基于ADSP 21160的Hammerhead-P

摘要：為解決聲誘餌仿真系統中信號處理實時性的問題，引入Hammerhead-PCI板卡以提高信號處理速度。文章介紹了系統以及所用信號處理器的特點，著重描述了Hammerhead在系統中的應用方法及其效果。
引言
聲誘餌仿真系統是為評估某型聲誘餌的性能(主要是聲學性能)而建立的一個DIS(Distributed Interac tive Simulation，分布式交互仿真)系統。它包括導演臺、魚雷模擬器、海洋信道模擬器、潛艇/聲誘餌模擬器和終端演示等模塊，通過以太網相連而成，圖1是系統框圖。
它通過模擬潛戰中潛艇投放的聲誘餌與來襲魚雷進行水聲對抗的過程，來評估聲誘餌對抗魚雷自導的有效性。由于系統側重于聲信息及其處理過程的模擬，因此信號處理在其中就占有相當重要的位置。眾所周知的是，在水聲信號處理過程中，不僅需要處理的信號信息量很大，而且實時性要求也很高。因此，在仿真系統中，欲盡可能真實地再現潛戰的過程，單純利用軟件進行信號處理顯然難以滿足實時性的要求。為了解決這個問題，從兩個方面考慮。一方面為提高傳輸實時性，系統中選用3Com公司的3C17702千兆以太網交換機構建了系統的通信模塊硬件結構；另一方面采用Bittware公司的Hammerhead PCI信號處理板(它以ADI的ADSP21160信號處理芯片作為CPU)，以提高系統中聲信息的處理速度。

圖1 聲誘餌仿真系統框圖

圖２ Hammerhead-PCI及其軟件

圖3 魚雷主動自導信號處理流程

圖4 基于FFT的信號卷積過程

圖5 基于FFT的信號相關過程
Hammerhead PCI及相關軟件簡介
Hammerhead-PCI是一種PCI接口的數字信號處理板卡。它由四塊ADSP-21160 SHARC處理器組成，其PCI接口速度可達66MHz。板卡可支持512MB的SD RAM，一個緩沖區以及兩個PMC槽，可用于處理器擴展。
ADSP-21160 DSP工作在100MHz，它有2400MFLOPs的處理能力，與ADSP-2106x SHARC DSP兼容。它通過一50MHz，64位的總線訪問板子上的SDRAM，PCI總線接口，以及其他的SHARC DSP。2MB的FLASH RAM存有引導程序，ADSP-21160可以對其進行讀、寫。而512MB的SDRAM作為ADSP-21160的擴展存儲器。
Hammerhead PCI的程序開發相關軟件主要包括集成開發和調試工具VisualDSP及BittWare主機接口支持工具DSP21K-SF工具箱。圖2是它們之間的關系圖。

Hammerhead PCI在系統中的應用
如“引言”中所述，系統選取Hammerhead PCI的目的是為了提高信號處理的速度，以滿足系統實時性的要求。由此并結合圖1所描述的系統結構，為魚雷模擬器、海洋信道模擬器和潛艇/聲誘餌模擬器三個涉及到聲信息處理的節點配置了Hammerhead PCI信號處理板。下面以魚雷模擬器為例介紹Hammerhead PCI在系統中的應用。

魚雷模擬器中主動信號處理流程
魚雷模擬器模擬了潛戰中魚雷攻擊敵潛艇的機動邏輯和魚雷自導尋的邏輯。其中魚雷自導尋的過程其實就是通過信號處理發現并控制魚雷跟蹤目標的過程。信號處理包括被動信號處理和主動信號處理兩個過程：被動處理是指魚雷工作在被動自導階段時的處理過程，它主要是針對接收到的目標輻射噪聲等信息通過能量積分的方法來得到目標的方位、距離等參數；主動處理則是指魚雷工作在主動自導階段時的處理過程，主要是通過對接收到的目標(對魚雷尋的信號的)回波信號經一定的處理后和已知的先驗相關樣本信號進行互相關運算，由此得到有關目標的具體信息。相比較而言，主動處理過程中要滿足實時性的要求就很有必要加入信號處理板，實際中即是這樣做的。圖3給出了主動信號處理的流程圖。

