低能耗艦船電路設計研究

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摘要:在嵌入式環境下進行艦船電路系統設計，提高艦船控制電路的集成性，提出一種基于DSP技術的低能耗艦船嵌入式系統電路設計方法，采用ADSP21160處理器為核心控制芯片，進行艦船電路的AD模塊設計、控制單元設計、信號處理模塊設計和通信模塊設計，實現艦船的信息采集和數據處理及遠程通信功能，在ARM嵌入式系統中進行艦船電路的集成開發，降低電路的能耗，提高電路的集成性和可靠性。測試結果表明，采用該方法進行艦船電路設計，電路的功率放大能力較好，信號處理能力較強，具有很好的電路穩定性。

關鍵詞：嵌入式系統；艦船；電路設計；DSP

隨著集成電路控制技術的發展，在嵌入式系統環境下進行艦船集成電路設計，實現艦船環境信息采集、艦船目標信號處理和艦船集成控制與遠程通信等，艦船的電路系統是一個綜合性的集成電路系統，通過對艦船電路系統的低能耗設計，采用集成數字信號處理芯片進行艦船電路的控制系統設計，提高艦船電路系統的綜合開發能力，從而保障艦船的穩定可靠運行[1]。研究嵌入式系統的低能耗艦船電路設計方法，在提高艦船的本機振蕩性和功率增益方面具有重要意義，通過艦船綜合電路系統設計，實現艦船電路的集成控制優化，從而降低艦船的功耗開銷，相關的電路設計方法研究受到人們的極大重視。本文設計的嵌入式系統下的低能耗艦船電路系統主要包括AD模塊、控制單元、信號處理模塊和遠程通信模塊，結合嵌入式設計方案，實現艦船電路的嵌入式集成設計，并進行電路測試仿真，得出有效性結論。

1電路設計總體構架及指標分析

本文設計的低能耗嵌入式艦船電路系統主要實現對艦船聲吶信號采集和多功能通信系統中，采用低能耗的嵌入式設計方案，采用DSP作為集成數字信息處理中樞，以ADSP21160處理器為核心控制芯片，采用三星公司的K9F1208UOB作為NANDFLASH進行信號濾波檢測和數據緩存處理，采用多傳感器信號處理和跟蹤融合方法進行數據采集和包絡檢波處理，并與上位機通信，通過A/D轉換器對采樣的艦船信號和采樣數據進行數字濾波和動態增益控制。在程序加載模塊進行動態增益碼加載控制，并通過DSP接收PCI總線的增益控制碼，通過AD電路實現模擬信號預處理和信號頻譜分析，采用8086及80286單片機作為計算機控制的CPU，進行艦船電路系統的總線控制[2]，本文設計的艦船電路系統主要可以實現對艦船回波信號的高頻放大、混頻處理、本機振蕩、中頻放大、低頻功放、鑒頻以及正交解調處理，得到本文設計的低能耗嵌入式艦船電路系統的功能模塊組成如圖1所示。C1=C2=CR1=R2=R根據圖1所示的艦船電路系統的功能模塊組成，進行系統的總體設計，本文設計的艦船電路主要包括AD模塊設計、控制單元設計、信號處理模塊設計和通信模塊設計。通信模塊實現對艦船的遠程通信傳輸控制功能；艦船電路的信號接收機采用三級接收放大設計，根據系統設計需求，選擇第一級放大電路的隔直流電容：,電阻，使用256Mbyte的DDR內存作為緩存器，嵌入式艦船電路系統的濾波模塊設計中，搭建一個二階有源低通濾波器進行隔直流放大和噪聲濾波，根據上述總體設計構架分析，得到本文設計的嵌入式系統的低能耗艦船電路的總體結構構成如圖2所示。

