TMC2310DSP芯片在水下目标检测与参数估计中的应用

    摘 要： 介绍了TMC2310芯片的主要特点、功能及其结构，给出了采用该芯片的水声信号处理系统电路原理框图和软件设计流程。该水声信号处理系统可对水下目标进行实时高速检测和参量估计，已在最近几年进行了多次水池试验。经湖上和海上试验验证，证明其性能良好、工作稳定。现已投入小批量生产。

    关键词： 声场 检测与估计 DSP FFT 自适应FIR滤波

    对目标进行检测、估计、跟踪是雷达与声纳应用的最终目的，其任务是对接收信号进行一定的处理、提取特征、分析识别，以检测目标的存在与否，进而通过对信号的处理与运算估计出目标的方位、距离与速度，实现定位和跟踪。对于水下目标的检测与参量估计有两种方式：一是对海洋声场进行监测，从接收信号中提取目标辐射噪声并进行识别与参量估计（即被动方式）；二是由声纳系统发射给定的序列信号（常用的有CW信号和FM信号等），并对接收的回波信号进行检测与参量估计。由于海洋声场极其复杂多变，受温度、盐度、深度、梯度、水流、水域、季节、气候、风浪、温层、流层、界面的反射与折射等诸多因素的影响，使水声信道相当复杂，接收信号通常会畸变，并淹没在噪声之中。对水下目标实现实时、快速、准确、精确地检测与参量估计是声纳系统不断追求的目标。充分利用高性能的数字信号处理（DSP）器件及技术来实现具有良好特性的算法，将会显著提高检测目标的概率和参量估计的精度，从而推动声纳的发展与应用。

    近二十年来，相继出现了许多重要的目标检测及参数估计算法，如分裂波束精确测向算法[2]、ARMA法[4]、MUSIC法[5]和ESPRIT法[6]等DOA估计方法，以及LMS算法[7]等自适应信号处理方法。这些算法的实现，大多需要通过一些通用的数学运算以及矩阵运算，并采用如FFT、IFFT等快速算法，而这些运算均可方便地利用TMC2310器件来实现。本文将对TMC2310芯片应用于水下目标的检测与估计进行介绍。

    １ TMC2310简介

    TMC2310是美TRW公司生产的高速度（实现一次基二蝶形运算仅需100ns）、多功能（共有16种运算功能）、可编程的专用数字信号处理（DSP）器件，其使用灵活、操作方便、性价比高，可广泛应用于雷达、声纳、通讯及虚拟仪器等领域。

    １．１ 主要特点    

    ·可自动或手动地实现浮点块的溢出调整

    ·具有流水线及管道操作两种寻址方式

    ·用户可编程窗函数功能

    ·具有片内系数存储器

    ·具有两个算术运算单元

    ·19bit的运算精度及输出位宽

    １．２ 主要功能

    ·可快速完成不加窗及加窗（实数窗或复数窗）的FFT及IFFT算法

    ·可同时构成两路并行的FIE滤波器（16～1024阶）

    ·可构成自适应FIR滤波器

    ·可进行实数、复数的乘及乘加运算

    ·可进行复数求模及阵列矢量的平方运算

    １．３ 结构与管脚

    TMC2310由两个算术单元（AE0、AE1）、片内系数ROM、控制逻辑单元和外部接口电路五个主要部分构成，其逻辑框图见图１。每个算术单元包括一个乘法序列电路和乘—加算术逻辑电路块。该芯片采用了88引脚的PGA封装形式。

   管脚定义如下：

VDDVSS   电源输入引脚，采用单一＋5V供电

CLK        系统时钟输入引脚

       读信号，低电平有效

       写信号，低电平有效

SEMSEL     外部存储器选择信号输出引脚

SCEN       定标输出允许引脚

DONE       系统工作结束标志输出引脚

CMD0～CMD1 控制命令输入引脚

W0～W16    双功能数据总线，用于输入窗函数、 滤波器系数及输出定标器的移位指数和最后一次溢出

AD0～AD9   外部数据存储器地址总线

RG0～RG18  实部双向数据总线

IM0～IM18  虚部双向数据总线

    １．４ 配制寄存器

    TMC2310片内有两个16bit的配制寄存器（CR1、CR2），用来对TMC2310进行编程设置，其主要用途如下：

CR1 用来设定芯片的处理功能、转换长度、输出格式及定标方式；

CR2 主要用来设定寻址方式和变换路数（1～64路）。

    ２ 电路设计

    由于TMC2310是可编程的专用DSP器件，我们用一片TMS320C25 DSP器件与之配合，采用主从结构、并行处理方式，加上外围共享存储器阵列对等组成处理模块。TMS320C25除对TMC2310进行编程及控制外，还以并行运算处理的方式完成一些后续处理及辅助运算（如数据抽取、积分等）。整个电路系统采用模块化设计，便于调试及扩展。信号处理模块原理框图如图2所示。

    在图2中，TMC2310和TMS320C25之间设计了一个以乒乓方式工作的双口RAM阵列，其作用有四：（１）存放待处理的数据（实部数据放在REM块，虚部数据放在IMM块）；（２）存放TMC2310所需的系数或参数（放在WDM块）；（３）存放TMC2310的输出结果并作为TMC2310中间结果缓存；（４）构成TMS320C25的运算内存。为了便于构成系统及满足实时需要，用一片IDT7025双口RAM（8K×16）构成一个TMS320C25与外部共享的ＲＡＭ区，以便实时地与外部进行数据交换和通讯。这个双口ＲＡＭ区也以乒乓方式工作，以增强模块的宽容性。

    电路的乒乓工作方式控制逻辑是由TMS320C25根据系统的节拍时序进行控制的。控制电路确保CAA12与CAB12互斥，CAL12与CAR12互斥。整个电路简单、紧凑、协调有序。由于采用了VLSI器件设计，电路设计大大简化，调试方便、功能强大、性能可靠、吞吐量大（完成1024点FFT的数据通过率为2.343M字／秒）。

    ３ 软件设计

    TMS320C25的主要任务有：（１）根据功能需要对TMC2310进行编程设置及控制管理；（２）与TMC2310进行数据交换；（３）完成部分处理运算（如：抽样、积分、数值及参量计算等）；（４）与系统进行通讯（如数据输入输出及功能、方式的设立等）。我们将这些内容分成不同的子程序按模块进行设计，既便于调试又易于功能扩展。

    软件主要由一个主程序与若干个子程序模块组成。主要的模块有：TMC2310的设置与控制；与外部的通讯；数据的输出、数据加载、系数加载及十几个运算子模块。由于篇幅有限，以下仅给出主程序流程框图（见图3）。

    将TMC2310应用于水下目标的检测与估计，具有速度快、功能强、可编程、易操作等特点。我们用其开发研制的信号处理模块，体积小、易扩展。组成的系统能在飞机、舰船等环境下可靠工作。几年来，经水池、湖及海上的多次试验和试用，证明其设计合理、应用成功，已投入小批量生产。此外还可用于雷达、通讯及虚拟仪器等许多领域，具有很好的应用前景。