應用分析
由上小節可見，需要運用DSP信號處理板進行數據處理的過程包括混頻、帶通濾波、低采樣和互相關等(生成相關樣本可以放在程序初始化過程中)，由于這些過程循環往復，并且頻率較高。
在每一個大的階段中，又都可以分為幾個小步驟。其中帶通濾波和互相關兩個過程包含了基于FFT的卷積和相關處理，而這兩個處理階段顯然占用最多的時間。具體應用中，將一些基礎的運算過程集中起來，作為運算的基礎，放在一個名為“functions.h”的C頭文件中，而將反復調用的主過程作為生成DSP可執行文件的C文件。
根據需求分析的結果，寫出算法的C程序并在PC機平臺上調試通過。然后將程序移植到DSP程序編輯環境，經過和DSP的聯調正常后生成DSP可執行文件。
在此過程中，一個需要特別注意的問題是DSP中地址分配必須清晰、合理。表1列出了魚雷自導模塊中有關DSP程序的變量地址分配。
其中SignalLen，SamplingRate，ResultLength，done等4個參數在聲明時都作為一維數組，是為了與后面的CorrelationData和data的聲明保持一致。
PC機和DSP的通信由HIL(Host Interface Library，主機接口庫)來完成。在這里，用到的HIL函數主要有DSP的打開、關閉、配置、程序下載、(待處理的)數據下載、數據(處理結果)上傳等。下面為Visual C++程序中有關HIL的一段：
void CTorpedoDoc::ActiveProcess(float* data, int SignalLen, float SamplingRate, float*
result, int ResultLength)
{
...
PDSP21K dsp = dsp21k_open_by_id(0, 1);//打開DSP
dsp21k_reset_bd(dsp);//復位DSP
dsp21k_cfg_proc(dsp);//配置DSP
dsp21k_dl_exe(dsp, "ActiveProcess.dxe");//將可執行文件下載到DSP上
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...//此處為回波接收線程
dsp21k_dl_int(dsp, 0x800020, SignalLen);//將信號長度數據下載到DSP上
dsp21k_dl_int(dsp, 0x800021, SamplingRate);//將采樣率數據下載到DSP上
dsp21k_dl_flts(dsp, 0x800100, 256,CorrelationData);//將相關樣本信號數據下載到DSP上
dsp21k_dl_flts(dsp, 0x801000, SignalLen, data);//將回波信號數據下載到DSP上
dsp21k_start(dsp);//啟動ActiveProcess.dxe
while(dsp21k_ul_int(dsp, 0x800023) != 1);//等待ActiveProcess.dxe執行完畢
//ActiveProcess.dxe執行完繼續
ResultLength = dsp21k_ul_int(dsp, 0x800022);//上傳處理結果數據長度
dsp21k_ul_flts(dsp, 0x801000, ResultLength, result);//上傳處理結果給result指針
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...//轉去相關處理
}

Hammerhead PCI在系統中的應用效果
在整個信號處理的程序中，用到最多的而且也是最占用處理時間的過程有信號的卷積和信號的互相關。其中在海洋聲信道的處理過程中，大量用到了卷積積分運算；在魚雷自導的信號處理過程中，則更多地使用相關運算。兩者都采用了基于FFT(Fast Fourier Transform，快速Fourier變換)的算法，即利用FFT的性質，進行時域 - 頻域 - 時域的變換，以減小運算中乘法次數。運算過程分別如圖4、5：
圖4中，f(k)為輸入海洋聲信道的采樣信號序列，h(k)為海洋聲信道的沖激響應函數的采樣序列。
圖5中，f(k)為回波信號的采樣序列，即3.3小節程序中data指針；g(k)為相關樣本序列，即其中的CorrelationData指針。G*(ejω)為FFT(g(k))的共扼。R(f(k), g(k))表示f(k)和g(k)的互相關。
為測試DSP信號處理的效果，另外編制了程序“Sharc.dsw”。程序針對同樣的信號相關處理過程，分別在單獨利用Visual C++編程和通過DSP處理的條件下記錄重復執行100次所耗時間，共測試8次，結果如表2。其中DSP處理時間不包括可執行程序下載及前面的DSP初始化工作。
由上表可見，使用DSP處理的平均時間僅為不使用時的10%弱，大大提高了信號處理的速度。信號卷積的結果與此類似。需要指出的是，上表中的時間并不是全部用來進行數值計算的，還包括循環所占用的時間。因此，實際的處理時間還要更短些。