2電路模塊化設計與實現

在上述進行艦船電路的總體設計構造分析的基礎上，進行電路的模塊化設計，本文提出一種基于DSP技術的低能耗艦船嵌入式系統電路設計方法，根據設計指標，本文設計的艦船電路系統能實現振蕩信號濾波和艦船系統的嵌入式控制，采用32位RISC型指令集進行艦船電路的集成控制，使用16位定點DSP內核進行外部時鐘控制，采用2個雙通道全雙工超外差接收機實現艦船信號采集和遠程數據接收[3]，設計的艦船電路主要實現信號的采集和集成處理過程：1）艦船信號采集過程：通過12通道DMA進行艦船信號的集成信息采集和遠程輸入控制，根據艦船信號的采樣結果進行AD轉換，提高艦船數據的輸出響應，采用包絡檢波和振幅控制方法降低輸出誤差，使得信號輸入范圍盡量大。2）艦船信號的自適應處理過程：選擇ADI公司的高速A/D芯片進行艦船信號濾波和包絡放大處理，提高輸出增益，設計功率放大器進行自相關增益放大，降低艦船電路的能耗[4]。根據上述設計原理，對嵌入式系統下的低能耗艦船電路進行模塊化設計，描述如下：1）AD模塊電路設計。AD電路設計采用AD9225作為外圍電路，使用雙路16位電流振蕩控制器進行艦船信號的AD控制和時鐘采樣，在數據接收端設置中斷子程序進行時鐘控制，提高系統的邏輯控制能力。將采集的艦船噪聲數據和相關的信號到C51單片機和DSP數字信號處理芯片中實行包絡檢波和頻譜分解，提取信號特征，并通過多通道的數據傳輸鏈路層實現信息收發和數據存儲，利用D/A轉換器進行采集的艦船數據的AD轉換。−2V⩽Vc⩽02）控制單元電路設計。控制模塊單元是將AD電路采集的數據經過AD轉換后輸入的集成DSP芯片中進行艦船集成控制，實現控制指令的收發和處理，將原始的物理數據轉換為計算機和DSP芯片能識別的數字信息，假設艦船輸出增益控制的動態輸入端范圍是，系統的運放供電為+12V和–12V，在ITU-656PPI模式進行艦船數據采集后的幀循環控制，在設置完DMA參數后建立雙緩沖循環控制電路進行信號檢波[5]，通過相位鑒頻器消除rc與tc的直接耦合，得到控制單元電路設計如圖3所示。3）信號處理模塊電路設計。信號處理模塊電路采用超外差接收反饋振蕩器進行信號增益放大，將A/D采樣的兩信號進行包絡檢波處理，采用ADSP21160處理器為核心控制芯片，設定模擬預處理機動態范圍：–40dB～+40dB，配置寄存器（SYSCR）的BMODE位，數字電源采用數字3.3V供電，SENCE管腳通過VINB與VREF相連，設計信號檢波的最大時鐘頻率為38kHz，采用雙運放LM358設計相位檢波器，實現低能耗嵌入式艦船電路系統的電平轉換電路，在選頻濾波處理處理收，在信號的輸出終端組成一個16階的帶通濾波器進行噪聲濾波，根據線性濾波的誤差自動調整濾波器參數，提高信號輸出的放大倍數，信號處理器的中斷復位采用程序掉電控制復位方法，根據上述設計原理，得到本文設計的艦船信號處理電路如圖4所示。4）通信模塊電路設計。通信模塊實現艦船的遠程通信和指令傳輸控制功能，通信模塊的初級放大電路選用VCA810作為控制器，進行信號的增益放大，DSP控制SEL1電平實現包絡檢波和程序控制，設計采樣頻率為1200kHz，將采集的數據通過包絡檢波模塊進行程序控制處理，并通過模擬預處理機進行上位機通信和信號濾波，提高數據采集的增益放大能力，最后在通信模塊的輸出端設計電源模塊，電源模塊是實現船舶系統的供電功能，時鐘模塊實現中斷控制，采用通用PPI模式和ITU-656PPI模式進行遠程通信。

3電路測試分析

在對上述電路進行模塊化設計的基礎上，在嵌入式ARM中進行艦船電路集成設計，并測試電路的穩定性，電路測試的仿真器是ADI的HPPCI仿真器，分別測試艦船電路的輸出時鐘以及功率增益放大性能，得到測試結果如圖5所示，分析圖5得知，采用本文方法進行嵌入式系統艦船電路設計，電路的穩定性較好，輸出增益較大，功耗較低，具有很好的應用價值。

4結語

本文在嵌入式ADSP21160處理器芯片基礎上進行艦船電路設計，設計的艦船電路系統能實現振蕩信號濾波和艦船系統的嵌入式控制和信號處理等功能，主要對AD模塊設計、控制單元設計、信號處理模塊設計和通信模塊進行電路設計，并在HPPCI仿真器中進行電路調試，結果表明，采用該方法進行艦船電路設計能有效提高系統增益，降低功耗，電路的穩定性和可靠性較好。

作者:劉竹 單位:四川職業技術學院