在聲納、雷達、圖像和語音等領域經常需要對海量數據進行并行、實時處理，除了信號的內容、形式和處理算法等有所不同外，通常可采用相同的硬件平臺進行處理。而目前國內在聲納、雷達和圖像等領域一般都各自獨立進行信號處理平臺的開發，這種狀況不僅導致資源浪費嚴重，而且產品的設計周期也大大延長。
本文研究的通用信號處理平臺就是鑒于聲納、雷達和圖像等領域信號處理的共性，設計基于ＤＳＰ陣列技術、ＶｘＷｏｒｋｓ嵌入式技術、ＴＣＰ／ＩＰ網絡傳輸技術等先進技術的應用級系統開發平臺。系統采用模塊化設計，易于擴展和移植。通過不同的信號處理算法，可對海量數據進行實時并行多任務處理。
１ 系統整體方案
研究表明，無論是對聲納信號的處理(如波束形成、譜估計等)，還是對雷達信號的處理(如自適應濾波、數據融合等)，基本都要求對所接收的多通道數據通過總線傳輸進行實時多任務處理。因此設計通用信號處理平臺需要考慮三方面問題：數據并行實時處理、實時多任務處理和數據傳輸總線選擇。
實現數據實時并行處理的關鍵在于信號處理器的選擇[１]。選用信號處理器必須兼顧數據處理的復雜性和實時性要求。ＤＳＰ微處理器能夠實時高效地完成聲納信號或雷達信號處理中的波束形成、數字濾波、線普增強、數值內插等多種復雜的數值運算，而且它體積小、應用靈活、匹配器件豐富。因此本文選用ＤＳＰ芯片作為通用信號處理平臺的數據處理中心。
實時多任務處理一般采用嵌入式實時操作系統。選用ＶｘＷｏｒｋｓ是由于它具有下述顯著優點：提供對多種處理器的廣泛支持，具有完善的開發環境；具有開放的軟件接口；具有優異的實時性能和全面可靠的網絡功能；具有良好的可剪裁性，適用于各種嵌入式環境的開發。
在進行總線選擇時，考慮到ＶＭＥ總線具有高可靠性、高數據傳輸率和很強的容錯能力等特點，自從ＶＭＥ總線標準公布以來，已得到廣泛應用，表現出了極強的生命力。因此在通用信號處理平臺中選用了ＶＭＥ總線進行數據傳輸。 在考慮了通用信號處理平臺設計中的三項要求后，可得到如圖１所示的總體方案框圖。其中多通道前置處理機用于對來自信息接收端(如水聽器陣、天線陣等)的信號進行前置低噪放大、濾波、ＡＧＣ放大和Ａ／Ｄ變換等前置處理，最后轉換成可由ＤＳＰ處理的數字信號；顯控分系統是依照不同的應用目的而設計的專用模塊，它可用來顯示幅度譜、頻譜、線譜、目標軌跡、姿態和圖像等多種信息。多通道前置處理機模塊和顯控分系統模塊都是定制模塊，需要按照不同的應用目的進行單獨設計，這里不作具體討論。ＤＳＰ陣列機是本文重點研究的通用信號處理平臺。該陣列機基于ＶＭＥ總線，內嵌ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統，依據不同的算法對所接收的數據進行并行、多任務實時處理。 ２ 通用信號處理平臺設計
圖１中ＤＳＰ陣列機由多塊基于ＶＭＥ總線的ＤＳＰ并行信號處理板構成，處理板的數目可依照信號通道數目增減。由此可見，ＤＳＰ并行信號處理板的設計是ＤＳＰ陣列機設計的基礎，亦即通用信號處理平臺設計的基礎。
本文設計的通用信號處理板將ＡＤ公司高性能的浮點數字信號處理器ＡＤＳＰ２１１６０ADSP21160與標準ＶＭＥ總線相結合，具有強大的信號處理能力和豐富的擴展能力。板內采用分布式存儲模式，以增強型超立方體拓撲結構的ＬＩＮＫ口互連。這種結構使每個信號處理器都有專用的存儲空間，可以使每個信號處理器充分利用自身局部總線的帶寬，而ＬＩＮＫ口可保證處理器間靈活、高速的通訊和連接；每個信號處理器分別通過前面板和背板提供ＬＩＮＫ接口，以實現板間的高速連接并構成新的超立方體結構；信號處理板上安裝有ＦＰＤＰ子板，與多通道前置處理機中的數據采集模塊構成標準高速連接，同時也可與市場上的信號處理板兼容。通用信號處理板的結構框圖如圖２所示。
