軟件接收機(jī)的GPS信號(hào)實(shí)時(shí)采集方案設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)軟件GPS接收機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集需求，提出一種基于TMS320C6416 McBSP、EDMA、中斷和外部擴(kuò)展SDRAM的GPS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方案；重點(diǎn)闡述射頻前端NJl006AK、TMS320C6416構(gòu)成的硬件接收電路，以及McBSP、SDRAM、EDMA乒乓緩存的采集配置過程。該方案不僅滿足了GPS軟件接收機(jī)信號(hào)采集嚴(yán)苛的實(shí)時(shí)性要求，而且增強(qiáng)了處理器實(shí)時(shí)處理能力。
關(guān)鍵詞：GPS；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；多通道緩沖串口；EDMA；TMS320C6416；NJ1006AK

引言
    軟件GPS接收機(jī)具有較高靈活性和可擴(kuò)展性，是快速實(shí)現(xiàn)算法驗(yàn)證、研制原型接收機(jī)的重要手段。GPS信號(hào)的實(shí)時(shí)采集是軟件GPS接收機(jī)各種功能實(shí)現(xiàn)的前提。本文設(shè)計(jì)了一種軟件GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)信號(hào)采集方案。該方案以McBSP接收射頻前端NJl006AK數(shù)字化輸出，通過McBSP事件驅(qū)動(dòng)EDMA在外部擴(kuò)展sDRAM中進(jìn)行乒乓緩存，并通過ms中斷(即1 ms中斷1次)與基帶算法同步數(shù)據(jù)，很好地滿足了軟件GPS接收機(jī)信號(hào)采集的需要。

1 基于DSP的實(shí)時(shí)采集方案
    軟件GPS接收機(jī)作為軟件無線電的典型應(yīng)用，其本身具有很高的數(shù)據(jù)采樣率和基帶算法帶來的巨大運(yùn)算量，跟蹤環(huán)節(jié)還要求提供實(shí)時(shí)連續(xù)采樣的GPS信號(hào)。這就要求處理器在實(shí)時(shí)運(yùn)算的同時(shí)，對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行高速、連續(xù)、實(shí)時(shí)的采集。軟件GPS接收機(jī)中的運(yùn)算目前主要由DSP實(shí)現(xiàn)，本文采用TMS320C6416作為核心處理器，在為基帶處理提供支持的同時(shí)，利用其McBSP、EMDA、EMIF片內(nèi)外設(shè)，配合Nemerix公司的NJ10-06AK和相關(guān)接口電路完成對(duì)GPS信號(hào)實(shí)時(shí)、連續(xù)的采集，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    來自天線的1 575．42 MHz GPS信號(hào)直接進(jìn)入集成了LNA的射頻接收前端NJl006AK，完成射頻信號(hào)的濾波、放大、下變頻，數(shù)字化輸出2位并行數(shù)據(jù)，經(jīng)并串轉(zhuǎn)換電路后進(jìn)入TMS320C6416。TMS320C6416通過McBSP和EDMA配合完成數(shù)據(jù)的搬移，通過EMIF接口擴(kuò)展SDRAM完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。McBSP接收串行數(shù)據(jù)為連續(xù)的32位字，并在每個(gè)32位字接收完成時(shí)，通過McBSP接收事件觸發(fā)EDMA完成接收32位字到外部擴(kuò)展SDRAM的搬移。為了保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的連續(xù)接收和同步，McBSP接收事件對(duì)應(yīng)。