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【毕业论文设计】基于DSP芯片以及AM29LV256M芯片的硬件系统

发布时间:2019-11-05 02:27 来源:未知 编辑:admin

  基于 DSP 芯片以及 AM29LV256M 芯片的硬件系统 1 绪论 1 . 1 国内外引信发展趋势 随着科学的进步, 高新技术在引信上的不断应用, 现代战争从某种意义上来说是科技水平的较量, 是高科技的战争。 战争作战环境日益复杂, 对武器系统的性能提出了更高的要求, 要求武器具有智能化、 小型化的特点。 引信相当于弹药的大脑和指挥机构, 与人的大脑一样起着重要的作用, 是弹药最重要的组成部分, 其作用是控制弹药的最佳起爆位置或时机。 引信技术是武器系统中对高新技术响应速度最快、 最敏感的核心技术之一。 随着现代武器装备对弹药的性能及毁伤效果要求的不...

  基于 DSP 芯片以及 AM29LV256M 芯片的硬件系统 1 绪论 1 . 1 国内外引信发展趋势 随着科学的进步, 高新技术在引信上的不断应用, 现代战争从某种意义上来说是科技水平的较量, 是高科技的战争。 战争作战环境日益复杂, 对武器系统的性能提出了更高的要求, 要求武器具有智能化、 小型化的特点。 引信相当于弹药的大脑和指挥机构, 与人的大脑一样起着重要的作用, 是弹药最重要的组成部分, 其作用是控制弹药的最佳起爆位置或时机。 引信技术是武器系统中对高新技术响应速度最快、 最敏感的核心技术之一。 随着现代武器装备对弹药的性能及毁伤效果要求的不断提高, 引信在武器系统中的地位日趋重要。同时, 引信技术又是一个集机械、 电子、 声、 光、 磁、 化学、 计算机及其复合技术为一体的多学科、 高科技研究领域。 来到了 21 世纪, 传统的机械引信已经不能满足现代战争的需要, 人们对引信的定义已经是: 能接收利用目标信息、 环境信息和人工指令, 并能对各种信息和指令进行辨别、 筛选和分析等综合处理, 按规定条件引爆或引燃战斗部装药的控制装置[3。 仔细分析国内外引信的发展历史和现状 , 总结, 对把握未来的发展方向和重点十分必要。 国内外引信的发展趋势和主要特点如下。 (1) 信息化 2001 年秋 , 美国国防研究计划局(DARPA) 的 R. P. 威士纳提出在 C4ISR 基础上增加终端毁伤( Kill) , 即提出 C4 KISR 的概念 。 由此 , 引信作为 C4 KISR 中的一个环节出现, 意味着引信必须大幅度提高自身信息技术的含量 , 实现引信与武器体系其它子系统 , 特别是与信息平台、 发射平台、 运载平台和指控平台之间信息链路的联结。 引信的信息化水平提高 , 不仅意味着引信需要获取更多的环境信息和目 标信息以满足作战需求 , 更重要的是对引信功能的扩展提出 了更多, 更高的要求。 也有不少专家喜欢用智能化一词来描述这一特点。 笔者认为 , 人工智能是控制论发展经过经典控制论、 现代控制论进入智能控制的高级发展阶段 , 对“智能” 机器的理解处于百家争鸣阶段 , 现阶段提引信智能化过于超前。 (2) 提高抗干扰能力 利用各种物理场、 各种探测原理和先进的信号处理手段 , 提高引信对各类目标的准确识别能力 , 提高引信自身战场生存能力 , 确保引信工作的可靠性。 提高抗干扰能力是引信特别是近炸引信发展的永恒主题。 提高近炸引信抗干扰要从两个方面着手。 提高信号处理水平是每种引信都必须采用的办法, 其基础是目 标特性的准确性。 因此 , 要加强目 标特性的研究。 二是在可能的情况下 ,利用物理场特性和新的工作原理提高抗干扰能力 , 这是最有 效的办法。 (3) 提高炸点控制精度 进一步挖掘并更加充分利用各种目标信息和环境信息 , 使引信对目标准确识别,实现引信起爆模式和炸点的最优控制。 提高炸点控制精度是引信特别是近炸引信发展的又一个永恒主题。 有几层含义: 是否所攻击的目标(是敌还是我, 目标还是干扰, 是否易损部位) ; 启用何种作用方式(近炸, 触发, 延期) ; 在最有利位置起爆。 (4) 微小型 采用 MEMS 技术、 MMIC 技术。 专用单片集成电路、 高能电池等手段 , 实现引信微小型化。 引信小型化, 进而微型化 , 可以带来一系列好 处。 微小型化的引信可以在小口径弹药上使用 , 或者在所占体积不变的情况下可以使用更多的元件, 器件、 部件 , 使引信功能更加完善。 更吸引人的好处是可以节省出空间用于装药。 (5) 发展多功能引信 一种引信具有多种功能 , 可具有触发、 近炸、 时间等功能。 触发又可具有瞬发、长延期、 短延期等; 近炸可以具有炸高分档功能。 如果一种引信具有多种功能 ,就意味着一种引信可以配多个弹种。 这将会给生产、 勤务、 保障、 使用等诸多环节带来一系列好处。 (6) 功能扩展 现代引信除了具备起爆控制的基本功能外 , 还可以为续航发动机点火、 为弹道修正机构动作提供控制信号 , 可以实现战场效果评估 , 还可与各类平台交流信息(信息平台、 指控平台、 武器其它子系统、 引信之间) 。 引信信息化水平的提高是引信功能扩展的重要内容。 (7) 高能量小体积电源 现在引信用电源(原电池加管理电路) 主要是化学电源和物理电源。 化学电源原电池主要有热电池和铅酸电池 , 物理电源原电池主要是发电机发电。 这两种电源虽然可以满足现在引信的需要, 但如果不能在小体积高能量方面获得突破 , 引信的微小型化会受到严重影响。 1 . 2 本文主要研究内容 现代战争瞬息万变, 武器装备对引信的动态信息存储提出了更高的要求。 高速、 实时、 准确是引信动态信息存储系统能适应现代战争的必要条件。 本课题通过基于 DSP 芯片以及 AM29LV256M 芯片的硬件系统, 实现引信动态信息的实时存储, 对引信系统的设计具有重要意义。 