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低能耗舰船电路设计研究

摘要:在嵌入式环境下进行舰船电路系统设计,提高舰船控制电路的集成性,提出一种基于DSP技术的低能耗舰船嵌入式系统电路设计方法,采用ADSP21160处理器为核心控制芯片,进行舰船电路的AD模块设计、控制单元设计、信号处理模块设计和通信模块设计,实现舰船的信息采集和数据处理及远程通信功能,在ARM嵌入式系统中进行舰船电路的集成开发,降低电路的能耗,提高电路的集成性和可靠性。测试结果表明,采用该方法进行舰船电路设计,电路的功率放大能力较好,信号处理能力较强,具有很好的电路稳定性。

关键词:嵌入式系统;舰船;电路设计;DSP

随着集成电路控制技术的发展,在嵌入式系统环境下进行舰船集成电路设计,实现舰船环境信息采集、舰船目标信号处理和舰船集成控制与远程通信等,舰船的电路系统是一个综合性的集成电路系统,通过对舰船电路系统的低能耗设计,采用集成数字信号处理芯片进行舰船电路的控制系统设计,提高舰船电路系统的综合开发能力,从而保障舰船的稳定可靠运行[1]。研究嵌入式系统的低能耗舰船电路设计方法,在提高舰船的本机振荡性和功率增益方面具有重要意义,通过舰船综合电路系统设计,实现舰船电路的集成控制优化,从而降低舰船的功耗开销,相关的电路设计方法研究受到人们的极大重视。本文设计的嵌入式系统下的低能耗舰船电路系统主要包括AD模块、控制单元、信号处理模块和远程通信模块,结合嵌入式设计方案,实现舰船电路的嵌入式集成设计,并进行电路测试仿真,得出有效性结论。

1电路设计总体构架及指标分析

本文设计的低能耗嵌入式舰船电路系统主要实现对舰船声呐信号采集和多功能通信系统中,采用低能耗的嵌入式设计方案,采用DSP作为集成数字信息处理中枢,以ADSP21160处理器为核心控制芯片,采用三星公司的K9F1208UOB作为NANDFLASH进行信号滤波检测和数据缓存处理,采用多传感器信号处理和跟踪融合方法进行数据采集和包络检波处理,并与上位机通信,通过A/D转换器对采样的舰船信号和采样数据进行数字滤波和动态增益控制。在程序加载模块进行动态增益码加载控制,并通过DSP接收PCI总线的增益控制码,通过AD电路实现模拟信号预处理和信号频谱分析,采用8086及80286单片机作为计算机控制的CPU,进行舰船电路系统的总线控制[2],本文设计的舰船电路系统主要可以实现对舰船回波信号的高频放大、混频处理、本机振荡、中频放大、低频功放、鉴频以及正交解调处理,得到本文设计的低能耗嵌入式舰船电路系统的功能模块组成如图1所示。C1=C2=CR1=R2=R根据图1所示的舰船电路系统的功能模块组成,进行系统的总体设计,本文设计的舰船电路主要包括AD模块设计、控制单元设计、信号处理模块设计和通信模块设计。通信模块实现对舰船的远程通信传输控制功能;舰船电路的信号接收机采用三级接收放大设计,根据系统设计需求,选择第一级放大电路的隔直流电容:,电阻,使用256Mbyte的DDR内存作为缓存器,嵌入式舰船电路系统的滤波模块设计中,搭建一个二阶有源低通滤波器进行隔直流放大和噪声滤波,根据上述总体设计构架分析,得到本文设计的嵌入式系统的低能耗舰船电路的总体结构构成如图2所示。

