基于TMS320VC5409的水声通信Modem设计与实现

摘 要:介绍水声通信Modem系统的组成结构和软硬件总体设计方案。系统包括以DSP芯片TMS320VC5409为核心的数字信号处理电路、USB接口电路、前置模拟终端(AFE)电路和换能器。通过该方法可以实现水声通信Modem系统的远距离数据传输,迅速实现DSP与计算机之间的数据交换。

关键词:水声通信;调制解调器;USB接口;DSP;A/D转换器

中图分类号:TP302;TN929.3 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)04-008-04

Design and Realization of Underwater Acoustics Communication Modem Based on TMS320VC5409

YE Lingjun,LIU Zhong,HUANG Aolin

(Electronics Engineering College,Naval University of Engineering,Wuhan,430033,China)

Abstract:A system structure of underwater acoustics communication modem and a software and hardware total design project are introduced.The system mainly includes DSP chip TMS320VC5409 as the core digital signal processor circuit,USB interface circuit,analog front end circuit and energy converter.By using underwater acoustics communication modem equipment,long-distance data transmission can be realized,and also the prempt data exchange between DSP and computer can be realized.

Keywords:underwater acoustics communication;modem;USB interface;DSP;A/D converter

DSP芯片TMS320VC5409(以下简称为5409)是TI 公司TMS320VC5000系列中应用最广泛、性价比较高的芯片之一,主要应用于数字信号处理领域[1]。考虑到DSP处理器的运算速度、片上资源、功耗、封装开发工具以及价格等因素,现以5409为核心,进行外围电路的扩展,利用片内McBSP接口以及通用数据传输通道,完成水声通信Modem的通信控制和数据调制/解调等功能,使得数据处理和数据传输能够并行运行,从而提高整个系统的运行效率。该系统具有高速、灵活、通用度高的特点。

1 硬件系统构成

水声通信Modem主要由5409,SST29LE010A,CH375,TPS73HD318,AD73311L,TLC2652M,OP07和换能器等组成,硬件系统结构如图1所示。

1.1 电源模块

系统需要+1.8 V,+3.3 V,±5 V,±12 V电源。经过整流滤波后的直流电源,由7812,7912稳压模块输出±12 V给OP07。±12 V再经过7805,7905稳压输出±5 V给TLC2652M-8D,同时提供+5 V给TPS73HD318,CH375。TPS73HD318输出+1.8 V,+3.3 V,最大输出电流1 A,带过热保护功能[2]。满足5409,AD73311L,SST29LE010A芯片对+1.8 V,+3.3 V电压、电流的要求。AD73311L模拟+3.3 V,与其他数字电路利用隔离磁珠进行模/数隔离,避免相互干扰。

图1 水声通信Modem系统硬件结构图

1.2 接口模块

系统USB接口的主控芯片采用CH375,完成USB协议和并行I/O协议转换,使该无线数据传输单元以即插即用方式直接与PC机通信。USB接口模块的硬件电路图[3]如图2所示。

图2 USB接口模块硬件电路图

INT输出的中断请求是低电平有效,5409可以使用中断方式或者查询方式获知中断请求。当WR为高电平,且CS和RD及A0都为低电平时,CH375中的数据通过D7～D0输出;当RD为高电平,并且CS,WR及A0都为低电平时,D7～D0上的数据都被写入CH375芯片中;当RD为高电平,并且CS和WR都为低电平而A0为高电平时,D7～D0上的数据都被作为命令码写入CH375芯片中。

1.3 存储模块

5409片上带有ROM,但是运行程序和数据在掉电后不能保留。因此,扩展FLASH E2PROM存储模块。系统选用SST公司的128K×8 b的E2PROM芯片ST29LE010A,工作电压3.0～3.6 V,整块E2PROM能在5 s内擦写完成,可擦写100 000次左右,数据保持时间很长[1]。系统采用3.3 V工作电压,E2PROM并行自举引导方式。硬件电路原理如图3所示。

图3 扩展FLASH存储器硬件电路原理图

5409的D8用于控制闪存的写使能,当D8为低电平时,可对闪存编程和擦除,通过编程控制D8,使WE的时序满足要求。为防止误写,WE平时被设置为高电平,而OE与5409的DS相连,低电平有效,平时被设置为高电平,以保护芯片。图3中采用双刀双置开关,当开关置下方时,FLASH的OE与DSP的DS相连,WE置高,可读FLASH;当开关置上方时,OE置高,WE与5409的D8相连,为写操作。

1.4 DSP模块

系统核心由5409及其附加电路、控制逻辑电路组成,完成系统控制及运算处理功能。

系统中5409与CH375之间采用并行接口方式,与AD73311L之间采用串行接口方式,即McBSP工作在SPI模式下,与AD73311L连接。

5409芯片采用双电源供电机制,即1.8 V或更低的内核电源,为该器件的内部逻辑提供电压;3.3 V的I/O电源便于直接与外部低压器件接口[1,4]。由电压调节器芯片TPS73HD318实现该功能。