EMDA通道分別在SDRAM內(nèi)開辟2個(gè)1 ms數(shù)據(jù)空間緩沖區(qū)，并通過鏈接配置為乒乓緩存操作。當(dāng)一個(gè)緩沖區(qū)搬移操作結(jié)束時(shí)，EDMA切換到另一個(gè)緩沖區(qū)并發(fā)出EDMA中斷，通知CPU ms數(shù)據(jù)采集完畢，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與基帶處理同步。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 射頻接收電路
    NJl006AK是Nemerix公司推出的雙超外差GPS射頻前端接收芯片。它內(nèi)部集成了LNA，具有可通過引腳設(shè)置的本振頻率，同時(shí)可直接與有源或者無源天線對(duì)接。采用NJl006AK配合無源天線完成射頻信號(hào)的接收、處理，其電路如圖2所示。

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    無源天線通過L1、C1、C3、L5耦合GPS信號(hào)進(jìn)入NJl006AK內(nèi)部集成的LNA，進(jìn)行低噪聲放大；并由LNO引腳進(jìn)入L2、L3、L4、C2、C4和SAW晶振TQS949-AA-7G構(gòu)成的濾波電路，完成GPS L1帶外信號(hào)的濾除。NJl006AK通過MODE引腳接地選擇本地振蕩頻率為1 554．86 MHz，與由RFI引腳進(jìn)入的濾波后的信號(hào)混頻，完成下變頻得到20．55 MHz中頻信號(hào)。該中頻信號(hào)由NJl006AK通過內(nèi)部AGC放大后經(jīng)2位ADC欠采樣完成二次下變頻，輸出SGN、MAG數(shù)字信號(hào)。ADC參考時(shí)鐘通過XEN引腳接地選擇由CP引腳輸入基帶接口提供的16．129 MHz采樣時(shí)鐘。此外，L6、L7、C6、C9構(gòu)成中心在25．55 MHz、帶寬3．5 MHz的濾波電路，以濾除A／D轉(zhuǎn)換過程中引入的鏡像頻率；R1、C7、C10構(gòu)成NJl006AK內(nèi)部PLL的外部濾波電路；AVDD、TVDD為NJl006AK提供3．3 V工作電壓；C5、C8完成NJl006AK片上輸出電壓的濾波，防止芯片內(nèi)部參考偏移。
2．2并串轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)接口電路
    并串轉(zhuǎn)換和外部SDRAM存儲(chǔ)接口電路如圖3所示。

    50 MHz溫補(bǔ)晶振通過CLKIN為TMS320C6416提供時(shí)鐘輸入，CLKMODE0、CLKMODEl上拉配置內(nèi)部PLL為20倍頻，使處理器工作在1GHz。McBSP0在向射頻前端提供采樣時(shí)鐘CLKF的同時(shí)，通過與SN54LV166A接口完成并串轉(zhuǎn)換。EMIFA以32位形式與Microm公司64．Mb 32位SDRAMMT48LC2M-3282-6對(duì)接，實(shí)現(xiàn)外部存儲(chǔ)的擴(kuò)展。
    并串轉(zhuǎn)換接口中，SN54LVl66A的CLR引腳接3．3 V禁止異步清零；S／L引腳接地選擇并行輸入方式，接收A到H并行輸入；INH引腳接地使能McBSP0的CLKR提供的移位時(shí)鐘；來自射頻前端的數(shù)字信號(hào)SGN、MAG在CLKR上升沿，依次通過QH輸出到McBSP0完成接收。
    外部擴(kuò)展SDRAM配置在EMIFA CE0空間，BEAl6下拉，BEAl7上拉設(shè)置CPU內(nèi)部6分頻，AECLKOUTl輸出166 MHz與MT48LC2M3282-6的CLK對(duì)接，其他控制信號(hào)ASDCKE、ACE0、AS-DRAS、ASDCAS、ASDWE、AEA[13：3]、ABE E3：O]、AEDE31：O]直接與MT48LC2M3282-6對(duì)應(yīng)的信號(hào)連接。由于SDRAM復(fù)用地址線，MT48LC2M3282-6的A11～A18與A0～A7復(fù)用，BA0、BAl作為A19、A20提供組選擇信號(hào)，所以TMS320C6416的AEA3～AEAl3對(duì)接MT48LC2M3282-6的A0～A10完成A0～A18的傳送，AEAl4、AEAl5接BAl、BA0提供組選擇信號(hào)。

