張楊梅,畢 楊

(西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院,西安 710077)

0 引言

水下主動(dòng)聲吶探測(cè)系統(tǒng)利用聲波對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定位、跟蹤及識(shí)別,在水下通信導(dǎo)航、魚雷制導(dǎo)、海洋環(huán)境勘探等方面有著廣泛的應(yīng)用。自第一部用于偵測(cè)潛艇的主動(dòng)式聲吶設(shè)備出現(xiàn)后,多國(guó)均投入了大量人力物力發(fā)展主動(dòng)聲吶系統(tǒng),但由于技術(shù)的限制、水下環(huán)境復(fù)雜,水下主動(dòng)聲吶探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展緩慢。隨著微電子和嵌入式技術(shù)的發(fā)展,通過(guò)引入嵌入式處理器,水下主動(dòng)聲吶探測(cè)系統(tǒng)的控制部件發(fā)生了巨大變化,其信號(hào)處理能力得到了顯著提升[1-3]。然而,傳統(tǒng)的水下主動(dòng)聲吶探測(cè)系統(tǒng)大多是單機(jī)單控的相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備,針對(duì)不同的環(huán)境和用途,需要設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng),其硬件結(jié)構(gòu)和軟件體系相對(duì)固定和封閉,導(dǎo)致設(shè)備的通用性和擴(kuò)展能力較差[4-5],限制了水下主動(dòng)聲吶探測(cè)系統(tǒng)的擴(kuò)展與兼容能力。因此,如何在有限的存儲(chǔ)空間和處理器處理速度下,充分利用軟硬件資源,將主動(dòng)聲吶探測(cè)系統(tǒng)采集到的大量水聲信號(hào)數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確的發(fā)送給上位機(jī),以便進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理、診斷和顯示,是整個(gè)水下主動(dòng)聲吶探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展關(guān)鍵之一[6-8]。

水下主動(dòng)聲吶探測(cè)系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的控制指令完成各項(xiàng)任務(wù),在工作狀態(tài)下需要完成對(duì)水下目標(biāo)回波數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理及存儲(chǔ),并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示及分析,具有工作時(shí)間長(zhǎng)、可靠性要求高、傳輸數(shù)據(jù)量大等設(shè)計(jì)要求。因此,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于德州儀器(Texas Instruments,TI)公司開發(fā)的OMAP系列數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor, DSP)OMAP-L138的指令控制系統(tǒng)。

1 水下主動(dòng)聲吶探測(cè)指令控制系統(tǒng)

水下主動(dòng)聲吶探測(cè)系統(tǒng)是重要的海洋環(huán)境探測(cè)和水下目標(biāo)檢測(cè)工具,在設(shè)計(jì)時(shí)需要遵循可靠性高、工作時(shí)間長(zhǎng)、大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫?。水下主?dòng)聲吶探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,其中指令系統(tǒng)處于整個(gè)水下主動(dòng)聲吶探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵位置,主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信、處理信息、控制系統(tǒng)、傳輸數(shù)據(jù),具有實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)同步的功能。

由于本文所設(shè)計(jì)的指令控制系統(tǒng)在與上位機(jī)及其他設(shè)備進(jìn)行指令通信的同時(shí),還需要實(shí)時(shí)傳輸水下主動(dòng)聲吶探測(cè)所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù),整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)和指令的傳輸速率及傳輸可靠性要求較高。同時(shí),為了方便以后的升級(jí)以及再次開發(fā),系統(tǒng)采用TI的OMAP-L138,并利用SYS/BIOS來(lái)簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)。

1.1 OMAP-L138

TI公司的OMAP-L138是一款高性能、低功耗浮點(diǎn)處理器,片上集成了一顆300 MHz的ARM核與一顆300 MHz的DSP核,雙核可同時(shí)工作,兼具ARM處理器與DSP處理器的優(yōu)點(diǎn)。ARM核與DSP核共享高達(dá)128 KB的RAM,可通過(guò)該共享內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行相互通信。OMAP-L138提供了豐富的外設(shè)接口,可以靈活地與各種外部設(shè)備進(jìn)行通信,包括外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口(EMIFA和EMIFB)、串行數(shù)據(jù)接口(UART、SPI、GPIO等)、并行數(shù)據(jù)接口(UPP)、網(wǎng)絡(luò)通信接口、大容量存儲(chǔ)接口(MMC/SD、USB、SATA)、音視頻接口(VPIF、McASP)等[9]。

