行顯示設備等。DSP與SDRAM和FLASH的接口電路如圖5所示。

存儲模塊的設計

DSP既可將SRAM作為程序存儲器，也可作為數據存儲器。本系統用FLASH存放程序，在系統運行時(shí)，為提高運行速度，需將程序從FLASH搬至快速SRAM中運行，此時(shí)SRAM地址映射在程序空間中，而當系統的數據存儲空間超過(guò)內部RAM時(shí)，SRAM地址映射在數據空間中。系統采用HY57V641620型動(dòng)態(tài)數據存儲器SDRAM作為SRAM。

為了充分發(fā)揮DSP性能，在加電后需要將用戶(hù)代碼裝載到高速RAM存儲器中運行。FLASH存儲器是一種高密度、非易失性的電可擦寫(xiě)存儲器，存儲量大，使用方便，適用于低功耗、高性能的系統。設計FLASH與DSP的接口時(shí)，FLASH的數據線(xiàn)和地址線(xiàn)分別和DSP的外部數據和地址總線(xiàn)相連，FLASH的分頁(yè)控制位A[13:18]位連接CPLD，對CPLD編程實(shí)現寄存器控制高位譯碼，使得DSP可以訪(fǎng)問(wèn)FLASH的高位存儲地址段。

傳感器調理及放大電路設計

（1）地震動(dòng)信號采集電路

考慮到地震動(dòng)信號的頻率均為150Hz以下，在儀器用測量放大器的基礎上添加了低通濾波電路，以進(jìn)一步抑制環(huán)境高頻噪聲對信號產(chǎn)生的不良影響，該低通濾波器將采集到的地震動(dòng)信號頻率限制在340Hz以下。

OPA4336是CMOS型、軌對軌輸入輸出的運算放大器，提供了4個(gè)獨立的放大器，具有高輸入阻抗、低輸入失調電壓、低輸入偏置電流、低噪聲等特點(diǎn)，其電源工作范圍為2.3V~5.5V。系統放大電路由兩級組成：兩個(gè)對稱(chēng)的同相放大器U6A和U6C構成第一級，U6B為第二級放大器，U6D是聲音放大器，震動(dòng)信號調理及放大電路如圖6所示。

該兩級放大電路，既滿(mǎn)足電路穩定性要求，又可提供一定倍數的增益。對經(jīng)過(guò)放大的信號進(jìn)行A/D轉換后即可送入DSP進(jìn)行信號的采集與識別。

（2）聲信號采集電路

聲音放大電路附加了一個(gè)一階低通硬件濾波器(C41=470pF)以消除較高頻環(huán)境噪聲。此外，由于采用單電源模式，供電電壓為3.3V，因此需提供一偏置電壓將參考電平拉高1.6V，以保證信號的完整性。為了電源去耦，應在電源引腳和印制線(xiàn)路板上與運放參考端之間連接一個(gè)旁路電容。同時(shí)該電容在元器件布局時(shí)應盡量靠近運放電源引腳。VOICE接聲音傳感器，AIN1接DSP的A/D轉換接口A(yíng)DC1。聲音信號調理及放大電路如圖7所示。

便攜式接收顯示子系統的設計

單片機接收系統電路設計

采用ATMEL公司推出的AT89S52作為單片機接收系統主控芯片。AT89S52除了具有8051的全部功能外，還內置了一些比較實(shí)用的功能部件。如AT89S52內部的程序存儲器是8KB可擦寫(xiě)的FLASH存儲器，支持在線(xiàn)系統編程ISP，調試非常方便。單片機接收系統電路如圖8所示。

液晶顯示電路設計

顯示模塊有兩種選擇方案：①用數碼管作為顯示器；②LCD液晶顯示。雖然數碼管使用簡(jiǎn)單，但不能顯示漢字、字符等，為了使指揮員能夠更加直觀(guān)并且更加迅速地了解目標的屬性，便攜式接收顯示子系統采用JM12864帶中文字庫的液晶顯示器作為顯示模塊。

JM12864可顯示漢字及圖形，內置8192個(gè)中文漢字（16×16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8×16點(diǎn)陣）及64×256點(diǎn)陣顯示RAM(SDRAM)。液晶顯示模塊電路如圖9所示。

無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊設計

無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊選用深圳科易連公司生產(chǎn)的KYL-1020L，它的優(yōu)點(diǎn)是通信距離遠，并且具有休眠控制功能，DSP可以通過(guò)軟件控制它處于工作或休眠狀態(tài)，極大地降低了系統功耗。

KYL-1020L具有如下特點(diǎn)：①載波頻率為433MHz；②多種可選的通訊接口，如RS-232和TTL；③8個(gè)通訊信道；④傳輸數率為9600bps；⑤數據格式為8N1/8E1/801；⑥提供方波傳輸功能，方便非標的編碼客戶(hù)使用；⑦收發(fā)一體，半雙工工作模式；⑧低功耗，并具有休眠功能；⑨工作溫度為-35℃~+75℃（工業(yè)級）。

KYL-1020L的休眠功能對本系統極為重要。由于休眠電流只有不到20μA，功率不到0.18mW，極大地降低了系統功耗，使得系統能夠長(cháng)時(shí)間工作。無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊電路如圖10所示。

結束語(yǔ)

本文完成了基于DSP無(wú)人值守地面探測系統的硬件設計。首先介紹了系統總體方案設計以及傳感器和電子元件的選型，然后闡述了DSP工作模塊、電源模塊、外部寄存器接口電路、存儲模塊和傳感器調理及放大電路的設計，最后介紹了便攜式接收顯示子系統的設計。該地面探測系統性能穩定，原理可行，能實(shí)時(shí)地為偵察或警戒分隊提供戰場(chǎng)信息。