TMC2310 DSP芯片在水下目标检测与参数估计中的应用

对目标进行检测、估计、跟踪是雷达与声纳应用的最终目的，其任务是对接收信号进行一定的处理、提取特征、分析识别，以检测目标的存在与否，进而通过对信号的处理与运算估计出目标的方位、距离与速度，实现定位和跟踪。对于水下目标的检测与参量估计有两种方式：一是对海洋声场进行监测，从接收信号中提取目标辐射噪声并进行识别与参量估计（即被动方式）；二是由声纳系统发射给定的序列信号（常用的有cw信号和fm信号等），并对接收的回波信号进行检测与参量估计。由于海洋声场极其复杂多变，受温度、盐度、深度、梯度、水流、水域、季节、气候、风浪、温层、流层、界面的反射与折射等诸多因素的影响，使水声信道相当复杂，接收信号通常会畸变，并淹没在噪声之中。对水下目标实现实时、快速、准确、精确地检测与参量估计是声纳系统不断追求的目标。充分利用高性能的数字信号处理（dsp）器件及技术来实现具有良好特性的算法，将会显著提高检测目标的概率和参量估计的精度，从而推动声纳的发展与应用。

近二十年来，相继出现了许多重要的目标检测及参数估计算法，如分裂波束精确测向算法[2]、arma法[4]、music法[5]和esprit法[6]等doa估计方法，以及lms算法[7]等自适应信号处理方法。这些算法的实现，大多需要通过一些通用的数学运算以及矩阵运算，并采用如fft、ifft等快速算法，而这些运算均可方便地利用tmc2310器件来实现。本文将对tmc2310芯片应用于水下目标的检测与估计进行介绍。

1 tmc2310简介

tmc2310是美trw公司生产的高速度（实现一次基二蝶形运算仅需100ns）、多功能（共有16种运算功能）、可编程的专用数字信号处理（dsp）器件，其使用灵活、操作方便、性价比高，可广泛应用于雷达、声纳、通讯及虚拟仪器等领域。

1.1 主要特点

1.2 主要功能

可快速完成不加窗及加窗（实数窗或复数窗）的fft及ifft算法

可同时构成两路并行的fie滤波器（16～1024阶）

可构成自适应fir滤波器

可进行实数、复数的乘及乘加运算

可进行复数求模及阵列矢量的平方运算

1.3 结构与管脚

tmc2310由两个算术单元（ae0、ae1）、片内系数rom、控制逻辑单元和外部接口电路五个主要部分构成，其逻辑框图见图１。每个算术单元包括一个乘法序列电路和乘—加算术逻辑电路块。该芯片采用了88引脚的pga封装形式。

管脚定义如下：

vdd vss 电源输入引脚，采用单一＋5v供电

clk　系统时钟输入引脚

　读信号，低电平有效

　写信号，低电平有效

semsel 外部存储器选择信号输出引脚

scen 　定标输出允许引脚

done 　系统工作结束标志输出引脚

cmd0～cmd1　控制命令输入引脚

w0～w16 双功能数据总线，用于输入窗函数、 滤波器系数及输出定标器的移位指数和最后一次溢出

ad0～ad9 外部数据存储器地址总线

rg0～rg18 实部双向数据总线

im0～im18 虚部双向数据总线

1.4 配制寄存器

tmc2310片内有两个16bit的配制寄存器（cr1、cr2），用来对tmc2310进行编程设置，其主要用途如下：

cr1 用来设定芯片的处理功能、转换长度、输出格式及定标方式；

cr2 主要用来设定寻址方式和变换路数（1～64路）。

2 电路设计

由于tmc2310是可编程的专用dsp器件，我们用一片tms320c25 dsp器件与之配合，采用主从结构、并行处理方式，加上外围共享存储器阵列对等组成处理模块。tms320c25除对tmc2310进行编程及控制外，还以并行运算处理的方式完成一些后续处理及辅助运算（如数据抽取、积分等）。整个电路系统采用模块化设计，便于调试及扩展。信号处理模块原理框图如图2所示。

在图2中，tmc2310和tms320c25之间设计了一个以乒乓方式工作的双口ram阵列，其作用有四：(1)存放待处理的数据(实部数据放在rem块，虚部数据放在imm块)；(2)存放tmc2310所需的系数或参数（放在wdm块）；(3)存放tmc2310的输出结果并作为tmc2310中间结果缓存；(4)构成tms320c25的运算内存。为了便于构成系统及满足实时需要，用一片idt7025双口ram（8k×16）构成一个tms320c25与外部共享的ｒａｍ区，以便实时地与外部进行数据交换和通讯。这个双口ｒａｍ区也以乒乓方式工作，以增强模块的宽容性。

电路的乒乓工作方式控制逻辑是由tms320c25根据系统的节拍时序进行控制的。控制电路确保caa12与cab12互斥，cal12与car12互斥。整个电路简单、紧凑、协调有序。由于采用了vlsi器件设计，电路设计大大简化，调试方便、功能强大、性能可靠、吞吐量大（完成1024点fft的数据通过率为2.343m字／秒）。

3 软件设计

tms320c25的主要任务有：(1)根据功能需要对tmc2310进行编程设置及控制管理；(2)与tmc2310进行数据交换；(3)完成部分处理运算（如：抽样、积分、数值及参量计算等）；(4)与系统进行通讯（如数据输入输出及功能、方式的设立等）。我们将这些内容分成不同的子程序按模块进行设计，既便于调试又易于功能扩展。

软件主要由一个主程序与若干个子程序模块组成。主要的模块有：tmc2310的设置与控制；与外部的通讯；数据的输出、数据加载、系数加载及十几个运算子模块。由于篇幅有限，以下仅给出主程序流程框图（见图3）。

将tmc2310应用于水下目标的检测与估计，具有速度快、功能强、可编程、易操作等特点。我们用其开发研制的信号处理模块，体积小、易扩展。组成的系统能在飞机、舰船等环境下可靠工作。几年来，经水池、湖及海上的多次试验和试用，证明其设计合理、应用成功，已投入小批量生产。此外还可用于雷达、通讯及虚拟仪器等许多领域，具有很好的应用前景。