結語
綜上所述，由于采用了基于ADSP21160的數字信號處理板Hammerhead-PCI，使得信號處理速度得到提高，從而系統的運行效率也相應得到了很大提高；加上所選高效通信硬件，系統基本實現了實時仿真的目的。本文所描述的系統目前已經完成，運行良好。

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ADSP-21160 EZ-KIT簡化板設計數據庫(第2版)

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2021-04-13 12:14:49

ADSP-BF531/ADSP-BF532/ADSP-BF533：Blackfin嵌入式處理器數據表

ADSP-BF531/ADSP-BF532/ADSP-BF533：Blackfin嵌入式處理器數據表

2021-04-15 18:13:59

EE-195：從ADSP-21160M SHARC?DSP遷移到ADSP-21160N SHARC DSP

EE-195：從ADSP-21160M SHARC?DSP遷移到ADSP-21160N SHARC DSP

2021-04-17 18:06:40

EE-160：檢查ADSP-21160鏈路端口與ADSP-2106x鏈路端口的向后兼容性

EE-160：檢查ADSP-21160鏈路端口與ADSP-2106x鏈路端口的向后兼容性

2021-04-21 09:58:03

EE-140：在多通道模式下使用ADSP-21160串行端口

EE-140：在多通道模式下使用ADSP-21160串行端口

2021-04-23 21:22:17

EE-284：在ADSP-21160 SHARC?處理器上實現覆蓋

EE-284：在ADSP-21160 SHARC?處理器上實現覆蓋

2021-04-25 09:45:29

ADSP-21160M/ADSP-21160N：SHARC數字信號處理器數據表

ADSP-21160M/ADSP-21160N：SHARC數字信號處理器數據表

2021-04-30 19:33:43

EE-379：ADSP-214xx與ADSP-SC58x/ADSP-2158x-外設注意事項

EE-379：ADSP-214xx與ADSP-SC58x/ADSP-2158x-外設注意事項

2021-05-10 19:38:56

ADSP-21160 SHARC?DSP指令集參考

ADSP-21160 SHARC?DSP指令集參考

2021-05-11 18:37:48

帶只讀存儲器數據表的ADSP-2161/ADSP-2162/ADSP-2163/ADSP-2164/ADSP-2165/ADSP-2166：數字信號處理器

帶只讀存儲器數據表的ADSP-2161/ADSP-2162/ADSP-2163/ADSP-2164/ADSP-2165/ADSP-2166：數字信號處理器

2021-05-13 09:00:49

ADSP-21261/ADSP-21262/ADSP-21266 SHARC嵌入式處理器

ADSP-21261/ADSP-21262/ADSP-21266 SHARC嵌入式處理器

2021-05-13 10:03:51

ADSP-2171/ADSP-2172/ADSP-2173：DSP微機報廢數據表

ADSP-2171/ADSP-2172/ADSP-2173：DSP微機報廢數據表

2021-05-13 11:18:22

ADSP-21362/ADSP-21363/ADSP-21364/ADSP-21365/ADSP-21366 SHARC處理器

ADSP-21362/ADSP-21363/ADSP-21364/ADSP-21365/ADSP-21366 SHARC處理器

2021-05-13 12:26:37

ADSP-21160 EZ-KIT精簡版?評估系統手冊

ADSP-21160 EZ-KIT精簡版?評估系統手冊

2021-05-13 16:43:02

ADSP-21160 EZ-KIT精簡版?評估系統手冊

ADSP-21160 EZ-KIT精簡版?評估系統手冊

2021-05-13 20:59:21

ADSP-21060/ADSP-21060L/ADSP-21062/ADSP-21062L/ADSP-21060C/ADSP-21060LC：SHARC處理器數據表

