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(lǐng)域信號處理的共性，設(shè)計基于ＤＳＰ陣列技術(shù)、ＶｘＷｏｒｋｓ嵌入式技術(shù)、ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等先進技術(shù)的應(yīng)用級系統(tǒng)開發(fā)平臺。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，易于擴展和移植。通過不同的信號處理算法，可對海量數(shù)據(jù)進行實時并行多任務(wù)處理。
１ 系統(tǒng)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(yīng)濾波、數(shù)據(jù)融合等)，基本都要求對所接收的多通道數(shù)據(jù)通過總線傳輸進行實時多任務(wù)處理。因此設(shè)計通用信號處理平臺需要考慮三方面問題：數(shù)據(jù)并行實時處理、實時多任務(wù)處理和數(shù)據(jù)傳輸總線選擇。
實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時并行處理的關(guān)鍵在于信號處理器的選擇[１]。選用信號處理器必須兼顧數(shù)據(jù)處理的復雜性和實時性要求。ＤＳＰ微處理器能夠?qū)崟r高效地完成聲納信號或雷達信號處理中的波束形成、數(shù)字濾波、線普增強、數(shù)值內(nèi)插等多種復雜的數(shù)值運算，而且它體積小、應(yīng)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(shù)據(jù)處理中心。
實時多任務(wù)處理一般采用嵌入式實時操作系統(tǒng)。選用ＶｘＷｏｒｋｓ是由于它具有下述顯著優(yōu)點：提供對多種處理器的廣泛支持，具有完善的開發(fā)環(huán)境；具有開放的軟件接口；具有優(yōu)異的實時性能和全面可靠的網(wǎng)絡(luò)功能；具有良好的可剪裁性，適用于各種嵌入式環(huán)境的開發(fā)。
在進行總線選擇時，考慮到ＶＭＥ總線具有高可靠性、高數(shù)據(jù)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(yīng)用，表現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸。 在考慮了通用信號處理平臺設(shè)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(zhuǎn)換成可由ＤＳＰ處理的數(shù)字信號；顯控分系統(tǒng)是依照不同的應(yīng)用目的而設(shè)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(tài)和圖像等多種信息。多通道前置處理機模塊和顯控分系統(tǒng)模塊都是定制模塊，需要按照不同的應(yīng)用目的進行單獨設(shè)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(nèi)嵌ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)，依據(jù)不同的算法對所接收的數(shù)據(jù)進行并行、多任務(wù)實時處理。 ２ 通用信號處理平臺設(shè)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(gòu)成，處理板的數(shù)目可依照信號通道數(shù)目增減。由此可見，ＤＳＰ并行信號處理板的設(shè)計是ＤＳＰ陣列機設(shè)計的基礎(chǔ)，亦即通用信號處理平臺設(shè)計的基礎(chǔ)。
本文設(shè)計的通用信號處理板將ＡＤ公司高性能的浮點數(shù)字信號處理器ＡＤＳＰ２１１６０ADSP21160與標準ＶＭＥ總線相結(jié)合，具有強大的信號處理能力和豐富的擴展能力。板內(nèi)采用分布式存儲模式，以增強型超立方體拓撲結(jié)構(gòu)的ＬＩＮＫ口互連。這種結(jié)構(gòu)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(xiàn)板間的高速連接并構(gòu)成新的超立方體結(jié)構(gòu)；信號處理板上安裝有ＦＰＤＰ子板，與多通道前置處理機中的數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)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(jié)構(gòu)框圖如圖２所示。
為了完成海量數(shù)據(jù)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(nèi)核設(shè)計、超級哈佛體系結(jié)構(gòu)、內(nèi)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(shù)據(jù)吞吐量大的高端信號處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
系統(tǒng)中８片ＤＳＰ分為兩組，組１由ＤＳＰ０、ＤＳＰ１、ＤＳＰ２、ＤＳＰ３構(gòu)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(nèi)的唯一通路，配備有大容量ＤＲＡＭ。ＤＳＰ４作為第二組的主節(jié)點，也配有大容量ＤＲＡＭ。 ２．１ 數(shù)據(jù)傳輸方式
ＳＨＡＲＣ級ＤＳＰ處理器具有多種數(shù)據(jù)通信接口，如ＬＩＮＫ口、串口以及ＪＴＡＧ口等，設(shè)計時可依照信息傳輸目的靈活應(yīng)用。
在通用信號處理板設(shè)計中，ＬＩＮＫ口是板內(nèi)和板外的主要數(shù)據(jù)傳輸通路，精心設(shè)計ＬＩＮＫ口的拓撲結(jié)構(gòu)對提高板內(nèi)甚至系統(tǒng)的并行性有著重要意義。超立方體結(jié)構(gòu)以多維形式極大地增強了網(wǎng)絡(luò)通信能力[２]。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)全對稱，在節(jié)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(nèi)ＤＳＰ兩兩互連，組間相對應(yīng)的ＤＳＰ兩兩相連。每個ＤＳＰ有６個ＬＩＮＫ口，其中４個進行板內(nèi)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(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)處理器之間的串口連接。