5409的时钟采用外接频率为8 MHz晶体,内部倍频的大小由芯片上CLKMD1～CLKMD3一组引脚的状态决定[4]。开始设置CLKMD1～CLKMD3为001,即PLL×10,5409工作频率为80 MHz。

5409片内包括3个高速、全双工、多通道缓冲串行接口McBSP[4],其方便的数据流控制可使它与大多数同步串行外部设备接口。它由数据线BD(R/X)、帧同步线BFS(R/X)和移位时钟线BCLK(R/X)组成。

通过McBSP主要完成与AD73311L支持SPI接口之间的数据交换,5409对AD73311L的控制通过GPIO的XF(输出)引脚来完成。5409与AD73311L硬件连接电路原理如图4所示。

图4 5409与AD73311L硬件连接电路原理图

5409的McBSP作为SPI的从设备与SPI的主设备AD73311L连接。在这种方式下,McBSP的移位时钟线BCLK(R/X)在内部相连,帧同步线BFS(R/X)在内部相连。系统时钟的输出引脚CLKOUT连接MCLK引脚,为AD73311L提供主时钟信号。这种主从SPI模式实现5409对AD73311L的初始化以及数据交换。

1.5 A/D~D/A模块

AD73311L是AD公司的16位串行A/D/A集成转换器,广泛应用于语音信号处理、无线通信、数据通信等领域[5]。系统采用AD73311L芯片,完成D/A,A/D转换功能。图4中A/D的输入采用单端输入方式,D/A的输出采用双端输出方式。其中,C10,R10,C11组成带通滤波器。

1.6 功放模块

系统信号放大电路分为两路:D/A→信号放大→换能器;换能器→信号放大→A/D。两路信号放大电路的原理和组成结构采用相同模式,都采用两级级联放大:第一级选择TLC2652M作小信号放大[6];第二级由运放OP07构成,实现功率放大及滤波[7]。调整电路中的电阻、电容参数,以实现两路信号放大的需求。

由TLC2652M构成的放大电路,理论上闭环放大倍数约为100倍;低通截止频率f=33.86 kHz。

由运放OP07构成的放大电路,理论上放大倍数为30倍,低通截止频率f=24.11 kHz。

1.7 换能器

根据系统对换能器的指向性要求、电声特性以及工作条件等要求,直接生产专用换能器。

2 软件系统构成

软件主要由CH375计算机端口和DSP端口编程及初始化、5409初始化、McBSP0初始化以及对AD73311L的初始化等程序模块组成。初始化流程图如图5所示。

图5 初始化流程图

USB数据传输模块的主要程序包括两部分:计算机端口软件编程和DSP端口软件编程。

计算机端,使用VC作为计算机端应用软件的开发平台,利用CH375器件中DLL提供的API函数对其进行操作[8]。

本地端,5409采用C语言编程,编写内置固件程序的基本框架如下:

//CH375初始化

CH375_WR_CMD_PORT(CMD_RESET_ALL);

//CH375执行硬件复位

CH375_WR_CMD_PORT(CMD_CHECK_EXIST);

//检查CH375是否工作正常

…

CH375_WR_CMD_PORT(CMD_SET_USB_MODE);//向CH375发送USB工作模式设置命令

CH375_WR_DAT_PORT(2);

//设置USB的工作模式为内部固件模式

//USB中断入口程序

CH375_WR_CMD_PORT(CMD_GET_STATUS);

//向CH375发送中断状态获取命令

InterruptStatus=CH375_RD_DAT_PORT();

//获取中断状态,并通知CH375做相应处理

if(InterruptStatus==USB_INT_EP2_OUT)

//数据下传

{CH375_WR_CMD_PORT(CMD_RD_USB_DATA);//向CH375发送读数据命令

RD_Data=CH375_RD_DAT_PORT();

//从USB缓冲区中读取数据

CH375_WR_CMD_PORT(CMD_UNLOCK_USB);

//释放当前USB缓冲区

CH375_WR_CMD_PORT(CMD_WR_USB_DATA7);//向CH375发送写数据命令

CH375_WR_DAT_PORT(DATA);

//向USB端点2缓冲区写入数据DATA

CH375_WR_CMD_PORT(CMD_RD_USB_DATA);

RD_Data=CH375_RD_DAT_PORT();

…//分析接收到的数据

CH375_WR_CMD_PORT(CMD_WR_USB_DATA7);//向CH375发送写数据命令

CH375_WR_DAT_PORT(ACK);//向USB端点2的上传缓冲区写入应答数据ACK

}

If(InterruptStatus==USB_INT_EP2_IN)

//数据上传

{CH375_WR_CMD_PORT(CMD_UNLOCK_USB);

//释放当前USB缓冲区

CH375_WR_CMD_PORT(CMD_WR_USB_DATA7)

;//向CH375发送写数据命令

CH375_WR_DAT_PORT(DATA);//向USB端点2的上传缓冲区写入上传数据DATA

}

5409的初始化程序是完成DSP堆栈、CPU时钟及其他各个工作寄存器的初试值设置,以满足系统工作要求[1]。

McBSP0初始化程序是设置McBSP0口的工作状态,使它运行于系统所需的工作模式[1]。系统要求McBSP工作于从SPI模式、采用外部时钟和字宽为16 b等工作条件。接收、发送时钟和帧同步信号都由AD73311L提供。接收和发送数据每帧一字,每字16 b,都没有延时。程序设计框架如下:

