DSP在無(wú)線傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用

1. 引言

在現(xiàn)代信息社會(huì)中,目標(biāo)辨識(shí)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。例如超市中貨物的識(shí)別、圖書館中書刊的識(shí)別、銀行磁卡等都是目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)例。尤其是近年來(lái),自動(dòng)識(shí)別方法在許多服務(wù)領(lǐng)域、在貨物銷售與后勤分配方面、在商業(yè)部門、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(shí)別系統(tǒng)領(lǐng)域引起了一場(chǎng)革命并得到了廣泛的認(rèn)同與應(yīng)用。但是隨著現(xiàn)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(chǔ)能力小以及不能改寫。目前,另一種廣泛使用的技術(shù)是接觸式IC卡（電話IC卡、銀行卡）,它是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一塊硅芯片里。然而,在許多情況下,機(jī)械觸點(diǎn)的接通是不可靠的。特別是對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或不可觸及的目標(biāo)更顯得無(wú)能為力。于是研究更好的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)尤其是非接觸識(shí)別技術(shù),有了它深刻的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái),非接觸識(shí)別已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域。這個(gè)專業(yè)領(lǐng)域與任何傳統(tǒng)學(xué)科都不相同。它將大量來(lái)自完全不同專業(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(dǎo)體技術(shù)、數(shù)據(jù)保護(hù)和密碼學(xué)、電信、制造技術(shù)和許多專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。基于聲表面波技術(shù)的辨識(shí)標(biāo)簽由于具有無(wú)線、無(wú)源、抗干擾能力強(qiáng)與傳輸距離長(zhǎng)等特點(diǎn),成為當(dāng)前非接觸識(shí)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)線電傳感系統(tǒng)需要對(duì)射頻頻帶寬度的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,這就要求系統(tǒng)。自從大規(guī)模集成技術(shù)的得到廣泛應(yīng)用以來(lái),數(shù)字信號(hào)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(yīng)用在數(shù)據(jù)通信、信號(hào)處理等技術(shù)領(lǐng)域中 ,展示了其獨(dú)特的應(yīng)用潛力。

本文討論的無(wú)線傳感裝置就是采用了定點(diǎn)DSP芯片TMS320C6201進(jìn)行計(jì)算和控制,具有高速的數(shù)字運(yùn)算能力和高速的數(shù)據(jù)通信能力。

2. 工作原理

聲表面波無(wú)源辨識(shí)標(biāo)簽主要由壓電基片、叉指換能器、天線和反射極組成。辨識(shí)標(biāo)簽工作原理如圖1所示。通過(guò)帶主動(dòng)式天線的射頻信號(hào)發(fā)射出高頻脈沖信號(hào)后,辨識(shí)標(biāo)簽傳感器經(jīng)由其天線接收,該信號(hào)傳至叉指換能器,由于基片的逆壓電效應(yīng),換能器激發(fā)出同頻的SAW,該SAW沿基片表面?zhèn)鞑?到達(dá)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(yīng)再次轉(zhuǎn)變成電磁波由天線發(fā)射回來(lái),接收系統(tǒng)即可得到一系列編碼的高頻回波信號(hào)（如圖2所示）,由收發(fā)單元接收和信號(hào)處理后以辨識(shí)不同的目標(biāo)。

聲表面波標(biāo)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(qū)域能布置32條標(biāo)簽條,則回波信號(hào)可得到232個(gè)狀態(tài),可分別表示不同編號(hào)的車輛、集裝箱、工件、人或動(dòng)物等目標(biāo)以供識(shí)別。

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

3. 硬件結(jié)構(gòu)

此硬件設(shè)計(jì)采用了軟件無(wú)線電的中心思想,即構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái),將各種功能,如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換器盡可能靠近天線,以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無(wú)線通信系統(tǒng),其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 聲表面波無(wú)線傳感系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖3可見(jiàn),其結(jié)構(gòu)主要由天線、射頻前端、寬帶A/D-D/A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號(hào)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(xiàn)濾波、放大、下變頻等功能。模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后的處理任務(wù)完全由DSP軟件承擔(dān)。

天線/射線部分：

信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)包括高頻發(fā)送電路、高頻接收電路、快速切換開關(guān)、天線和中頻調(diào)制解調(diào)器等。在高頻信號(hào)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(wěn)定性都容易得到保證,但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且組合頻率干擾比較嚴(yán)重;直接變頻結(jié)構(gòu)實(shí)際上不使用中頻放大,接收機(jī)直接變換移頻鍵控（FSK）的fc+f與fc-f的頻率成分為數(shù)字輸出比特電流,所有濾波工作都在低頻完成,它易于大規(guī)模集成化,使器件能大幅度小型化,但其內(nèi)部存在不平衡信號(hào)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(wěn)定度也較高,但需用一個(gè)中頻同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益與高穩(wěn)定性,與二次變頻方式相比,整機(jī)使用的元器件可減少,便于集成化。本系統(tǒng)同時(shí)考慮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和調(diào)試方便,采用一次變頻的超外差式電路。系統(tǒng)中頻(IF)選擇為70MHz,系統(tǒng)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(diào)制信號(hào)作為聲表面波標(biāo)簽傳感器的激勵(lì)信號(hào)通過(guò)天線發(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)是將天線感應(yīng)到的聲表面波標(biāo)簽的高頻反射信號(hào)解調(diào)出其正交分量Q和同相分量I。

