基于TMS320VC5409的水聲通信Modem設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹水聲通信Modem系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和軟硬件總體設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)包括以DSP芯片TMS320VC5409為核心的數(shù)字信號(hào)處理電路、USB接口電路、前置模擬終端(AFE)電路和換能器。通過(guò)該方法可以實(shí)現(xiàn)水聲通信Modem系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，迅速實(shí)現(xiàn)DSP與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。
關(guān)鍵詞：水聲通信；調(diào)制解調(diào)器；USB接口；DSP；A／D轉(zhuǎn)換器

    DSP芯片TMS320VC5409(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為5409)是TI公司TMS320VC5000系列中應(yīng)用最廣泛、性?xún)r(jià)比較高的芯片之一，主要應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域?？紤]到DSP處理器的運(yùn)算速度、片上資源、功耗、封裝開(kāi)發(fā)工具以及價(jià)格等因素，現(xiàn)以5409為核心，進(jìn)行外圍電路的擴(kuò)展，利用片內(nèi)McBSP接口以及通用數(shù)據(jù)傳輸通道，完成水聲通信Mod-em的通信控制和數(shù)據(jù)調(diào)制／解調(diào)等功能，使得數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸能夠并行運(yùn)行。從而提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。該系統(tǒng)具有高速、靈活、通用度高的特點(diǎn)。

l 硬件系統(tǒng)構(gòu)成
    水聲通信Modem主要由5409，SST29LE010A，CH375，TPS73HD318，AD733llL，TLC2652M，OP07和換能器等組成，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．1 電源模塊
    系統(tǒng)需要+1．8 V，+3．3 V，±5 V，±12 V電源。經(jīng)過(guò)整流濾波后的直流電源，由7812，7912穩(wěn)壓模塊輸出±12 V給OP07。±12 V再經(jīng)過(guò)7805，7905穩(wěn)壓輸出±5 V給TLC2652M-8D，同時(shí)提供+5 V給TPS73HD318，CH-375。TPS73HD318輸出+1．8 V，+3．3 V，最大輸出電流l A，帶過(guò)熱保護(hù)功能。滿(mǎn)足5409，AD73311L，SST29-LE010A芯片對(duì)+1．8 V，+3．3 V電壓、電流的要求。AD73311L模擬+3．3 V，與其他數(shù)字電路利用隔離磁珠進(jìn)行模／數(shù)隔離，避免相互干擾。
1．2 接口模塊
    系統(tǒng)USB接口的主控芯片采用CH375，完成USB協(xié)議和并行I／O協(xié)議轉(zhuǎn)換，使該無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元以即插即用方式直接與PC機(jī)通信。USB接口模塊的硬件電路圖如圖2所示。

    輸出的中斷請(qǐng)求是低電平有效，5409可以使用中斷方式或者查詢(xún)方式獲知中斷請(qǐng)求。當(dāng)為高電平，且和及AO都為低電平時(shí)，CH375中的數(shù)據(jù)通過(guò)D7～DO輸出；當(dāng)為高電平，并且，及AO都為低電平時(shí)，D7～DO上的數(shù)據(jù)都被寫(xiě)入CH375芯片中；當(dāng)為高電平，并且和都為低電平而A0為高電平時(shí)，D7～DO上的數(shù)據(jù)都被作為命令碼寫(xiě)入CH375芯片中。
1．3 存儲(chǔ)模塊
    5409片上帶有ROM，但是運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)在掉電后不能保留。因此，擴(kuò)展FLASH E2PROM存儲(chǔ)模塊。系統(tǒng)選用SST公司的128K×8 b的E2PROM芯片ST29LE010A，工作電壓3．O～3．6 V，整塊E2PROM能在5 s內(nèi)擦寫(xiě)完成，可擦寫(xiě)100 000次左右，數(shù)據(jù)保持時(shí)間很長(zhǎng)。系統(tǒng)采用3．3 V工作電壓，E2PROM并行自舉引導(dǎo)方式。硬件電路原理如圖3所示。

    5409的D8用于控制閃存的寫(xiě)使能，當(dāng)D8為低電平時(shí)，可對(duì)閃存編程和擦除，通過(guò)編程控制D8，使的時(shí)序滿(mǎn)足要求。為防止誤寫(xiě)，平時(shí)被設(shè)置為高電平，而與5409的相連，低電平有效，平時(shí)被設(shè)置為高電平，以保護(hù)芯片。圖3中采用雙刀雙置開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)置下方時(shí)，F(xiàn)LASH的與DSP的相連，置高，可讀FLASH；當(dāng)開(kāi)關(guān)置上方時(shí)，置高，與5409的D8相連，為寫(xiě)操作。
1．4 DSP模塊
    系統(tǒng)核心由5409及其附加電路、控制邏輯電路組成，完成系統(tǒng)控制及運(yùn)算處理功能。
    系統(tǒng)中5409與CH375之間采用并行接口方式，與AD73311L之間采用串行接口方式，即McBSP工作在SPI模式下，與AD73311L連接。
    5409芯片采用雙電源供電機(jī)制，即1．8 V或更低的內(nèi)核電源，為該器件的內(nèi)部邏輯提供電壓；3．3 V的 I／O電源便于直接與外部低壓器件接口。由電壓調(diào)節(jié)器芯片TPS73HD318實(shí)現(xiàn)該功能。
    5409的時(shí)鐘采用外接頻率為8 MHz晶體，內(nèi)部倍頻的大小由芯片上CLKMDl～CLKMD3一組引腳的狀態(tài)決定。開(kāi)始設(shè)置CLKMDl～CLKMD3為001，即PLL×lO，5409工作頻率為80 MHz。
    5409片內(nèi)包括3個(gè)高速、全雙工、多通道緩沖串行接口McBSP，其方便的數(shù)據(jù)流控制可使它與大多數(shù)同步串行外部設(shè)備接口。它由數(shù)據(jù)線BD(R／X)、幀同步線BFS(R／X)和移位時(shí)鐘線BCLK(R／X)組成。
    通過(guò)McBSP主要完成與AD7331lL支持SPI接口之間的數(shù)據(jù)交換，5409對(duì)AD73311L的控制通過(guò)GPIO的XF(輸出)引腳來(lái)完成。5409與AD73311L硬件連接電路原理如圖4所示。