本课题研究如何以 DSP 为核心构建硬件系统平台, 完成引信信号采集和存储系统的核心设计。 这些核心包括 DSP, AM29LV256M 等。 研究的主要内容在硬件上主要为核心组件的连接和设计, 软件上包括采集控制, 信号存储等。 本文研究主要包括一下几个方面: (l) 对 DSP 技术进行广泛的学习和研究, 了解各系列的 DSP 的结构及用途,根据课题需要选择高性价比的主处理器, 本课题选择 TI 公司的 TMS320F2407 作为主处理器, 熟悉该款数字处理器的结构、 外设及各个模块的功能和各个寄存器的作用及构造。 (2) 根据课题需求和 DSP 芯片的硬件特点提出基于 DSP 的数据采集处理系统的总体设计方案。 (3) 搭建系统的硬件电路, 绘制系统的原理图。 (4) 对电路板进行调试。 包括对 DSP 电路的调试, 对 USB 电路的调试, 对二者接口电路的调试, 对外围电路的调试(存储器, 电源电路等) . 另外对电路调试过程中出现的问题和解决方法做必要的分析和探讨。 2 系统的硬件设计 2. 1 系统器件的选择 2. 1. 1 微处理器的选型 目前的微处理器分为通用处理器、 单片机和 DSP 三大类。 DSP 与单片机、 传统的通用微处理器相比具有很大的优越性。 与目前普遍采用的单片机相比, DSP具有较高的集成度并具有更快的运行速度, DSP 器件比 16 位单片机单指令执行时间快 8-10 倍, 在乘法处理上, DSP 的优势更为明显, 完成一次乘累加运算快 1卜 30 倍。 这一性能决定了 DSP 的应用领域主要集中在较复杂的算法处理中, 如:数字图像处理、 数字语音编码等领域, 而单片机则主要用于工业控制等对处理速度和处理性能要求较低的环境。 DSP 芯片也称数字信号处理器, 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器, 其主要应用是实时快速的实现各种数字信号处理算法。 DSP 芯片是实现数字信号处理技术的硬件支持, 是数字信号处理技术与数字信号处理应用之间的桥梁和纽带, 随着全球集成电路事业的发展, 美国的 TI 公司成为世界上最大的 DSP 芯片供应商, 其 DSP 市场份额占全世界份额近 50Ork, 其 DSP 产品根据功能分为三个系列 TMs320C2000 系列, TMS320cs 加 0 系列, TMS32OC6 侧 X 系列,本系统选用的就是 TI 的 2(X) 0 系列的 TMS320F2812 芯片。 随着信息技术的不断发展 DSP 必将得到更加广泛的应用。 通用 DSP 芯片一般具有如下主要特点: (l) 多总线结构。 世界上最早的微处理器是基于冯 诺伊曼结构的, 其取指令、 取数据都是通过同一条总线完成的, 因此必须分时进行, 在高速运算时, 往往传输通道上会出现瓶颈效应。 而 DSP 内部采用的是哈佛 (Harvard) 结构, 它在片内至少有四套总线: 程序地址总线、 程序数据总线、 数据的地址总线和数据的数据总线。 这种分离的程序和数据总线, 可允许同时获得来自程序存储器的指令 字和来自数据存储器的操作数而互不干扰, 这样使得其可以同时对数据和程序进行寻址。 (2) 指令系统的流水线操作。 在改进的哈佛结构的基础上, 大多数 DSP 芯片又引入了流水线操作以减少每条指令的执行时间, 从而进一步增强处理器的数据处理能力。 在执行本条指令的同时, 下面的指令已依次完成取操作数、 解码、 取指令的操作, 从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时间。 (3) 专用硬件乘法器。 硬件乘法器功能是 DSP 实现快速运算的重要保障。 在一般的计算机上, 算术逻辑单元 AL 切只能完成两个操作数的加、 减法及逻辑运算, 而乘法(或除法) 则由加法和移位来实现。 而 DSP 器件配有独立的乘法器和加法器, 单个周期可以完成相乘、 累加两个运算, 大大提高了运算效率。 (4) 快速的指令周期。 CMOS 技术、 先进的工艺及集成电路的优化设计、 工作电压的下降(5v, 3. 3v, 1. 8 均, 使得 DSP 芯片的主频不断提高. 目前 DSP 高速时钟己达 1. IGHZ。 随着微电子技术的发展以及犯 SC 设计思想在 DSP 芯片设计和生产中的全面体现, 工作频率将继续提高, 指令周期进一步缩短。 DSP 的选型主要考虑处理速度、 功耗、 程序存储器和数据存储器的容量、 片内的资源, 如定时器的数量、 UO 口数量、 中断数量、 DMA 通道数等。 DSP 的主要供应商有 TI, ADI, LUC 等, 其中 TI 占有最大的市场份额。 而 TMS320F240X 系列数字信号处理器是 TI 公司最新推出的数字信号处理器, 该系列处理器是基于。内核的定点数字信号处理器。 他集成了数字处理信号和电机运动的数字化控制功能, 是高效, 高精度的数字控制。 TMS320LF2407 DSP 的特点是采用高性能静态CMOS 技术, 使得供电电压降为 3. 3V, 减少了控制器的消耗; 40MI/s 的执行速度使得指令周期缩短为 23ns; 16bit 地址总线bit 数据总线, 可扩展的外部存储器总共 192kbit 的空间(64kbit 程序存储器空间, 64kbit 数据存储器空间,64kbit I/O 寻址空间); 片内有高达 32kbit 字的 FLASH 程序存储器, 为多种用途的产品提供了经济的可编程解决方案, 256kbit 字的引导 ROM, 是使在线 个事件管理器模块 EVA 和 EVB, 每个都包括 2 个 16bit 通用定时器和 8 个 16bit 的脉宽调制(PWM) 通道; 40 个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO) 等。 2. 1. 