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關(guān)于基于雙核DSP的被動(dòng)聲探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電子設(shè)計(jì) ? 來源:網(wǎng)絡(luò)整理 ? 作者:工程師吳畏 ? 2018-07-04 14:48 ? 次閱讀
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被動(dòng)聲探測(cè)技術(shù)使用傳感器陣列接收各種目標(biāo)輻射的噪聲信號(hào),運(yùn)用陣列信號(hào)處理和信號(hào)識(shí)別等技術(shù),確定目標(biāo)的方位、航跡和類型。被動(dòng)聲探測(cè)技術(shù)具有全被動(dòng)、隱蔽性強(qiáng)、全天候和低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn),特別適合夜間、霧霾天等能見度不良、通視性差或電磁環(huán)境復(fù)雜條件下對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的感知,是戰(zhàn)場(chǎng)信息偵查及城市安全防護(hù)領(lǐng)域不可或缺的信息獲取手段。

聲音信號(hào)容易受到周圍環(huán)境噪聲的干擾,引起虛警或探測(cè)性能下降。為了提高被動(dòng)聲探測(cè)的準(zhǔn)確性,需要引入噪聲抑制、目標(biāo)分類識(shí)別等算法,這對(duì)信號(hào)處理器的硬件性能提出了較高的要求。傳統(tǒng)的被動(dòng)聲探測(cè)系統(tǒng)往往需要使用多片DSP并行處理的硬件架構(gòu)來滿足需求[1-2],因而帶來了產(chǎn)品體積功耗的增加以及生產(chǎn)工藝復(fù)雜度的提升。近年來,陣列信號(hào)處理和聲探測(cè)領(lǐng)域都有很大的發(fā)展,出現(xiàn)了一些新的技術(shù)和算法[3-4],受限于嵌入式處理平臺(tái)的性能,這些技術(shù)并未實(shí)現(xiàn)工程化批量應(yīng)用。

隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展,嵌入式應(yīng)用中的多核DSP芯片應(yīng)運(yùn)而生,給高性能數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了新的解決方案。TMS320C6657[5]是德州儀器(TI)公司推出的一款以KeyStone多內(nèi)核架構(gòu)為基礎(chǔ)的雙C66x內(nèi)核數(shù)字信號(hào)處理器,非常適合高性能低功耗可編程應(yīng)用。本文基于近幾年聲探測(cè)領(lǐng)域的新技術(shù),提出了一種以TMS320C6657為信號(hào)處理單元,使用24位高分辨率ADC采樣的被動(dòng)聲探測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、目標(biāo)定向和分類識(shí)別等功能,具有高實(shí)時(shí)性、良好的功能擴(kuò)展性等特點(diǎn),性能指標(biāo)較原有系統(tǒng)有了較大的提高。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由聲傳感器陣列和聲探測(cè)主機(jī)兩部分組成。

聲傳感器陣列是由若干個(gè)傳聲器按照一定規(guī)則組成的陣列,接收探測(cè)目標(biāo)輻射的噪聲信號(hào)。

聲探測(cè)主機(jī)由模擬電路、數(shù)字電路控制電路組成。模擬電路對(duì)聲傳感器陣列接收的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)理、均衡,并將預(yù)處理后的信號(hào)送至數(shù)字電路進(jìn)行處理;數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)聲信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換以及定向、識(shí)別算法;控制電路用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)操作和外部接口功能。

系統(tǒng)組成如圖1所示。

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2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 模擬電路

根據(jù)目標(biāo)信號(hào)特征和陣列信號(hào)處理對(duì)信號(hào)拾取的要求,聲傳感器陣列各傳感器及其對(duì)應(yīng)的模擬通道之間的幅頻和相頻特性應(yīng)具有較高的一致性。

設(shè)計(jì)中選用高品質(zhì)低噪聲運(yùn)算放大器作為模擬電路的核心器件,設(shè)計(jì)了固定增益的放大電路和四階巴特沃斯濾波器電路。在工藝上,選用優(yōu)質(zhì)電路板材,并通過對(duì)關(guān)鍵位置的阻容元件進(jìn)行嚴(yán)格的環(huán)境應(yīng)力篩選和一致性挑選,以控制電路的一致性和穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的聲探測(cè)系統(tǒng)采用16位以下ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,而受分辨率的影響,為了達(dá)到較高的轉(zhuǎn)換精度,需要根據(jù)信號(hào)的幅度對(duì)模擬電路的放大增益進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。由于模擬電路是電噪聲敏感性單元,為了避免數(shù)字噪聲的影響,增益控制信號(hào)需要進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)。此外,在增益改變的瞬間,會(huì)產(chǎn)生非正常的數(shù)據(jù)突變,對(duì)系統(tǒng)的探測(cè)性能產(chǎn)生不確定的影響。

