摘要：為了滿足廢墟搜救雷達(dá)數(shù)據(jù)量大.算法復(fù)雜.實(shí)時(shí)化要求高等特點(diǎn)，采用一種雙DSP并行處理系統(tǒng)，主DSP負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信.數(shù)據(jù)采集.體動(dòng)信號(hào)檢測(cè)和靜目標(biāo)預(yù)處理，從DSP負(fù)責(zé)靜目標(biāo)的檢測(cè)，通過從DSP的HPI接口實(shí)現(xiàn)與主DSP之間的數(shù)據(jù)通信，解決了單DSP難以滿足算法實(shí)時(shí)化的問題，闡述了處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).軟件處理流程與軟件程序優(yōu)化方法.

　　0 引言

　　近年來，搜救雷達(dá)技術(shù)成為生命探測(cè)領(lǐng)域的新秀，該技術(shù)融合雷達(dá)技術(shù).生命醫(yī)學(xué)工程技術(shù)于一體，能夠?qū)U墟內(nèi)的目標(biāo)人體進(jìn)行定位與跟蹤，在災(zāi)害搜救.城區(qū)巷戰(zhàn)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，因此引起了人們的眾多關(guān)注.由于應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，廢墟搜救雷達(dá)需對(duì)探測(cè)區(qū)域是否存在生命體快速準(zhǔn)確作出判別，因此，如何實(shí)時(shí)識(shí)別生命目標(biāo)，確定其相關(guān)位置至關(guān)重要.單片DSP構(gòu)成的信號(hào)處理系統(tǒng)難以滿足需求，本文介紹一種基于HPI接口的雙DSP處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有速度快.靈活性高.體積小.功耗低等特點(diǎn)，被成功運(yùn)用于廢墟搜救雷達(dá)中.

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案攜帶生命信息的雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行生命特征分析處理，提取出人體生命信息，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行上報(bào).基本功能分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ).生命信息實(shí)時(shí)處理.結(jié)果上傳等.系統(tǒng)框圖如圖1所示.

　　系統(tǒng)以兩片DSP TMS320C6713B 為，由FPGA配合完成數(shù)據(jù)采集處理工作.

　　主DSP芯片負(fù)責(zé)與上位機(jī)和從DSP進(jìn)行通信，用于完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ).預(yù)處理和結(jié)果上傳.通過USB接口接收上位機(jī)命令參數(shù)，通過多通道緩沖接口接收A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部擴(kuò)展空間，在內(nèi)部進(jìn)行體動(dòng)信號(hào)檢測(cè)與靜目標(biāo)的預(yù)處理，同時(shí)將提取的體動(dòng)位置信息和靜目標(biāo)識(shí)別結(jié)果通過USB 接口傳至上位機(jī)；從DSP 通過HPI口接收主DSP 發(fā)送的相關(guān)參數(shù)以及預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行靜目標(biāo)信息實(shí)時(shí)處理，完成生命特征的識(shí)別，判別生命體的位置信息，并將處理后得到的相對(duì)坐標(biāo)通過HPI口傳送至主DSP.

　　FPGA完成系統(tǒng)的邏輯控制功能.

　　2 硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

　　2.1 主從DSP芯片選擇

　　根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所處理數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)處理相關(guān)性高，硬件電路集成度高.體積小.功耗低和實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求以及FFT.LMS 濾波等多種復(fù)雜算法的需要，實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)必須具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力.單片DSP構(gòu)成的信號(hào)處理系統(tǒng)難以滿足需求，選用兩片TI 公司C6000系列高性能浮點(diǎn)DSPTMS320C6713B作為信號(hào)處理系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，TMS320C6713B 是32 b 高性能浮點(diǎn)信號(hào)處理器，在工作主頻達(dá)300 MHz,雙浮點(diǎn)乘法器運(yùn)算速度可達(dá)600 MMACS.TMS320C6713B 采用改進(jìn)的哈佛體系結(jié)構(gòu)，利用超長指令字（VLIW）實(shí)現(xiàn)指令級(jí)并行，具有雙浮點(diǎn)運(yùn)算能力，同時(shí)具有多通道緩沖接口（McBSP）和32 b 外部存儲(chǔ)器接口（EMIF），4 個(gè)CE空間，每個(gè)空間均可與SDRAM.SBSRAM 和異步外設(shè)實(shí)現(xiàn)無縫接口，主機(jī)接口（HPI）集成在TMS320C6713B片內(nèi)，主機(jī)通過HPI 模塊能夠直接訪問DSP 的大部分存儲(chǔ)空間.

　　2.2 外圍電路設(shè)計(jì)

　　外圍電路設(shè)計(jì)主要包括時(shí)鐘設(shè)計(jì).電源設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)器設(shè)計(jì).

