DSP芯片在短波软件无线电侦察中的应用

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        1 引 言

  DSP芯片自诞生以来,在短时间内得到了飞速的发展,并已经在社会生活各个领域得到了广泛的应用。但是,开发应用DSP需要高额投资购置DSP开发系统和相应的开发软件,这对刚开始学习使用DSP的人来说,是难以接受的。

  德克萨斯仪器公司(TI)开发生产的初学者工具DSK(DSPStarter Kit),是为初学者进行DSP编程练习而提供的一套廉价的实时软件调试工具。它的特点是功能全,价格低,代码编译速度快,使用简单。

        DSK可以与PC机进行通信,在PC上进行编译、汇编,连接之后的程序可以通过串口或并口下载到DSK上DSP芯片的内部RAM执行。为了方便存储器等硬件资源的扩展,并形成用户DSP系统,DSK还将DSP芯片的数据与地址相应的控制信号引出。DSK的特点决定了它非常适合初次接触DSP的人员去掌握DSP,以及在系统设计阶段评估DSP的性能。TI公司目前的DSK产品可以支持C3x、C5x、C54x、C6211和C6711。TMS320 C6211 DSK基于C6000系列中低价位的片种TMS320C6211,它不仅能使开发人员熟悉C6000DSP,而且其功能还足够用于网络、通信、图像处理等具体应用的开发,因而具有极高的性价比。

       2 TMS320C6211 DSK的结构

       2.1 硬 件

  TMS320C6211 DSK是一块大约长21cm、宽12cm、高2cm的开发板。硬件结构如图1所示。核心采用定点运算芯片TMS320C6211,工作于150MHz时钟,峰值性能为1200MIPS,它是DSP业第一片使用了两级内部高速缓存(Cache)的DSP(L1 Cache 8Kbyte/L2 Cache 64Kbyte),内部RAM共72Kbyte。DSK的供电电源为5V的直流电源。

  TMS320C6211 DSK是一块通过并口与PC机相连的板卡。板上包括:一个150MHz的C6211 DSP,峰值性能为1200MIPS;双时钟,CPU工作在150MHz,外部存储器接口(EMIF)工作在100MHz;并行接口与PC机标准的并口对接;4Mbyte外部SDRAM和128Kbyte外部闪式存储器(Flash Memory),用于存储外部程序和数据;TI的TLC320AD535 16位数据转换器(Data Converter);TI的TPS56100电源管理器件(Power Manager Device)提供1.8V和3.3V的直流电;JTAG控制器,用于仿真和调试;用于外部扩展子卡的接口(Expansion Daughter Card Interface)。

         2.2 软 件

  TMS320C6211 DSK配有代码产生工具、代码编辑调试工具Code ComposerDebugger和其他DSK支持软件(闪存支持软件、样例程序和DSK功能测试软件)。

       3 TMS320C6211 DSK的特点

       3.1 TMS320C6211的特点

       3.1.1 采用改进型的哈佛结构

  为了实现信息处理的高速化,提高使用的灵活性,TMS320C6211采用改进型的哈佛结构,其主要特点是程序和数据具有独立的存储空间,有着各自独立的程序总线和数据总线。可以同时对数据和程序进行寻址,这大大地提高了数据处理的能力。改进的哈佛结构允许数据存放在程序存储器中,并被算术运算指令直接使用,增强了芯片的灵活性。另外,指令可以存储在高速缓存器(Cache)中,省去了从存储器中读取指令的时间,大大提高了运行速度。 

       3.1.2 采用流水线操作

  流水线操作是DSP实现高速度、高效率的关键技术之一。只有在充分发挥作用的情况下,才可能达到最好性能。TMS320C6211的流水线与以前的C3x和C54x相比,有非常大的优势。主要表现在:简化流水线的控制以消除流水线互锁;增加流水线的深度来消除传统流水线结构在取指、数据访问和乘法操作上的瓶颈;取指、数据访问分为多个阶段,使得芯片可以高速访问存储空间。TMS320C6211的流水线分为3个阶段:指令读入(取指)、解码和执行,共11级。