為了完成海量數據的并行處理，在圖２所示的通用信號處理板中采用了兩組共８片ＳＨＡＲＣ(Ｓｕｐｅｒ Ｈａｒｖａｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ)級ＤＳＰ處理器，每個處理器配有專用ＳＲＡＭ。之所以采用ＳＨＡＲＣ級處理器是由于其具有獨特的內核設計、超級哈佛體系結構、內部集成大容量雙端口ＲＡＭ以及便捷的Ｉ／Ｏ通訊功能。這些特點使其在運算密集、數據吞吐量大的高端信號處理領域得到了廣泛應用。
系統中８片ＤＳＰ分為兩組，組１由ＤＳＰ０、ＤＳＰ１、ＤＳＰ２、ＤＳＰ３構成，組２由ＤＳＰ４、ＤＳＰ５、ＤＳＰ６、ＤＳＰ７組成。只有ＤＳＰ０可以通過局部總線接口與ＶＭＥ總線相連。它作為總線至板內的唯一通路，配備有大容量ＤＲＡＭ。ＤＳＰ４作為第二組的主節點，也配有大容量ＤＲＡＭ。 ２．１ 數據傳輸方式
ＳＨＡＲＣ級ＤＳＰ處理器具有多種數據通信接口，如ＬＩＮＫ口、串口以及ＪＴＡＧ口等，設計時可依照信息傳輸目的靈活應用。
在通用信號處理板設計中，ＬＩＮＫ口是板內和板外的主要數據傳輸通路，精心設計ＬＩＮＫ口的拓撲結構對提高板內甚至系統的并行性有著重要意義。超立方體結構以多維形式極大地增強了網絡通信能力[２]。該結構的優點是網絡全對稱，在節點連接、通信路徑長度、算法的嵌入、與其他連接形式的兼容之間提供了很好的平衡。在兩組ＤＳＰ中，組內ＤＳＰ兩兩互連，組間相對應的ＤＳＰ兩兩相連。每個ＤＳＰ有６個ＬＩＮＫ口，其中４個進行板內互連，一個通過前面板與相鄰板相連，一個通過背板與相鄰板相連。
ＤＳＰ處理器有兩個串口可用于處理器之間、處理器與外設之間的通信，通常使用點對點方式或ＴＤＭＡ方式。在通用信號處理板上，每個處理器分配一個串口至前面板，另一個連接至背板。這樣的連接結構是為了增加互連的靈活性，通過前面板或背板可進行板與板或板內處理器之間的串口連接。
ＪＴＡＧ口主要提供硬件仿真器調試通路。在板內通過跳線，可控制調試處理器的數量。此外，在通用信號處理板上還通過ＦＰＤＰ子板與前級板連接，從而實現與前級板的高速數據通信，并可組成大型信號處理平臺。
２．２ ＶＭＥ總線接口
處理板的ＶＭＥ總線接口包括兩部分：用于ＤＳＰ局部總線與ＶＭＥ總線信號調理的協調模塊和ＶＭＥ橋接模塊。協調模塊基于ＣＰＬＤ設計，主要完成ＤＳＰ局部總線的控制，它由局部總線仲裁、雙向地址空間映射、讀寫時序控制、數據寬度控制、自動基地址控制、塊傳輸模式地址計數器、內部中斷管理、測試接口等部分組成；橋接模塊主要由ＶＭＥ橋接專用芯片Ｔｕｎｄｒａ ＳＣＶ６４及其外圍電路構成[３]。ＳＣＶ６４可提供主／從接口，符合ＶＭＥ６４標準。在系統初始化時，ＤＳＰ０首先對ＳＣＶ６４進行配置，包括傳輸模式控制、基地址配置、ＶＭＥ總線中斷處理器設置、塊傳輸控制、內部定時器設置等，信號處理板可通過ＶＭＥ總線進行通信。
２．３ 時鐘驅動
在通用信號處理板中時鐘共有三種：ＤＳＰ時鐘、ＤＲＡＭ時鐘、ＳＣＶ６４時鐘。其中ＤＳＰ時鐘頻率為４０ＭＨｚ，兩組ＤＳＰ時鐘可以有兩組時鐘驅動器且時鐘可以不同步；ＤＲＡＭ時鐘用來控制ＤＲＡＭ內部的狀態機，其選用的時鐘頻率也為４０ＭＨｚ，且不需要與ＤＳＰ時鐘同步；ＳＣＶ６４需要大于３２ＭＨｚ的時鐘才能可靠工作，同時需要與ＤＳＰ時鐘同步，在通用信號處理板中選用的ＳＣＶ６４SCV64時鐘頻率是４０ＭＨｚ。
２．４ 信號處理板啟動過程
單板啟動時，ＤＳＰ０首先通過ＥＰＲＯＭ方式啟動，然后由ＤＳＰ０再對其余ＤＳＰ進行啟動。在對板內其余ＤＳＰ啟動時采用ＬＩＮＫ口菊花鏈方式， 首先采用一點對多點方式啟動，即啟動第一組內另三個ＤＳＰ和鄰組對應的ＤＳＰ(即第二組的主節點ＤＳＰ４)；然后由ＤＳＰ４采用一點對多點的方式啟動第二組內的其余ＤＳＰ。
２．５ 板內軟件開發
通用信號處理板軟件開發主要涉及三部分內容：板級啟動程序、基于ＶｘＷｏｒｋｓ的系統驅動程序以及ＤＳＰ網絡開發環境。板級啟動程序是指在信號處理板啟動時，ＤＳＰ０對其余ＤＳＰ的啟動操作程序、ＤＳＰ０對ＳＣＶ６４和ＣＰＬＤ的初始化操作程序以及板內自檢程序等。系統驅動程序主要完成ＶＭＥ 橋接芯片的配置、對信號處理板的監測、總線資源的獨占、板內資源的讀寫、對各個中斷源的響應和處理、塊傳輸模式控制以及與應用程序的接口等。ＤＳＰ網絡開發環境有兩種：一種是基于硬件方式，單板調試８片ＤＳＰ或多板調試相連的ＤＳＰ；另一種是基于軟件方式，通常采用Ｓｐｅｃｔｒｕｍ 公司的ＡＰＥＸ軟件。