2 存储器的选型 根据存储器能否直接与 DSP 交换信息来区分, 可分为外部存储器和内部存储器。 许多 DSP 都提供了具备片内 ROM 型的产品, 片内 ROM 可以将定型的程序代码固化到 DSP 片内, 从而减少了系统的体积、 功耗、 电磁辐射干扰, 速度也有所提高, 当大批量生产时可以降低成本。 但这种 ROM 几乎都是一次性写入的, 而且需要出产专门制作, 因此对普通用户来说, 这些 ROM 是无用的, 所以 DSP 处理系统中除了 DSP 芯片以外, 另外不可缺少的器件就是存储器。 一个独立系统必须有EPROM 或 Flash 等非易性存储器来存放程序、 初始化数据等。 当片内存储器不够用时, 有必要采用高速可读写的片外存储器静态 RAM(SRAM) , SRAM 与 DSP 连接简单, 能被 DSP 全速访问。 外部存储器的选择主要考虑的因素: 存储容量、 存储速度、 价格和功耗。 存储容量的大小决定了本系统所能容纳的信息的多少。 存储器的速度是用存储器访问时间来衡量的, 访问时间就是指存储器接收到稳定的地址输入到操作完成的时间, 比如在读出时, 存储器往数据总线上输出数据就是操作结束的标志。 存储器的存储速度必须要与 CPU 的速度匹配起来。 存储器的价格主要由两个方面决定, 一是存储器本身的价格, 二是存储器模块中附加电路的价格,后一类价格也叫固定开销, 因为对不同容量的模块, 这种价格几乎是一样的。 因此, 选择外部存储器时, 应使设计中模块的数目尽可能的少, 而每个模块的容量尽可能的大。 综合系 统需求和上述要点, 数据缓冲采用 16 位 RAM 器件AM29LV256M。 该芯片是 256K*16bit 的高速 CMOS 静态存储器, 采用 3. 3V 供电。 由于 DSP 片外数据存储器扩展空间为 64K, 对 Flash 进行分页才能访问到大于 64K 的地址, 把 Flash 的 256K word 的逻辑空间按 32K word 的大小分成了 19扇区。 每一扇区内的地址线) 直接使用 DSP 的地址线 由于外部存储器的所有物理空间定位在 DSP、 CPU 的 8000H~FFFFH 范围内, DSP 的 A15 地址线对外部存储器恒为高电平, 因此, 该地址线) 最为 Flash 的地址总线), 作为扇区的选通信号 DSP 的 DS 作为地址片选信号, 接到 Flash 的 CE 端口 DSP 的数据总线) 接到 Flash 的 D(0~15) , DSP 的 RD 和 WR 分别接到 Flash 的 OE 和 WE 原理图如图 1 所示 图 1 Flash 与 DSP 借口原理图 2. 1. 3 A/D 转换电路 ADC 采用 Analog Devices 公司的芯片 AD9244, 该芯片拥有 14 位分辨率,高达 40MSPS 的采样率, 模拟信号输入带宽为 750MHz, 最高采样时钟工作功耗只有 300mW; 芯片采用 5V 模拟端供电和 3. 3V 数字端供电, 封装形 式为 48-lead LQFP, 工作温度范围达到工业级。 差频信号频率范围小于 5MHz, 采样频率定为 10MHz 满足采样定理要求; 采集前端采用 Linear 公司的抗混叠滤波器 LT66005, 其截止频率为 5MHz, 同时完成单端转差分, 直接与 ADC 接口。 图 2 为 AD9244 的功能模块图。 其中 SHA 为高性能的采样和保持电路; 在其后采用了八级管道结构的 ADC 和 DAC, 来实现对输入信号的转换和纠错; TIMING 模块对输入的时钟进行处理; REFERENCE 模块为 AD9244 内部提供参考电压的模块; 在输出寄存器的输出端连接 14bit 数字输出管脚。 AD9244 采用先进的 CMOS 的制作工艺, 提供 48 脚表面贴装的封装形式。 它主要用在小信号通信子系统、 高端图象处理设备以及高频设备当中。 A0~A14 D0~D14 DSP DS# RD# WE# RESET# A0~A14 D0~D14 CE# AM29LV OE# WE# RESET# 图 2 AD9244 的功能图 AD9244 的特性如下: 专门处理输入电压峰峰值在 1 V~2 V 之间的模拟信号; 采用单一的+ 5V 的模拟电源, 数字电源有+3V 或者+5V 两种选择; (1) 高精度 对于 1V 中高频率小信号输入可以保证 14bit 的精度。 (2) 高速度 抽样速率最高可以达到 65MSPS; 低功耗: 40MSPS 抽样速率下只有 340mW,在 65MSPS 抽样速率下只有 590mW。 (3) 输入频带宽 750MHz 的模拟输入信号带宽; 在最高抽样速率下可以达到 74dB 的信噪比;片内集成高性能的抽样和保持放大器, 输入信号可以采用单输入, 也可以采用差分输入; 片内提供+1V~+2V 的参考电压, 可以通过变换接口的电阻值在此范围内任意设定; 具有溢出表示位(OTR) , 当输入信号超出正常工作范围时置 1; 具有高速并行输出接口; 图 2 模数转换电路 ADC 输出的数字信号采用二进制补码形式, 与电压对应关系如下图: 图 3 ADC 电压与数据对应关系 2. 2 DSP 外围电路设计 2. 2. 1 时钟电路 DSP 和其他的微处理器一样, 需要晶振才能工作, F2407 芯片内含一个基于可编程 PLL 的时钟模块, 该模块为芯片提供了所有必要的时钟信号, 还提供了低功耗方式的控制入口, PLL 具有 4 位比例控制, 用来选择不同的 CPU 时钟速率。基于 PLL 的时钟模块提供了两种操作模式, 一种是晶振操作, 该方式允许使用外部晶振给芯片提供时基; 另外一种是外部时钟源操作, 该方式允许旁路内部振荡器, 由外部时钟源提供时钟信号, 将外部振荡器输入到 xl/CLK 困引脚。 如果外部时钟源选择频率和 F24074 最高主频率相同, 那么将对周边电路产生较强的高频干扰, 影响系统的稳定性。 