2电路模块化设计与实现

在上述进行舰船电路的总体设计构造分析的基础上,进行电路的模块化设计,本文提出一种基于DSP技术的低能耗舰船嵌入式系统电路设计方法,根据设计指标,本文设计的舰船电路系统能实现振荡信号滤波和舰船系统的嵌入式控制,采用32位RISC型指令集进行舰船电路的集成控制,使用16位定点DSP内核进行外部时钟控制,采用2个双通道全双工超外差接收机实现舰船信号采集和远程数据接收[3],设计的舰船电路主要实现信号的采集和集成处理过程:1)舰船信号采集过程:通过12通道DMA进行舰船信号的集成信息采集和远程输入控制,根据舰船信号的采样结果进行AD转换,提高舰船数据的输出响应,采用包络检波和振幅控制方法降低输出误差,使得信号输入范围尽量大。2)舰船信号的自适应处理过程:选择ADI公司的高速A/D芯片进行舰船信号滤波和包络放大处理,提高输出增益,设计功率放大器进行自相关增益放大,降低舰船电路的能耗[4]。根据上述设计原理,对嵌入式系统下的低能耗舰船电路进行模块化设计,描述如下:1)AD模块电路设计。AD电路设计采用AD9225作为外围电路,使用双路16位电流振荡控制器进行舰船信号的AD控制和时钟采样,在数据接收端设置中断子程序进行时钟控制,提高系统的逻辑控制能力。将采集的舰船噪声数据和相关的信号到C51单片机和DSP数字信号处理芯片中实行包络检波和频谱分解,提取信号特征,并通过多通道的数据传输链路层实现信息收发和数据存储,利用D/A转换器进行采集的舰船数据的AD转换。−2V⩽Vc⩽02)控制单元电路设计。控制模块单元是将AD电路采集的数据经过AD转换后输入的集成DSP芯片中进行舰船集成控制,实现控制指令的收发和处理,将原始的物理数据转换为计算机和DSP芯片能识别的数字信息,假设舰船输出增益控制的动态输入端范围是,系统的运放供电为+12V和–12V,在ITU-656PPI模式进行舰船数据采集后的帧循环控制,在设置完DMA参数后建立双缓冲循环控制电路进行信号检波[5],通过相位鉴频器消除rc与tc的直接耦合,得到控制单元电路设计如图3所示。3)信号处理模块电路设计。信号处理模块电路采用超外差接收反馈振荡器进行信号增益放大,将A/D采样的两信号进行包络检波处理,采用ADSP21160处理器为核心控制芯片,设定模拟预处理机动态范围:–40dB~+40dB,配置寄存器(SYSCR)的BMODE位,数字电源采用数字3.3V供电,SENCE管脚通过VINB与VREF相连,设计信号检波的最大时钟频率为38kHz,采用双运放LM358设计相位检波器,实现低能耗嵌入式舰船电路系统的电平转换电路,在选频滤波处理处理收,在信号的输出终端组成一个16阶的带通滤波器进行噪声滤波,根据线性滤波的误差自动调整滤波器参数,提高信号输出的放大倍数,信号处理器的中断复位采用程序掉电控制复位方法,根据上述设计原理,得到本文设计的舰船信号处理电路如图4所示。4)通信模块电路设计。通信模块实现舰船的远程通信和指令传输控制功能,通信模块的初级放大电路选用VCA810作为控制器,进行信号的增益放大,DSP控制SEL1电平实现包络检波和程序控制,设计采样频率为1200kHz,将采集的数据通过包络检波模块进行程序控制处理,并通过模拟预处理机进行上位机通信和信号滤波,提高数据采集的增益放大能力,最后在通信模块的输出端设计电源模块,电源模块是实现船舶系统的供电功能,时钟模块实现中断控制,采用通用PPI模式和ITU-656PPI模式进行远程通信。

3电路测试分析

在对上述电路进行模块化设计的基础上,在嵌入式ARM中进行舰船电路集成设计,并测试电路的稳定性,电路测试的仿真器是ADI的HPPCI仿真器,分别测试舰船电路的输出时钟以及功率增益放大性能,得到测试结果如图5所示,分析图5得知,采用本文方法进行嵌入式系统舰船电路设计,电路的稳定性较好,输出增益较大,功耗较低,具有很好的应用价值。

4结语

本文在嵌入式ADSP21160处理器芯片基础上进行舰船电路设计,设计的舰船电路系统能实现振荡信号滤波和舰船系统的嵌入式控制和信号处理等功能,主要对AD模块设计、控制单元设计、信号处理模块设计和通信模块进行电路设计,并在HPPCI仿真器中进行电路调试,结果表明,采用该方法进行舰船电路设计能有效提高系统增益,降低功耗,电路的稳定性和可靠性较好。

作者:刘竹 单位:四川职业技术学院

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