基于DSP的數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于DSP的數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用在TWS雷達(dá)系統(tǒng)中，對(duì)跟蹤目標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理常常要進(jìn)行卡爾曼濾波?？柭鼮V波是一種估計(jì)的遞推濾波算法，具有實(shí)時(shí)性好和精度高的特點(diǎn)。但是由于其算法中多為矩陣運(yùn)算，所以較其它算法如二乘法、α－β算法等的運(yùn)算量要大。為了減小運(yùn)算量以滿足系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間的要求，應(yīng)用中往往采用簡(jiǎn)化的卡爾曼濾波算法，但這樣又會(huì)帶來(lái)濾波精度的降低。在設(shè)計(jì)卡爾曼濾波數(shù)據(jù)處理模塊時(shí)，為了解決該矛盾，采用了高速浮點(diǎn)型DSPTMS320C31。TMS320C31是美國(guó)TI公司的第三代DSP產(chǎn)品，其內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作以及并發(fā)I/O和CPU操作。芯片內(nèi)含有專用硬件乘法器和桶形移位寄存器，具有３２位的浮點(diǎn)精度，特別適合類似卡爾曼濾波這樣運(yùn)算量大、實(shí)時(shí)性和計(jì)算精度要求高的場(chǎng)合。１卡爾曼濾波算法

卡爾曼濾波器的狀態(tài)方程和量測(cè)方程如下：Ｘ(Ｋ＋１)＝Ａ(Ｋ)Ｘ(Ｋ)＋Ｗ(Ｋ)Ｚ(Ｋ)＝Ｈ(Ｋ)Ｘ(Ｋ)＋Ｖ(Ｋ)

式中，Ｘ(K)＝[X1(K)，X2(K)，X3(K)，X4(K)]Ｔ

Z(K)=[Z1(K)，Z2(K)]ＴＷ(K)＝[０，Ｕ１(K)，０，Ｕ２(K)]ＴＶ(K)＝[Ｖ１(K)，Ｖ２(K)]ＴＡ＝1T000100001T0001

Ｈ＝10000010Ｘ１(K)＝ρ(Ｋ)Ｘ２(Ｋ)＝ρ(Ｋ)Ｘ３(K)＝θ(K)Ｘ４(K)＝θ(K)Ｔ為采樣周期ρ(K)，ρ(Ｋ)分別為距離和徑向速度的估值θ(K)、(K)分別為方位角和方位角速度的估值

Ｕ１(K)表示Ｔ時(shí)間內(nèi)徑向速度的變化量Ｕ２(K)表示Ｔ時(shí)間內(nèi)方位角速度的變化量Ｖ１(K)為距離量測(cè)噪聲Ｖ２(K)為方位角量測(cè)噪聲Ｚ１(K)和Ｚ２(K)分別為距離和角度的測(cè)量值濾波器遞推方程為：X１(Ｋ／Ｋ－１)＝Ａ(Ｋ－１／Ｋ－１)Ｐ１(Ｋ／Ｋ－１)＝ＡＰ(Ｋ－１／Ｋ－１)ＡＴ＋Ｑ(Ｋ－１)Ｇ(Ｋ)＝Ｐ１(Ｋ／Ｋ－１)ＨＴ[ＨＰ１(Ｋ／Ｋ－１)ＨＴ＋Ｒ(Ｋ)]－１Ｐ(Ｋ／Ｋ)＝Ｐ(Ｋ／Ｋ－１)－Ｇ(Ｋ)ＨＰ１(Ｋ／Ｋ－１)X１(Ｋ／Ｋ)＝１(Ｋ／Ｋ－１)＋Ｇ(K)Ｚ(Ｋ)－Ｚ(Ｋ)Z(Ｋ)＝Ｈ１(Ｋ／Ｋ－１)

其中，Ｇ(K)為卡爾曼增益矩陣Ｑ(K)、Ｒ(K)分別為狀態(tài)噪聲協(xié)方差矩陣和量測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣Ｐ(K)為誤差協(xié)方差矩陣２基于TMS320C31的數(shù)據(jù)處理模塊的工作原理

