DSP和CPLD的空間瞬態(tài)光輻射信號實(shí)時探測研究

1、DSP和CPLD的空間瞬態(tài)光輻射信號實(shí)時探測研究<        摘要：探測系統(tǒng)對輸入的空間瞬態(tài)光輻射信號進(jìn)行實(shí)時識別處理，反演估算出空間瞬態(tài)信號能量大小并報告發(fā)生時刻。采用DSP+CPLD的數(shù)字處理方案，利用DSP的高速數(shù)字信號處理特性及COLD的復(fù)雜邏輯可編程特性，可實(shí)現(xiàn)對瞬態(tài)信號的實(shí)時識別和處理。其中用CPLD實(shí)現(xiàn)A/D變速率采樣，解決了嵌入式系統(tǒng)線路板面積有限與實(shí)時處理需要大容量存儲空間的矛盾。    關(guān)鍵詞：DSP CPLD 實(shí)時處理  &

2、#160; 我國現(xiàn)役空間瞬態(tài)光輻射信號探測系統(tǒng)中，老型號較多，大部分沒有配備自動檢測和錄取設(shè)備?？臻g瞬態(tài)信號的錄取、數(shù)據(jù)的處理和上報大多由人工進(jìn)行，難以勝任復(fù)雜環(huán)境下快速、準(zhǔn)確錄取信號以及氣象情報入網(wǎng)的要求。為適應(yīng)現(xiàn)代化氣象分析的要求，采用的方式將極大地提高現(xiàn)有空間瞬態(tài)信號探測的自動錄取和分析能力。    在實(shí)時信號處理技術(shù)中，方式是目前國際上比較通用的方法，如美國、俄羅斯等多采用這種方式。是一種可編程的數(shù)字微處理器。與單片機(jī)相比，芯片具有更適于數(shù)字信號處理的軟件和硬件資源，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法。本文采用美國公司的系列浮點(diǎn)芯片作為整個系

3、統(tǒng)的主機(jī)，利用其完成系統(tǒng)的控制和數(shù)字信號處理功能。    是一種多用途、高密度的復(fù)雜可編程邏輯器件，可將系統(tǒng)的部分或全部功能集成在一塊芯片上，并且具有設(shè)計方便靈活、易于修改等特點(diǎn)，可大大縮短研制時間，并減小系統(tǒng)硬件復(fù)雜度。本文采用美國公司的系列芯片，利用實(shí)現(xiàn)變速率采樣及其它邏輯控制。     系統(tǒng)組成及基本原理    本探測系統(tǒng)主要解決了嵌入式系統(tǒng)線路板面積有限與實(shí)時數(shù)據(jù)處理需要大量存儲空間的矛盾，實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理信號。    如圖所示，空

4、間瞬態(tài)光輻射信號實(shí)時探測系統(tǒng)主要由三大模塊組成：前級預(yù)處理電路模塊、變速率采樣模塊、信號識別及存儲模塊。    各模塊的主要功能為：    （）前級預(yù)處理電路模塊，負(fù)責(zé)空間瞬態(tài)光輻射信號的光電轉(zhuǎn)換、背景扣除、動態(tài)范圍壓縮等任務(wù)；    （）變速率采樣模塊，負(fù)責(zé)觸發(fā)信號產(chǎn)生、上升速率初判、信號采集時序控制、變速率采樣及緩沖存儲等任務(wù)；    （）信號識別及存儲模塊，負(fù)責(zé)對空間瞬態(tài)信號進(jìn)行快速識別處理，反演計算出能量大小，報告事件發(fā)生時刻并

5、存儲和傳輸數(shù)據(jù)；同時控制整個系統(tǒng)、并與機(jī)或其它系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送。 前級預(yù)處理電路模塊    光電轉(zhuǎn)換    由于空間瞬態(tài)光輻射信號速度快、動態(tài)范圍大，故對光輻射探測器要求較高。本文采用日本濱松公司的硅光電二極管，它具備靈敏度高、動態(tài)范圍大、時間響應(yīng)快和覆蓋范圍大等特性。     背景扣除    太陽光輻射能量比空間瞬態(tài)光輻射信號能量高幾個數(shù)量級。對于系統(tǒng)而言，由于太陽光的影響，目標(biāo)信號十分微弱，大多掩埋在強(qiáng)噪聲之中。因此必須對強(qiáng)背景信號

