TMC2310 DSP芯片在水下目標檢測與參數(shù)估計中的應用

 對目標進行檢測、估計、跟蹤是雷達與聲納應用的最終目的,其任務是對接收信號進行一定的處理、提取特征、分析識別,以檢測目標的存在與否,進而通過對信號的處理與運算估計出目標的方位、距離與速度,實現(xiàn)定位和跟蹤。對于水下目標的檢測與參量估計有兩種方式：一是對海洋聲場進行監(jiān)測,從接收信號中提取目標輻射噪聲并進行識別與參量估計（即被動方式）;二是由聲納系統(tǒng)發(fā)射給定的序列信號（常用的有CW信號和FM信號等）,并對接收的回波信號進行檢測與參量估計。由于海洋聲場極其復雜多變,受溫度、鹽度、深度、梯度、水流、水域、季節(jié)、氣候、風浪、溫層、流層、界面的反射與折射等諸多因素的影響,使水聲信道相當復雜,接收信號通常會畸變,并淹沒在噪聲之中。對水下目標實現(xiàn)實時、快速、準確、精確地檢測與參量估計是聲納系統(tǒng)不斷追求的目標。充分利用高性能的數(shù)字信號處理（DSP）器件及技術來實現(xiàn)具有良好特性的算法,將會顯著提高檢測目標的概率和參量估計的精度,從而推動聲納的發(fā)展與應用。

    近二十年來,相繼出現(xiàn)了許多重要的目標檢測及參數(shù)估計算法,如分裂波束精確測向算法[2]、ARMA法[4]、MUSIC法[5]和ESPRIT法[6]等DOA估計方法,以及LMS算法[7]等自適應信號處理方法。這些算法的實現(xiàn),大多需要通過一些通用的數(shù)學運算以及矩陣運算,并采用如FFT、IFFT等快速算法,而這些運算均可方便地利用TMC2310器件來實現(xiàn)。本文將對TMC2310芯片應用于水下目標的檢測與估計進行介紹。

    １ TMC2310簡介

    TMC2310是美TRW公司生產的高速度（實現(xiàn)一次基二蝶形運算僅需100ns）、多功能（共有16種運算功能）、可編程的專用數(shù)字信號處理（DSP）器件,其使用靈活、操作方便、性價比高,可廣泛應用于雷達、聲納、通訊及虛擬儀器等領域。

    １．１ 主要特點   

    ·可自動或手動地實現(xiàn)浮點塊的溢出調整

    ·具有流水線及管道操作兩種尋址方式

    ·用戶可編程窗函數(shù)功能

    ·具有片內系數(shù)存儲器

    ·具有兩個算術運算單元

    ·19bit的運算精度及輸出位寬

    １．２ 主要功能

    ·可快速完成不加窗及加窗（實數(shù)窗或復數(shù)窗）的FFT及IFFT算法

    ·可同時構成兩路并行的FIE濾波器（16～1024階）

    ·可構成自適應FIR濾波器

    ·可進行實數(shù)、復數(shù)的乘及乘加運算

    ·可進行復數(shù)求模及陣列矢量的平方運算

·

    １．３ 結構與管腳

    TMC2310由兩個算術單元（AE0、AE1）、片內系數(shù)ROM、控制邏輯單元和外部接口電路五個主要部分構成,其邏輯框圖見圖１。每個算術單元包括一個乘法序列電路和乘—加算術邏輯電路塊。該芯片采用了88引腳的PGA封裝形式。

   管腳定義如下：

VDD?VSS   電源輸入引腳,采用單一＋5V供電

CLK        系統(tǒng)時鐘輸入引腳

       讀信號,低電平有效

       寫信號,低電平有效

SEMSEL     外部存儲器選擇信號輸出引腳

SCEN       定標輸出允許引腳

DONE       系統(tǒng)工作結束標志輸出引腳

CMD0～CMD1 控制命令輸入引腳

W0～W16    雙功能數(shù)據總線,用于輸入窗函數(shù)、 濾波器系數(shù)及輸出定標器的移位指數(shù)和最后一次溢出

AD0～AD9   外部數(shù)據存儲器地址總線

RG0～RG18  實部雙向數(shù)據總線

IM0～IM18  虛部雙向數(shù)據總線[!--empirenews.page--]

    １．４ 配制寄存器

    TMC2310片內有兩個16bit的配制寄存器（CR1、CR2）,用來對TMC2310進行編程設置,其主要用途如下：

CR1 用來設定芯片的處理功能、轉換長度、輸出格式及定標方式;

CR2 主要用來設定尋址方式和變換路數(shù)（1～64路）。

    ２ 電路設計

    由于TMC2310是可編程的專用DSP器件,我們用一片TMS320C25 DSP器件與之配合,采用主從結構、并行處理方式,加上外圍共享存儲器陣列對等組成處理模塊。TMS320C25除對TMC2310進行編程及控制外,還以并行運算處理的方式完成一些后續(xù)處理及輔助運算（如數(shù)據抽取、積分等）。整個電路系統(tǒng)采用模塊化設計,便于調試及擴展。信號處理模塊原理框圖如圖2所示。

    在圖2中,TMC2310和TMS320C25之間設計了一個以乒乓方式工作的雙口RAM陣列,其作用有四：（１）存放待處理的數(shù)據（實部數(shù)據放在REM塊,虛部數(shù)據放在IMM塊）;（２）存放TMC2310所需的系數(shù)或參數(shù)（放在WDM塊）;（３）存放TMC2310的輸出結果并作為TMC2310中間結果緩存;（４）構成TMS320C25的運算內存。為了便于構成系統(tǒng)及滿足實時需要,用一片IDT7025雙口RAM（8K×16）構成一個TMS320C25與外部共享的ＲＡＭ區(qū),以便實時地與外部進行數(shù)據交換和通訊。這個雙口ＲＡＭ區(qū)也以乒乓方式工作,以增強模塊的寬容性。

    電路的乒乓工作方式控制邏輯是由TMS320C25根據系統(tǒng)的節(jié)拍時序進行控制的?？刂齐娐反_保CAA12與CAB12互斥,CAL12與CAR12互斥。整個電路簡單、緊湊、協(xié)調有序。由于采用了VLSI器件設計,電路設計大大簡化,調試方便、功能強大、性能可靠、吞吐量大（完成1024點FFT的數(shù)據通過率為2.343M字／秒）。

    ３ 軟件設計

    TMS320C25的主要任務有：（１）根據功能需要對TMC2310進行編程設置及控制管理;（２）與TMC2310進行數(shù)據交換;（３）完成部分處理運算（如：抽樣、積分、數(shù)值及參量計算等）;（４）與系統(tǒng)進行通訊（如數(shù)據輸入輸出及功能、方式的設立等）。我們將這些內容分成不同的子程序按模塊進行設計,既便于調試又易于功能擴展。

    軟件主要由一個主程序與若干個子程序模塊組成。主要的模塊有：TMC2310的設置與控制;與外部的通訊;數(shù)據的輸出、數(shù)據加載、系數(shù)加載及十幾個運算子模塊。由于篇幅有限,以下僅給出主程序流程框圖（見圖3）。

    將TMC2310應用于水下目標的檢測與估計,具有速度快、功能強、可編程、易操作等特點。我們用其開發(fā)研制的信號處理模塊,體積小、易擴展。組成的系統(tǒng)能在飛機、艦船等環(huán)境下可靠工作。幾年來,經水池、湖及海上的多次試驗和試用,證明其設計合理、應用成功,已投入小批量生產。此外還可用于雷達、通訊及虛擬儀器等許多領域,具有很好的應用前景。