而选用第一种晶振操作模式, 可以将一个较低的外部时钟源通过内部倍频的手段达到 DSP 的工作频率, PLL 的倍频因子由 PLLCR 寄存器的 3, 2, 1, O 位决定, 如表 1 所示。 表 1 PLL(锁相环) 倍频系数选择 在设计时钟电路和设置时钟倍频时, 要注意切忌使倍频系数与外部时钟源频率的乘积大于凡 2407 的最高主频, 否则芯片将不能正常工作。 2. 2. 2 复位电路 复位电路在系统的电路设计中是非常重要的。 刚刚给芯片上电时, F2407 芯 片处于复位状态。 当 F2407 芯片的 160 管脚 XRS#接地时, 也起到复位的功效。系统中手动复位的电路如图 4 所示。 原理如下: 当按钮 SWI 按下时, 电容 C 上的电荷将通过按钮串联的电阻 R53 放走, 使电容 C 上的压降为 O, XRS#为低电平,系统复位器件终止运行, PC 指向地址 ox3FFFCO: 当按钮松开时, 3. 3V 的电压对电容 C 充电, 充电完成后, XRS#置为高电平, 复位结束, 实现了手动复位, 程序从 PC 所指出的位置开始运行。 复位电路的电阻不能太大, 否则电流达不到要求, 复位失败。 XRS#还是看门狗复位输出管脚, 当看门狗产生复位时, DSP 将该引脚驱动为低电平, 看门狗产生复位期间, 低电平将持续 512 个 XCLK 取周期。 图 4 系统的复位电路 当复位信号被确认后, F2407 的处理器进入了一个确定的状态。 作为硬件复位的一部分, 所有当前操作均被放弃, 流水线被清除, CPU 的寄存器都进行复位, 然后复位中断向量被取回, 从而执行相应的中断服务程序。 复位程序引导完成后,用户需要重新初始化 PIE 中断向量表, 应用程序使能 PIE 中断向量表, 中断将从PIE 向量表中获取向量。 2. 2. 3 电源电路 本系统用到了 SV、 3. 3V 和 1. 8V 的器件, 还需要 12V 的电压驱动电机, F2407 采用 3. 3V 的外设供电和 1. 8V 的内核供电, 68013 采用 3. 3V 供电, 本系统采用TI 公司的芯片 TPS75733 和 TPS76801, 将电路板外接的+SV 转换成+3. 3V 和 1. 8V。 图 5 DSP 电源供电电路 F2407 芯片需要拍 (3. 3V) 先上电, 内核 (l. 8V) 后上电, 这与 TI 其他型号DSP 的上电次序不同, 因此在电源电路的设计中要格外注意。 本系统电源电路设计如图 4 所示, 在左边的 TPS75733 使能端接地, 即一直都是使能的, 当其 2 管脚 IN 有+SV 的输入信号时, 4 管脚 OUT 输出+3. 3V 电压, 此时为段 812 的阳供电;与此同时, 冲 575733 的管脚 5 置低, 使能 TPS7680I, 输出为两个 OUT 管脚(管脚 5 和 6) , 得到 +1. 8v, 为 DSP 的内核供电. 为了使输入电源更稳定, 对于前端输入的+SV 电压, 用 47uF 的电容对它进行滤波, 同样为了使 DSP 的供电电源更稳定, 我们对两片电源芯片的输出电源也做了滤波处理, 分别在+3. 3V 和 +1. 8V处用 10uF 的电容滤波。 在关于 F2407 计中, 有的设计者将电源芯片选用 TPS767D318。 此芯片是一种双输出稳压器, 也可分别为 DSP 提供 3. 3V 和 1. 8V 的电压输出, 3. 3V 和 1. 8V电压输出间隔较小, 可近似认为同时上电, 在 F2812 为核心处理器的系统中也可以正常使用, 但笔者认为, 为了系统的稳定和保护 DSP 的目标出发, 选用两片电源芯片来严格上电顺序, 可延长系统使用寿命, 提高系统的安全性和稳定性。 电源电路设计时要注意数字地和模拟地分开, 系统设计中用 600R1ooMHzIA 的磁珠将两者分开, 避免公共地阻抗对模拟信号和数字信号产生祸合作用。 模拟电源和数字电源之间可用电容隔开。 此外选择+5V 电源时, 要注意电源的质量。 更换成高性能的电源后, 采集结果明显改善, 所以在选用电源时要注意电源的质量, 特别是开关电源, 它的电源纹波不能太大, 否则会对高频系统造成很大的干扰。 2. 2. 4 CAN 总线设计 现场总线是当前工业数据总线领域中 最活跃的一个新热点, CAN 总线(Controller Area Network 控制器局域网) 是重要的现场总线之一, 它是德国Bosch 公司在 1986 年为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯总线。 它遵从 OSI 模型, 主要工作在数据链路层和物理层。 CAN 总线是一种全数字化双向和多主的现场总线, 以其高性能、 高可靠性以及灵活的设计受到人们的重视, 应用越来越广泛。 CAN 总线与其它通信网的不同之处有二: 一是报文传送中不包含目标地址, 它是以全网广播为基础, 各接收站根据报文中反映数据性质的标识符过滤报文, 该收的收下, 不该收的弃而不用, 其好处是可在线上网下网、 即插即用和多站接收; 二是特别强化了对数据安全性的关注, 满足控制系统及其它较高数据要求的系统需求。 CAN 总线) 多方式工作, 节点数多, 可方便地构成多机备份系统; 2) 网络节点信息分成不同的优先级, 可满足不同的实时要求, 最快可在 134 s 内得到传送; 3) 采用非破坏性总线仲裁技术, 在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪; 4) 只需通过报文滤波, 无需专门的“调度”; 5) 通信距离远(10km)、 速率高(1Mbps); 6) 采用短帧结构, 传输时间短, 受干扰概率低, 具有极好的检错效果; 7) 每帧信息都有 CRC 校验及其它检错措施, 保证了数据出错率极低; 8) 通信介质选择灵活, 可为双绞线、 同轴电缆或光纤; 9) 节点在错误严重的情况下具有自动关闭功能, 使其它节点不受影响。 