本文所設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的基于OMAP-L138的水下主動(dòng)聲吶探測(cè)指令控制系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示。通過(guò)網(wǎng)口與上位機(jī)進(jìn)行指令通信以及數(shù)據(jù)傳輸;通過(guò)UART接口與聲吶載體控制設(shè)備(轉(zhuǎn)臺(tái))相連,控制調(diào)整聲吶載體的動(dòng)作;通過(guò)SATA接口將水下主動(dòng)聲吶探測(cè)系統(tǒng)在進(jìn)行探測(cè)時(shí)采集到的大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)設(shè)備中;使用SPI接口向接收機(jī)發(fā)送TVG(時(shí)變?cè)鲆婵刂?曲線調(diào)節(jié)接收機(jī)的增益;通過(guò)uPP接口向發(fā)射機(jī)、接收機(jī)發(fā)送各種指令及配置參數(shù);通過(guò)EMIFA接口從接收機(jī)接收采集到的數(shù)據(jù),并通過(guò)網(wǎng)口將數(shù)據(jù)打包上傳至上位機(jī)。不同的水下主動(dòng)聲吶探測(cè)系統(tǒng)可根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)裁剪和改變。

圖2 水下主動(dòng)聲吶探測(cè)指令控制系統(tǒng)連接示意圖

1.2 SYS/BIOS

SYS/BIOS具有靈活的配置功能,能夠滿足多線程任務(wù)的各種需求,包括對(duì)線程的調(diào)度、同步與通信[10],其主要特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性和高效性。實(shí)時(shí)性體現(xiàn)在搶占式的任務(wù)調(diào)度機(jī)制上,當(dāng)中斷出現(xiàn)時(shí),操作系統(tǒng)會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)去調(diào)用中斷服務(wù)程序,沒(méi)有復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度機(jī)制。高效性主要體現(xiàn)在簡(jiǎn)單的系統(tǒng)調(diào)用上,CPU花費(fèi)在系統(tǒng)調(diào)用上的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)有效執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間,使得SYS/BIOS僅占用極少的CPU資源。此外,SYS/BIOS還提供了豐富的應(yīng)用函數(shù)接口和實(shí)時(shí)分析及配置工具,可以更加靈活地協(xié)調(diào)各個(gè)軟件模塊的執(zhí)行,更加便捷地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)功能,加快軟件的開發(fā)和調(diào)試進(jìn)度。

SYS/BIOS可以根據(jù)用戶的需求,自動(dòng)分配不同的資源。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同資源的快速響應(yīng),包括硬件中斷、軟件中斷、線程任務(wù)以及后臺(tái)線程。軟件中斷內(nèi)部最多可分為32個(gè)優(yōu)先級(jí),線程任務(wù)最多有32個(gè)優(yōu)先級(jí)?？赏ㄟ^(guò)指定線程的優(yōu)先級(jí),使得SYS/BIOS能夠根據(jù)需要決定在某一時(shí)刻應(yīng)該運(yùn)行哪個(gè)線程,確保硬件中斷優(yōu)先于軟件中斷,軟件中斷優(yōu)先于線程任務(wù)。

水下主動(dòng)聲吶中的指令控制系統(tǒng)不僅需要將所采集到的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī),同時(shí)還需要與上位機(jī)保持通信,從上位機(jī)接收各種操作指令及配置參數(shù)[11],通過(guò)指令解析決定是否需要將指令繼續(xù)下傳給其它設(shè)備,并將指令執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)。因此,水下主動(dòng)聲吶探測(cè)的指令控制系統(tǒng)采用SYS/BIOS進(jìn)行程序設(shè)計(jì),給各個(gè)任務(wù)分配優(yōu)先級(jí),將任務(wù)調(diào)度的工作交給SYS/BIOS,簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)控制程序。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 指令控制系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

