DSP和CPLD的空间瞬态光辐射信号实时探测研究

摘要：探测系统对输入的空间瞬态光辐射信号进行实时识别处理，反演估算出空间瞬态信号能量大小并报告发生时刻。采用DSP+CPLD的数字处理方案，利用DSP的高速数字信号处理特性及COLD的复杂逻辑可编程特性，可实现对瞬态信号的实时识别和处理。其中用CPLD实现A/D变速率采样，解决了嵌入式系统线路板面积有限与实时处理需要大容量存储空间的矛盾。 关键词：DSP CPLD 实时处理 我国现役空间瞬态光辐射信号探测系统中，老型号较多，大部分没有配备自动检测和录取设备。空间瞬态信号的录取、数据的处理和上报大多由人工进行，难以胜任复杂环境下快速、准确录取信号以及气象情报入网的要求。为适应现代化气象分析的要求，采用ＤＳＰ＋ＣＰＬＤ的方式将极大地提高现有空间瞬态信号探测的自动录取和分析能力。 在实时信号处理技术中，ＤＳＰ＋ＣＰＬＤ方式是目前国际上比较通用的方法，如美国、俄罗斯等多采用这种方式。ＤＳＰ是一种可编程的数字微处理器。与单片机相比，ＤＳＰ芯片具有更适于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法。本文采用美国ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ３Ｘ系列浮点ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｃ３２作为整个系统的主机，利用其完成系统的控制和数字信号处理功能。 ＣＰＬＤ是一种多用途、高密度的复杂可编程逻辑器件，可将系统的部分或全部功能集成在一块芯片上，并且具有设计方便灵活、易于修改等特点， 可大大缩短研制时间，并减小系统硬件复杂度。本文采用美国ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＡＸ７０００Ｓ系列ＣＰＬＤ芯片ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８４，利用ＣＰＬＤ实现Ａ／Ｄ变速率采样及其它逻辑控制。 １ 系统组成及基本原理 本探测系统主要解决了嵌入式系统线路板面积有限与实时数据处理需要大量存储空间的矛盾，实现实时处理信号。 如图１所示，空间瞬态光辐射信号实时探测系统主要由三大模块组成：前级预处理电路模块、Ａ／Ｄ变速率采样模块、ＤＳＰ信号识别及存储模块。 各模块的主要功能为： （１）前级预处理电路模块，负责空间瞬态光辐射信号的光电转换、背景扣除、动态范围压缩等任务； （２）Ａ／Ｄ变速率采样模块，负责触发信号产生、上升速率初判、信号采集时序控制、Ａ／Ｄ变速率采样及ＦＩＦＯ缓冲存储等任务； （３）ＤＳＰ信号识别及存储模块，负责对空间瞬态信号进行快速识别处理，反演计算出能量大小，报告事件发生时刻并存储和传输数据；同时控制整个系统、并与ＰＣ机或其它系统传输数据发送。 ２ 前级预处理电路模块 ２．１光电转换 由于空间瞬态光辐射信号速度快、动态范围大，故对光辐射探测器要求较高。本文采用日本滨松公司的Ｓ２３８７－１０１０Ｒ硅光电二极管，它具备灵敏度高、动态范围大、时间响应快和覆盖范围大等特性。 ２．２ 背景扣除 太阳光辐射能量比空间瞬态光辐射信号能量高几个数量级。对于系统而言，由于太阳光的影响，目标信号十分微弱，大多掩埋在强噪声之中。因此必须对强背景信号进行扣除处理，提取出有用目标事件瞬态信号。 在信号自动处理和分析技术中，强背景下弱信号的提取是一个难点。本文根据背景信号变化缓慢而目标信号变化快速的特点，采用高通滤波器对信号进行背景扣除。 高通滤波器在技术实现上可以采用数字电路，也可以采用模拟电路。为简化电路、减轻后续处理电路压力，本文采用电容、电阻等构建一个模拟高通滤波器进行背景扣除，其原理如图２所示。 由图２可知，滤波器的传递函数为： Ｈ（ｓ）＝R/[(1/sC)+R]＝sRC/(1+sRC) 选择适当电阻、电容值即可实现对目标信号的背景扣除。 ２．３ 动态范围压缩 空间瞬态光辐射信号的动态范围太大，如果直接对其进行Ａ／Ｄ转换，则Ａ／Ｄ的量化分辨率至少要１５ｂｉｔ，并且因ｂｉｔ数多而增加后级数字信号处理的数据量、降低系统的实时性。因此采用对数放大器对信号的动态范围进行对数压缩。采用１２ｂｉｔ的Ａ／Ｄ转换器即可满足要求，且减少了处理的数据量，提高了系统实时性。本文采用美国ＴＩ公司的ＴＬ４４１Ｍ对数放大器。它是由四级３０ｄＢ对数放大器级联成的单片高性能对数放大器芯片，可以得到１２０ｄＢ的输入电压动态范围。 ３ Ａ／Ｄ变速率采样模块 ３．１ 阈值触发 如图３所示，经前级预处理后，目标信号进入阈值触发电路中的电压比较器。ＤＳＰ设置阈值信号，锁存后经Ｄ／Ａ转换输出到电压比较器，与输入的目标信号进行比较：若目标信号超过阈值信号，则产生触发信号并驱动时序控制电路及Ａ／Ｄ转换电路工作；否则不工作。 ３．２ ＣＰＬＤ控制Ａ／Ｄ变速率采样 为了进一步减少信号处理的数据量，实现实时处理，本文采用了变速率采样的方法解决线路板面积有限与数据处理需要大容量存储空间的矛盾。 由空间瞬态光辐射信号特征可知，其初始值变化速度快，高频分量所占比重较大；而后面信号变化速度逐渐减小，越靠后信号越接近缓变信号，低频含量高。所以采用采样间隔逐渐增大的方法实现变速率采样。 如图４所示，初始采样频率为ｆ,每隔Ｍ个采样点采样频率下降一半,一直到采样结束。在电路实现中采用的方法是：Ａ／Ｄ转换器按照固定的转换速率进行模拟量到数字量的转换，而ＣＰＬＤ控制采样数据的变速率接收并存储至ＦＩＦＯ。 ＦＩＦＯ存储数据由其写使能控制信号ＷＥＮ（低电平有效）决定：当ＷＥＮ为低电平时，数据在每个写时钟信号ＷＣＬＫ的上升沿写入ＦＩＦＯ；当ＷＥＮ为高电平时，数据保持不变。因此，控制ＦＩＦＯ变速率接收数据即控制它的写使能信号ＷＥＮ为低电平的间隔变速率变化。如图５所示，在ＣＰＬＤ中由写时钟信号ＷＣＬＫ每隔Ｍ点二分频后、再调整占空比即可实现ＷＥＮ的时序信号。 ＣＰＬＤ对ＦＩＦＯ变速率接收采样数据的逻辑控制，用美国ＡＬＴＥＲＡ公司的软件ＭＵＸ＋ｐｌｕｓ ＩＩ可由三种方法实现：一是用计数器、分频器等画电路图实现；二是用ＶＨＤＬ语言或ＡＨＤＬ语言编程实现；三是输入时序波形文件实现。针对本系统而言，采取第二种方法较为简便，用ＶＨＤＬ语言编程实现的算法流程图如图６所示。 本文中Ａ／Ｄ转换器采用美国ＡＤ公司的ＡＤ６７８，它是一个１２ｂｉｔ的多用途Ａ／Ｄ转换器，内部包括采样保持器、微处理器接口、基准电压源和时钟驱动电路，具有高可靠性和低功耗等特性。 ３．３ 由ＣＰＬＤ进行上升速率初判 目标信号幅度值从超过阈值起始点开始的一段时间内的上升速率是判断其能量范围的重要判据。因此电路中采用ＣＰＬＤ对Ａ／Ｄ采样的数据做初步判断。当目标信号上升速率满足设定要求时，产生上升速率触发信号，并与其它结果做符合判定；否则丢弃当前数据，等待下一次探测数据。 ３．４ ＦＩＦＯ存储 ＦＩＦＯ（Ｆｉｒｓｔ Ｉｎ Ｆｉｒｓｔ Ｏｕｔ）是一种先进先出的存储器，即先读入的数据先读出。ＦＩＦＯ存储器自身的访问时间一般为几十纳秒。Ａ／Ｄ转换器等外设速度一般比ＤＳＰ慢。如果采用ＦＩＦＯ，Ａ／Ｄ可以先将数据送往ＦＩＦＯ，一旦ＦＩＦＯ满，ＦＩＦＯ再向ＤＳＰ申请中断。这样可以省去ＤＳＰ等待与查询的时间，而且中断次数也可以减少，从而提高传输速度。 本系统中,ＦＩＦＯ作为缓冲存储器给上升速率初判电路和ＤＳＰ处理器提供数据，同时作为变速率采样结果的暂存单元。本文采用美国ＩＤＴ公司的ＩＤＴ７２ＸＸＸ系列同步并行ＦＩＦＯ实现对数据的缓存。 ４ ＤＳＰ信号识别及存储模块 ４．１ ＤＳＰ处理及存储 目标信号自动识别能量范围和录取的核心是ＤＳＰ信号处理模块。为了满足实时处理的要求，硬件的选取应以尽可能少的占用系统时间资源为基础。从这个基本原则出发，采用ＴＭＳ３２０Ｃ３２作为处理器。