1 引言

被動聲目標的信息一般夾雜在復雜多變的環境噪聲中，信噪比低。采用傳統的目標探測，較難達到要求， 必須使用先進的檢測、定向定位算法，然而這些算法的運算量都較大，實時實現有一定難度。數字信號處理器DSP的出現，使得先進算法的工程實時實現成為可能。但系統的體積、功耗和可靠性又成為主要問題。本系統采用TI公司的低功耗5000系列DSP和微功耗430系列單片機，采用主從式通用化體系結構設計，在滿足系統功能要求的前提下，對系統的體積、功耗和可靠性做了很大的改進，特別適于在電池供電、功耗要求嚴格的設備中使用。另外，對系統提供了豐富的接口，可使其滿足被動目標探測系統的不同要求。

2 系統的整體設計

目標探測通用平臺的主要功能是目標信息的獲取、檢測、對目標位置信息進行相應的定位算法處理和后續控制。此平臺主要由4個部分組成：信號采集模塊、算法處理模塊、系統控制模塊和電源模塊。平臺的原理框圖如圖1所示。


系統的基本工作流程是在主控單片機的控制下，先對傳感器來的信號進行調理，使之滿足采樣要求，再由DSP控制 A／D轉換器對信號進行同步采樣，把A／D轉換后的結果送給數字信號處理器TMS320VC5509進行相應的算法處理，最后把處理結果傳給主控機MSP430單片機，再由單片機去控制其他電路的工作。

其中，信號采集模塊由4通道同步采樣A／D轉換器 THS1206組成，算法處理模塊由低功耗的TMS320-C5000數字信號處理器組成，系統控制模塊由微功耗的MSP430單片機來實現，電源模塊主要由TPS73HD-3XX系列雙電壓調整器來實現對整個系統的電源管理，TMS320C5000數字信號處理器工作在從機模式下，系統電源管理和從機的工作情況由主控機MSP430單片機控制。

2.1 信號采集模塊

模塊采用TI公司的A／D轉換器THS1206。THS1206是1個可編程12 bit CMOS低功耗4通道同步采樣A／D轉換器，最高轉換速度是6 Msample／s，最大功耗216 mW，其速度、分辨率、帶寬都非常適合較寬的應用方向。THS1206不需任何額外器件便可與DSP系統非常方便地進行連接。THS1206內有2個12 bit控制寄存器(0，1)，用來控制其工作方式(具體的工作方式可查閱參考文獻[1])。一個完整的16 byte深先進先出(First In First Out，FIFO)存儲器允許數據緩沖存儲，減少了DSP中斷的次數，提高了DSP的工作效率。內部參考電壓范圍為1.5 V和3.5V。THS1206和TMS-320VC5509的具體硬件連接圖如圖2所示。


THS1206和DSP是通過DSP的EMIF連接的，其轉換時鐘信號是由DSP的通用定時器(Timer)給出的，便于靈活設置不同的采樣速率。TMS320VC5509在FULL_EMIF方式下時，C0是EMIF.ARE，C2是EMIF.AWE，C5是EMIF.CE1。而片選CS1接的是A13，所以THS1206在TMS320CV5509中的地址是CE1空間和A13為高的交集。在TMS320CV5509中CE1段，其字節地址是0x400000～0x800000，再要求A13為高，所以其地址是：(xxxx，xxxx，xx1x，xxxx，xxxx，xxxxB)∩(0x400000～0x800000)，則可以取字節地址為0x412000，對應的字地址是0x209000。

根據THS1206和TMS320VC5509的具體硬件連接電路，進行A／D接口初始化設置。THS1206的初始化可以查閱參考文獻[1]，這里著重介紹一下DSP的接口初始化配置。TMS320VC5509中外部存儲器有4個片選空間，并且都可以單獨進行設置，設置的內容包括存儲器類型、存儲器寬度、讀寫時序參數等。根據DSP的系統時鐘(筆者設定是80 MHz)和THS1206的讀寫時序要求，將片選控制寄存器CE1_1配置為：0x1009，即存儲器類型是16 bit寬異步存儲器，讀建立時間為0個時鐘周期，讀選通時間為2個時鐘周期，讀保持時間為1個時鐘周期；片選控制寄存器CE1_1配置為：0x0009，即讀延長保持時間為0個時鐘周期，寫延長保持時間為0個時鐘周期，寫建立時間為0個時鐘周期，寫選通時間為2個時鐘周期，寫保持時間為1個時鐘周期；片選控制寄存器CE1_1配置為：0x0001，即禁止超時功能，在該配置下，DSP可以可靠地與THS1206進行通信。