3 采集參數(shù)配置
3．1 McBSP接收配置
    McBSP負(fù)責(zé)射頻前端采樣信號(hào)的接收，接收配置分為時(shí)鐘生成設(shè)置和接收參數(shù)設(shè)置。其控制參數(shù)主要分布在接口控制寄存器、接收控制寄存器、引腳控制寄存器和采樣率寄存器。引腳控制寄存器和采樣率寄存器為McB-SP提供靈活的幀信號(hào)和時(shí)鐘生成，既可以由外部引腳輸入也可由內(nèi)部時(shí)鐘分頻得到，同時(shí)提供輸出到外部引腳的極性反轉(zhuǎn)控制。本方案中，設(shè)置采樣率寄存器中CLKSM=1，CLKGDV=30，F(xiàn)PER=1，F(xiàn)WID=0，使McBSP0的內(nèi)部1 GHz時(shí)鐘通過CLKGDV分頻得到內(nèi)部接收需要的32．258 MHz接收時(shí)鐘，進(jìn)而通過幀信號(hào)周期FPER、幀脈寬FWID分頻產(chǎn)生16．129 MHz占空比為50％的幀信號(hào)。同時(shí)，設(shè)置引腳控制寄存器中CLKRM=1，CLKRP=0，F(xiàn)SRM=1，F(xiàn)SRP=1，使得極性反轉(zhuǎn)后的幀信號(hào)輸出到FSR引腳(其下降沿用于射頻前端完成GPS信號(hào)采樣和接收幀同步)，接收時(shí)鐘直接輸出到CLKR引腳(其上升沿用于串并轉(zhuǎn)換電路完成數(shù)據(jù)移位輸出，下降沿用于McBSP采樣外部數(shù)據(jù))。
    接收控制寄存器和接口控制寄存器主要提供接收幀長(zhǎng)、字長(zhǎng)、幀忽略，接收延時(shí)、時(shí)鐘、幀發(fā)生、接收開始等控制功能。為了盡可能提升McBSP0和EDMA效率，設(shè)置接收控制寄存器中RPHASE=0，RFRLENl=1，RWDLENl=5，RDATDLY=0，RFIG=1。選擇每幀包含一個(gè)相位，每個(gè)相位包含一個(gè)字，每字32位，與幀信號(hào)同步無延遲采樣接收，且忽略不恰當(dāng)幀同步。設(shè)置完上述寄存器后，就可通過依次設(shè)置接口控制寄存器內(nèi)GRST、FRST、RRST為1，順次完成采樣率發(fā)生器復(fù)位，幀信號(hào)發(fā)生器復(fù)位和接收使能開始接收。
3．2 EMIF SDRAM接口配置
    EMIFA CE0空間擴(kuò)展的64 Mb SDRAM位于CPU地址空間0x8000 0000～0x807F FFFF，為信號(hào)采集過程提供了高速緩存。其配置信息分布在EMIFA全局控制寄存器、CE控制寄存器0、SDRAM控制寄存器、SDRAM時(shí)間參數(shù)控制寄存器和SDRAM擴(kuò)展寄存器。復(fù)位完成后，CPU需要按照EMIFA寄存器配置必要參數(shù)，然后啟動(dòng)SDRAM初始化過程，使SDRAM進(jìn)入正常讀寫狀態(tài)。
    SDRAM工作需要的166 MHz同步時(shí)鐘，通過設(shè)置EMIFA全局控制寄存器EKlEN=1使能AECLKOUTl輸出；同時(shí)，設(shè)置CE控制寄存器0中MTYP=0x03，選擇CE0為32位SDRAM模式。EMIFA中SDRAM工作刷新周期通過166 MHz同步時(shí)鐘計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)，在SDRAM時(shí)間參數(shù)控制寄存器中由PERIOD設(shè)定為2 500，即2 500×(1／166 MHz)≈1．51μS進(jìn)行刷新操作，具體刷新次數(shù)由XRFR=0設(shè)定為每1．51μs 1次。