指令控制系統(tǒng)的軟件部分基于C語(yǔ)言,通過(guò)模塊化程序設(shè)計(jì)來(lái)完成,主要包括以下幾個(gè)模塊:軟硬件資源初始化、主程序、串口通信中斷服務(wù)子程序、定時(shí)器中斷服務(wù)子程序等,指令控制系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。系統(tǒng)上電開機(jī)后,完成各軟硬件資源的初始化,包括SYS/BIOS系統(tǒng)內(nèi)核初始化、中斷服務(wù)的初始化、IP和MAC地址的設(shè)定、啟動(dòng)TCP及UDP服務(wù)器、探測(cè)參數(shù)的初始化以及各標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口的初始化;然后系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài),等待上位機(jī)下發(fā)指令及參數(shù)數(shù)據(jù);當(dāng)系統(tǒng)接收到上位機(jī)下發(fā)的指令及參數(shù)數(shù)據(jù)后,先對(duì)指令進(jìn)行解析,判斷指令的類別(如自診斷指令、參數(shù)配置指令、數(shù)據(jù)導(dǎo)出指令或啟動(dòng)/停止探測(cè)指令);若指令為“自診斷”或“參數(shù)配置”,系統(tǒng)從指令中解析出該指令的執(zhí)行設(shè)備編號(hào),將該指令下發(fā)給相應(yīng)執(zhí)行設(shè)備,并在執(zhí)行設(shè)備完成該指令后從指令執(zhí)行設(shè)備接收指令執(zhí)行結(jié)果,上傳給上位機(jī),系統(tǒng)再次處于等待狀態(tài);若指令為“數(shù)據(jù)導(dǎo)出”,系統(tǒng)將該指令下發(fā)給外部存儲(chǔ)設(shè)備,開始從外部存儲(chǔ)設(shè)備中讀取數(shù)據(jù),同時(shí)將讀取出的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī),系統(tǒng)再次處于等待狀態(tài);若指令為“啟動(dòng)探測(cè)”,系統(tǒng)首先通知發(fā)射機(jī)開始發(fā)出探測(cè)信號(hào),待探測(cè)信號(hào)發(fā)射完畢后,通知接收機(jī)開始接收數(shù)據(jù),并將接收到的數(shù)據(jù)處理后打包上傳給上位機(jī);當(dāng)系統(tǒng)接收到上位機(jī)的“停止探測(cè)”指令時(shí),整個(gè)系統(tǒng)又處于等待狀態(tài)。

圖3 指令控制系統(tǒng)工作流程圖

2.2 線程調(diào)度管理

指令控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)基于SYS/BIOS中的體系架構(gòu),根據(jù)水下主動(dòng)聲吶探測(cè)系統(tǒng)的功能需求,創(chuàng)建TSK_control、TSK_TCP和TSK_UDP_send 3個(gè)任務(wù)線程,水下主動(dòng)聲吶探測(cè)指令控制系統(tǒng)的3個(gè)任務(wù)線程如圖4所示,其中TSK_TCP為TCP通信任務(wù)(分為指令接收TSK_TCP_recv和指令應(yīng)答TSK_TCP_send 2部分),負(fù)責(zé)與上位機(jī)之間的指令接收與應(yīng)答通信,優(yōu)先級(jí)最高;TSK_UDP_send為UDP通信任務(wù),負(fù)責(zé)將水下主動(dòng)聲吶探測(cè)系統(tǒng)采集到的水聲信號(hào)數(shù)據(jù)以UDP協(xié)議方式傳輸給上位機(jī),優(yōu)先級(jí)次之;TSK_control為信息處理線程,負(fù)責(zé)整個(gè)信息處理與邏輯控制,能夠被其它2個(gè)任務(wù)線程搶占,在沒(méi)有其他任務(wù)線程執(zhí)行時(shí)始終不間斷地運(yùn)行,因此優(yōu)先級(jí)最低。