ＪＴＡＧ口主要提供硬件仿真器調(diào)試通路。在板內(nèi)通過跳線，可控制調(diào)試處理器的數(shù)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(xiàn)與前級板的高速數(shù)據(jù)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(diào)理的協(xié)調(diào)模塊和ＶＭＥ橋接模塊。協(xié)調(diào)模塊基于ＣＰＬＤ設(shè)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(shù)據(jù)寬度控制、自動基地址控制、塊傳輸模式地址計數(shù)器、內(nèi)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(gòu)成[３]。ＳＣＶ６４可提供主／從接口，符合ＶＭＥ６４標準。在系統(tǒng)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(shè)置、塊傳輸控制、內(nèi)部定時器設(shè)置等，信號處理板可通過ＶＭＥ總線進行通信。
２．３ 時鐘驅(qū)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(qū)動器且時鐘可以不同步；ＤＲＡＭ時鐘用來控制ＤＲＡＭ內(nèi)部的狀態(tài)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(nèi)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(nèi)另三個ＤＳＰ和鄰組對應(yīng)的ＤＳＰ(即第二組的主節(jié)點ＤＳＰ４)；然后由ＤＳＰ４采用一點對多點的方式啟動第二組內(nèi)的其余ＤＳＰ。
２．５ 板內(nèi)軟件開發(fā)
通用信號處理板軟件開發(fā)主要涉及三部分內(nèi)容：板級啟動程序、基于ＶｘＷｏｒｋｓ的系統(tǒng)驅(qū)動程序以及ＤＳＰ網(wǎng)絡(luò)開發(fā)環(huán)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(nèi)自檢程序等。系統(tǒng)驅(qū)動程序主要完成ＶＭＥ 橋接芯片的配置、對信號處理板的監(jiān)測、總線資源的獨占、板內(nèi)資源的讀寫、對各個中斷源的響應(yīng)和處理、塊傳輸模式控制以及與應(yīng)用程序的接口等。ＤＳＰ網(wǎng)絡(luò)開發(fā)環(huán)境有兩種：一種是基于硬件方式，單板調(diào)試８片ＤＳＰ或多板調(diào)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(tǒng)開發(fā)平臺與ＶｘＷｏｒｋｓ的應(yīng)用
在通用信號處理平臺中采用嵌入式實時操作系統(tǒng)ＶｘＷｏｒｋｓ來完成實時、多任務(wù)工作。通常使用的ＶｘＷｏｒｋｓ開發(fā)環(huán)境是ＷｉｎｄＲｉｖｅｒ公司提供的Ｔｏｒｎａｄｏ４。Ｔｏｒｎａｄｏ體系結(jié)構(gòu)使得許多強有力的開發(fā)工具可以用于各種目標機系統(tǒng)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(tǒng)的目標機方的工具遷移到主機上。這樣系統(tǒng)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(nèi)存)被工具或符號表大量占用，使得應(yīng)用程序擁有更多的系統(tǒng)資源。
Ｔｏｒｎａｄｏ采用主機-目標機開發(fā)方式，主機系統(tǒng)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(wǎng)、串行線、在線仿真器等。
在通用信號處理系統(tǒng)的開發(fā)階段也采用主機-目標機開發(fā)方式，開發(fā)平臺的組成模塊如圖３所示。主機系統(tǒng)采用在Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ下運行Ｔｏｒｎａｄｏ的ＰＣ機；目標機為自行開發(fā)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(tǒng)之間以ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議的以太網(wǎng)相接。
在圖３中顯控分系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與ＶｘＷｏｒｋｓ進行數(shù)據(jù)通信進而控制和協(xié)調(diào)整個平臺的工作進程。對ＶｘＷｏｒｋｓ而言，它采用中斷方式響應(yīng)顯控分系統(tǒng)的請求。采用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪康脑谟跐M足資源共享的需要并提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⒃黾酉到y(tǒng)的可擴充性。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，其１０Ｍｂｐｓ～１００Ｍｂｐｓ的數(shù)據(jù)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(fā)階段，ＶｘＷｏｒｋｓ作為顯控數(shù)據(jù)輸出源，可指定它為服務(wù)器端；而基于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ的顯控分系統(tǒng)主要用于接收數(shù)據(jù)并進行顯示，因此作為客戶端是合適的。
在進行系統(tǒng)功能仿真實驗時，通過多通道模擬數(shù)據(jù)源周期地發(fā)送６通道數(shù)據(jù)(每通道２０４８個數(shù))，在ＤＳＰ陣列中同時對各通道數(shù)據(jù)進行ＦＦＴ變換，然后將各通道的時域數(shù)據(jù)和頻域數(shù)據(jù)打包通過以太網(wǎng)發(fā)送到顯控分系統(tǒng)模塊；顯控分系統(tǒng)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(shè)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(shù)據(jù)存儲等操作。實驗結(jié)果表明所設(shè)計的通用信號處理平臺是成功的。
參考文獻
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