緱麗敏

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安，710065)

一種基于雙DSP的高精度AD采集系統(tǒng)

緱麗敏

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安，710065)

彈載計(jì)算機(jī)體積小、接口種類多，給實(shí)現(xiàn)高精度AD采集帶來難度。介紹一種基于雙DSP的高精度AD采集系統(tǒng)，利用主從模式雙處理器架構(gòu)和高精度AD采集芯片AD73360完成對(duì)目標(biāo)信號(hào)的采集和實(shí)時(shí)處理。該方法具有抗干擾能力強(qiáng)、量化噪聲小、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。通過系統(tǒng)聯(lián)試等多方驗(yàn)證，滿足某彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求。

雙DSP；ADSP-2187N；AD73360；AD采集

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，空中打擊已上升為首要的作戰(zhàn)手段，奪取和掌握制空權(quán)已成為頭等重要的任務(wù)，現(xiàn)代幾次戰(zhàn)爭無一例外地證明了這一點(diǎn)[1]。性能先進(jìn)的戰(zhàn)機(jī)、威力強(qiáng)大的巡航導(dǎo)彈、各種精確制導(dǎo)炸彈等是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的主要威脅，因此，精確制導(dǎo)武器的研制對(duì)于提升我國常規(guī)武器的空中打擊能力起著尤為重要的作用。彈載計(jì)算機(jī)作為其重要組成部分，采用高精度制導(dǎo)系統(tǒng)，利用各種傳感器獲取待攻擊目標(biāo)的位置和速度等信息，通過對(duì)信息分析和處理后實(shí)時(shí)修正、控制導(dǎo)彈的飛行軌跡，完成對(duì)目標(biāo)的有效攻擊。彈載計(jì)算機(jī)具有體積小、成本低、速度快、層疊結(jié)構(gòu)等顯著特點(diǎn)，并且單個(gè)模塊融合多種接口。彈載計(jì)算機(jī)具有獨(dú)立的電源系統(tǒng)。這些特點(diǎn)不可避免地為彈載計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度AD采集帶來了難度。

本文提出一種基于雙DSP的高精度AD采集系統(tǒng)，采用主從模式、嵌入式雙處理器的體系架構(gòu)，解決了彈載計(jì)算機(jī)大量信息實(shí)時(shí)處理的問題，采用高信噪比電路設(shè)計(jì)和Σ-Δ采集轉(zhuǎn)換技術(shù)，解決了采集目標(biāo)信號(hào)的實(shí)時(shí)性和精度差的問題。

1 主從模式雙處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 主處理器

主處理器使用TI公司推出的信號(hào)處理器TMS320C6202B[2]，最大工作頻率250 MHz，片上集成了3 Mbit的數(shù)據(jù)/程序存儲(chǔ)器SRAM、兩路32位的定時(shí)器、EMIF總線接口、4路相互獨(dú)立的DMA通道、3路MCBSP串行接口，內(nèi)核采用1.5 V供電，外圍采用3.3 V供電，封裝為352芯BGA。主從模式雙處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 雙處理器架構(gòu)示意圖

1.2 從處理器

從處理器ADSP-2187N[3]是AD公司生產(chǎn)的16位高性能、低功耗定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。它采用3.3 V和1.8 V電壓供電，處理能力最大為80MIPS，LQFP100封裝形式。

ADSP-2187N內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。片內(nèi)共集成256 KB的RAM，其中程序存儲(chǔ)器48 KW(24位)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器56 KW(16位)。此外，在芯片內(nèi)部ADSP-2187N集成了豐富的IO接口和一個(gè)16位可編程計(jì)時(shí)器。它支持6個(gè)可編程外部中斷，可在DSP內(nèi)部編程設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，并可針對(duì)每一個(gè)中斷單獨(dú)設(shè)置屏蔽位。ADSP-2187N 有13個(gè)可編程標(biāo)志管腳(FLAG PIN)。