圖4 水下主動(dòng)聲吶探測(cè)指令控制系統(tǒng)的3個(gè)任務(wù)線程

以接收“啟動(dòng)探測(cè)”指令為例。系統(tǒng)上電開機(jī)并完成初始化后,啟動(dòng)任務(wù)線程TSK_control;在上位機(jī)下發(fā)“啟動(dòng)探測(cè)”指令后,會(huì)觸發(fā)任務(wù)線程TSK_TCP啟動(dòng),任務(wù)線程TSK_control的CPU使用權(quán)被任務(wù)線程TSK_TCP搶占,系統(tǒng)接收到該指令并進(jìn)行指令解析;系統(tǒng)完成指令解析并發(fā)送完畢指令執(zhí)行結(jié)果后,任務(wù)線程TSK_TCP結(jié)束,通過(guò)信號(hào)量將CPU的使用權(quán)返還給任務(wù)線程TSK_control;任務(wù)線程TSK_control將“啟動(dòng)探測(cè)”指令下發(fā)給發(fā)射機(jī),并在發(fā)射機(jī)發(fā)射完畢探測(cè)信號(hào)后將指令下發(fā)給接收機(jī),通知接收機(jī)開始接收數(shù)據(jù);當(dāng)有水聲信號(hào)數(shù)據(jù)寫入系統(tǒng)時(shí),任務(wù)線程TSK_UDP_send被觸發(fā),取出并打包數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī);在任務(wù)線程TSK_UDP_send運(yùn)行過(guò)程中,若上位機(jī)下發(fā)“停止探測(cè)”指令,任務(wù)線程TSK_TCP被觸發(fā),任務(wù)線程TSK_UDP_send被搶占,待系統(tǒng)接收指令并解析后,系統(tǒng)發(fā)送指令執(zhí)行結(jié)果給上位機(jī),任務(wù)線程TSK_TCP結(jié)束,并將CPU的使用權(quán)返還給任務(wù)線程TSK_UDP_send;當(dāng)采集到的水聲信號(hào)數(shù)據(jù)全部發(fā)送給上位機(jī)后,任務(wù)線程TSK_UDP_send結(jié)束,將CPU的使用權(quán)返還給任務(wù)線程TSK_control繼續(xù)運(yùn)行,等待上位機(jī)再次下發(fā)指令。

3 系統(tǒng)功能調(diào)試分析

3.1 大規(guī)模實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

大規(guī)模實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能原理框圖如圖5所示。具體流程為:①接收機(jī)將采集到的水聲信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)、低通濾波等處理后存儲(chǔ)在FIFO中;②當(dāng)FIFO內(nèi)存夠一定數(shù)量數(shù)據(jù)后,接收機(jī)產(chǎn)生GPIO中斷;③DSP收到GPIO中斷;④DSP通知EMIFA接口讀取數(shù)據(jù);⑤數(shù)據(jù)從接收機(jī)讀出;⑥數(shù)據(jù)放入DSP緩存。其中,GPIO中斷服務(wù)程序的核心代碼如下:

圖5 數(shù)據(jù)采集功能原理框圖

void gpioInputIsr(Ptr ignore)

{

…

/*清除中斷狀態(tài)*/

pinCmdArg.pin = GPIO6_13_PIN; /*接收機(jī)通過(guò)GPIO6_13管腳產(chǎn)生中斷通知DSP讀取數(shù)據(jù)*/

Gpio_clearInterruptStatus(gpio0, &pinCmdArg, NULL);

…

/*通過(guò)EMIFA接口從接收機(jī)讀取數(shù)據(jù)*/

EMIFA_read(&destBuf, &srcBuf);

…

}

圖6所示為從SignalTap上截取的數(shù)據(jù)采集時(shí)序圖。Gpio_int管腳對(duì)應(yīng)的是接收機(jī)發(fā)送給DSP的中斷,EMA_D管腳對(duì)應(yīng)的是DSP采集到的數(shù)據(jù)。ADC采樣頻率600 kHz,接收機(jī)采樣頻率30 kHz,共采集5路32bits的I、Q信號(hào)。由于上位機(jī)的LabView用戶程序中UDP一次讀取最大字節(jié)數(shù)的限制,接收機(jī)每333 us產(chǎn)生一次GPIO中斷,一次向DSP發(fā)送400×8bits的數(shù)據(jù)?？梢钥闯?DSP從接收機(jī)讀取數(shù)據(jù)的速度能夠跟上中斷的速度,且有空閑時(shí)間,說(shuō)明本文中的指令系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能。