為了避免這些問題,本設(shè)計(jì)根據(jù)目標(biāo)聲信號(hào)的特征和系統(tǒng)對(duì)探測(cè)距離的要求,選定了一個(gè)固定的增益倍數(shù),而分辨率問題則由高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換來解決。模擬電路功能組成如圖2所示。

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2.2 數(shù)字電路

數(shù)字電路首先對(duì)多個(gè)通道的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后將得到的數(shù)字信號(hào)送入雙核DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,完成對(duì)目標(biāo)的定向和識(shí)別,并把處理的結(jié)果發(fā)送給控制電路。數(shù)字電路原理框圖如圖3所示。

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本系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路使用TI公司的8路同步采樣24位分辨率的ΔΣ模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1278,保證了在不改變前端放大電路增益條件下的轉(zhuǎn)換分辨率,避免了增益檔跳變所帶來的影響。為達(dá)到最佳性能,每路輸入信號(hào)經(jīng)過差分驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)供給ADS1278的輸入端。差分驅(qū)動(dòng)器選用TI的低功耗全差分4路放大器THS4524。

本系統(tǒng)將兩片ADS1278用菊花鏈的方式級(jí)聯(lián),實(shí)現(xiàn)了16路模擬通道的同步采樣。ADS1278工作在SPI模式下,使用FPGA對(duì)其進(jìn)行控制。

FPGA主要有3個(gè)功能:一是用于DSP的復(fù)位、上電順序控制以及啟動(dòng)加載模式的選擇;二是完成數(shù)據(jù)采集,包括ADC芯片工作時(shí)鐘產(chǎn)生、SPI總線控制等;三是將數(shù)據(jù)通過Upp接口發(fā)送給DSP進(jìn)行處理。FPGA選用XILINX公司的Spartan6系列芯片XC6SLX9FTG256。

實(shí)現(xiàn)定向、識(shí)別算法的核心器件是雙核處理器芯片TMS320C6657。外掛SPI接口的NOR Flash用于存儲(chǔ)固件,一片128 MB的DDR3用作擴(kuò)展內(nèi)存。DSP的兩個(gè)內(nèi)核運(yùn)行在1 GHz的主頻下,core0用于引導(dǎo)加載固件、內(nèi)核及外設(shè)的初始化配置、數(shù)據(jù)采集以及定向算法,core1用于分類識(shí)別算法。

最終的處理結(jié)果由UART接口發(fā)送給控制電路。

2.3 控制電路

控制電路用于人機(jī)交互,包括當(dāng)前工作狀態(tài)指示、OLED顯示屏和小鍵盤的菜單操作,顯示包括自檢結(jié)果、目標(biāo)方位、目標(biāo)類型在內(nèi)的各種狀態(tài)信息,監(jiān)控電源電壓、電量以及聲音報(bào)警。同時(shí),控制電路將探測(cè)結(jié)果通過標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口輸出,方便系統(tǒng)擴(kuò)展多站融合、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。控制電路的核心器件為微控制器芯片MSP430F5438A,該芯片存儲(chǔ)資源和外設(shè)資源豐富,僅需少量的外圍器件就可完成控制電路的功能。

控制電路的原理框圖如圖4所示。

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3 探測(cè)軟件設(shè)計(jì)

聲探測(cè)軟件的核心功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的聲學(xué)定向和識(shí)別,相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入、參數(shù)設(shè)置、通信和自檢等軟件接口用以確保系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的正常工作。

探測(cè)軟件的全部功能可以分為定向模塊、識(shí)別模塊、自檢模塊和信息交互接口模塊。軟件構(gòu)成如圖5所示。本文重點(diǎn)介紹定向和識(shí)別兩個(gè)模塊。

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3.1 定向模塊

諸如空中飛行器、地面車輛等目標(biāo),由于在結(jié)構(gòu)上具有周期轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制(發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳等),其輻射噪聲信號(hào)的功率譜主要是由離散譜疊加在連續(xù)譜上,呈現(xiàn)較強(qiáng)的線譜特征,且線譜之間具有明顯的諧波關(guān)系。