ADSP-21060/ADSP-21060L/ADSP-21062/ADSP-21062L/ADSP-21060C/ADSP-21060LC：SHARC處理器數據表

2021-05-14 12:12:17

EZ套件精簡版，用于ADSP-21160 SHARC DSP產品亮點

EZ套件精簡版，用于ADSP-21160 SHARC DSP產品亮點

2021-05-16 08:00:03

ADSP-21061/ADSP-21061L第0.1版SHARC異常列表

ADSP-21061/ADSP-21061L第0.1版SHARC異常列表

2021-05-17 19:35:53

ADSP-21061、21065L和21160M EZ-KIT精簡版?安裝步驟

ADSP-21061、21065L和21160M EZ-KIT精簡版?安裝步驟

2021-05-17 19:56:08

ADSP-21477/ADSP-21478/ADSP-21479版本的SHARC異常列表

ADSP-21477/ADSP-21478/ADSP-21479版本的SHARC異常列表

2021-05-17 20:23:58

ADSP-21062/ADSP-21062L SHARC異常表

ADSP-21062/ADSP-21062L SHARC異常表

2021-05-17 20:26:09

ADSP-21160 EZ-KIT有限公司>>

ADSP-21160 EZ-KIT有限公司>>

2021-05-18 16:03:58

ADSP-21160 SHARC?DSP硬件參考

ADSP-21160 SHARC?DSP硬件參考

2021-05-21 18:49:14

ADSP-2101/ADSP-2103：ADSP-2100系列DSP微型機報廢數據表

ADSP-2101/ADSP-2103：ADSP-2100系列DSP微型機報廢數據表

2021-05-22 17:19:58

ADSP-2136x SHARC?處理器硬件參考(包括ADSP-21362/ADSP-21363/ADSP-21364/ADSP-21365/ADSP-21366處理器)

ADSP-2136x SHARC?處理器硬件參考(包括ADSP-21362/ADSP-21363/ADSP-21364/ADSP-21365/ADSP-21366處理器)

2021-05-23 18:48:17

ADSP-SC58X/ADSP-2158X：硅異常表

ADSP-SC58X/ADSP-2158X：硅異常表

2021-05-24 18:24:58

ADSP-BF512/ADSP-BF514/ADSP-BF516/ADSP-BF518 Blackfin嵌入式處理器產品手冊

ADSP-BF512/ADSP-BF514/ADSP-BF516/ADSP-BF518 Blackfin嵌入式處理器產品手冊

2021-05-27 15:18:28

ADSP-SC572ADSP-SC573ADSP-21573 IBIS型CSPBGA型封裝

ADSP-SC572ADSP-SC573ADSP-21573 IBIS型CSPBGA型封裝

2021-05-31 13:42:48

ADSP-SC570ADSP-SC571ADSP-21571 IBIS型LQFPEP封裝

ADSP-SC570ADSP-SC571ADSP-21571 IBIS型LQFPEP封裝

2021-06-01 09:53:48

ADSP-BF538ADSP-BF538F Blackfin Processor硬件參考

ADSP-BF538ADSP-BF538F Blackfin Processor硬件參考

2021-06-16 14:46:30

使用ADSP-2100系列第2卷

使用ADSP-2100系列第2卷

2021-06-17 09:36:08

使用ADSP-2100系列第1卷

使用ADSP-2100系列第1卷

2021-06-17 09:44:25

ADSP-21160M IBIS數據文件BGA包

ADSP-21160M IBIS數據文件BGA包

2021-06-17 10:57:00

ADSP-21160 EZ-KIT簡化板設計數據庫(第2版)

ADSP-21160 EZ-KIT簡化板設計數據庫(第2版)

2021-06-17 13:01:19

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