陳虹舟，朱思奇，霍家道

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006；2.上海交通大學(xué)，上海 200030）

聲納是利用聲波對水下目標(biāo)進(jìn)行探測、定位、跟蹤、識別的水聲設(shè)備，是軍事上和國民經(jīng)濟(jì)中一種重要的信息獲取手段。數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理的微處理器，廣泛應(yīng)用于各類聲納信號處理設(shè)備中。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求的提高，聲納信號處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和運(yùn)算量顯著增加，單個(gè)DSP的處理能力已不能滿足系統(tǒng)的計(jì)算處理要求，迫切需要多個(gè) DSP進(jìn)行協(xié)同處理，以增強(qiáng)整體數(shù)據(jù)處理能力。TI公司高性能的數(shù)字信號處理器TMS320C6416是一種32位高速定點(diǎn)數(shù)字處理芯片，其工作時(shí)鐘頻率最高可達(dá)到1GHz，接口豐富，能夠方便快速地與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本文提出了基于TMS320C6416芯片的多板卡聲納信號協(xié)同處理技術(shù)，它采用EDMA技術(shù)通過PCI接口實(shí)現(xiàn)多DSP板卡的數(shù)據(jù)交換，以實(shí)現(xiàn)對多路聲納信號的協(xié)同處理。

1 系統(tǒng)概述

聲納信號處理主要完成聲納模擬信號從采集、量化、濾波、計(jì)算處理、數(shù)據(jù)篩選到輸出的全過程。不入路數(shù)可能大不相同。根據(jù)板卡取處理能力，當(dāng)納信號輸入路數(shù)較少時(shí)，可采用單塊板卡進(jìn)行處理；當(dāng)聲納信號輸入路數(shù)較多時(shí)，占用的存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算量都很大，則需要采用兩塊或多塊板卡對聲納信號進(jìn)行協(xié)同并行處理，以確保系統(tǒng)的處理性能。

系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)主處理器控制，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，信號處理由DSP完成。主處理器和各DSP分布在不同的板卡上，其互連方式如圖1所示。計(jì)算機(jī)CPU處理模塊和多塊聲納信號處理板卡通過PCI總線實(shí)現(xiàn)互連，各處理板卡中的信號處理以及相鄰兩塊處理板卡之間的信號相關(guān)處理采用軟件控制，通過中斷方式由PCI總線在相鄰兩塊處理板卡之間傳送相關(guān)數(shù)據(jù)。各聲納信號處理板卡分別處理各自接收的聲納回波信號，采集量化后進(jìn)行處理，處理結(jié)果通過PCI總線傳送給計(jì)算機(jī)CPU處理模塊，組合后顯示輸出。

圖1 多板卡的互連方式

2 多板卡協(xié)同處理技術(shù)

對于同時(shí)輸入的多路聲納信號，要實(shí)現(xiàn)多板卡協(xié)同處理，首先要實(shí)現(xiàn)DSP與DSP之間、DSP與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，其次要保證多板卡之間的協(xié)調(diào)和同步。圖2給出了兩塊聲納信號處理板卡協(xié)同處理多路聲納信號的示例，其中 DSP-1處理 N路聲納信號，DSP-2處理M路聲納信號。對于N+M路聲納信號而言，雖然在兩個(gè)DSP上分別處理，但仍為一個(gè)整體，如同在單個(gè)DSP上處理一樣。由于相鄰聲納信號之間的相關(guān)性較強(qiáng)，在N路信號與M路信號之間有相關(guān)處理，因此DSP-1需要將部分聲納信號傳輸至DSP-2，反過來，DSP-2也需要將部分聲納信號傳輸至DSP-1。然后各DSP分別進(jìn)行計(jì)算處理，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)。主機(jī)在對兩塊DSP送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理后，顯示輸出。

圖2 多DSP數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2.1 DSP與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸

TMS320C6416芯片自帶一個(gè)32bit/33MHz 3.3V主/從模式PCI接口，支持PCI接口規(guī)范2.2版本，通過PCI總線能夠?qū)崿F(xiàn)DSP與PCI主機(jī)的互連。該P(yáng)CI接口支持下列四種類型的數(shù)據(jù)交換：