２．１多處理器工作模式下主機(jī)和TMS320C31數(shù)據(jù)通信的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊由雙口ＲＡＭＩＤＴ７１３４、TMS320C31(以下簡(jiǎn)稱Ｃ３１)、ＥＥＲＯＭ２８Ｆ０１０和高速ＲＡＭＣＹ７Ｃ１９９組成通過(guò)ＩＳＡ總線和主計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，構(gòu)成主從式多處理器工作模式，如圖１所示。主從式處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于處理器之間的數(shù)據(jù)交換，主從處理器間的數(shù)據(jù)交換主要有串行、并行、ＤＭＡ及雙口ＲＡＭ四種交換方式。本方案采用ＩＤＴ公司的雙口ＲＡＭＩＤＴ７１３４實(shí)現(xiàn)主計(jì)算機(jī)和Ｃ３１間的數(shù)據(jù)交換。ＩＤＴ７１３４內(nèi)部含有４ＫＢ的存儲(chǔ)器資源，具有兩組地址、數(shù)據(jù)總線及讀寫控制線。主計(jì)算機(jī)和Ｃ３１可同時(shí)對(duì)其進(jìn)行讀寫操作。在對(duì)其內(nèi)部同一存儲(chǔ)單元訪問(wèn)時(shí)，要考慮寫入和讀出數(shù)據(jù)的完整性。ＩＤＴ７１３４沒(méi)有單獨(dú)的主從處理器訪問(wèn)控制引腳，設(shè)計(jì)時(shí)需用軟件方式來(lái)保證主計(jì)算機(jī)和Ｃ３１之間數(shù)據(jù)交換的正確性。本方案中采用了在ＩＤＴ７１３４中設(shè)置輸入輸出ｓｅｍａｐｈｏｒｅ的方案，即主計(jì)算機(jī)在將跟蹤雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)寫入雙口ＲＡＭ后，設(shè)置輸入ｓｅｍａｐｈｏｒｅ，通知Ｃ３１讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。Ｃ３１進(jìn)行卡爾曼濾波后，將濾波結(jié)果寫入雙口ＲＡＭ，設(shè)置輸出ｓｅｍａｐｈｏｒｅ，通知主計(jì)算機(jī)讀取。雙口ＲＡＭ的數(shù)據(jù)寬度為８位，Ｃ３１數(shù)據(jù)總線寬度為３２位。雙口ＲＡＭ的數(shù)據(jù)總線和Ｃ３１低８位數(shù)據(jù)總線相接。為了提高數(shù)據(jù)處理的精度，雙口ＲＡＭ中的跟蹤數(shù)據(jù)和Ｃ３１的濾波結(jié)果都以字(３２位)為單位進(jìn)行存儲(chǔ)，Ｃ３１作卡爾曼濾波時(shí)，首先按字節(jié)讀取跟蹤數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行移位，拼接成３２位整形數(shù)，再將整形數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行濾波運(yùn)算。輸出時(shí)，則將浮點(diǎn)型的結(jié)果轉(zhuǎn)為整形數(shù)，按字節(jié)寫入雙口ＲＡＭ中。雙口ＲＡＭ空間分配如圖２所示。

２．２C31的系統(tǒng)裝入和管理

C31有兩種工作模式，即微處理器和微計(jì)算機(jī)方式，本方案中，Ｃ３１的ＭＣＢＬ／ＭＰ腳接高電平，Ｃ３１工作于微計(jì)算機(jī)方式。Ｃ３１具有程序引導(dǎo)功能，其內(nèi)部固化有引導(dǎo)程序(ＢＯＯＴ)，可將來(lái)自其它處理器、低速ＥＰＲＯＭ或其它標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)器件的程序和數(shù)據(jù)裝入到高速靜態(tài)ＲＡＭ中以全速運(yùn)行。Ｃ３１有兩種裝入方式可供用戶選擇：串行裝入方式和存儲(chǔ)器裝入方式。存儲(chǔ)器裝入方式根據(jù)地址的不同又分為三種：ＢＯＯＴ１、ＢＯＯＴ２、ＢＯＯＴ３。Ｃ３１通過(guò)查詢四個(gè)中斷引腳確定裝入方式，引腳低電平有效。在本方案中，Ｃ３１的ＩＮＴ腳接低電平。Ｃ３１采?。拢希希裕驳囊龑?dǎo)方式，將從０ｘ４０００００處開(kāi)始的程序存儲(chǔ)器中的卡爾曼濾波程序以８位字節(jié)方式引導(dǎo)到首地址為０ｘ１０００００的高速ＲＡＭ中。采用外部存儲(chǔ)器裝入時(shí)，需在程序前加裝程序頭。程序頭包括下列信息：(１)外部存儲(chǔ)器的寬度(８／１６／３２位)；(２)程序代碼塊的長(zhǎng)度；

