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DSP和CPLD的空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)實(shí)時(shí)探測(cè)研究
摘要:探測(cè)系統(tǒng)對(duì)輸入的空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別處理,反演估算出空間瞬態(tài)信號(hào)能量大小并報(bào)告發(fā)生時(shí)刻。采用DSP CPLD的數(shù)字處理方案,利用DSP的高速數(shù)字信號(hào)處理特性及COLD的復(fù)雜邏輯可編程特性,可實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)識(shí)別和處理。其中用CPLD實(shí)現(xiàn)A/D變速率采樣,解決了嵌入式系統(tǒng)線路板面積有限與實(shí)時(shí)處理需要大容量存儲(chǔ)空間的矛盾。我國(guó)現(xiàn)役空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)中,老型號(hào)較多,大部分沒有配備自動(dòng)檢測(cè)和錄取設(shè)備?臻g瞬態(tài)信號(hào)的錄取、數(shù)據(jù)的處理和上報(bào)大多由人工進(jìn)行,難以勝任復(fù)雜環(huán)境下快速、準(zhǔn)確錄取信號(hào)以及氣象情報(bào)入網(wǎng)的要求。為適應(yīng)現(xiàn)代化氣象分析的要求,采用DSP+CPLD的方式將極大地提高現(xiàn)有空間瞬態(tài)信號(hào)探測(cè)的自動(dòng)錄取和分析能力。
在實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)中,DSP+CPLD方式是目前國(guó)際上比較通用的方法,如美國(guó)、俄羅斯等多采用這種方式。DSP是一種可編程的數(shù)字微處理器。與單片機(jī)相比,DSP芯片具有更適于數(shù)字信號(hào)處理的軟件和硬件資源,可用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法。本文采用美國(guó)TI公司的TMS320C3X系列浮點(diǎn)DSP芯片TMS320C32作為整個(gè)系統(tǒng)的主機(jī),利用其完成系統(tǒng)的控制和數(shù)字信號(hào)處理功能。
CPLD是一種多用途、高密度的復(fù)雜可編程邏輯器件,可將系統(tǒng)的部分或全部功能集成在一塊芯片上,并且具有設(shè)計(jì)方便靈活、易于修改等特點(diǎn),可大大縮短研制時(shí)間,并減小系統(tǒng)硬件復(fù)雜度。本文采用美國(guó)ALTERA公司的MAX7000S系列CPLD芯片EPM7128SLC84,利用CPLD實(shí)現(xiàn)A/D變速率采樣及其它邏輯控制。
1 系統(tǒng)組成及基本原理
本探測(cè)系統(tǒng)主要解決了嵌入式系統(tǒng)線路板面積有限與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理需要大量存儲(chǔ)空間的矛盾,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理信號(hào)。
如圖1所示,空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)主要由三大模塊組成:前級(jí)預(yù)處理電路模塊、A/D變速率采樣模塊、DSP信號(hào)識(shí)別及存儲(chǔ)模塊。
各模塊的主要功能為:
(1)前級(jí)預(yù)處理電路模塊,負(fù)責(zé)空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換、背景扣除、動(dòng)態(tài)范圍壓縮等任務(wù);
(2)A/D變速率采樣模塊,負(fù)責(zé)觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生、上升速率初判、信號(hào)采集時(shí)序控制、A/D變速率采樣及FIFO緩沖存儲(chǔ)等任務(wù);
(3)DSP信號(hào)識(shí)別及存儲(chǔ)模塊,負(fù)責(zé)對(duì)空間瞬態(tài)信號(hào)進(jìn)行快速識(shí)別處理,反演計(jì)算出能量大小,報(bào)告事件發(fā)生時(shí)刻并存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù);同時(shí)控制整個(gè)系統(tǒng)、并與PC機(jī)或其它系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送。
2 前級(jí)預(yù)處理電路模塊
2.1光電轉(zhuǎn)換
由于空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大,故對(duì)光輻射探測(cè)器要求較高。本文采用日本濱松公司的S2387-1010R硅光電二極管,它具備靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、時(shí)間響應(yīng)快和覆蓋范圍大等特性。
2.2 背景扣除
太陽光輻射能量比空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)能量高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于系統(tǒng)而言,由于太陽光的影響,目標(biāo)信號(hào)十分微弱,大多掩埋在強(qiáng)噪聲之中。因此必須對(duì)強(qiáng)背景信號(hào)進(jìn)行扣除處理,提取出有用目標(biāo)事件瞬態(tài)信號(hào)。
在信號(hào)自動(dòng)處理和分析技術(shù)中,強(qiáng)背景下弱信號(hào)的提取是一個(gè)難點(diǎn)。本文根據(jù)背景信號(hào)變化緩慢而目標(biāo)信號(hào)變化快速的特點(diǎn),采用高通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行背景扣除。
高通濾波器在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上可以采用數(shù)字電路,也可以采用模擬電路。為簡(jiǎn)化電路、減輕后續(xù)處理電路壓力,本文采用電容、電阻等構(gòu)建一個(gè)模擬高通濾波器進(jìn)行背景扣除,其原理如圖2所示。
由圖2可知,濾波器的傳遞函數(shù)為:
H(s)=R/[(1/sC) R]=sRC/(1 sRC)
選擇適當(dāng)電阻、電容值即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的背景扣除。
2.3 動(dòng)態(tài)范圍壓縮
空間瞬態(tài)光輻射信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍太大,如果直接對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,則A/D的量化分辨率至少要15bit,并且因bit數(shù)多而增加后級(jí)數(shù)字信號(hào)處理的數(shù)據(jù)量、降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因此采用對(duì)數(shù)放大器對(duì)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮。采用12bit的A/D轉(zhuǎn)換器即可滿足要求,且減少了處理的數(shù)據(jù)量,提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。本文采用美國(guó)TI公司的TL441M對(duì)數(shù)放大器。它是由四級(jí)30dB對(duì)數(shù)放大器級(jí)聯(lián)成的單片高性能對(duì)數(shù)放大器芯片,可以得到120dB的輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍。
3 A/D變速率采樣模塊
3.1 閾值觸發(fā)
如圖3所示,經(jīng)前級(jí)
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