定向軟件模塊針對(duì)目標(biāo)聲信號(hào)的特征,采用相應(yīng)空時(shí)信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定向功能。輸入為16個(gè)通道的陣列信號(hào),處理后獲得目標(biāo)個(gè)數(shù)信息、各個(gè)目標(biāo)的方位、能量標(biāo)記信息。

針對(duì)環(huán)境中有強(qiáng)噪聲干擾的情況,軟件在開機(jī)初始時(shí)間進(jìn)行短時(shí)環(huán)境噪聲學(xué)習(xí),判斷是否需要運(yùn)用自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)提升信噪比。之后綜合運(yùn)用小波線譜檢測(cè)和傅里葉線譜檢測(cè),加強(qiáng)目標(biāo)線譜集信號(hào)的檢測(cè)能力,提高發(fā)現(xiàn)概率。線譜集檢測(cè)流程如圖6所示。

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在定向環(huán)節(jié),采用波束域?yàn)V波技術(shù),通過對(duì)其他方向噪聲的抑制,增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)方向的接收信噪比。定向算法流程如圖7所示。

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3.2 識(shí)別模塊

目標(biāo)識(shí)別軟件是采用數(shù)學(xué)和智能方法對(duì)目標(biāo)信號(hào)的特征進(jìn)行提取和選擇,對(duì)模式特征進(jìn)行分類決策后得到目標(biāo)類型。通過對(duì)多種螺旋槳飛機(jī)、固定翼飛機(jī)和地面車輛等目標(biāo)的輻射噪聲進(jìn)行分析可知,其功率譜特征能夠區(qū)分各類目標(biāo)。

在遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)時(shí),聲信號(hào)經(jīng)過長(zhǎng)距離傳播衰減較大,聲傳感器陣列接收到的信號(hào)信噪比較低,必須進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)。信號(hào)增強(qiáng)方法可以與定向模塊中的線譜集檢測(cè)方法復(fù)用。

目標(biāo)識(shí)別分類流程包含了信號(hào)采集、信號(hào)預(yù)處理、特征提取及選擇、識(shí)別分類、融合識(shí)別5大部分,每個(gè)部分包含了若干細(xì)節(jié)流程。各通道的目標(biāo)聲信號(hào)都包含有環(huán)境噪聲、風(fēng)噪聲等其他噪聲,這些噪聲有的屬于白噪聲,有的屬于色噪聲,噪聲的存在降低了有效聲信號(hào)的信噪比,在時(shí)域?qū)Ω魍ǖ佬盘?hào)進(jìn)行濾波可提高信噪比,提取能充分體現(xiàn)目標(biāo)類型的特征,基于不同領(lǐng)域的特征設(shè)計(jì)子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模板匹配分類器,各目標(biāo)分類器都輸出目標(biāo)識(shí)別類型置信度,利用融合識(shí)別技術(shù)對(duì)各目標(biāo)類型置信度進(jìn)行融合識(shí)別,最終輸出目標(biāo)類型。整體識(shí)別分類流程圖如圖8所示。

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3.3 雙核并行處理設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要完成定向和識(shí)別算法。根據(jù)計(jì)算量,將兩個(gè)算法分到兩個(gè)核中。Core0主要完成定向算法,Core1主要完成識(shí)別算法。因?yàn)槟繕?biāo)識(shí)別需要用到定向算法的結(jié)果,兩個(gè)Core采用串行計(jì)算的方式,Core1在第3秒輸出第1秒的定向和識(shí)別結(jié)果。并行處理的軟件時(shí)序圖如圖9所示。

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并行處理設(shè)計(jì)中,數(shù)據(jù)的共享和核間通信尤為重要。TMS320C6657片內(nèi)集成了1 024 KB的共享內(nèi)存,用于存儲(chǔ)Core0采集的每秒聲陣列數(shù)據(jù)以及定向算法的結(jié)果。核間通信的內(nèi)容有:Core0通知Core1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢;Core0通知Core1已出定向結(jié)果;Core1通知Core0數(shù)據(jù)已經(jīng)使用完畢。Core1只有在Core0通知后才能訪問共享內(nèi)存,把數(shù)據(jù)搬移到自己的L2內(nèi)存中,而Core0在收到Core1讀取完數(shù)據(jù)后,就可以隨時(shí)更新共享內(nèi)存中的相應(yīng)內(nèi)容。