　　系統(tǒng)所用的時(shí)鐘為50 MHz 晶振，由于主從DSP和FPGA 邏輯均需要時(shí)鐘信號(hào)，考慮時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)能力，50 MHz 時(shí)鐘輸入至FPGA,經(jīng)FPGA譯碼分別輸出至主從DSP 的外部時(shí)鐘腳，在DSP 內(nèi)部經(jīng)PLL 鎖相環(huán)產(chǎn)生200 MHz 的工作時(shí)鐘，配置外部存儲(chǔ)器工作時(shí)鐘100 MHz.

　　系統(tǒng)采用TI公司的TPS54386提供所需要的兩種電壓3.3 V 和1.26 V,同時(shí)其雙電壓的上電和掉電順序內(nèi)部受控，可以滿足TMS320C6713B的供電順序要求.

　　主DSP負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集.存儲(chǔ)與體動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)，需要存儲(chǔ)大量的原始數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，而DSP內(nèi)部的存儲(chǔ)空間不能滿足這個(gè)要求，所以搭接一片MT48LC32M16 作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，占用主DSP 的CE0空間.從DSP負(fù)責(zé)靜目標(biāo)的跟蹤定位，需要存儲(chǔ)主DSP 預(yù)處理的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT.LMS 濾波等處理，采用一片MT48LC32M16作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，占用從DSP 的CE0 空間.AM29LV800B 作為外部程序存儲(chǔ)器，具備512K×16位的存儲(chǔ)容量，在系統(tǒng)上電后將存儲(chǔ)在其中的用戶程序引導(dǎo)到高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中運(yùn)行，它直接與DSP 相接，與FPGA 共同占用主DSP 的CE1 空間，DSP通過地址線EA區(qū)分選擇FLASH還是FPGA.

　　主DSP數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器的片選.讀寫.時(shí)鐘信號(hào)均由FPGA根據(jù)TMS320C6713的EMIF接口信號(hào)進(jìn)行譯碼控制，主DSP 與存儲(chǔ)器連接框圖如圖2 所示.

　　從DSP存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)與主DSP存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)一致.

　　2.3 與A/D轉(zhuǎn)換器的通信設(shè)計(jì)

　　FPGA 產(chǎn)生A/D 轉(zhuǎn)換所需的控制信號(hào)，A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸出端DOUT 直接與DSP 的串行數(shù)據(jù)輸入端DR0相連，串行時(shí)鐘信號(hào)SCLK直接與DSP串行口接收時(shí)鐘信號(hào)CLKR0相連，SYNC與DSP串行口接收時(shí)鐘信號(hào)FSR0相連，由DSP進(jìn)行DMA 讀取，不占用CPU 時(shí)間.幀同步FSR0作為DMA的觸發(fā)信號(hào)，每進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)就同步寫入DSP內(nèi)部存儲(chǔ)器中.當(dāng)滿足一定的數(shù)據(jù)量后，DSP將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到外部存儲(chǔ)器進(jìn)行處理.

　　此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)據(jù)采集能夠自動(dòng)完成，而不需要處理器的參與，使得主DSP專注于算法運(yùn)算.

　　2.4 主從DSP相互通信設(shè)計(jì)

　　利用主DSP的EMIF和從DSP的HPI相互連接完成主從DSP之間的高速通信.由于兩者之間的數(shù)據(jù)交互是異步通信，因此需要握手機(jī)制來確保通信的正常運(yùn)行，系統(tǒng)利用主DSP 提供的外部硬件中斷完成通信[7].

　　由于HPI訪問方式不需外加芯片，因此基于HPI接口的雙DSP設(shè)計(jì)縮小了系統(tǒng)體積.減小了系統(tǒng)功耗.具體的連接方式如圖3所示.

　　在設(shè)計(jì)中，就主DSP 而言，從DSP 的HPI作為異步存儲(chǔ)空間來訪問，并將其地址劃分到主DSP 的CE3 空間，因此，將EMIF的片選輸出信號(hào)C–E–3 連接到HPI的選擇信號(hào)H-C-S 上，HCNTL[1:0]指定主DSP 當(dāng)前訪問的HPI寄存器，將主DSP的地址線與HCNTL[1:0]相連，主DSP 就能通過地址區(qū)分HPIC.HPIA 和HPID,從DSP 的HPI中斷向主DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求，并向主DSP發(fā)送靜目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù).

　　2.5 與上位機(jī)通信設(shè)計(jì)

　　采用USB 芯片ISP1581 實(shí)現(xiàn)主DSP 與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)時(shí)將USB劃分為主DSP的CE2空間，USB的中斷管腳接入主DSP的EXT_INT6管腳.主DSP根據(jù)接收到的命令參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，當(dāng)檢測(cè)到有體動(dòng)信息存在時(shí)，向上位機(jī)傳輸體動(dòng)目標(biāo)或靜目標(biāo)探測(cè)的位置信息.