SDRAM擴(kuò)展寄存器提供了SDRAM操作需要的時(shí)間參數(shù)設(shè)置。具體設(shè)置為：TCL=1，TRAS=5，TRRD=0，TWR=1，THZP=2，RD2RD=0，RD2DEAC=2，RD2WR=0，R2WDQM=2，WR2WR=0，wR2DEAC=4，WR2RD=0。SDRAM控制寄存器根據(jù)器件參數(shù)設(shè)定SDBSZ=1，SDRSZ=0，SDCSZ=1，依次表示尋址bank數(shù)為4，行地址為11位，列地址為8位。同時(shí)，設(shè)定3個(gè)關(guān)鍵時(shí)間參數(shù)Trcd=2，Trp=2，Trc=8。CPU在復(fù)位完成設(shè)置完上述參數(shù)后，就可通過向SDRAM控制寄存器INT位寫1，開始初始化外部SDRAM。
3．3 EDMA乒乓緩存與中斷配置
    EDMA采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制工作，每個(gè)McBSP接收完成事件REVT驅(qū)動(dòng)EDMA，完成一次McBSP DRR寄存器接收數(shù)據(jù)到外部擴(kuò)展SDRAM的搬移。在
TMS320C6416中，McBSP0接收完成事件REVT對(duì)應(yīng)EDMA通道13，需要先設(shè)置乒乓緩存模式的RAM參數(shù)，然后使能中斷和對(duì)應(yīng)通道，才能進(jìn)入乒乓工作狀態(tài)等待觸發(fā)事件，并通過中斷與處理器同步數(shù)據(jù)。
    EDMA通道的RAM參數(shù)包括：通道參數(shù)OPT、源地址SRC、幀計(jì)數(shù)CNT、目標(biāo)地址DST、目標(biāo)地址索引IDX，以及鏈接加載RLD的5個(gè)連續(xù)32位控制字。其中，OPT設(shè)定傳輸方式，SRC設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑吹刂罚珻NT設(shè)定幀數(shù)和幀內(nèi)傳輸單元數(shù)，DST設(shè)定傳輸?shù)哪康钠鹗嫉刂?，IDX設(shè)定目的地址修正參數(shù)，RLD設(shè)定鏈接RAM參數(shù)相對(duì)0x01A0 000的起始地址偏移。[!--empirenews.page--]
    要在通道13上實(shí)現(xiàn)乒乓緩存，需要使用位于0x01A00600和OxOlA0 0618的2個(gè)可重新加載RAM參數(shù)塊A、B，以及位于外部SDRAM Ox8000 0000～0x8000 0FBF和0x8000 1000～0x8000 1FBF的2個(gè)緩沖區(qū)BUFl和BUF2。設(shè)定A DST=0x8000 0000指向BUFl，RLD=0x0000 0618指向RAM參數(shù)塊B，B DST=0x8000 1000指向BUF2，RLD=0x0000 0600指向RAM參數(shù)塊B，同時(shí)置位每個(gè)RAM塊中OPT中的LINK控制位。這樣，當(dāng)A RAM塊最后一個(gè)單元傳輸結(jié)束時(shí)，會(huì)自動(dòng)加載RLD指向的B RAM塊參數(shù)。當(dāng)下次觸發(fā)事件到來時(shí)，EDMA就將數(shù)據(jù)搬移到Ox8000 1000指向的BUF2；相反B RAM塊最后一個(gè)單元傳輸結(jié)束時(shí)，會(huì)自動(dòng)加載RLD指向的ARAM塊參數(shù)將后續(xù)數(shù)據(jù)搬移到BUFl，實(shí)現(xiàn)乒乓緩存。此外，RAM參數(shù)塊A和B的OPT設(shè)置為Ox0002 0002，使通道13工作在最高優(yōu)先級(jí)的固定地址到遞增地址的32位一維元素同步鏈接模式。SRC設(shè)置為McBSP0 DRR地址0x018C 0000，CNT設(shè)置為Ox0000 03FO進(jìn)行1008個(gè)字的單幀傳輸，IDX不影響一維元素的同步傳輸，設(shè)置為Ox0000 0000。