核間通信(IPC)的功能可以使用中斷的方式,也可以使用查詢的方式。TMS320C6657具有IPC發(fā)生寄存器和IPC應(yīng)答寄存器,可以產(chǎn)生IPC中斷和應(yīng)答。中斷的方式不需要Core的干預(yù),可以最大限度地節(jié)省處理時(shí)間。查詢方式在軟件實(shí)現(xiàn)上較為簡(jiǎn)單,但會(huì)浪費(fèi)一些指令周期。本設(shè)計(jì)中,通過實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)每個(gè)核運(yùn)行各自的算法,1秒內(nèi)的計(jì)算還留有較大的時(shí)間裕量,因此IPC選用查詢的方式。在程序中定義全局標(biāo)志位變量,當(dāng)每個(gè)Core完成操作后對(duì)標(biāo)志位置位,另一個(gè)Core在需要操作共享內(nèi)存時(shí)就對(duì)標(biāo)志位進(jìn)行查詢,確保操作的正確性。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用到了實(shí)際的聲探測(cè)領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種目標(biāo)的定向識(shí)別。經(jīng)過大量的實(shí)際測(cè)量證明,系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)較傳統(tǒng)聲探測(cè)系統(tǒng)有了明顯提高。

雙核DSP的并行數(shù)據(jù)處理解決了多通道大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)處理和多種不同目標(biāo)分類識(shí)別、定向算法的處理帶寬問題,使得很多創(chuàng)新型算法得以在嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)。

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    基于<b class='flag-5'>DSP</b>_BIOS大空間網(wǎng)絡(luò)型火災(zāi)<b class='flag-5'>探測(cè)系統(tǒng)</b>設(shè)計(jì)

    基于STM32的紅外火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    基于STM32的紅外火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    發(fā)表于 09-28 15:54 ?23次下載
    基于STM32的紅外火災(zāi)<b class='flag-5'>探測(cè)系統(tǒng)</b>設(shè)計(jì)

    基于多DSP并行處理的探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)解析

    探測(cè)技術(shù)用傳感器陣列接收各種軍事目標(biāo)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的特征聲信號(hào),運(yùn)用陣列信號(hào)處理、信號(hào)識(shí)別、信息融合等技術(shù),確定目標(biāo)的位置、航跡、類型。探測(cè)
    發(fā)表于 10-31 11:50 ?1次下載
    基于多<b class='flag-5'>DSP</b>并行處理的<b class='flag-5'>聲</b><b class='flag-5'>探測(cè)系統(tǒng)</b>設(shè)計(jì)解析

    基于方位測(cè)量的地下管線探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

    隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的發(fā)展,在當(dāng)前的地下管線探測(cè)工作中,亟待應(yīng)用信息化手段設(shè)計(jì)出地下管線探測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線探測(cè)工作的信息化管理;對(duì)此本篇基于方位測(cè)量技術(shù),從系統(tǒng)需求分析、
    發(fā)表于 11-23 15:34 ?2次下載
    基于方位測(cè)量的地下管線<b class='flag-5'>探測(cè)系統(tǒng)</b>設(shè)計(jì)與研究

    地下車庫CO探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置與安裝

    關(guān)于地下車庫CO探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置與安裝,艾伊科技本著節(jié)能環(huán)保、減少污染為人們提供健康地下車庫使用空間的準(zhǔn)則,設(shè)計(jì)研發(fā)出相應(yīng)的地下車庫CO探測(cè)系統(tǒng)。
    發(fā)表于 05-08 10:36 ?5290次閱讀
    地下車庫CO<b class='flag-5'>探測(cè)系統(tǒng)</b>的設(shè)置與安裝

    基于電場(chǎng)探測(cè)與無線組網(wǎng)的新型探測(cè)系統(tǒng)

    基于電場(chǎng)探測(cè)與無線組網(wǎng)的新型探測(cè)系統(tǒng)
    發(fā)表于 06-19 11:40 ?14次下載

    無人機(jī)探測(cè)系統(tǒng)可使用GC1101射頻前端集成芯片

    由于雷達(dá)探測(cè)不受環(huán)境、天氣變化影響等優(yōu)點(diǎn),是無人機(jī)探測(cè)的一種主要手段。 無人機(jī)探測(cè)系統(tǒng)具有主動(dòng)探測(cè)被動(dòng)
    的頭像 發(fā)表于 04-26 11:14 ?1171次閱讀
    無人機(jī)<b class='flag-5'>探測(cè)系統(tǒng)</b>可使用GC1101射頻前端集成芯片