    5409的McBSP作為SPI的從設(shè)備與SPI的主設(shè)備AD73311L連接。在這種方式下，McBSP的移位時(shí)鐘線BCLK(R／X)在內(nèi)部相連，幀同步線BFS(R／X)在內(nèi)部相連。系統(tǒng)時(shí)鐘的輸出引腳CLKOUT連接MCLK引腳，為AD73311L提供主時(shí)鐘信號(hào)。這種主從SPI模式實(shí)現(xiàn)5409對(duì)AD7331lL的初始化以及數(shù)據(jù)交換。
1．5 A／D～D／A模塊
    AD733l1L是AD公司的16位串行A／D／A集成轉(zhuǎn)換器，廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音信號(hào)處理、無(wú)線通信、數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域。系統(tǒng)采用AD73311L芯片，完成D／A，A／D轉(zhuǎn)換功能。圖4中A／D的輸入采用單端輸入方式，D／A的輸出采用雙端輸出方式。其中，C10，R10，C11組成帶通濾波器。
1．6 功放模塊
    系統(tǒng)信號(hào)放大電路分為兩路：D／A→信號(hào)放大→換能器；換能器→信號(hào)放大→A／D。兩路信號(hào)放大電路的原理和組成結(jié)構(gòu)采用相同模式，都采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大：第一級(jí)選擇TLC2652M作小信號(hào)放大；第二級(jí)由運(yùn)放OP07構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)功率放大及濾波。調(diào)整電路中的電阻、電容參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)放大的需求。
    由TLC2652M構(gòu)成的放大電路，理論上閉環(huán)放大倍數(shù)約為100倍；低通截止頻率f=33．86 kHz。
    由運(yùn)放OP07構(gòu)成的放大電路，理論上放大倍數(shù)為30倍，低通截止頻率f=24．11 kHz。
1．7 換能器
    根據(jù)系統(tǒng)對(duì)換能器的指向性要求、電聲特性以及工作條件等要求，直接生產(chǎn)專(zhuān)用換能器。

2 軟件系統(tǒng)構(gòu)成
    軟件主要由CH375計(jì)算機(jī)端口和DSP端口編程及初始化、5409初始化、McBSP0初始化以及對(duì)AD73311L的初始化等程序模塊組成。初始化流程圖如圖5所示。

    USB數(shù)據(jù)傳輸模塊的主要程序包括兩部分：計(jì)算機(jī)端口軟件編程和DSP端口軟件編程。
計(jì)算機(jī)端，使用VC作為計(jì)算機(jī)端應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用CH375器件中DLL提供的API函數(shù)對(duì)其進(jìn)行操作。本地端，5409采用C語(yǔ)言編程，編寫(xiě)內(nèi)置固件程序的基本框架如下：
   
    5409的初始化程序是完成DSP堆棧、CPU時(shí)鐘及其他各個(gè)工作寄存器的初試值設(shè)置，以滿(mǎn)足系統(tǒng)工作要求。
    McBSP0初始化程序是設(shè)置McBSP0口的工作狀態(tài)，使它運(yùn)行于系統(tǒng)所需的工作模式。系統(tǒng)要求McBSP工作于從SPI模式、采用外部時(shí)鐘和字寬為16 b等工作條件。接收、發(fā)送時(shí)鐘和幀同步信號(hào)都由AD73311L提供。接收和發(fā)送數(shù)據(jù)每幀一字，每字16 b，都沒(méi)有延時(shí)。程序設(shè)計(jì)框架如下：

    AD73311L有六種工作模式：程序模式、數(shù)據(jù)模式、程序／數(shù)據(jù)混合模式、模擬環(huán)路模式、數(shù)字環(huán)路模式和功能檢測(cè)循環(huán)模式。前三種是正常的工作模式，后三種是調(diào)試模式，僅在調(diào)試時(shí)使用。
    AD73311L共有六個(gè)內(nèi)部控制寄存器，5409對(duì)六個(gè)控制寄存器的寫(xiě)入順序?yàn)椋篊RB，CRC，CRD，CRE，CRF，CRA。AD73311L的初始化程序如下：

3 結(jié)語(yǔ)
    水聲通信Modem以5409為核心，通過(guò)芯片CH375實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的USB通信，利用McBSPO與芯片AD73311L組成SPI串行通信方式，再進(jìn)行信號(hào)放大以及電聲信號(hào)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)水下通信。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該系統(tǒng)的傳輸速度快，易用、可擴(kuò)展、快速、傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)，它的研制成功為海洋事業(yè)的發(fā)展提供很好的應(yīng)用前景。