圖6 數(shù)據(jù)采集時(shí)序圖

3.2 高速數(shù)據(jù)傳輸

高速數(shù)據(jù)傳輸功能原理框圖如圖7所示。對(duì)于放入緩存中的數(shù)據(jù),在將其通過(guò)網(wǎng)口使用UDP協(xié)議上傳前,還需要給其添加包頭,放入標(biāo)識(shí)編號(hào),以利于上位機(jī)接收后對(duì)其進(jìn)行處理,防止丟包所產(chǎn)生的錯(cuò)誤積累。同時(shí),也可根據(jù)應(yīng)用需要,將數(shù)據(jù)通過(guò)SATA接口存入外接硬盤,以備后續(xù)研究。通過(guò)UDP傳輸數(shù)據(jù)的核心代碼如下:

圖7 數(shù)據(jù)傳輸功能原理框圖

…

while(1)

{

…

SemPend(Sem_UDP,SEM_FOREVER);

/*使用UDP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)*/

sendto(sudp, &UDP_data, size, flag, (struct sockaddr *)&sin1, sizeof(sin1));

…

}

…

圖8所示為上位機(jī)LabView用戶程序界面,界面顯示接收到的數(shù)據(jù)波形連續(xù),無(wú)數(shù)據(jù)丟失。系統(tǒng)利用百兆光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,在專線專用的情況下,能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?且無(wú)丟包。

圖8 上位機(jī)用戶程序界面

3.3 指令解析

指令解析功能原理框圖(以“啟動(dòng)探測(cè)”指令為例)如圖9所示。具體流程為:①上位機(jī)下發(fā)指令,指令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至DSP;②網(wǎng)口接收到上位機(jī)下發(fā)的指令,產(chǎn)生網(wǎng)口硬件中斷;③CPU被網(wǎng)口硬件中斷搶占,掛起正在運(yùn)行的任務(wù),開始解析指令;④DSP根據(jù)指令解析結(jié)果,判斷需要將該指令下發(fā)給哪個(gè)外設(shè);⑤指令執(zhí)行完畢后,DSP接收指令執(zhí)行結(jié)果;⑥D(zhuǎn)SP將指令執(zhí)行結(jié)果通過(guò)網(wǎng)口上傳;⑦上位機(jī)接收指令執(zhí)行結(jié)果。其中,指令解析的核心結(jié)構(gòu)如下:

圖9 指令解析功能原理框圖(以“啟動(dòng)探測(cè)”指令為例)

void decode(char *cmd, char *data)

{

…

/*判斷指令類型*/

switch(cmd_type)

{

/*指令1*/

case 1:

…

break;

…

/*指令n*/

case n:

…

break;

/*錯(cuò)誤的指令*/

default:

…

break;

}

}

圖10所示為CCS調(diào)試界面,指令系統(tǒng)能夠正確解析上位機(jī)下發(fā)的指令,執(zhí)行相應(yīng)的操作,并將結(jié)果上傳給上位機(jī)。

圖10 CCS調(diào)試界面

4 結(jié)論

本文基于浮點(diǎn)DSP+ARM9雙核低功耗處理器OMAP-L138,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)用于水下主動(dòng)聲吶探測(cè)的指令控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用OMAP-L138上的各種接口與外設(shè)進(jìn)行通信,利用其內(nèi)置DSP核的高速數(shù)據(jù)處理能力完成大規(guī)模水聲信號(hào)數(shù)據(jù)的處理和快速傳輸。系統(tǒng)與上位機(jī)之間采用統(tǒng)一指令及參數(shù)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通信,能夠?qū)ι衔粰C(jī)下發(fā)的指令和參數(shù)進(jìn)行解析,并根據(jù)解析結(jié)果完成相應(yīng)功能或下發(fā)至對(duì)應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備。系統(tǒng)軟件在SYS/BIOS的基礎(chǔ)上采用C語(yǔ)言編寫,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能夠在滿足水下主動(dòng)聲吶探測(cè)實(shí)時(shí)通信與大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸效率要求的同時(shí),確保各執(zhí)行設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的可靠性,減少各執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行開銷,系統(tǒng)功能模塊化,易于移植和擴(kuò)展,能夠便捷地應(yīng)用到聲吶、魚雷自導(dǎo)、水雷等不同功能的水下主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)中。