        3.1.3 特殊的硬件结构

  乘法运算和加法运算在数字信号处理的算法中使用非常频繁。在通用的微处理器中,乘法运算是通过执行一串指令实现的,需要占用许多指令周期,影响处理速度。而DSP中,设置了硬件乘法器和MAC(乘法并累加),这些操作往往可以在单周期内完成,从而大幅提高了DSP进行乘法和累加运算的速度。在TMS320C6211中采用两个硬件乘法器实现乘法运算,只需要一个指令周期,大大提高了信号处理速度。此外,TMS320C6211内部的各种数据寄存器、移位寄存器等硬件结构,确保了DSP算法的快速性。

       3.1.4 特殊的DSP指令系列和丰富的寻址方式

  TM S320C6211的另一个重要特征是有一套专门为数字信号处理而设计的指令系统。这些指令包括32bit整型乘法、双字读取等。此外,TMS320C6211丰富的寻址方式也使信号处理算法的实现变得非常容易。

        3.2 模拟接口电路(AIC)的特点

  TMS320C6211 DSK板包括双通道语音/数据编解码器。这个模拟接口电路(AIC)有以下特性:16位的信号处理能力;独立的语音和数据通道,只有语音通道利用在DSK板上;8kHz的采样速率;可编程的增益放大器;60Ω带有可编程放大器的耳机;支持立体声介质带偏压的麦克风;一个3.5mm(1/8英寸)单麦克风插孔;一个3.5mm(1/8英寸)立体耳机插孔。


                     

TMS320C6211 DSK模拟接口电路结构图

         图2示出了TMS320C6211 DSK模拟接口电路结构图。TITLC320AD535是一种所需外部器件最少的廉价数据转换器。其中C6211 McBSP0负责与模拟接口电路(AIC)语音通道实现串口通信。

       3.3 外部存储器和扩展存储空间的特点

  TMS320C6211 DSK支持4Mbyte(1Mbyte×32-bit)同步动态存储器(SDRAM),128Kbyte的闪存(Flash ROM)和存储器映射的I/O端口。扩展存储连接器可以支持异步存储和存储映射设备通过子板加在DSK板上(TMS320C6211 DSK的扩展存储器及其接口由2行80针的连接器实现)。其中,外部存储器SDRAM设备的电压为3.3V,扩展存储连接器支持3.3V和5V。

       3.4 JTAG仿真器

  TMS320C6211 DSK提供了内置的仿真器。通过并口或者外部的仿真器XDS510实现仿真。TISN74ACT8990 JTAG测试总线控制器(TBC)提供主机对TMS320C6211 DSK JATG接口的软件控制,这样便可以在没有外部仿真器的情况下,CCS调试器仍然可以调试目标板。

       4 TMS320C6211 DSK在短波软件无线电侦察中的应用

       4.1 方 案

  在某系统中采用TMS320C6211 DSK、AD6644采集卡和工控机搭建一个宽带的侦察硬件平台,在此基础上实现对2MHz~30MHz带宽内的通信信号的全景侦察。如图3所示。

                              

TMS320C6211 DSK、AD6644采集卡和工控机搭建一个宽带的侦察硬件平台

       4.2 工作原理

  本方案采用直接中频采样、DSP数字信号预处理、工控机主处理的程式,完成短波信号的侦察、分选识别。接收机输出10.7MHz中频信号,经过采集卡进行中频采样(所用到的A/D为A/D6644)完成数据采集,并通过TMS320C6211 DSK的EMIF(ExtendedMemory Interface,外部存储器接口)接口实现数据传输,DSP完成数字信号的FFT运算、极值判断等预处理部分,并将处理后的数据通过并口传送给主机以便进行分选、识别、显示的主要处理部分。

