基于HPI接口的雙CPU水中目標探測平臺設計

時間：2018-11-07 14:10:01

關鍵字：平臺總線與接口接口目標水中

手機看文章

掃描二維碼
隨時隨地手機看文章

摘要：針對水中目標探測平臺低功耗和實時性的需求，提出了一種基于HPI接口的雙CPU目標探測平臺設計方案，并給出了硬件實現(xiàn)。首次將并行的HPI接口應用到水中目標探測平臺上，有效地提高了數(shù)據(jù)交換速度；采用“Sleep/Wake”工作體制進行軟件編程，降低了系統(tǒng)功耗。消聲水池實驗運行結果表明，該平臺設計可行，各功能模塊均正常工作，系統(tǒng)平均功耗在18 mW左右，達到了預期的設計指標。
關鍵詞：目標探測平臺； MSP430； HPI；低功耗

　自動目標識別系統(tǒng)ATR(Automatic Target Recognition)的基本功能是對目標進行探測、識別及分類[1]，而水中目標探測平臺是一種特殊的自動目標識別系統(tǒng)。
　水中ATR平臺一般需要對信號進行連續(xù)采集并且實時處理，以獲取目標的特征信息，從而進行目標識別和參數(shù)估計。由于水中ATR平臺工作環(huán)境的特殊性，要求整個硬件系統(tǒng)具有極低的功耗。以往的水中ATR平臺一般采用ADC+DSP(Digital Signal Processor)+FPGA(Field Programmable Gates Array)構架[2]來實現(xiàn)目標的檢測與識別。FPGA主要負責地址譯碼和數(shù)據(jù)緩存，這種設計結構簡化了DSP軟件設計任務。但是由于FPGA工作電流一般是幾十毫安,導致系統(tǒng)功耗較大。為了克服傳統(tǒng)的基于單CPU的探測平臺功耗高、控制復雜等缺點,本系統(tǒng)采用了MCU+DSP的雙CPU的結構。該結構的關鍵在于快速高效地實現(xiàn)兩者之間通信。傳統(tǒng)的基于串行多通道緩沖串口McBSP(Multichannel Buffered Serial Ports)的通信模式通信帶寬利用率低，數(shù)據(jù)傳輸速率低，成為整個系統(tǒng)實時處理的瓶頸。為此,本文設計了基于HPI (Host Port Interface)接口的MSP430與DSP主從式雙CPU目標探測系統(tǒng)，使ATR平臺滿足系統(tǒng)低功耗和實時性的需求。
1 HPI接口
　目前比較常用的多CPU之間連接方式主要有兩種：直接互連和間接互連。直接互連主要通過SPI串口、HPI并口實現(xiàn)互連；間接互連主要通過FPGA、CPLD等可編程邏輯器件、雙端口RAM、FIFO存儲器等實現(xiàn)互連。
　在ATR平臺中，主要考慮使用直接互連方法。一方面，沒有額外增加器件，降低了系統(tǒng)功耗；另一方面，大大簡化了多CPU之間的硬件連接。SPI接口方式連接簡單，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦碚搨鬏斔俣戎荒苓_到12.5 MB/s，在一些實時性要求比較高的場合，數(shù)據(jù)傳輸成為整個信號處理能力提高的瓶頸，致使多CPU之間通信效率下降。而DSP的HPI接口提供了一個16 bit的并行數(shù)據(jù)接口，理論傳輸速度達到50 MB/s，遠高于串行接口傳輸速度。因此，選用HPI接口可以很容易地實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的快速傳輸。通過HPI，主機可以訪問DSP內(nèi)部的雙訪問數(shù)據(jù)存儲器(DARAM)，此時，DSP相當于主機的一個外設。

2 系統(tǒng)設計
　根據(jù)工程設計要求，水中ATR平臺必須具備低功耗特點，因此選擇德州儀器公司的超低功耗微控制器MSP430F149作為系統(tǒng)的主CPU。其擁有5種低功耗模式，在低功耗模式LPM3下,只需要2.0 μA供電電流，采用3.3 V供電情況下，全速運行也只需要420 μA的電流。它還擁有多種時鐘模式，通過程序控制，可以靈活地選擇不同的時鐘來降低系統(tǒng)功耗[4]。選擇TI DSP家族中功耗優(yōu)化產(chǎn)品TMS320C55X系列中的TMS320VC5509A作為從CPU，其最高主頻為200 MHz，功耗僅為C54的1/6?？梢愿鶕?jù)所需時鐘不同靈活選擇1.2 V、1.35 V和1.6 V內(nèi)核電壓[5]，電壓越高，DSP最高主頻越大，功耗越大，在實際的設計過程中，根據(jù)算法實時性需求,靈活選擇內(nèi)核電壓以達到降低系統(tǒng)功耗的目的。
　MSP430F149主要負責數(shù)據(jù)采集，DSP電源管理，以及一些運算量比較小的算法的實現(xiàn)(如系統(tǒng)中的預警檢測算法)TMS320VC5509A主要實現(xiàn)運算量較大的目標識別及參數(shù)估計算法。雙CPU之間通信采用HPI接口，實現(xiàn)主從機之間的無縫連接。具體硬件結構框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的基本工作流程是信號經(jīng)過模擬預處理之后，在單片機MSP430的控制下，利用其內(nèi)部的ADC對經(jīng)調(diào)理后的信號進行采樣。將采集到的數(shù)據(jù)做預警檢測，當預警發(fā)現(xiàn)可疑目標時啟動DSP，MSP430將需要分析的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP中，進行高階譜分析、小波變換等參數(shù)估計及特征提取算法，最后把結果傳回MSP430，再由單片機控制其他電路工作。
2.1 電源模塊
本模塊主要是由雙輸出電源調(diào)整芯片TPS73HD301和外圍器件構成。具體硬件連接如圖2所示。