緱麗敏

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

彈載計算機體積小、接口種類多，給實現(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完成對目標(biāo)信號的采集和實時處理。該方法具有抗干擾能力強、量化噪聲小、分辨率高的優(yōu)點。通過系統(tǒng)聯(lián)試等多方驗證，滿足某彈載計算機系統(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[1]。性能先進(jìn)的戰(zhàn)機、威力強大的巡航導(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。彈載計算機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，通過對信息分析和處理后實時修正、控制導(dǎo)彈的飛行軌跡，完成對目標(biāo)的有效攻擊。彈載計算機具有體積小、成本低、速度快、層疊結(jié)構(gòu)等顯著特點，并且單個模塊融合多種接口。彈載計算機具有獨立的電源系統(tǒng)。這些特點不可避免地為彈載計算機實現(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)，解決了彈載計算機大量信息實時處理的問題，采用高信噪比電路設(shè)計和Σ-Δ采集轉(zhuǎn)換技術(shù)，解決了采集目標(biāo)信號的實時性和精度差的問題。

1 主從模式雙處理器架構(gòu)設(shè)計

1.1 主處理器

主處理器使用TI公司推出的信號處理器TMS320C6202B[2]，最大工作頻率250 MHz，片上集成了3 Mbit的數(shù)據(jù)/程序存儲器SRAM、兩路32位的定時器、EMIF總線接口、4路相互獨立的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、低功耗定點數(shù)字信號處理器。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)，具有獨立的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。片內(nèi)共集成256 KB的RAM，其中程序存儲器48 KW(24位)，數(shù)據(jù)存儲器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16位可編程計時器。它支持6個可編程外部中斷，可在DSP內(nèi)部編程設(shè)置中斷優(yōu)先級，并可針對每一個中斷單獨設(shè)置屏蔽位。ADSP-2187N 有13個可編程標(biāo)志管腳(FLAG PIN)。

本文中的ADSP-2187N工作在主機方式下，程序只能夠存儲在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DSP周期內(nèi)，完成對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，CPLD控制電路完成主從之間的控制；當(dāng)從處理器請求與主處理器進(jìn)行通信時，由從處理器的離散量實現(xiàn)對主處理器的中斷請求。IDMA接口電路示意圖見圖2。

2 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

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，信號噪聲比為77 dB,每個通道具有可編程的輸入增益放大器，并且每個通道可以同時采樣以保證轉(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)主時鐘是16.384 MHz時，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、量化噪聲小、分辨率高的優(yōu)點。

2.2 AD采集電路設(shè)計

彈載計算機模擬量采集前端調(diào)理電路采用高精度運算放大器TLC4502。雙路運放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。

彈載計算機共采集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接口控制通信等時間浪費，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接口級聯(lián)后，與ADSP-2187N通過SPI接口進(jìn)行通信，工作時AD73360作為主SPI接口，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)同時經(jīng)過LVDS轉(zhuǎn)換芯片后提供給外部設(shè)備，進(jìn)行檢測。級聯(lián)方式設(shè)計降低了硬件設(shè)計和軟件編程的復(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

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

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

(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，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)計高阻抗或精密電路時，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

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，并加載運行程序。AD數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示，對所有AD通道加載信號，然后采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。其中啟動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，保證了模擬量數(shù)據(jù)采集的速度、隔離度和精度，各路模擬量信號前端調(diào)理電路的設(shè)計、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采集結(jié)果的一致性，解決了彈載計算機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)試等多方驗證，滿足某彈載計算機系統(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[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：嵌入式計算機設(shè)計。

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