    為了保持McBSP和EDMA操作的同步性，所有ED-MA通道共享的EDMA-INT在使能通道13前，通過MXL[25：21]映射到可屏蔽中斷INT_8，并置位ICR Bit8清除所有掛起中斷，置位IER Bitl、Bit8使能NMI和INT_8，最后置位全局中斷使能GIE。使能通道13時(shí)，需先置位EDMA事件清除寄存器ECRL和中斷掛起寄存器CIPRL Bitl3，以清除先前發(fā)生的McBSP0 REVT事件和掛起的中斷信號(hào)；然后依次置位EDMA中斷使能寄存器CIERL和通道使能寄存器EERL bitl3，使能通道13和相應(yīng)的中斷。

4 采集過程分析
    采用基于McBSP、EDMA、SDRAM構(gòu)成的GPS信號(hào)采集方案，主要分為接口配置和信號(hào)采集兩個(gè)階段。接口配置階段依次完成EMIFA、EMDA、中斷和McBSP0配置，使其工作在一定工作模式下，最后通過置位McBSP接口控制寄存器中的RRST啟動(dòng)采集過程。信號(hào)采集過程基于硬件實(shí)現(xiàn)，完全與CPU并發(fā)，在ms數(shù)據(jù)接收完成后與CPU通過中斷INT_8同步數(shù)據(jù)。具體采集過程如圖4所示。

    McBSP32．258 MHz接收時(shí)鐘連續(xù)32個(gè)下降沿接收一個(gè)32位字，產(chǎn)生一個(gè)REVT事件，對(duì)應(yīng)16．129 MHz射頻采樣時(shí)鐘16次下降沿采樣。REVT事件驅(qū)動(dòng)EDMA完成一次DRR 32位接收數(shù)據(jù)到SDRAM緩沖區(qū)搬移，并將CNT減1，緩沖區(qū)地址加4指向下一個(gè)緩沖單元。假設(shè)EDMA當(dāng)前執(zhí)行RAM參數(shù)A傳輸，那么32．258 MHz接收時(shí)鐘1 ms內(nèi)共32 258個(gè)下降沿，可接收1008個(gè)32位接收數(shù)據(jù)，產(chǎn)生1008次REV事件；對(duì)應(yīng)16．129 MHz采樣時(shí)鐘16 128次下降沿采樣，共驅(qū)動(dòng)EDMA 1008次32位搬移，占用BUFl Ox8000 0000～0x8000 0FBF 4 032字節(jié)空間，CNT減少到O。一旦CNT減小為O，EDMA就觸發(fā)INT_8，通知CPU ms數(shù)據(jù)采集完畢；同時(shí)，根據(jù)RLD的設(shè)定，加載位于0x01A0 0618的參數(shù)RAM B到通道13的自身參數(shù)RAM。當(dāng)下次REVT事件到來時(shí)，EDMA就執(zhí)行RAM參數(shù)B傳輸，在Ox8000 1000～Ox8000 1FBFBUF2緩沖，此時(shí)CPU可處理BUFl中的采集數(shù)據(jù)。當(dāng)CNT再次減小到0時(shí)，EDMA再次觸發(fā)INT_8，通知CPU ms數(shù)據(jù)采集完畢；同時(shí)，根據(jù)RLD的設(shè)定加載位于0x01A0 0600的參數(shù)RAM A到通道13，實(shí)現(xiàn)乒乓緩沖。需要注意的是，McBSP RFIG=1工作在幀忽略模式，在第一個(gè)CLKF下降沿完成同步后一直忽略后續(xù)同步信號(hào)，直到32位幀結(jié)束才能實(shí)現(xiàn)下一幀同步。

結(jié)語
    本文提出的基于NJl006AK和TSM320C6416的GPS實(shí)時(shí)信號(hào)采集方案，充分利用了DSP內(nèi)部外設(shè)，具有電路簡(jiǎn)單可靠、配置方法靈活和CPU同步并發(fā)的特點(diǎn)。該方案很好地解決了軟件GPS接收機(jī)中數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性和基帶處理實(shí)時(shí)性沖突的問題，實(shí)現(xiàn)了GPS信號(hào)的實(shí)時(shí)、連續(xù)采集，對(duì)提升軟件GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)性能具有重要意義。