◆ 從模式寫，外部PCI主設(shè)備通過PCI接口寫數(shù)據(jù)到DSP從設(shè)備；

◆ 從模式讀，外部PCI主設(shè)備通過PCI接口從DSP從設(shè)備中讀數(shù)據(jù)；

◆ 主模式寫，DSP主設(shè)備通過PCI接口寫數(shù)據(jù)到外部PCI從設(shè)備；

◆ 主模式讀，DSP主設(shè)備通過PCI接口從外部PCI從設(shè)備讀數(shù)據(jù)。

DSP對聲納信號處理完后，需將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)加以顯示。此時(shí)可采用從模式讀和主模式寫兩種方式完成DSP到主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。由于對同樣大小的一批數(shù)據(jù)，主模式寫的速度比從模式讀的速度快，且前者有利于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。因此采用DSP的主模式寫方式來實(shí)現(xiàn)DSP與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，即DSP作為PCI主設(shè)備向主機(jī)的指定地址寫入數(shù)據(jù)，并在寫完數(shù)據(jù)后向主機(jī)發(fā)中斷，提示主機(jī)讀取數(shù)據(jù)。

在主模式寫方式下，相關(guān)的控制器包括DSP主地址寄存器（DSPMA）、PCI主地址寄存器（PCIMA）以及PCI主模式控制寄存器（PCIMC）。其中，DSPMA中寫入傳輸?shù)脑吹刂罚碊SP地址），PCIMA中寫入目的地址（即PCI主機(jī)地址）。啟動(dòng)主模式寫后，由EDMA負(fù)責(zé)從源地址向DSP內(nèi)部的寫FIFO搬移所要求的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)到 FIFO滿或請求的數(shù)據(jù)長度傳輸完為止。一旦FIFO得到有效數(shù)據(jù)，PCI接口模塊會(huì)向外發(fā)出PCI總線請求，并將FIFO中的數(shù)據(jù)向PCI從設(shè)備傳輸。當(dāng)DSP源地址中所有的數(shù)據(jù)都送入主模式寫FIFO后，DSP內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。通過向RSTSRC寄存器中的INTREQ位和INTRST位寫1即向PCI主機(jī)發(fā)出中斷，完成一次數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 DSP與DSP的數(shù)據(jù)傳輸

DSP與 DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸是多板卡聲納信號協(xié)同處理的關(guān)鍵和難點(diǎn)，只有實(shí)現(xiàn)了DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸，多板卡協(xié)同處理才成為可能。DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸類似于DSP與主機(jī)之間的傳輸，不同之處在于傳輸?shù)哪康牡刂窞镈SP中的某地址。要實(shí)現(xiàn)DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸（以圖2中DSP-1向DSP-2傳輸數(shù)據(jù)為例），有以下兩個(gè)難點(diǎn)：

1）DSP-1在主模式寫方式下，PCIMA寄存器中只能寫入PCI主機(jī)地址，不能直接寫入目的DSP-2地址。因此要先將DSP-2的目的地址映射到主機(jī)上，轉(zhuǎn)為PCI主機(jī)地址后方可寫入PCIMA中。

2）PCI主機(jī)可訪問的 DSP內(nèi)存被映射在有限空間中，該有限空間遠(yuǎn)小于DSP的尋址空間，因此需通過 DSP頁寄存器（DSPP）來確定映射的有限空間在DSP存儲(chǔ)空間中的位置。在DSP-1向DSP-2傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，DSP-1先根據(jù)目的地址求出頁面值和該頁面下的偏移地址，然后通過主模式寫方式將頁面值寫入DSP-2的頁寄存器中；最后通過主模式寫方式將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寫入DSP-2在該頁面下的偏移地址中。這樣就完成了DSP-1到DSP-2的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 多板卡的同步處理

