基于DSP的無(wú)線(xiàn)傳感系統設計

1. 引言

在現代信息社會(huì )中，目標辨識已經(jīng)得到了廣泛的應用。例如超市中貨物的識別、圖書(shū)館中書(shū)刊的識別、銀行磁卡等都是目標識別系統應用的實(shí)例。尤其是近年來(lái)，自動(dòng)識別方法在許多服務(wù)領(lǐng)域、在貨物銷(xiāo)售與后勤分配方面、在商業(yè)部門(mén)、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——紙帶在識別系統領(lǐng)域引起了一場(chǎng)革命并得到了廣泛的認同與應用。但是隨著(zhù)現代社會(huì )的發(fā)展，這種技術(shù)在越來(lái)越多的情況下不能滿(mǎn)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(xiě)。目前，另一種廣泛使用的技術(shù)是接觸式IC卡（電話(huà)IC卡、銀行卡），它是將數據存儲在一塊硅芯片里。然而，在許多情況下，機械觸點(diǎn)的接通是不可靠的。特別是對于運動(dòng)目標或不可觸及的目標更顯得無(wú)能為力。于是研究更好的目標識別技術(shù)尤其是非接觸識別技術(shù)，有了它深刻的現實(shí)意義。

近年來(lái)，非接觸識別已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個(gè)獨立的跨學(xué)科的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。這個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域與任何傳統學(xué)科都不相同。它將大量來(lái)自完全不同專(zhuān)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、半導體技術(shù)、數據保護和密碼學(xué)、電信、制造技術(shù)和許多專(zhuān)業(yè)應用領(lǐng)域?；诼暠砻娌夹g(shù)的辨識標簽由于具有無(wú)線(xiàn)、無(wú)源、抗干擾能力強與傳輸距離長(cháng)等特點(diǎn)，成為當前非接觸識別技術(shù)中很有特色的一種，具有廣泛的市場(chǎng)前景。
在無(wú)線(xiàn)電傳感系統需要對射頻頻帶寬度的采樣數據進(jìn)行處理，這就要求系統。自從大規模集成技術(shù)的得到廣泛應用以來(lái)，數字信號處理器 (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 ,并廣泛應用在數據通信、信號處理等技術(shù)領(lǐng)域中 ,展示了其獨特的應用潛力。
本文討論的無(wú)線(xiàn)傳感裝置就是采用了定點(diǎn)DSP芯片TMS320C6201進(jìn)行計算和控制，具有高速的數字運算能力和高速的數據通信能力。

2. 工作原理

聲表面波無(wú)源辨識標簽主要由壓電基片、叉指換能器、天線(xiàn)和反射極組成。辨識標簽工作原理如圖1所示。通過(guò)帶主動(dòng)式天線(xiàn)的射頻信號發(fā)射出高頻脈沖信號后，辨識標簽傳感器經(jīng)由其天線(xiàn)接收，該信號傳至叉指換能器，由于基片的逆壓電效應，換能器激發(fā)出同頻的SAW，該SAW沿基片表面傳播，到達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(guò)基片的壓電效應再次轉變成電磁波由天線(xiàn)發(fā)射回來(lái)，接收系統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。

聲表面波標簽傳感器的反射極可看作是條形碼般的編碼裝置，如在反射極區域能布置32條標簽條，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(chē)輛、集裝箱、工件、人或動(dòng)物等目標以供識別。

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

3. 硬件結構

此硬件設計采用了軟件無(wú)線(xiàn)電的中心思想，即構造一個(gè)具有開(kāi)放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調制解調類(lèi)型、數據格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來(lái)完成，并使寬帶A/D和D/A轉換器盡可能靠近天線(xiàn)，以研制出具有高度靈活性、開(kāi)放性的新一代無(wú)線(xiàn)通信系統，其組成結構如圖3所示。

圖3 聲表面波無(wú)線(xiàn)傳感系統硬件結構

由圖3可見(jiàn)，其結構主要由天線(xiàn)、射頻前端、寬帶A/D-D/A轉換器、通用和專(zhuān)用數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)現濾波、放大、下變頻等功能。模擬信號進(jìn)行數字化后的處理任務(wù)完全由DSP軟件承擔。

天線(xiàn)/射線(xiàn)部分：

信號收發(fā)系統包括高頻發(fā)送電路、高頻接收電路、快速切換開(kāi)關(guān)、天線(xiàn)和中頻調制解調器等。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(lái)提高抗干擾性能，而另一個(gè)較低中頻（第二中頻）用來(lái)提供大的放大量，高增益和穩定性都容易得到保證，但其結構比較復雜且組合頻率干擾比較嚴重；直接變頻結構實(shí)際上不使用中頻放大，接收機直接變換移頻鍵控（FSK）的fc+f與fc-f的頻率成分為數字輸出比特電流，所有濾波工作都在低頻完成，它易于大規模集成化，使器件能大幅度小型化，但其內部存在不平衡信號和寄生干擾等問(wèn)題；一次變頻方式只需一個(gè)本振，因而電路簡(jiǎn)單，頻率穩定度也較高，但需用一個(gè)中頻同時(shí)實(shí)現高增益與高穩定性，與二次變頻方式相比，整機使用的元器件可減少，便于集成化。本系統同時(shí)考慮系統實(shí)現和調試方便，采用一次變頻的超外差式電路。系統中頻(IF)選擇為70MHz，系統的射頻(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制信號作為聲表面波標簽傳感器的激勵信號通過(guò)天線(xiàn)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(xiàn)感應到的聲表面波標簽的高頻反射信號解調出其正交分量Q和同相分量I。