6、進(jìn)行扣除處理，提取出有用目標(biāo)事件瞬態(tài)信號。    在信號自動處理和分析技術(shù)中，強(qiáng)背景下弱信號的提取是一個難點(diǎn)。本文根據(jù)背景信號變化緩慢而目標(biāo)信號變化快速的特點(diǎn)，采用高通濾波器對信號進(jìn)行背景扣除。    高通濾波器在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上可以采用數(shù)字電路，也可以采用模擬電路。為簡化電路、減輕后續(xù)處理電路壓力，本文采用電容、電阻等構(gòu)建一個模擬高通濾波器進(jìn)行背景扣除，其原理如圖所示。    由圖可知，濾波器的傳遞函數(shù)為：    （）R/(1/sC)+Rs

7、RC/(1+sRC)    選擇適當(dāng)電阻、電容值即可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信號的背景扣除。     動態(tài)范圍壓縮    空間瞬態(tài)光輻射信號的動態(tài)范圍太大，如果直接對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則的量化分辨率至少要，并且因數(shù)多而增加后級數(shù)字信號處理的數(shù)據(jù)量、降低系統(tǒng)的實(shí)時性。因此采用對數(shù)放大器對信號的動態(tài)范圍進(jìn)行對數(shù)壓縮。采用的轉(zhuǎn)換器即可滿足要求，且減少了處理的數(shù)據(jù)量，提高了系統(tǒng)實(shí)時性。本文采用美國公司的對數(shù)放大器。它是由四級對數(shù)放大器級聯(lián)成的單片高性能對數(shù)放大器芯片，可以得到的輸入電壓動態(tài)范圍。 變速率

8、采樣模塊     閾值觸發(fā)    如圖所示，經(jīng)前級        【內(nèi)容導(dǎo)航】         第1頁：DSP和CPLD的空間瞬態(tài)光輻射信號實(shí)時探測研究        第2頁：DSP和CPLD的空間瞬態(tài)光輻射信號實(shí)時探測研究    

9、0;       第3頁：DSP和CPLD的空間瞬態(tài)光輻射信號實(shí)時探測研究                 預(yù)處理后，目標(biāo)信號進(jìn)入閾值觸發(fā)電路中的電壓比較器。設(shè)置閾值信號，鎖存后經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出到電壓比較器，與輸入的目標(biāo)信號進(jìn)行比較：若目標(biāo)信號超過閾值信號，則產(chǎn)生觸發(fā)信號并驅(qū)動時序控制電路及轉(zhuǎn)換電路工作；否則不工作。     控制變速

10、率采樣    為了進(jìn)一步減少信號處理的數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理，本文采用了變速率采樣的方法解決線路板面積有限與數(shù)據(jù)處理需要大容量存儲空間的矛盾。    由空間瞬態(tài)光輻射信號特征可知，其初始值變化速度快，高頻分量所占比重較大；而后面信號變化速度逐漸減小，越靠后信號越接近緩變信號，低頻含量高。所以采用采樣間隔逐漸增大的方法實(shí)現(xiàn)變速率采樣。    如圖所示，初始采樣頻率為,每隔個采樣點(diǎn)采樣頻率下降一半,一直到采樣結(jié)束。在電路實(shí)現(xiàn)中采用的方法是：轉(zhuǎn)換器按照固定的轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行模擬量到數(shù)字量

11、的轉(zhuǎn)換，而控制采樣數(shù)據(jù)的變速率接收并存儲至。    存儲數(shù)據(jù)由其寫使能控制信號（低電平有效）決定：當(dāng)為低電平時，數(shù)據(jù)在每個寫時鐘信號的上升沿寫入；當(dāng)為高電平時，數(shù)據(jù)保持不變。因此，控制變速率接收數(shù)據(jù)即控制它的寫使能信號為低電平的間隔變速率變化。如圖所示，在中由寫時鐘信號每隔點(diǎn)二分頻后、再調(diào)整占空比即可實(shí)現(xiàn)的時序信號。    對變速率接收采樣數(shù)據(jù)的邏輯控制，用美國公司的軟件 可由三種方法實(shí)現(xiàn)：一是用計數(shù)器、分頻器等畫電路圖實(shí)現(xiàn)；二是用語言或語言編程實(shí)現(xiàn)；三是輸入時序波形文件實(shí)現(xiàn)。針對本系統(tǒng)而言，采取第二種方法較為簡便