當(dāng)同一信號源在某一時(shí)刻輸出聲納信號后，多個(gè)DSP并行采集和處理。主機(jī)在收到多個(gè)DSP的數(shù)據(jù)中斷后，需先判斷收到的數(shù)據(jù)是否是同一時(shí)刻，即判斷多個(gè)DSP處理是否同步。如表1所示，當(dāng)主機(jī)收到兩個(gè)DSP的同步數(shù)據(jù)，則直接進(jìn)行組合顯示；而表2所示，當(dāng)主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)不是同一時(shí)刻的聲納數(shù)據(jù)，則不同步，此時(shí)主機(jī)需要通過一些同步機(jī)制來處理，以保證后續(xù)處理的同步。

表1 多個(gè)DSP處理同步情況

表2 多個(gè)DSP處理不同步情況

3 實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于上述硬件結(jié)構(gòu)以及協(xié)同處理思想，我們設(shè)計(jì)了基于TMS320C6416 DSP處理器的聲納信號處理板卡，其單板的聲納信號處理能力為20路，當(dāng)待處理聲納信號超過20路時(shí)，可以對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，組成多板卡聲納信號協(xié)同處理系統(tǒng)。多板卡聲納信號協(xié)同處理系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)劃分為兩部分：聲納信號處理程序和計(jì)算機(jī)主控程序。

聲納信號處理程序運(yùn)行于 TMS320C6416，采用CCStudio3.0集成開發(fā)環(huán)境，基于DSP/BIOS開發(fā)。為了便于系統(tǒng)擴(kuò)展，在多板卡聲納信號協(xié)同處理過程中，每塊板卡運(yùn)行相同的程序，通過板卡在系統(tǒng)中的位置來確定其所處理的對應(yīng)通道聲納信號及其與相鄰板卡之間的數(shù)據(jù)交換內(nèi)容。該程序的關(guān)鍵技術(shù)在于實(shí)現(xiàn)各處理板卡DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸、DSP向主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，計(jì)算機(jī)主控程序選用VxWorks操作系統(tǒng)，運(yùn)行于計(jì)算機(jī)主處理器，在Tornado2.2環(huán)境下開發(fā)。主要實(shí)現(xiàn)DSP程序的加載、運(yùn)行控制、DSP中斷處理、同步處理及聲納回波圖像的顯示。

軟件實(shí)現(xiàn)的程序流程如表3所示。

圖3 軟件程序流程

3.2 驗(yàn)證結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，我們采用模擬的聲納信號源對所設(shè)計(jì)的多板卡聲納信號處理系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。信號源能夠提供40路信號，系統(tǒng)中采用2塊聲納信號處理板卡，其中左20路在第一塊板卡中處理，右20路在第二塊板卡中處理。兩板卡協(xié)同處理后，形成聲納視頻圖像，送CPU模塊顯示效果如表4所示。由顯示效果看出，40路信號雖然分開在兩塊聲納信號處理板卡上處理，但協(xié)同處理后，實(shí)現(xiàn)了40路聲納信號的實(shí)時(shí)處理和無縫組合顯示，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖4 多板卡協(xié)同處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)效果圖

4 結(jié)束語

本文主要介紹了基于 TMS320C6416的多板卡聲納信號協(xié)同處理技術(shù)，重點(diǎn)介紹了多板卡之間的數(shù)據(jù)傳輸原理及實(shí)現(xiàn)方式。該技術(shù)在提高系統(tǒng)處理能力的同時(shí)，能有效提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和可擴(kuò)展性。DSP之間以及DSP與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸方法，為多板卡信號處理系統(tǒng)提供了軟件實(shí)現(xiàn)的借鑒方法，有利于開展多板卡協(xié)同處理工作。

[1]Texas Instruments.TMS320C6000 Peripherals Reference Guide.2001.

[2]汪安民,等.TMS320C6000 DSP實(shí)用技術(shù)與開發(fā)案例[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[3]何慧穎,胡越明,蔣嫣楓.基于DSP的PCI總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2004,30(增刊):497-498.

[4]趙貴海,張寶峰,季秀遠(yuǎn).基于DM642的PCI總線接口技術(shù)的高速數(shù)據(jù)傳輸研究[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,24(2):76-79.