快速切換開(kāi)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(xiàn)，有效地阻止它對接收支路的影響；而從天線(xiàn)過(guò)來(lái)的接收信號能有效地傳向接收回路。天線(xiàn)發(fā)射和接收電磁波的能力，與天線(xiàn)結構、尺寸、使用的頻率有關(guān)，從電性能要求來(lái)說(shuō)，要求天線(xiàn)有更大的尺寸，結構上也可以更復雜一點(diǎn)，收、發(fā)天線(xiàn)宜分開(kāi)。但從造型、實(shí)用角度看，又要求天線(xiàn)簡(jiǎn)單、小巧。這是一對矛盾，往往犧牲電性能，讓天線(xiàn)服從造型的要求。系統可采用簡(jiǎn)單的線(xiàn)天線(xiàn)作為信號的收發(fā)天線(xiàn)。

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

數據處理部分：

雙通道高速數據采集系統是聲表面波自動(dòng)目標識別系統的一個(gè)重要組成部分。該數據采集系統作為識別系統的前端，用于采集聲表面波標簽反射回波并經(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(xiàn)的發(fā)射/接收開(kāi)關(guān)切換、在接收傳感器信息時(shí)啟動(dòng)A/D轉換、并將A/D轉換結果存儲到4K×32位IDT7024雙口RAM中等內容。在一次整周期采樣過(guò)程中數據量不超過(guò)640字節。當被測量變化較慢時(shí)，對發(fā)射/接收機完成8次整周期采樣后進(jìn)行數據平均，然后DSP一次將預處理后的數據讀至片內RAM中，進(jìn)行運算處理，然后送PC機實(shí)現進(jìn)一步的功能或直接輸出。

在系統中，相位誤差大小與采樣所使用的模/數轉換器(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可能取任何值的模擬輸入信號轉化為有限精度的數字序列時(shí)產(chǎn)生的；由于A(yíng)DC信噪比為：

因此，恰當選擇ADC的位數N和采樣頻率 不僅可以減少Nyquist帶內的量化噪聲，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位模數轉換器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設計保證在40MHZ帶寬上具有80dB的無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍，其噪聲性能也相當好，典型的信噪比為68dB。雙口RAM7024讀寫(xiě)速度為15nS，完全滿(mǎn)足系統的數據存儲要求。

通過(guò)對FPGA XCS20XL芯片的進(jìn)一步設計，可以實(shí)現使數字信號通過(guò)不同的方式從A/D到DSP的流程（基于FPGA的控制方式，FIFO方式，DMA傳送方式）。

評價(jià)模塊是一種低成本的開(kāi)發(fā)板，EVMs的硬件平臺是帶有目標處理器、板上存儲器和少量外設的PC機插卡，插卡上配有模擬輸入/輸出接口，EVM板可用來(lái)進(jìn)行DSP芯片評價(jià)、性能評估和有限的系統調試。

針對TMS320C6201的DSP器件，為方便DSP目標板的開(kāi)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），最高運行速度可達1600MIPS，適用于雷達、通信、圖象處理系統。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40MHz，A/D采樣頻率可變。為方便用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，板上配置了大容量的FPGA器件（2萬(wàn)-3萬(wàn)門(mén)）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(hù)與外部系統通信。板上可選擇的EPLD（800門(mén)），方便用戶(hù)專(zhuān)用邏輯的設計。

本系統選用的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200MHz,運算能力達1600MIPS，指令周期僅為5ns。

硬件結構TMS320C6201處理器硬件資源豐富，主要由三大部分組成：CPU、外圍設備和存儲器。C6201的地址總線(xiàn)為32位,尋址范圍達到4GB，存儲器空間可分為四部分：片內程序空間(包括Cache)、片內數據空間、外部存儲空間和內部外圍設備空間。主要特性有：
內部結構不同于一般DSP芯片，內部同時(shí)集成了2個(gè)乘法器和6個(gè)算術(shù)運算單元，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)揮其內部集成的各指令單元的獨立執行能力，TI公司使用了超長(cháng)指令字（VLIW）結構，可在一個(gè)時(shí)鐘周期內并行執行幾條指令。

大容量的片內存儲器和大范圍的尋址能力。片內集成了512K字程序存儲器和512K字數據存儲器，并擁有32位的外部存儲器接口。CPU可以在一個(gè)周期內同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)不同RAM塊的數據，增強了數據存取的并行性。

智能外設。內部集成了4個(gè)DMA控制器， 2個(gè)32位計時(shí)器，2個(gè)雙向多通道（128個(gè)）緩沖串行口。數據可為32，24，20，16，12或8位。

4. 結束語(yǔ)：

基于聲表面波傳感的無(wú)線(xiàn)標簽識別系統無(wú)疑是未來(lái)聲表面波應用的一個(gè)潛力巨大的研究方向，采用聲表面波傳感技術(shù)所組成的目標識別系統給人一個(gè)全新的概念，具有非接觸（甚至不可見(jiàn)），低能耗、抗環(huán)境干擾能力強、快速數據讀取及傳輸處理和低價(jià)格小體積等優(yōu)點(diǎn)，并特別適合于對運動(dòng)對象的識別。隨著(zhù)聲表面波識別技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展，以及面向實(shí)用的各項措施的完善，應用聲表面波技術(shù)的運動(dòng)目標識別和定位系統將具有廣闊的發(fā)展前景。