2.2 算法處理模塊

本模塊主要由核心處理器TMS320VC5509組成，它是TI推出的新一代低功耗高性能16 bit定點數字信號處理器，其工作主頻可達到200 MHz，周期效率達到了C54X的2倍，且功耗只有C54X的1／6。它還提供了豐富的外設資源，其中包括1個外部存儲器接口，實現了和異步存儲器如EPROM，SRAM以及同步存儲器等外部設備的無縫連接；3個全雙工的高速多通道緩沖串口，DSP通過McBSP可以與其他DSP，編解碼器等相連；另外的外設有通用串行總線，實時時鐘，看門狗定時器，I2C總線，10bit ADC，多媒體卡控制器和通用輸入輸出接口等。在考慮充分利用DSP的外設資源的基礎上，筆者設計了外擴功能完善的硬件平臺，原理框圖如圖3所示。


基于所設計的信號處理硬件平臺，設計完成了相應的驅動程序，包括：與信號采集模塊連接的EMIF的接口程序，和系統控制模塊通信的SPI程序，可以和PC相連的USB驅動程序，支持I2C的通信程序以及DSP集成的ADC的采樣程序等。程序設計都采用模塊化，便于應用程序的開發集成。基于上述軟硬件平臺，可以進一步開展后續開發，基本上可以滿足各種目標探測算法的需求。

2.3 系統控制模塊

系統控制模塊主要由MSP430單片機來實現。MSP430系列是一個16 bit、具有精簡指令集、超低功耗的混合型單片機，適于電池應用的場合或手持設備。筆者采用MSP430F149芯片，它集成的外設有：8通道12 bit ADC，2個具有3個捕獲／比較寄存器的16 bit定時器、2通道串行通信接口(軟件選擇UART／SPI模式)等。基于MSP430單片機的具體外設資源，筆者設計了相應的系統控制模塊硬件平臺，原理框圖見圖4。


在上述的硬件平臺中，MSP430單片機可以通過串行通信接口中的SPI模式和信號處理模塊進行高速通信；可以通過串行通信接口0中的USART模式和PC機進行通信；可以通過串行通信接口1中的USART模式和姿態傳感器TCM2進行通信，實時獲取平臺本身的姿態信息。另外筆者還把MSP430單片機的8通道ADC和2個16bit定時器全部外接出來，利用這些資源可以實現多種控制功能，比如可以實現信號采集模塊的輸入信號的前置調理和控制(以滿足AD采樣的要求)，傳統的前置通道設計一般是模擬的或固定的，利用筆者所設計的平臺，可以很方便地實現全數字化的前置通道控制(如程控濾波器和數字AGC等)。

基于所設計的硬件，開發出了相應的驅動模塊，完成了MSP430單片機和信號處理模塊的SPI通信程序、與PC進行串口通信程序和獲取TCM2姿態信息的串口通信程序等。

2.4 電源模塊

本模塊主要由TPS73HD3XX系列雙電壓調整器和一些附加電路組成。具體的電路原理框圖如圖5所示。


從THS73HD3XX電壓調整器出來的1.6 V和3.3 V電壓經過由MSP430單片機P5.0口控制的開關電路再提供給DSP供電，而DSP的復位信號與MSP430單片機P1.0口相連。這種設計可以很方便地實現系統的電源控制，系統的功耗可以有效地進行控制，因為整個系統的功耗主要在DSP上，MSP430單片機的功耗很低，在不需要DSP工作的時候，可以適時地讓其掉電，需要的時候再進行上電和復位。

3 系統調試和外場試驗結果

在上述硬件模塊及相應軟件的基礎上，對整個系統進行了調試。在已完成的平臺上實現了自適應參量模型法定向定位算法，進行了消聲室模擬縮比定向試驗，俯仰角引起的距離相對誤差為±3.8％，方位角引起的距離相對誤差為±0.88％，算法的精度和處理的實時性達到了滿意的結果。定向定位散布界面示意圖如圖6所示。


4 結束語

筆者完成了通用被動聲目標探測平臺的設計，其具有強大的外設擴展功能、電源控制，系統的平均功耗可控制到毫安級。由于采用高集成度的器件，電路板尺寸較小，為94mm×140mm，能滿足實際運用的要求。接口驅動軟件為應用系統設計提供了便利。整個軟硬件平臺通過了外場的實際測試，能滿足系統設計的要求。

審核編輯黃宇