它是目前ＴＩ公司浮点ＤＳＰ系列中性价比较高、在国内已得到广泛应用的芯片。它的指令周期为３３／４０／５０ｎｓ，具有丰富的硬件资源，如内部有５１２字节的ＲＡＭ、串行口、分开的程序总线、数据总线和ＤＭＡ总线等，并且外部存储器宽度可变、有程序引导（Ｂｏｏｔ－ｌｏａｄ）功能。在软件方面，它丰富的指令系统、灵活的程序控制、流水线操作和多样的寻址方式等特点使其特别适合于数字信号处理。 ＤＳＰ处理模块主要由ＤＳＰ、慢速ＥＰＲＯＭ、高速ＳＲＡＭ、绝对时钟芯片ＲＴＣ（Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ－Ｃｌｏｃｋ）及ＲＳ２３２串口组成， 其运行机制如图７所示。其中，选择慢速ＥＰＲＯＭ主要是为了降低系统成本，本文采用美国ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴ２７Ｃ０１０芯片。用于存储程序和初始化数据。高速ＳＲＡＭ用于程序执行和数据的暂存，本文采用美国ＩＳＳＩ公司的ＩＳ６１Ｃ６４１６芯片，它与慢速ＥＰＲＯＭ配合，既降低了系统成本，又能使程序快速运行，实现对信号的实时处理。 如图７，一旦目标事件发生，输入信号经Ａ／Ｄ转换后，数据缓存在ＦＩＦＯ中，以备ＤＳＰ调用。ＤＳＰ上电复位后，将存储在慢速ＥＰＲＯＭ中的程序装载到高速ＳＲＡＭ中运行，对暂存在ＦＩＦＯ中的目标信号数据进行能量范围的识别和处理；然后从绝对时钟芯片ＲＴＣ取得目标事件发生的时刻值，和处理结果一起存储在ＳＲＡＭ中；并将信号处理结果与发生时刻值从ＲＳ２３２串口输出到ＰＣ机。 如图８所示，系统工作流程是：空间瞬态光辐射信号经光辐射探测器转换为电信号，经前级预处理电路放大、去噪并压缩动态范围；若信号超过阈值，则阈值触发电路触发Ａ／Ｄ采样后暂存在ＦＩＦＯ中，否则不触发Ａ／Ｄ；由上升速率初判电路初步检测信号初始值的上升速率?熏当上升速率满足设定要求时，产生上升速率触发信号，否则丢弃当前数据；上升速率触发信号产生后，ＤＳＰ从ＦＩＦＯ中取得数据，对信号进行模式识别和处理，存储处理结果并经接口电路传送到ＰＣ机。 ４．２ 绝对时钟芯片ＲＴＣ 所谓绝对时钟是指不仅支持每天时间的更新，而且支持日期（世纪、年、日、星期）更新的一种永久性时钟电路。本文采用美国ＭＯＴＯＲＡＬＡ公司的ＤＳ１２８８７时钟芯片，它对年、月、日、时、分、秒、星期进行自动记录，内含１１４字节的ＲＡＭ单元和内置晶振电路，支持多种中断方式，备用电池可供其工作１０年，是目前计算机上的主流实时时钟芯片。 ４．３ ＲＳ２３２串口 由于ＲＳ２３２串口电平标准采用了负逻辑，与ＤＳＰ的电平标准不兼容，所以采用ＲＳ２３２串口收发的数据需要进行电平转换。本文采用美国ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ２３２芯片作为电平转换器件，它仅需＋５Ｖ电源，电平转换所需的%26;#177;１０Ｖ电源由片内电荷泵产生。 ＤＳＰ芯片自带的串口为同步串口，而ＲＳ２３２信号是异步信号，故需外加异步串行通信接口芯片ＵＡＲＴ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ／Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）。本文采用美国ＴＩ公司的ＴＬ１６Ｃ５５０芯片，它具有全双工、双缓冲器发送器和接收器。如图７所示，ＵＡＲＴ接收ＤＳＰ发送的处理结果和发生时刻值，存入自身所带的ＦＩＦＯ中，再通过ＭＡＸ２３２进行电平转换，最后从ＲＳ２３２串口中输出到ＰＣ机。 本系统采用ＤＳＰ＋ＣＰＬＤ模式实现对空间瞬态光辐射信号的实时处理，有效解决了线路板面积有限和实时处理需大容量存储空间的矛盾，从而使系统性价比达到最佳状态。实验表明，系统可识别一般空间瞬态信号，结果较为理想。