本文中的ADSP-2187N工作在主機(jī)方式下，程序只能夠存儲(chǔ)在DSP內(nèi)部，外部地址線只有A0一根，支持16位DMA方式——IDMA 。在這種工作方式下，由于只有A0一根地址線，所以ADSP-2187N對(duì)外部尋址能力有限，不允許執(zhí)行程序存放在外部。在IDMA方式下，有效提供了主處理器與ADSP-2187N間的通信，16位接口可以在一個(gè)DSP周期內(nèi)，完成對(duì)DSP內(nèi)部的PM、DM的訪問。但主處理器接口無法訪問ADSP-2187N內(nèi)部地址映射的控制寄存器。

1.3 IDMA接口

圖2 IDMA接口電路示意圖

IDMA接口是主處理器TMS320C6202B與從處理器ADSP-2187N進(jìn)行通信的接口，IDMA接口為16位總線接口，傳輸過程中16位總線地址、數(shù)據(jù)分時(shí)使用，采用異步應(yīng)答的通信方式，將從處理器IDMA接口的16位數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線接在主處理器的EMIF接口上，當(dāng)主處理器訪問從處理器內(nèi)部資源時(shí)，CPLD控制電路完成主從之間的控制；當(dāng)從處理器請(qǐng)求與主處理器進(jìn)行通信時(shí)，由從處理器的離散量實(shí)現(xiàn)對(duì)主處理器的中斷請(qǐng)求。IDMA接口電路示意圖見圖2。

2 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

2.1 AD采集芯片

AD采集芯片使用AD公司生產(chǎn)的AD73360[4]。AD73360是6通道16 bit ADC芯片，信號(hào)噪聲比為77 dB,每個(gè)通道具有可編程的輸入增益放大器，并且每個(gè)通道可以同時(shí)采樣以保證轉(zhuǎn)換之間沒有相位延遲，可以編程設(shè)定采樣速率和通信速率，工作模式可以設(shè)置為配置模式、混合模式或者數(shù)據(jù)模式。AD73360包含一個(gè)片上參考電壓，并且可以通過編程調(diào)整3 V或5 V工作，IO采用5 V工作模式。當(dāng)主時(shí)鐘是16.384 MHz時(shí)，可以通過編程設(shè)定AD73360的采樣速率為以下4種之一：64 kHz，32 kHz，16 kHz，8 kHz[5]。AD73360采用Σ-Δ技術(shù),具有抗干擾能力強(qiáng)、量化噪聲小、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 AD采集電路設(shè)計(jì)

彈載計(jì)算機(jī)模擬量采集前端調(diào)理電路采用高精度運(yùn)算放大器TLC4502。雙路運(yùn)放TLC4502輸入偏置電壓為10 μV～40 μV，增益帶寬4.7 MHz，轉(zhuǎn)換速率2.5 V/μs，精度非常高。

彈載計(jì)算機(jī)共采集12路模擬量，各路模擬量同步采樣，AD73360的模式設(shè)置為數(shù)據(jù)模式，ADSP-2187N可以直接讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，避免了SPI接口控制通信等時(shí)間浪費(fèi)，大大提高了模擬量采集速率。12路模擬量經(jīng)前端調(diào)理后進(jìn)入兩片AD73360進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，兩片AD73360通過SPI接口級(jí)聯(lián)后，與ADSP-2187N通過SPI接口進(jìn)行通信，工作時(shí)AD73360作為主SPI接口，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)同時(shí)經(jīng)過LVDS轉(zhuǎn)換芯片后提供給外部設(shè)備，進(jìn)行檢測(cè)。級(jí)聯(lián)方式設(shè)計(jì)降低了硬件設(shè)計(jì)和軟件編程的復(fù)雜程度。多路模擬量采集轉(zhuǎn)換電路見圖3。

圖3 多路模擬量采集轉(zhuǎn)換電路

3 PCB設(shè)計(jì)

在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)盡量使AD轉(zhuǎn)換電路從整個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立出來，讓其成為一個(gè)單獨(dú)的模塊，避免AD轉(zhuǎn)換部分與電源模塊混合在一起。由于彈載計(jì)算機(jī)接口復(fù)雜，體積受限，無法將AD轉(zhuǎn)換部分作為獨(dú)立的模塊，因此在PCB設(shè)計(jì)時(shí)就必須更加注意信號(hào)傳輸路徑的分布。盡量為模擬量輸入提供單獨(dú)的插頭或者在一個(gè)插頭上為其定義一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域。在同一個(gè)插頭上，應(yīng)使模擬量輸入信號(hào)，尤其是小信號(hào)，盡可能遠(yuǎn)離大電壓或者大電流信號(hào)。

