《电子技术应用》

一种基于双DSP的高精度AD采集系统

2017年微型机与应用第8期 作者:缑丽敏
2017/5/23 22:26:00

  缑丽敏

  (中航工业西安航空计算技术研究所,陕西 西安,710065)

       摘要:弹载计算机体积小、接口种类多,给实现高精度AD采集带来难度。介绍一种基于双DSP的高精度AD采集系统,利用主从模式双处理器架构和高精度AD采集芯片AD73360完成对目标信号的采集和实时处理。该方法具有抗干扰能力强、量化噪声小、分辨率高的优点。通过系统联试等多方验证,满足某弹载计算机系统的性能指标要求。

  关键词:双DSP;ADSP-2187N;AD73360;AD采集

  中图分类号:TP3681文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.006

  引用格式:缑丽敏.一种基于双DSP的高精度AD采集系统[J].微型机与应用,2017,36(8):16-18.

  0引言

  现代战争中,空中打击已上升为首要的作战手段,夺取和掌握制空权已成为头等重要的任务,现代几次战争无一例外地证明了这一点[1]。性能先进的战机、威力强大的巡航导弹、各种精确制导炸弹等是现代战争中的主要威胁,因此,精确制导武器的研制对于提升我国常规武器的空中打击能力起着尤为重要的作用。弹载计算机作为其重要组成部分,采用高精度制导系统,利用各种传感器获取待攻击目标的位置和速度等信息,通过对信息分析和处理后实时修正、控制导弹的飞行轨迹,完成对目标的有效攻击。弹载计算机具有体积小、成本低、速度快、层叠结构等显著特点,并且单个模块融合多种接口。弹载计算机具有独立的电源系统。这些特点不可避免地为弹载计算机实现高精度AD采集带来了难度。

  本文提出一种基于双DSP的高精度AD采集系统,采用主从模式、嵌入式双处理器的体系架构,解决了弹载计算机大量信息实时处理的问题,采用高信噪比电路设计和Σ-Δ采集转换技术,解决了采集目标信号的实时性和精度差的问题。

1主从模式双处理器架构设计

  1.1主处理器

  主处理器使用TI公司推出的信号处理器TMS320C6202B[2],最大工作频率250 MHz,片上集成了3 Mbit的数据/程序存储器SRAM、两路32位的定时器、EMIF总线接口、4路相互独立的DMA通道、3路MCBSP串行接口,内核采用1.5 V供电,外围采用3.3 V供电,封装为352芯BGA。主从模式双处理器架构设计见图1。

  

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  1.2从处理器

  从处理器ADSP-2187N[3]是AD公司生产的16位高性能、低功耗定点数字信号处理器。它采用3.3 V和1.8 V电压供电,处理能力最大为80MIPS,LQFP100封装形式。

  ADSP-2187N内部采用哈佛结构,具有独立的程序存储器和数据存储器。片内共集成256 KB的RAM,其中程序存储器48 KW(24位),数据存储器56 KW(16位)。此外,在芯片内部ADSP-2187N集成了丰富的IO接口和一个16位可编程计时器。它支持6个可编程外部中断,可在DSP内部编程设置中断优先级,并可针对每一个中断单独设置屏蔽位。ADSP-2187N 有13个可编程标志管脚(FLAG PIN)。

  本文中的ADSP-2187N工作在主机方式下,程序只能够存储在DSP内部,外部地址线只有A0一根,支持16位DMA方式——IDMA 。在这种工作方式下,由于只有A0一根地址线,所以ADSP-2187N对外部寻址能力有限,不允许执行程序存放在外部。在IDMA方式下,有效提供了主处理器与ADSP-2187N间的通信,16位接口可以在一个DSP周期内,完成对DSP内部的PM、DM的访问。但主处理器接口无法访问ADSP-2187N内部地址映射的控制寄存器。

  1.3IDMA接口

  IDMA接口是主处理器TMS320C6202B与从处理器ADSP2187N进行通信的接口,IDMA接口为16位总线接口,传输过程中16位总线地址、数据分时使用,采用异步应答的通信方式,将从处理器IDMA接口的16位数据地址复用总线接在主处理器的EMIF接口上,当主处理器访问从处理器内部资源时,CPLD控制电路完成图2IDMA接口电路示意图主从之间的控制;当从处理器请求与主处理器进行通信时,由从处理器的离散量实现对主处理器的中断请求。IDMA接口电路示意图见图2。

