基于DSP的声雷达信号采集系统

在声雷达系统中，发射机定向发出不同频率的声信号，随后接收不同距离上的回波信号，利用回波中频率的偏离可以测定风速、风向随高度的变化。本文介绍的基于美国模拟器件公司的DSP ADSP-TS201S和ADC AD7864的信号采集系统能够满足这些要求。

　　系统的设计

　　1 系统功能模块划分

　　声雷达信号采集系统主要由信号采集、信号处理、电源和时钟四部分组成，如图1所示。信号采集模块由CPLD和4片ADC组成，负责完成A/D转换;转换后的数据送至信号处理模块，DSP ADSP-TS201S负责数据的大电流电感接收和处理，两片512k×32b的SRAM完成了多帧数据的存储任务;一片双口RAM为ADSP-TS201S电感器的原理和其他处理器板交换信息提供了方便的接口，Flash用于存储用户的应用程序。电源模块为其他模块提供正常工作所需的电压。在时钟模块中，由晶振产生的27MHz时钟通过倍频芯片得到54MHz时钟后进入CPLD，它一方面作为ADSP-TS201S的系统时钟SCLK，另一方面在CPLD内12分频之后作为AD7864的工作时钟信号AD_CLK。

　　本系统之所以采用ADSP-TS201S芯片源于其强大的处理能力，可以对大量的回波数据作实时处理。它在600MHz的内核时钟下可以达到每秒48亿次乘累加(MAC)运算和每秒36亿次浮点运算(FLOP)，具有比同类处理器高出50%～100%的处理能力。它内部集成了24Mb的存储器，这种片内大存储量与高达33.6Gb/s的内部带宽相结合，是提高性能的关键。其外部64位数据总线和32位地址总线时钟最高可达125MHz。

　　图1 信号采集系统电路图

　　声雷达系统中需要多通道同时采样，AD7864芯片的高速多通道和同时采样特性满足了系统的要求，简化了硬件设计，它的转换精度为12位，吞吐量最高可达520KSPS，单通道转换时间最快可达1.65μs，采样/保持时间为0.35μs。此外，其单电源和低功耗特性(最低可达20μW)也满足了系统的要求。

　　系统工作时，首先是由后端处理器板向ADSP-TS201S发出中断信号，通知TS201从双口RAM中读取命令字。根据命令字，TS201通过CPLD控制前端的ADC进行数据采集并利用DMA方式读取数据，处理好的数据存储于双口RAM中，TS201也通过中断方式来通知后端处理器板来读取数据并显示。

　　2 硬件电路设计

　　在时钟电路的设计中，晶振和倍频芯片的电源与本板电源之间要用电感或绕行电感磁珠来隔离，防止它们对系统电源产生耦合干扰。为了抑制由电压波动引起的电流涌动和低频干扰，两者的电源引脚处要加上一个10μF的钽电容，0.1μF的用于抑制高频干扰的小电容也是必不可少的，而且要贴近管脚放置。此外，还应注意不要在时钟芯片底下走线，防止相互耦合干扰。倍频芯片输出端可以加一个33Ω的匹配电阻，以减少输出电流，提高时钟波形质量。为了减少EMI辐射和时钟抖动，要尽量减少过孔的使用。

　　(a)环形结构

　　(b)星形结构

　　高频下总线的设计也是需要注意的，尤其是在系统中总线负载较重的情况下，不适当的设计会限制总线只能在低频下工作，甚至无法读取数据。由于环形结构上任一负载的变化都会影响到其他负载的工作，本设计中采用了星形总线结构，如图2所示。在布线过程中考虑到DSP总线的驱动能力，严格的将每根信号线的长度控制在6英寸左右。实践证明，采取的以上措施是必要而且正确的。

　　ADSP-TS201S和AD7864对电源的要求都非常高，例如，S201要求500MHz核时钟时，它的4个电源VDD、VDD_A、VDD_IO和VDD_DRAM的精度为±5%，因此，系统中采用了输出电压精度可达±1%的TPS54350作为电源芯片。

　　ADSP-TS201S的功耗可通过如下计算得到。以500MHz为例，VDD域消耗的电流可达2.67A，由式(1)可得，加上VDD模压电感器_A的电流，内核最大功耗为 2.99W。电感生产