CAN 节点功能结构分为以下 4 个层面: 1) 应用层: 即用户进行读写数据、 控制指令的接口; 2) 对象层: 该层功能是报文滤波以及报文状态的处理; 3) 传输层: 传输层是 CAN 协议的核心。 它把接收到的报文提供给对象层,并接收来自对象层的报文, 传输层负责定时及同步、 报文效验、 应答、 仲裁、 报文分帧、 错误检测和错误界定等; 4) 物理层: 物理层是指实际信号的传输。 CAN 总线协议中并没有强行规定信号传输的介质、 电平等; 仅仅规定总线仅支持两种逻辑值:“显性” 或“隐性” ,在“显性” 位和“隐性” 位同时传送时, 结果为“显性”。 这就给设计人员很大的发挥空间, 这 2 种状态可由各种信号来表达, 如: 光、 电等。 CAN 数据由帧组成, 主要分为 4 种类型: 1) 数据帧: 数据帧携带数据从发送器传送到接收器; 2) 远程帧: CAN 总线上任何一个节点都可以向其它节点发出远程帧, 用以请求其回复数据; 3) 错误帧: 节点检测到总线) 过载帧: 用来在先行的和后续的数据帧之间提供一附加的延时; 数据帧通过帧间空间来区分; 数据帧是最常用的帧, 在这里做详细介绍。 数据帧由帧起始、 仲裁场、 控制场、 数据场、 CRC 校验场、 应答场和帧结尾 7 个位场组成。 1) 帧起始(SOF) 标志数据帧的起始, 它由 1 个显位构成; 2) 仲裁场由标识符组成。 在 CAN2. 0B 中存在 2 种不同的帧格式, 其主要区别在于标识符的长度, 具有 11 位标识符的帧称为标准帧, 而包括 29 位标识符的帧称为扩展帧。 标识符越小的帧在与其它节点同时传送报文时, 该帧的优先权限越高。 因此, CAN 的仲裁不是依据时间, 而是根据优先权; 3) 控制场由 6 位组成, 包括数据长度码 4 位和 2 个保留位。 数据长度码 DLC指出数据场的字节数目; 4) 数据场由数据帧中被发送的数据组成, 它可包括 0~8 个字节, 每个字节8 位; 5) CRC 场由循环冗余码求得的帧检查序列和一个隐性的 CRC 界定符组成; 6) 应答场(ACK) 为 2 位, 包括应答间隙和应答界定符; 在应答场中, 发送器送出 2 个隐位。 所有正确接收到有效报文的接收器, 在应答间隙, 通过把显位写入发送器的隐位来报告; 7) 帧结束由 7 个隐性位组成的标志序列界定; 正是这些严密的信息, 才使数据安全准确地送达目的地, 而不再需要用户作过多的工作; CAN 总线控制器选用 Philips 公司生产的 SJA1000T, 它具有完成 CAN 高性能 通信协议所要求的全部必要特性, 可完成物理层和数据链路层的所有功能, 该芯片采用 SO28 贴片封装, 工作温度范围在-40℃to+125℃。 其特性如下: 1) 和 PCA82C200 独立 CAN 控制器引脚兼容 2) 和 PCA82C200 独立 CAN 控制器电气兼容 3) PCA82C200 模式即默认的 BasicCAN 模式 4) 扩展的接收缓冲器 64 字节先进先出 FIFO 5) 和 CAN2. 0B 协议兼容(PCA82C200 兼容模式中的无源扩展帧) 6) 同时支持 11 位和 29 位识别码 7) 位速率可达 1Mbits/s 8) PeliCAN 模式扩展功能 9) 可读/写访问的错误计数器 10) 可编程的错误报警限制 11) 最近一次错误代码寄存器 12) 对每一个 CAN 总线) 具体控制位控制的仲裁丢失中断 14) 单次发送(无重发) 15) 只听模式(无确认无活动的出错标志) 16) 支持热插拔软件位速率检测 17) 验收滤波器扩展(4 字节代码 4 字节屏蔽) 18) 自身信息接收(自接收请求) 19) 24MHz 时钟频率 20) 对不同微处理器的接口 21) 可编程的 CAN 输出驱动器配置 图 6 CAN 总线 采用 DSP 自带 ADC 做采集芯片 TMS32OF2407 自带的 ADC 模块是一个 12 位带流水线的模数转换器(ADC) , 它有 16 个通道, 可配置为 2 个独立的 8 通道模块, 分别服务于事件管理器 A 和 B,两个独立的 8 通道模块也可以级联构成 16 通道模块。 尽管在模数转换模块中有多个输入通道和两个排序器, 但仅有一个转换器。 两个 8 通道模块能够自动排序, 每个模块可以通过多路选择器(MUX) 选择 8 通道中的任何一个通道。 在级联的模式下, 自动排序器将变成 16 通道。 对于每 个通道而言, 一旦 ADC 转换完成, 将会把转换结果存储到结果寄存器(ADCRESULT) 中。 自动排序器允许对同一个通道进行多次采集, 用户可以完成过采样算法, 这样可以获得更高的采样精度。 ADC 模块主要包括以下特点: 1) 112 位模数转换模块 ADCO 2) 两个采样和保持器(S 旧) 。 3) 同步或顺序采样模式。 4) 模拟输入电压范围 O-3V。 5) 快速转换时间, ADC 时钟可以配置为 25MHZ, 最高采样带宽为 12. SMSPS。 6) 16 个输入通道: 在一次转换任务中, 自动排序功能提供多达 16 个自动转换。 每个转换可以编程选择 16 个输入通道中的一个, 排序器可以作为两个独立 8 位状态排序器或者一个 16 位状态排序器(即双级联 8 状态排序器) 。 7) 16 个结果寄存器(可独立寻址) 存放 ADC 的转换结果, 转换后的数字量表 示为: 2. 3 电路原理 采用 DSP 作为中心控制器, 设计本系统。 在动态参数的采集存储领域, 测试仪要随被测体一起运动, 要求系统具有体积小、 功耗低以及抗高过载等特点。 整个系统由信号调理电路、 DSP 控制电路、 Flash 存储单元组成。 如图所示。本系统可以完模拟信号的采集、 转换、 存储等功能。 