(３)裝入的目的起始地址；(４)存儲(chǔ)器訪問(wèn)的定時(shí)控制。

程序頭內(nèi)容安排見(jiàn)表１。

本方案中程序頭配置如下："08000000F8100000FF20000000001000"，包含以下信息：①外部程序存儲(chǔ)器寬度為８位；②ＥＰＲＯＭ需要７個(gè)等待狀態(tài)；③裝入的目的起始地址為０Ｘ１０００００；④程序代碼塊長(zhǎng)度為２０ＦＦ。程序頭在存儲(chǔ)器的０Ｘ４０００００開(kāi)始存放。C31的ＥＭＵ０～ＥＭＵ３為４個(gè)仿真引腳，Ｈ３為時(shí)鐘引腳，按照ＭＰＳＤ仿真頭的定義將其和仿真器相連。Ｃ３１的仿真器沒(méi)有采用傳統(tǒng)的電路仿真器，而是采用先進(jìn)的掃描仿真器，掃描仿真器通過(guò)ＤＳＰ芯片上提供的仿真引腳和時(shí)鐘引腳實(shí)現(xiàn)仿真功能。用戶程序存儲(chǔ)在目標(biāo)系統(tǒng)的片內(nèi)或片外存儲(chǔ)器中，可實(shí)時(shí)運(yùn)行，而不會(huì)因仿真器引入額外的等待狀態(tài)。

３數(shù)據(jù)處理模塊的軟件設(shè)計(jì)方法

數(shù)據(jù)處理模塊的軟件設(shè)計(jì)是在ＴＩ公司的DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS下進(jìn)行的。它有C2000CC、C3000CCＣ、CCS5000、CCS6000等４個(gè)不同版本。對(duì)于Ｃ３１來(lái)講，可采用Ｃ３０００ＣＣ版本的軟件。編程語(yǔ)言既可選擇Ｃ３１的匯編語(yǔ)言也可使用Ｃ語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言在低層的初始化和Ｉ／Ｏ控制編程方面效率高，但對(duì)于類似卡爾曼濾波這類復(fù)雜控制算法的編程卻不如Ｃ語(yǔ)言簡(jiǎn)捷，且匯編語(yǔ)言的可讀性和移植性差。因此這里采用Ｃ語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程如下：(１)在CCS下用Ｃ語(yǔ)言編輯卡爾曼濾波源程序；

(２)編寫鏈接命令文件，即擴(kuò)展名為·ｃｍｄ文件；

(３)建立擴(kuò)展名為·ｍａｋ的工程文件，將卡爾曼濾波源程序、鏈接命令文件以及支持庫(kù)ＲＴＳ３０·ＬＩＢ加入到所建立的工程中去；

(４)對(duì)該工程進(jìn)行ｂｕｉｌｄ，若無(wú)錯(cuò)誤，即生成擴(kuò)展名為·ｏｕｔ的文件。

生成的·ｏｕｔ文件可通過(guò)仿真器進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試完成后，將·ｏｕｔ文件保存為·ｏｕｔ(ｃｏｆｆ)格式文件。在編程器中對(duì)該文件進(jìn)行修改，把程序頭加到卡爾曼濾波程序的前面，一起寫入ＥＰＲＯＭ。

圖３和圖４給出了數(shù)據(jù)處理模塊的流程圖，主計(jì)算機(jī)和Ｃ３１可并行工作，通過(guò)雙