在單板系統(tǒng)內(nèi)部，AD轉(zhuǎn)換電路的精細(xì)PCB設(shè)計(jì)對(duì)高精度采集也起著相當(dāng)重要的作用，下面列舉幾個(gè)方面。

(1)電路的模擬和數(shù)字部分應(yīng)從物理上隔離，盡量避免數(shù)字部分產(chǎn)生的噪聲傳輸?shù)侥M部分。

(2)在印制板布局布線時(shí)，各模擬量通路盡量保持一致，保證多路模擬量調(diào)理結(jié)果和采集結(jié)果的一致性。

(3)避免PCB布線中出現(xiàn)較長平行線傳輸。

(4)在設(shè)計(jì)高阻抗或精密電路時(shí)，必須考慮表面阻抗的變化[6]。

圖4 AD數(shù)據(jù)采集流程圖

4 軟件設(shè)計(jì)

AD采集系統(tǒng)的軟件采用C語言編程，以TI公司的Code Composer Studio軟件作為編譯工具，用TI公司的XDS560/XDS510作為調(diào)試工具。ADSP-2187N的處理程序需要從TMS320C6202B中加載。ADSP-2187N從C6202的指定位置通過IDMA通道進(jìn)行軟件復(fù)位，并加載運(yùn)行程序。AD數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示，對(duì)所有AD通道加載信號(hào)，然后采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。其中啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換部分使用ADSP匯編進(jìn)行編寫，程序編譯通過后編譯成目標(biāo)碼供C6202進(jìn)行加載。

5 結(jié)論

本文提出一種基于雙DSP的彈載高精度AD采集系統(tǒng)，利用主從模式的雙處理器架構(gòu)，采用各通道同步采樣、高信噪比和Σ-Δ轉(zhuǎn)換等技術(shù)綜合設(shè)計(jì)，保證了模擬量數(shù)據(jù)采集的速度、隔離度和精度，各路模擬量信號(hào)前端調(diào)理電路的設(shè)計(jì)、器件的選用及印制板的布局布線最大程度統(tǒng)一，保證了多路模擬量信號(hào)采集結(jié)果的一致性，解決了彈載計(jì)算機(jī)大信息量高速處理和模擬量采集指標(biāo)苛刻的問題。通過系統(tǒng)聯(lián)試等多方驗(yàn)證，滿足某彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求。

[1] 蔡培培. 空空導(dǎo)彈與空戰(zhàn)模式的演變[J]. 航空兵器，2007(3):11-14.

[2] TMS320C6202，TMS320C6202B FIXED-POINT DIGITAL SIGNAL PROCESSORS[Z]. Texas Instruments Incorporated，2004.

[3] ADSP-218xN Series Data Sheet [Z]. Analog Devices, Inc，2006.

[4] AD73360 Data Sheet [Z]. Analog Devices, Inc, 2000.

[5] 那云虓,劉桂禮,劉剛. 基于AD73360和TMS320F2812的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2008， 34(10):92-96.

[6] 黃守寧. PCB布線產(chǎn)生的串?dāng)_及其解決辦法[J]. 裝備制造技術(shù)，2007(7):121-122.

A high precision AD acquisition system based on dual-DSP

Gou Limin

(Aeronautics Computing Technique Research Institute,Xi’an 710065,China)

Missile-borne computer has small volume, and its interface is various. It brings difficulty for realization of high precision AD acquisition system.This paper introduces a high speed AD acquisition system based on dual-DSP. It uses master-slave Dual-DSP and AD73360 to realize the signal acquisition and real-time signal processing. This method has strong anti-interference ability, small quantization noise and high resolution. The commissioning results can meet the requirements of a missile-borne computer system.

dual-DSP; ADSP-2187N; AD73360; AD acquisition

TP368.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.006

緱麗敏.一種基于雙DSP的高精度AD采集系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(8)：16-18.

2016-11-22)

緱麗敏(1986-)，女，碩士，工程師，主要研究方向：嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)。

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