采集存储系统的工作过程如下: 系统上电一段时间内并不工作, 有一定的延时, 这是为了降低功耗。 之后系统在电源控制下, 开始工作, 循环采样, 当检测采样值达到触发条件时, 由模拟信号调理部分将模拟信号转换成(0~3. 3) V 的模拟电压信号。 经 DSP F2407 自带的 10 位 ADC 模块转换成数字量, 然后存储入FLASH。 信号调理 DSP 控制电路 Flash 存储器 计 时 电路 复 位 电路 2. 4 多普勒多普勒效应 2. 4. 1 多普勒效应 多普勒效应的实质是: 在振荡源和接收机之间存在相对运动是, 接收机所接收到振荡频率与振荡源的振荡频率有所不同。 这一现象首先在声学上由奥地利物理学家多普勒于 1842 年发现。 频率 2 /vf V 是接收机的速度, 是波长 2. 4. 2 弹目接近过程中多普勒频率的变换规律 一 空中目标 如图之间的距离是 R, 短箭头的长为 P 2max* 1 (f/ )fP R 有公式可知当 R2P 时, f 的变化很小, 病趋近于 fmax; 当 R2P 时, f 很快下降; 当 R=P 是 f=0。 当弹目之间的距离由最近继续增大时, f 也由零开始增高。因此, 在 R=P 附近有急剧变化, 变化最大的区间在 R2 范围内。 二 地面目标 如图 AB a AB 之间的速度为 V1, BC 之间的速度为 V2. ABC 之间的角为 a 12sinVVa 多普勒频率为 22sin /fVa  有公式可知, 在对地射击是, f只与落速和落角有关。 2. 4. 3 多普勒测加速度 对地射击时, 某一时刻接收机的频率是 f1,经过△t 时间接受到频率为 f2 有以上公式可得出引信的加速度 21()* *sin /2Affat ABC 3 软件的编程与设计 3. 1 软件开发平台 CCS3. 3 集成开发环境介绍 3. 1. 1 CCS 开发环境介绍 CCS 是 TI 开发的一个完整的 DSP 集成开发环境, 是针对 TMS320 调试接口设计的集成开发环境 IDE, 他采用 Windows 风格界面, 集编辑、 编译、 链接、 软件仿真、硬件调试及实时跟踪等功能于一体, 极大的方便了 DSP 程序的设计和开发。同时, 由于 TI 的 DSP 使用非常的广泛, 使得 CCS 也就成为了使用最为广泛的 DSP开发软件之一。 现在, 所有 TI 公司的 DSP 都可以在该环境下进行开发。 TI 的 CCS里面还提供了 DSP/BIOS 开发工具。 DSP/BIOS 是一种嵌入式的操作系统, 提供了一组内核, 能够有效的进行实时的分析和外设配置, 是用户不在需要开发和维护定制的 DSP 操作系统。 其核心的目标浏览器显示操作系统目标的状态。 这样可以极大的方便用户编写和调试多任务应用程序。 开发人员可以在不中断程序运行的情况下检查算法或者程序的对错, 实现对硬件的实时跟踪调试, 从而可以极大的缩短程序的开发时间。 3. 1. 2 开发流程 CCS 集成了 常规的开发工具, 如源程序编辑器、 代码生成工具(编译器、 链接器) 以及调试环境等。 基于 DSP 的开发流程如图 应用设计 编辑、 编译和链接生成代码 调试、 语法检查和断点设置 分析与调整 3. 1. 3 TMS320LF2407 的开发 整个 DSP 的软件开发在 C 语言环境下完成, 为了满足算法的实时性, 对算法占很大比例的循环运算设置优化措施, 利用 CCS 自带的 C 语言优化器对程序进程序中利用芯片支持库函数来完成对 DSP 的内存和外设的操作, CSL 包含了一系列定义好的应用函数 API, 将 DSP 芯片的底层细节抽象化, 使得用户在不用知道底层寄存器每一 bit 设置的情况下, 就可以配置和控制外设。DSP 系统的引导 (BOOT)是指系统加电或复位时, DSP 将一段存储在外部非易失性存储器的程序代码通过DMA 方式拷贝到内部的高速内存中运行。 这样既能扩展 DSP 有限的存储空间,又能充分发挥 DSP 内部资源的效能。 用户的代码也可以通过掩膜方式写入到 DSP 内部 ROM 中, 但这样受容量和价格的限制, 且不便于扩展和升级。 DSP 的引导过程如下: 1. DSP 复位后, 通过 DMA 方式将外部存储空间的数据读入到内部程序空间地址 0 处, 读入数据的多少因芯片而异。 2. DSP 退出复位状态, 开始执行内部程序空间地址 0 处的程序, 这段程序先将外部存储器中剩余的主程序数据读入到 DSP 内部程序空间相应地址, 然后跳转到主程序运行。 第一步是由芯片自动完成, 关键是第二步: 用户需要编写相应的程序, 实现二次引导, 即用户主程序的装载。 TI 公司为 TMS320LF2407 系列的用户, 提供了配置好的二次引导程序。 利用相应的工具就可以实现二次加载。 3. 2 信号存储的整体设计 3. 2. 1 结构设计 在本系统的设计中, 软件部分需要完成信号的采集处理、 存储以及传输等操作, 主要分为芯片寄存器的程序模块、 初始化模块、 串口传输模块和信号存储模块。 软件系统的整体流程图如图所示。 图 7 信号存储系统软件框图 主程序要完成对整个系统的初始化, 和管理每一个子程序, 也就是使每个 芯片初始化, 使其处于已知状态。 芯片寄存器模块和初始化模块是每个程序所必须的, 也就是在 CCS 里面将每个寄存器的配置设置清楚, 并且将其进行初始化。信号存储模块也就是 AM29LV256M 存储。 数据存储系统软件 数据采集单元 数据分析与处理单元 存储单元 采集 时域分析数字滤波频域分析存储 3. 2. 2 DSP 程序流程 编写 C 语言程序 宏汇编源文件 优化 ANSIC 编译器 生成 TMS320 汇编 汇编语言编辑器 生成目标文件 链接器 写入存储器 TMS320F2407汇编语言程序文档管理器 宏汇编库 输出执行文件 TMS320 目标系统 调试器 格式转换 软件的编程流程如上图所示, 重要的步骤如下。 (1) 不论是用汇编语言还是 C 语言来编写程序, 最终都会转变成 TMS320 的汇 编语言并送到汇编语言编译器进行编译, 生成目标文件。 (2) 将第一步中生成的目标文件送入链接器进行链接, 经过链接器之后得到可 执行文件。 (3) 将第二步得到的可执行文件调入到调试器进行调试, 检查结果是否正确。 如果正确进入步骤 4, 如果不正确则返回步骤 1。 (4) 进行代码转换, 进行脱机运行。 将代码写入 EEPROM, 检查结果是否正确, 如果正确进入步骤 5, 如果不正确, 返回步骤 3。 3. 2. 3 看门狗的软件编程 看门狗, 是一个定时器电路, 一般有一个输入, 叫喂狗, 一个输出到 MCU的 RST 端, MCU 正常工作的时候, 每隔一段时间输出一个信号到喂狗端, 给 WDT清零, 如果超过规定的时间不喂狗, (一般在程序跑飞时) , WDT 定时超过, 就回给出一个复位信号到 MCU, 是 MCU 复位, 防止 MCU 死机。 看门狗的作用就是防止程序发生死循环, 或者说程序跑飞。 工作原理: 在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器, 看门狗就开始自 动计数, 如果到了一定的时间还不去清看门狗, 那么看门狗计数器就会溢出从 而引起看门狗中断, 造成系统复位。 所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。 硬件看门狗是利用了一个定时器, 来监控主程序的运行, 也就是说在主程 序的运行过程中, 要在定时时间到之前对定时器进行复位如果出现死循环, 或 者说 PC 指针不能回来。 那么定时时间到后就会使芯片复位。 TMS320F2407 中涉及到看门狗的寄存器有: 系统控制与状态寄存器 SCSR, 此寄存器包括看门狗覆盖位和看门狗中断使能/无效位。 一般系统复位时, 看门狗模块使能。 3. 3 DSP 的 C 语言程序 #include DSP28_Device. h float a1[128]; //定义一个数组 float adclo=0. 0; int FLAG; void main(void) { InitSysCtrl() ; //系统初始化 DINT; //禁止中断 IER = 0x0000; IFR = 0x0000; InitPieCtrl() ; //初始化 PIE InitPieVectTable() ; //中断向量表初始化 EALLOW; This is needed to write to EALLOW protected registers PieVectTable. ADCINT= EDIS; This is needed to disable write to EALLOW protected registers InitAdc() ; Enable INT14 which is connected to CPU-Timer 2: IR = M_INT1; KickDog() ; Enable global Interrupts and higher priority real-time debug events: InitEv() ; EINT; // Enable Global interrupt INTM ERTM; // Enable Global realtime interrupt DBGM for(; ; ) //等待中断 { if(FLAG) { FLAG=0; } } } interrupt void ad(void) { static unsigned char i =0; IFR=0x0000; PieCtrl. PIEIFR1. all = 0; a1[i]=((float) AdcRegs. RESULT0) *3. 0/65520. 0+adclo; //将转换结果存入数组 AdcRegs. ADC_ST_FLAG. bit. INT_SEQ1_CLR=1; //清除 INT_SEQ1 中断标志 AdcRegs. ADCTRL2. bit. RST_SEQ1 = 1; //复位 SEQ1 序列 PieCtrl. PIEACK. all = 0xFFFF; //允许再次响应中断 if(i127) i++; else { FLAG=1; i=0; } EINT; //使能中断 } void InitEv(void) { EvaRegs. T1CMPR=0X0000; // EvaRegs. T1PR = 0X5B; //定时器 1 的周期寄存, 6400HZ 的采样频率 EvaRegs. GPTCONA. bit. T1TOADC = 2; //使能事情管理器 B, 周期中断启动 ADC /* EvaRegs. T1CON. all = 0x1042; */ EvaRegs. T1CON. bit. FREE = 1; EvaRegs. T1CON. bit. SOFT = 0; // EvaRegs. T1CON. bit. rsvd = 0; // EvaRegs. T1CON. bit. TMODE = 2; //停止保持模式 EvaRegs. T1CON. bit. TPS = 1; //输入时钟为 HSPCLK/128 EvaRegs. T1CON. bit. T2SWT1 = 0; //使用自己的使能位 EvaRegs. T1CON. bit. TENABLE = 1; //使能定时操作 EvaRegs. T1CON. bit. TCLKS10 = 0; //内部时钟 EvaRegs. T1CON. bit. TCLD10 = 0; // EvaRegs. T1CON. bit. TECMPR = 1; //使能定时器比较操作 EvaRegs. T1CON. bit. SET1PR = 0; //使用自己的周期寄存器 } void InitAdc(void) { unsigned int i; AdcRegs. ADCTRL1. bit. RESET=1; //ADC 模块软复位, 3 个周期后, 该位自动清 0 NOP; //等待 ADC 寄存器硬件复位完备 AdcRegs. ADCTRL1. bit. RESET=0; // AdcRegs. ADCTRL1. bit. SUSMOD=3; //仿线 为忽略仿真挂起 AdcRegs. ADCTRL1. bit. ACQ_PS=0; //采样周期为一个 ADCLK 周期数 AdcRegs. ADCTRL1. bit. CPS=0; //不再对送给 ADC 的时钟进行二分频 AdcRegs. ADCTRL1. bit. CONT_RUN=0; //开始停止模式 AdcRegs. ADCTRL1. bit. SEQ_CASC=0; //双排序模式 AdcRegs. ADCTRL3. bit. ADCBGRFDN=3; //带隙参考电路上电 for(i=0; i10000; i++) NOP; AdcRegs. ADCTRL3. bit. ADCPWDN=1; //除带隙参考电路外的其他 ADC 模块上电 for(i=0; i5000; i++) NOP; AdcRegs. ADCTRL3. bit. ADCCLKPS=15; // AdcRegs. ADCTRL3. bit. SMODE_SEL=0; //顺序采样模式 AdcRegs. MAX_CONV. bit. MAX_CONV=0; //设置只有一个转换通道 AdcRegs. CHSELSEQ1. bit. CONV00=0; AdcRegs. ADC_ST_FLAG. bit. INT_SEQ1_CLR=1; //清除 SEQ1 中断标志 AdcRegs. ADCTRL2. bit. EVA_SOC_SEQ1 = 1; //使能 EVASOC 启动 SEQ1 AdcRegs. ADCTRL2. bit. INT_ENA_SEQ1 = 1; //使能 SEQ1 中断 AdcRegs. ADCTRL2. bit. EVB_SOC_SEQ = 0; AdcRegs. ADCTRL2. bit. RST_SEQ1 = 0; AdcRegs. ADCTRL2. bit. INT_MOD_SEQ1 = 0; AdcRegs. ADCTRL2. bit. EXT_SOC_SEQ1 = 0; AdcRegs. ADCTRL2. bit. RST_SEQ2=0; AdcRegs. ADCTRL2. bit. SOC_SEQ2=0; AdcRegs. ADCTRL2. bit. INT_ENA_SEQ2=0; AdcRegs. ADCTRL2. bit. INT_MOD_SEQ2=0; AdcRegs. ADCTRL2. bit. EVB_SOC_SEQ2=0; AdcRegs. ADCTRL2. bit. SOC_SEQ1 = 0; //为 1 时, 软件启动 ADC 转换 4 总结 本课题的内容是引信动态信息存储系统设计, 通过 DSP 微处理器采集和处理信息, 然后将信息存储到 AM29LV256M 中, 实现动态信息的实时存储。 本文首先介绍了引信的国内外的发展趋势和急需解决的问题; 然后重点介绍了本课题所需要的 DSP, 根据 DSP 的性能和本文的课题设计一些外围电路我总体框架。 最后了解我需要的软件开发环境, 介绍具体开发流程并编写 C 序言程序。 通过这次毕业设计, 使我学到了很多以前很少接触到的知识。 学海无涯, 我们应继续学习不断提升自己。 在设计中我也到各式各样以前没碰到的问题, 计使我的思维不断扩充, 认识问题也不会只会从表面下手。 总之, 这次毕业设计使我受益匪浅, 对我步入社会以后的工作和学习打下了坚实的基础。 参考文献 [1]彭启琮. DSP 技术的发展与应用. 高等教育出版社, 2002. 3 [2]戴逸民. 基于 DSP 的现代电子系统设计. 电子工业出版社, 2002. 4 [3]王立华, 刘志军, 高光金, 邵玉芹. DSP 系统硬件设计时需注意的几个问题。微型机与应用, 2005. 4 [4]陈群阳, 戴曙光, 穆平安, 黄杨晖. DSP 系统抗干扰技术的研究. 仪表技术, 2004, 4 [5]康榕. DSP 系统中的外部存储器设计. 电气自动化, 2002. 2 [6] 石庚辰. 关于开展引 信机电一体化安全系统研究的一些看法. 现代引信,1994. 11 [7]沈建华. MSP430 系列 16 位超低功耗单片机原理与应用. 清华大学出版社, 2004 [8]彭启琮, 管庆. 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Assembly Language Tools User s Guide. 2001 致 谢 值此论文完成之际, 我首先要感谢我的导师赵河明老师。 将近 4 个月的毕业设计, 从开始选题到设计结束, 始终得到了赵老师的精心和耐心指导, 使我顺利的完成了此次毕业设计, 并且还学到了很多其他方面的知识。 同时, 我还要感谢我的指导研究生赵牛杰, 他帮我解决了很多毕业设计过程中遇到的问题, 还教了我很多软件应用方面的知识, 在此我表示衷心的感谢。 大学的生活是美好的, 而这美好的生活是父母给我提供的。 在即将毕业走向工作岗位的过程中, 我由衷的感谢我尊敬和爱戴的父母, 感谢他们这些年对我的无私支持, 同时也感谢帮助和支持过我的各位亲戚、 朋友, 正是有了 你们的帮助,我才能享受这美好而难忘的大学生活。 最后, 谢谢我的舍友, 感谢大学这四年来所有帮助过我的老师、 同学、 朋友。

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