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2AD转换电路设计

  2.1AD采集芯片

  AD采集芯片使用AD公司生产的AD73360[4]。AD73360是6通道16 bit ADC芯片,信号噪声比为77 dB,每个通道具有可编程的输入增益放大器,并且每个通道可以同时采样以保证转换之间没有相位延迟,可以编程设定采样速率和通信速率,工作模式可以设置为配置模式、混合模式或者数据模式。AD73360包含一个片上参考电压,并且可以通过编程调整3 V或5 V工作,IO采用5 V工作模式。当主时钟是16.384 MHz时,可以通过编程设定AD73360的采样速率为以下4种之一:64 kHz,32 kHz,16 kHz,8 kHz[5]。AD73360采用ΣΔ技术,具有抗干扰能力强、量化噪声小、分辨率高的优点。

  2.2AD采集电路设计

  弹载计算机模拟量采集前端调理电路采用高精度运算放大器TLC4502。双路运放TLC4502输入偏置电压为10 μV~40 μV,增益带宽4.7 MHz,转换速率2.5 V/μs,精度非常高。

  弹载计算机共采集12路模拟量,各路模拟量同步采样,AD73360的模式设置为数据模式,ADSP-2187N可以直接读取转换结果,避免了SPI接口控制通信等时间浪费,大大提高了模拟量采集速率。12路模拟量经前端调理后进入两片AD73360进行模数转换,两片AD73360通过SPI接口级联后,与ADSP-2187N通过SPI接口进行通信,工作时AD73360作为主SPI接口,转换数据同时经过LVDS转换芯片后提供给外部设备,进行检测。级联方式设计降低了硬件设计和软件编程的复杂程度。多路模拟量采集转换电路见图3。

  

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3PCB设计

  在实际运用中,应尽量使AD转换电路从整个系统独立出来,让其成为一个单独的模块,避免AD转换部分与电源模块混合在一起。由于弹载计算机接口复杂,体积受限,无法将AD转换部分作为独立的模块,因此在PCB设计时就必须更加注意信号传输路径的分布。尽量为模拟量输入提供单独的插头或者在一个插头上为其定义一个相对独立的区域。在同一个插头上,应使模拟量输入信号,尤其是小信号,尽可能远离大电压或者大电流信号。

  在单板系统内部,AD转换电路的精细PCB设计对高精度采集也起着相当重要的作用,下面列举几个方面。

  (1)电路的模拟和数字部分应从物理上隔离,尽量避免数字部分产生的噪声传输到模拟部分。

  (2)在印制板布局布线时,各模拟量通路尽量保持一致,保证多路模拟量调理结果和采集结果的一致性。

  (3)避免PCB布线中出现较长平行线传输。

  (4)在设计高阻抗或精密电路时,必须考虑表面阻抗的变化[6]。

  

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4软件设计

  AD采集系统的软件采用C语言编程,以TI公司的Code Composer Studio软件作为编译工具,用TI公司的XDS560/XDS510作为调试工具。ADSP2187N的处理程序需要从TMS320C6202B中加载。ADSP2187N从C6202的指定位置通过IDMA通道进行软件复位,并加载运行程序。AD数据采集流程如图4所示,对所有AD通道加载信号,然后采集数据进行计算。其中启动AD转换部分使用ADSP汇编进行编写,程序编译通过后编译成目标码供C6202进行加载。

5结论

  本文提出一种基于双DSP的弹载高精度AD采集系统,利用主从模式的双处理器架构,采用各通道同步采样、高信噪比和ΣΔ转换等技术综合设计,保证了模拟量数据采集的速度、隔离度和精度,各路模拟量信号前端调理电路的设计、器件的选用及印制板的布局布线最大程度统一,保证了多路模拟量信号采集结果的一致性,解决了弹载计算机大信息量高速处理和模拟量采集指标苛刻的问题。通过系统联试等多方验证,满足某弹载计算机系统的性能指标要求。

参考文献

  [1] 蔡培培. 空空导弹与空战模式的演变[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,刘桂礼,刘刚. 基于AD73360和TMS320F2812的数据采集系统设计[J]. 电子技术应用, 2008, 34(10):92-96.


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