快速切換開關(guān)的作用是讓高頻信號(hào)單向傳輸。在發(fā)送時(shí),信號(hào)從功率放大器傳向天線,有效地阻止它對(duì)接收支路的影響;而從天線過(guò)來(lái)的接收信號(hào)能有效地傳向接收回路。天線發(fā)射和接收電磁波的能力,與天線結(jié)構(gòu)、尺寸、使用的頻率有關(guān),從電性能要求來(lái)說(shuō),要求天線有更大的尺寸,結(jié)構(gòu)上也可以更復(fù)雜一點(diǎn),收、發(fā)天線宜分開。但從造型、實(shí)用角度看,又要求天線簡(jiǎn)單、小巧。這是一對(duì)矛盾,往往犧牲電性能,讓天線服從造型的要求。系統(tǒng)可采用簡(jiǎn)單的線天線作為信號(hào)的收發(fā)天線。

考慮到發(fā)射信號(hào)的功率受固定值的限制,因此,提高接收機(jī)的靈敏度尤為重要。在高頻電路中還應(yīng)包括一些相應(yīng)的匹配電路和濾波器,調(diào)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(shù)據(jù)處理部分：

雙通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是聲表面波自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為識(shí)別系統(tǒng)的前端,用于采集聲表面波標(biāo)簽反射回波并經(jīng)濾波處理后的I、Q兩路信號(hào)。

如圖3所示,信號(hào)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,主要包括控制天線的發(fā)射/接收開關(guān)切換、在接收傳感器信息時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換、并將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)到4K×32位IDT7024雙口RAM中等內(nèi)容。在一次整周期采樣過(guò)程中數(shù)據(jù)量不超過(guò)640字節(jié)。當(dāng)被測(cè)量變化較慢時(shí),對(duì)發(fā)射/接收機(jī)完成8次整周期采樣后進(jìn)行數(shù)據(jù)平均,然后DSP一次將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)讀至片內(nèi)RAM中,進(jìn)行運(yùn)算處理,然后送PC機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的功能或直接輸出。

在系統(tǒng)中,相位誤差大小與采樣所使用的模/數(shù)轉(zhuǎn)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(nèi)可能取任何值的模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為有限精度的數(shù)字序列時(shí)產(chǎn)生的;由于ADC信噪比為：

因此,恰當(dāng)選擇ADC的位數(shù)N和采樣頻率 不僅可以減少Nyquist帶內(nèi)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(shù)轉(zhuǎn)換器AD9042,確定采樣頻率為40MHz。對(duì)中頻放大至2.4±0.5V,帶寬為8MHz的回波信號(hào)進(jìn)行采樣。

AD9042設(shè)計(jì)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(dāng)好,典型的信噪比為68dB。雙口RAM7024讀寫速度為15nS,完全滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。

通過(guò)對(duì)FPGA XCS20XL芯片的進(jìn)一步設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)使數(shù)字信號(hào)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(píng)價(jià)模塊是一種低成本的開發(fā)板,EVMs的硬件平臺(tái)是帶有目標(biāo)處理器、板上存儲(chǔ)器和少量外設(shè)的PC機(jī)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(píng)價(jià)、性能評(píng)估和有限的系統(tǒng)調(diào)試。

針對(duì)TMS320C6201的DSP器件,為方便DSP目標(biāo)板的開發(fā),采用DSP2621PA評(píng)估板進(jìn)行硬件仿真。DSP2621PA板采用TI的DSP器件（TMS320C6201）,最高運(yùn)行速度可達(dá)1600MIPS,適用于雷達(dá)、通信、圖象處理系統(tǒng)。板上配置了高速同步存儲(chǔ)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(dá)40MHz,A/D采樣頻率可變。為方便用戶進(jìn)行二次開發(fā),板上配置了大容量的FPGA器件（2萬(wàn)-3萬(wàn)門）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,方便用戶與外部系統(tǒng)通信。板上可選擇的EPLD（800門）,方便用戶專用邏輯的設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)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(nèi)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(dá)200MHz,運(yùn)算能力達(dá)1600MIPS,指令周期僅為5ns。

硬件結(jié)構(gòu)TMS320C6201處理器硬件資源豐富,主要由三大部分組成：CPU、外圍設(shè)備和存儲(chǔ)器。C6201的地址總線為32位,尋址范圍達(dá)到4GB,存儲(chǔ)器空間可分為四部分：片內(nèi)程序空間(包括Cache)、片內(nèi)數(shù)據(jù)空間、外部存儲(chǔ)空間和內(nèi)部外圍設(shè)備空間。主要特性有：

內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同于一般DSP芯片,內(nèi)部同時(shí)集成了2個(gè)乘法器和6個(gè)算術(shù)運(yùn)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(nèi)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(nèi)部集成的各指令單元的獨(dú)立執(zhí)行能力,TI公司使用了超長(zhǎng)指令字（VLIW）結(jié)構(gòu),可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)并行執(zhí)行幾條指令。

大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器和大范圍的尋址能力。片內(nèi)集成了512K字程序存儲(chǔ)器和512K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器,并擁有32位的外部存儲(chǔ)器接口。CPU可以在一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)不同RAM塊的數(shù)據(jù),增強(qiáng)了數(shù)據(jù)存取的并行性。

智能外設(shè)。內(nèi)部集成了4個(gè)DMA控制器, 2個(gè)32位計(jì)時(shí)器,2個(gè)雙向多通道（128個(gè)）緩沖串行口。數(shù)據(jù)可為32,24,20,16,12或8位。

4. 結(jié)束語(yǔ)：

基于聲表面波傳感的無(wú)線標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)無(wú)疑是未來(lái)聲表面波應(yīng)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(biāo)識(shí)別系統(tǒng)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(qiáng)、快速數(shù)據(jù)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(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象的識(shí)別。隨著聲表面波識(shí)別技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展,以及面向?qū)嵱玫母黜?xiàng)措施的完善,應(yīng)用聲表面波技術(shù)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別和定位系統(tǒng)將具有廣闊的發(fā)展前景。