…

DXR10 .set 23h ;McBSP0数据发送寄存器1

SPSA0 .set 38h ;McBSP0子地址地址寄存器

SPCD0 .set 39h ;McBSP0子地址数据寄存器

Mainstart:

…

McBSP0_initializing:

stm #0,SPSA0 ;选择SPCR10串口控制寄存器1

stm #1000h,SPCD0;SPI时钟标准模式

stm #1,SPSA0 ;选择SPCR20串口控制寄存器2

stm #0000h,SPCD0;McBSP0处于复位状态

stm #2,SPSA0 ;选择RCR10接收控制寄存器1

stm #0040h,SPCD0;每帧1个字,字宽为16 b

stm #3,SPSA0 ;选择RCR20接收控制寄存器2

stm #0040h,SPCD0;MSB先接收,无延时

stm #4,SPSA0 ;选择XCR10发送控制寄存器1

stm #0040h,SPCD0 ;每帧1个字,字宽为16 b

stm #5,SPSA0 ;选择XCR20发送控制寄存器2

stm #0040h,SPCD0;MSB先发送,无延时

stm #6,SPSA0 ;选择SRGR10寄存器1

stm#0000h,SPCD0 ;#0000h =>SRGR10

stm #7,SPSA0 ;选择SRGR20寄存器2

stm#0000h,SPCD0 ;#0000h =>SRGR20,

stm #0eh,SPSA0 ;选择PCR0,引脚控制寄存器

stm #0f0dh,SPCD0;发送/接收帧同步且低有效、时钟由外部输入

stm #0ffh,DXR10 ;写第一个数据到发送寄存器1中

stm #0,SPSA0 ;选择SPCR10串口控制寄存器1

stm #1001h,SPCD0;启动串口接收

stm #1,SPSA0 ;选择SPCR20串口控制寄存器2

stm #0001h,SPCD0;启动串口发送

McBSP0_receive_int:

…

McBSP0_transmit_int:

…

AD73311L有六种工作模式:程序模式、数据模式、程序/数据混合模式、模拟环路模式、数字环路模式和功能检测循环模式[5]。前三种是正常的工作模式,后三种是调试模式,仅在调试时使用。

AD73311L共有六个内部控制寄存器,5409对六个控制寄存器的写入顺序为:CRB,CRC,CRD,CRE,CRF,CRA。AD73311L的初始化程序如下:

…;AD73311L芯片复位

ld #08143h,a;CRB命令字,Fad=DMCLK/256,

DMCLK=MCLK/5,SCLK=DMCLK/8

stlm a,DXR10 ;命令字送入DXR10寄存器中

ld #08279h,a;CRC命令字,电源管理

stlm a,DXR10 ;命令字送入DXR10寄存器中

ld #08304h,a;CRD命令字,设输入20 dB,输出+6 dB

stlm a,DXR10 ;命令字送入DXR10寄存器中

ld #08400h,a;CRE命令字,设置D/A群延时为0

stlm a,DXR10 ;命令字送入DXR10寄存器中

ld #08520h,a;CRF命令字,设A/D为单端输入模式

stlm a,DXR10 ;命令字送入DXR10寄存器中送

ld #08001h,a;CRA命令字,设芯片为1,数据模式

stlm a,DXR10 ;命令字送入DXR10寄存器中

…;AD73311L进入数据模式

3 结 语

水声通信Modem以5409为核心,通过芯片CH375实现与PC机的USB通信,利用McBSP0与芯片AD73311L组成SPI串行通信方式,再进行信号放大以及电声信号转换,实现水下通信。经实际验证,该系统的传输速度快,易用、可扩展、快速、传输可靠等优点,它的研制成功为海洋事业的发展提供很好的应用前景。

参考文献

[1]彭启琮,李玉柏,管庆.DSP技术的发展与应用[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2]Texas Instruments.TPS73HD301,TPS73HD318,TPS73-HD325 Dual-output Low-dropout Voltage Regulators [Z].1999.

[3]南京沁恒电子有限公司.USB总线接口芯片CH375中文手册[EB/OL]. ,2005.

[4]Texas Instruments.TMS320VC5409 Fixed-point Digital Signal Processor Data Manual[Z].2004.

[5]Analog Devices Inc.Low Cost,Low Power CMOS General Purpose Analog Front End AD73311L[Z].2000.

[6]Texas Instruments.TLC2652,TLC2652A,TLC2652Y Advanced LinCMO STM Precision Chopper-stabilized Operational Amplifiers [Z].1999.

[7]楼钢,李伟,邓学博.小信号放大电路设计[J].浙江理工大学学报,2007,24(6):661-664.

[8]汤剑灵,高玉.USB通信芯片CH375在数据交换中的应用[J].电子工程师,2007,33(10):61-63.

推荐访问:水声 通信 设计 TMS320VC5409 Modem