３ 系統開發平臺與ＶｘＷｏｒｋｓ的應用
在通用信號處理平臺中采用嵌入式實時操作系統ＶｘＷｏｒｋｓ來完成實時、多任務工作。通常使用的ＶｘＷｏｒｋｓ開發環境是ＷｉｎｄＲｉｖｅｒ公司提供的Ｔｏｒｎａｄｏ４。Ｔｏｒｎａｄｏ體系結構使得許多強有力的開發工具可以用于各種目標機系統和各種主機-目標機的連接方式，而不受制于目標機的資源和通信機制。主機與目標機間的通信通過運行各自處理器上的代理進程完成。為了擺脫主機-目標機通信帶寬和目標機資源的限制，Ｔｏｒｎａｄｏ將傳統的目標機方的工具遷移到主機上。這樣系統不再需要額外的時間和帶寬在主機和目標機之間交換信息，降低了對連接帶寬的需求，也避免了目標機資源(如內存)被工具或符號表大量占用，使得應用程序擁有更多的系統資源。
Ｔｏｒｎａｄｏ采用主機-目標機開發方式，主機系統可采用運行Ｓｕｎ Ｓｏｌａｒｉｓ、ＨＰ－ＵＸ以及ＷｉｎＸＰ／ＮＴ的工作站或個人計算機，ＶｘＷｏｒｋｓ則運行在Ｉｎｔｅｌ ｘ８６、ＭＣ６８Ｋ、ＰｏｗｅｒＰＣ或ＳＰＡＲＣ等處理器上。Ｔｏｒｎａｄｏ支持各種主機-目標機連接方式，如以太網、串行線、在線仿真器等。
在通用信號處理系統的開發階段也采用主機-目標機開發方式，開發平臺的組成模塊如圖３所示。主機系統采用在Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ下運行Ｔｏｒｎａｄｏ的ＰＣ機；目標機為自行開發的基于ＶＭＥ總線的ＤＳＰ陣列機，在該陣列機上運行ＶｘＷｏｒｋｓ。主機和目標機之間以及主機和顯控分系統之間以ＴＣＰ／ＩＰ協議的以太網相接。
在圖３中顯控分系統通過以太網與ＶｘＷｏｒｋｓ進行數據通信進而控制和協調整個平臺的工作進程。對ＶｘＷｏｒｋｓ而言，它采用中斷方式響應顯控分系統的請求。采用網絡傳輸的目的在于滿足資源共享的需要并提高數據傳輸的可靠性、增加系統的可擴充性。通過網絡傳輸，其１０Ｍｂｐｓ～１００Ｍｂｐｓ的數據傳輸速率可滿足顯示實時性的要求。在通用信號處理平臺開發階段，ＶｘＷｏｒｋｓ作為顯控數據輸出源，可指定它為服務器端；而基于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ的顯控分系統主要用于接收數據并進行顯示，因此作為客戶端是合適的。
在進行系統功能仿真實驗時，通過多通道模擬數據源周期地發送６通道數據(每通道２０４８個數)，在ＤＳＰ陣列中同時對各通道數據進行ＦＦＴ變換，然后將各通道的時域數據和頻域數據打包通過以太網發送到顯控分系統模塊；顯控分系統可同時對３個通道的時域波形和頻域波形進行顯示，通過軟件設置可對顯示通道進行切換，并可對顯示曲線進行放大、縮小以及重要數據存儲等操作。實驗結果表明所設計的通用信號處理平臺是成功的。
參考文獻
１ 蘇 濤吳順軍寥曉群．高性能數字信號處理器與高速實時信號處理． 西安：西安電子科技大學出版社１９９９
２ Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅ Ｉｎｃ． ＡＤＳＰ２１１６０ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．
３ ＴｕｎｄｒａＩｎｃ．ＶＭＥ ＳＣＶ６４ Ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ
４ Ｗｉｎｄ Ｒｉｖｅｒ ＳｙｓｔｅｍＩｎｃ．ＶｘＷｏｒｋｓ Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｒｓ Ｇｕｉｄｅ
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Post By：2010-11-17 9:21:49