　　3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　廢墟搜救雷達(dá)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理主要有兩個(gè)處理模塊：體動(dòng)信號(hào)檢測(cè)模塊和靜目標(biāo)檢測(cè)模塊.信號(hào)處理流程首先檢測(cè)跟蹤視場(chǎng)里的體動(dòng)目標(biāo)，同時(shí)將數(shù)據(jù)緩存，當(dāng)緩存的數(shù)據(jù)量滿足靜目標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)量要求時(shí)，進(jìn)行靜態(tài)目標(biāo)的檢測(cè)處理[8].

　　3.1 主DSP工作流程

　　主DSP處理流程如圖4所示.

　　系統(tǒng)開啟后首先屏蔽所有可屏蔽中斷，然后對(duì)DSP進(jìn)行初始化，包括狀態(tài)寄存器.矢量表以及MeBSP串行口的初始化，SPI 初始化.然后打開中斷，等待外部中斷.

　　主DSP通過USB口接收上位機(jī)發(fā)送的雷達(dá)工作參數(shù)，開始數(shù)據(jù)采集，在中斷服務(wù)程序中讀取A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，在主程序中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行體動(dòng)信號(hào)檢測(cè)和靜目標(biāo)的預(yù)處理，并向從DSP的HPI口寫入預(yù)處理的數(shù)據(jù).當(dāng)存在體動(dòng)目標(biāo)或者檢測(cè)到靜目標(biāo)的生命特征信息時(shí)，通過USB口向上位機(jī)傳輸檢測(cè)結(jié)果.

　　對(duì)于體動(dòng)信號(hào)檢測(cè)來說，人體的晃動(dòng)使得雷達(dá)回波能量較強(qiáng)，主要是通過能量法來檢測(cè)體動(dòng)目標(biāo).主要處理有數(shù)據(jù)歸一化.背景消除.低通濾波.體動(dòng)目標(biāo)檢測(cè).

　　原始采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)量非常大，不利于DSP的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，其次靜人體目標(biāo)的特征信號(hào)非常微弱，常常會(huì)被淹蓋在其周圍背景以及環(huán)境噪聲中，利用信號(hào)預(yù)處理手段來增強(qiáng)信噪比.對(duì)于靜目標(biāo)信號(hào)預(yù)處理有：道內(nèi)數(shù)據(jù)壓縮，這里采用的是8點(diǎn)壓縮，將原始數(shù)據(jù)的8 192點(diǎn)壓縮至1 024點(diǎn)；時(shí)域積分；尋找波形.

　　3.2 從DSP工作流程

　　從DSP讀取HPI口發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其存放在外部存儲(chǔ)器中，完成靜目標(biāo)的人體生命特征提取，從DSP的處理流程如圖5所示.

　　對(duì)于靜目標(biāo)主要是通過提取人體的生命特征信號(hào)來檢測(cè)的，整個(gè)處理實(shí)際就是強(qiáng)背景下小信號(hào)提取的過程，主要的處理有：時(shí)域內(nèi)滑動(dòng)加窗增強(qiáng)信噪比；背景消除；尋找信號(hào)位置；靜目標(biāo)人體檢測(cè).在尋找到信號(hào)的基礎(chǔ)上，通過自適應(yīng)LMS 濾波方法分離靜目標(biāo)人體特征呼吸信號(hào)和噪聲.

　　3.3 DSP程序優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

　　在實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)中，軟件的處理速度是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮的重要因素，根據(jù)DSP的特點(diǎn)，優(yōu)化程序設(shè)計(jì)非常重要.系統(tǒng)中濾波.FFT等計(jì)算過程是占用時(shí)間多的過程，這部分程序的優(yōu)化對(duì)系統(tǒng)性能提高至關(guān)重要，使用時(shí)必須考慮系統(tǒng)本身數(shù)據(jù)特點(diǎn)，詳細(xì)測(cè)定每一部分程序的運(yùn)行時(shí)間，分析每部分程序的合理性.

　　在設(shè)計(jì)中，盡可能引用前面的計(jì)算結(jié)果，尤其是對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行的乘和累加的結(jié)果，而不用每次都由原始數(shù)據(jù)重新計(jì)算，避免不必要的中間環(huán)節(jié)，算法優(yōu)化是提高性能有效的手段.

　　由于采集的數(shù)據(jù)為16 位數(shù)據(jù)，在計(jì)算過程盡量采用定點(diǎn)運(yùn)算提高運(yùn)算速度，盡可能減少除法器的應(yīng)用，減少指令執(zhí)行周期.

　　4 結(jié)語

　　該系統(tǒng)采用高性能的雙DSP芯片構(gòu)建集信號(hào)采集.信號(hào)處理.信號(hào)傳輸?shù)裙δ苡谝惑w的廢墟搜救雷達(dá)處理系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明設(shè)計(jì)原理切實(shí)可行，電路功能合理，軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠完成大量復(fù)雜的算法，目標(biāo)相應(yīng)時(shí)間小于30 s,能夠滿足廢墟搜救雷達(dá)智能化.實(shí)時(shí)化的要求，而且整個(gè)處理系統(tǒng)集成度高.體積小.功耗低.編程靈活，由此構(gòu)成的廢墟搜救系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景.