12、，用語言編程實(shí)現(xiàn)的算法流程圖如圖所示。    本文中轉(zhuǎn)換器采用美國公司的，它是一個的多用途轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部包括采樣保持器、微處理器接口、基準(zhǔn)電壓源和時鐘驅(qū)動電路，具有高可靠性和低功耗等特性。     由進(jìn)行上升速率初判    目標(biāo)信號幅度值從超過閾值起始點(diǎn)開始的一段時間內(nèi)的上升速率是判斷其能量范圍的重要判據(jù)。因此電路中采用對采樣的數(shù)據(jù)做初步判斷。當(dāng)目標(biāo)信號上升速率滿足設(shè)定要求時，產(chǎn)生上升速率觸發(fā)信號，并與其它結(jié)果做符合判定；否則丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù)，等待下一次探測數(shù)據(jù)。 

13、60;   存儲    （ ）是一種先進(jìn)先出的存儲器，即先讀入的數(shù)據(jù)先讀出。存儲器自身的訪問時間一般為幾十納秒。轉(zhuǎn)換器等外設(shè)速度一般比慢。如果采用，可以先將數(shù)據(jù)送往，一旦滿，再向申請中斷。這樣可以省去等待與查詢的時間，而且中斷次數(shù)也可以減少，從而提高傳輸速度。    本系統(tǒng)中,作為緩沖存儲器給上升速率初判電路和處理器提供數(shù)據(jù)，同時作為變速率采樣結(jié)果的暫存單元。本文采用美國公司的系列同步并行實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的緩存。 信號識別及存儲模塊     處理及存儲 

14、;   目標(biāo)信號自動識別能量范圍和錄取的核心是信號處理模塊。為了滿足實(shí)時處理的要求，硬件的選取應(yīng)以盡可能少的占用系統(tǒng)時間資源為基礎(chǔ)。從這個基本原則出發(fā)，采用作為處理器。它是目前公司浮點(diǎn)系列中性價比較高、在國內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用的芯片。它的指令周期為，具有豐富的硬件資源，如內(nèi)部有字節(jié)的、串行口、分開的程序總線、數(shù)據(jù)總線和總線等，并且外部存儲器寬度可變、有程序引導(dǎo)（）功能。在軟件方面，它豐富的指令系統(tǒng)、靈活的程序控制、流水線操作和多樣的尋址方式等特點(diǎn)使其特別適合于數(shù)字信號處理。    處理模塊主要由、慢速、高速、絕對時鐘芯片（）及串

15、口組成，其運(yùn)行機(jī)制如圖所示。其中，選擇慢速主要是為了降低系統(tǒng)成本，本文采用美國公司的芯片。用于存儲程序和初始化數(shù)據(jù)。高速用于程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)的暫存，本文采用美國公司的芯片，它與慢速配合，既降低了系統(tǒng)成本，又能使程序快速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對信號的實(shí)時處理。    如圖，一旦目標(biāo)事件發(fā)生，輸入信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)緩存在中，以備調(diào)用。上電復(fù)位后，將存儲在慢速中的程序裝載到高速中運(yùn)行，對暫存在中的目標(biāo)信號數(shù)據(jù)進(jìn)行能量范圍的識別和處理；然后從絕對時鐘芯片取得目標(biāo)事件發(fā)生的時刻值，和處理結(jié)果一起存儲在中；并將信號處理結(jié)果與發(fā)生時刻值從串口輸出到機(jī)。  

16、60; 如圖所示，系統(tǒng)工作流程是：空間瞬態(tài)光輻射信號經(jīng)光輻射探測器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)前級預(yù)處理電路放大、去噪并壓縮動態(tài)范圍；若信號超過閾值，則閾值觸發(fā)電路觸發(fā)采樣后暫存在中，否則不觸發(fā)；由上升速率初判電路初步檢測信號初始值的上升速率?熏當(dāng)上升速率滿足設(shè)定要求時，產(chǎn)生上升速率觸發(fā)信號，否則丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù)；上升速率觸發(fā)信號產(chǎn)生后，從中取得數(shù)據(jù)，對信號進(jìn)行模式識別和處理，存儲處理結(jié)果并經(jīng)接口電路傳送到機(jī)。     絕對時鐘芯片    所謂絕對時鐘是指不僅支持每天時間的更新，而且支持日期（世紀(jì)、年、日、星        【內(nèi)容導(dǎo)航】        &