       4.3 C6211的外部存储器接口

  DSK板上具有与EMIF相连的外扩展子卡接口,它原本是用来扩展片外存储器的硬件接口,可以为多种同步和异步存储器(如SBSRAM、SDRAM、SRAM、ROM、FIFO)提供无缝接口,由于其数据传输速度很快(可以高达900Mbyte/s),所以,可以用来与高速模数转换器接口。EMIF是外部存储器和C6211片内其它单元的接口,具有很强的接口能力。其数据总线宽度为32bits,寻址空间为4GB,可以与目前几乎所有类型的存储器直接接口。EMIF处理的外总线请求有片内EDMAExtended Direct Mernory Access控制器和外部共享存储器的设备。对EMIF的控制是通过设置EMIF中的一组存储器映射寄存器完成的,包括配置各个空间上的存储器类型,设置相应的接口时序等。当EMIF与异步器件接口时,整个异步接口信号包括#AOE、#AWE、#ARE、ARDY四个控制信号。在时序控制上,通过在EMIF全局控制寄存器和相应的CEx(x是0~3)空间控制寄存器中进行灵活的参数配置,完成与不同器件的时序接口。有关控制位如图4所示。

       4.4 AD6644与C6211 DSK硬件接口设计

  因为TMS320C6211 DSK与外设之间没有专门的高速接口,它只有一个用于扩展外部存储器的外部存储器接口(EMIF),所以,只能通过充分利用EMIF的扩展功能,在AD6644与EMIF之间建立一个接口,实现数据的高速传输。接口采用异步先进先出存储器(FIFO)形式。这是因为AD6644的对外数据输出和相应接口是一种主(Master)的形式,它的输出控制信号只有数据准备(Ready)一个,运用FIFO可以大大减少接口控制逻辑的复杂性。另外,FIFO可以向EDMA发出中断信号,因而实现数据传输触发的多样性。图5为异步FIFO接口框图。

 

异步FIFO接口框图

 

        4.5 AD6644与C6211 DSK软件接口设计

  AD6644与C6211 DSK软件接口程序完成数据从异步FIFO向内部存储器的传输。当主程序发出数据传输命令及FIFO向CPU发出中断请求时,该程序被调用。图6为软件接口流程图。

                                            

软件接口流程图


  接口软件在CCS集成环境下,用TIC6x C语言编写而成。实际完成的AD6644与C6211 DSK接口能实现AD6644与C6211DSK之间30M~50M words/s的数据传递,这是由C6211的主频所决定的。事实上,由于C6000系列DSP外部接口的兼容性,可以使用更高主频的DSP如300MHz,方便地实现系统的升级。

        在以往的信号处理中,我们直接用工控机处理采集下来的数据,在对数据进行处理分析的时候发现当信号环境复杂,信号密度很大时,工控机处理起来很吃力,性能指标往往达不到我们的要求。为了减轻在信号分选识别过程中PC机处理的负担,进一步提高处理信号的适时性,本方案将信号的预处理部分从中分离出来,交给数字信号处理器专门进行处理,并将处理后的信号传送给PC机进行分析,从而大大地减轻了PC机的工作量,让PC机有更多的时间进行其他细微特征的分析。TMS320C6211 DSK的EMIF接口可以实现数据的高速传输,可以满足系统的要求。

       5 结束语

  今后,DSP将进一步向着低价格、高集成、高速、高性能的方向发展。伴随着DSP器件的广泛应用,其相应的开发工具也得到了迅速的发展,各种形式的DSP开发工具不断涌现。使用DSP开发工具,不仅可以提高程序设计的效率,而且可以使有较少经验甚至没有经验的人使用DSP。DSK以其高性能、低价格,为我们学习、理解、应用DSP提供了可能。 

      参考文献

      1 王念旭编著.DSP基础与应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社,2001

      2 任丽香,马淑芬,李方慧.TMS320C6000系列DSPs的原理与应用.北京:电子工业出版社,2000

       3 赵训威.基于TMS320C6200系列DSP芯片的应用与开发.北京:人民邮电出版社,2002 

       4 郑春龙.DSK的特点及其应用技术.电子技术应用,1998(11) 

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