刘言林

(安徽三联学院 电子电气工程学院, 安徽, 合肥,230601)

面对海洋和陆地存在的众多丰富资源, 国内外研究出了众多探测技术, 并以这些探测技术为依据,设计出方便人们使用的探测系统[1]。人们只需要根据这些探测系统采集到的数字信号, 就能确定系统探测对象中存在的资源, 如矿山中存在的矿产资源、海洋中存在的石油资源等[2]。因此, 探测系统采集到的信号精度, 可以直接影响人们对探测对象的探测精度。然而探测系统在进行探测时, 很容易受到外界信号、传输电磁等因素干扰, 导致探测工作人员难以获取探测系统得到的原始探测信号, 限制了探测系统性能, 与此同时, 还影响了探测数据精度[3]。所以, 需要研究探测系统得到的数字信号处理技术, 满足探测对象研究需求[4]。

基于此, 国内外十分重视数字信号处理技术研究, 已经研究出ARM、抽取、RISC、插值、DSP、SINC、Linux、FPGA 等数字信号处理技术。在国内外研究基础上, 相关学者提出如下观点。文献[5]将激光雷达测风系统信号作为研究对象, 引入FFT 运算累加处理系统信号, 实现激光雷达测风系统信号处理。文献[6]通过研究融合小波包和神经网络两种算法, 划分脑电信号类别, 处理脑电信号。但是以上两种方法在处理信号时容易出现失真等异常问题。文献[7]将数字信号作为研究对象, 通过信号映射的方式, 将信号映射至Storm 平台, 处理数字信号。但是在映射过程中, 实际输出电压值与计算值之间容易产生误差, 影响信号处理效果。文献[8]将晶闸管电源同步信号作为研究对象, 根据研究对象特点, 引入NI CompactRIO 技术, 消除信号中存在的畸变波形。但是该方法在实际应用过程中, 容易受到干扰信号的影响, 在数据传输过程中比特被传错的概率较大。

为了解决以上问题, 本文提出基于CAN 总线的多节点数字信号处理系统设计。选择FPGA 半定制电路和DSP 数字信号处理器来满足系统稳定运行的需求, 以CAN 总线为基础设计系统通讯模块电路,采用连续小波变换的多节点数字信号处理算法, 实现多节点数字信号处理, 以期提高处理多节点数字信号的效果。

1 基于CAN 总线的多节点数字信号处理系统硬件设计

1.1 系统硬件设计

为了完善系统功能、信号处理算法的有效性、系统功能需求和PCB 印刷线路板布局布线的合理性[9],选择DSP 数字信号处理器实现多节点数字信号处理。基于此, 设计了如图1 所示的系统硬件框图。

由图1 可知, 此次设计为了满足系统通讯速率、信号处理量和稳定性需求, 在系统硬件中设计了两个通道的DSP 和FPGA 半定制电路组成。因此, 需要在FPGA 两个通道间设置EMIF 总线、高速LVDS 数据线、离散线等设置多节点数字信号交换与通信电路; 两个DSP通道间需要设置SRIO实现多节点数字信号协同处理和高速处理。

图1 系统硬件框图

此外, 选择单路集成CMOS 的ADG407 模拟开关作为系统硬件模拟开关; 内部具有12 位100 kHz 逐次逼近式AD1674 型A/D 转换器作为系统A/D 转换部分,采集多节点数字信号[10]。PLX 接口芯片主要用于启动串行EEPROM 只读存储器和双端口RAM, 实现多节点数字信号存储。

1.2 基于CAN 总线设计系统通讯模块电路

基于图1 所示的系统硬件框图, 以CAN 总线为基础设计系统通讯模块电路,R表示电阻;C表示电容;JP 表示跳线, 系统通讯模块电路如图2 所示。

如图2 所示, 此次设计通讯模块电路选择TJA1040CAN 驱动器为CAN 节点提供接收功能, 促使系统达到1 Mbps 的运行速度。

此外, 多节点数字信号在图2所示的电路中传送时, 导线内会产生一种入射波, 干扰信号传送质量[11];若电路中的终端匹配电阻与波阻抗、初始端匹配电阻与波阻抗时, 电路终端会产生一种反射波, 促使传送的信号出现失真现象[12]。为此, 在图2所示的电路中设置了双绞线电路作为CAN总线的载体, 将R2和R3设置为匹配电阻, 布置在CAN总线的两端。与此同时, 此次设计的电路中还引入了HCPL2630隔离CAN总线各个节点间的电气, 进一步提高CAN总线各个节点的抗干扰能力。

图2 系统通讯模块电路

2 多节点数字信号处理系统软件设计

2.1 多节点数字信号采集与检测

此次设计系统将采用DDR LVDS 输出模式的ADS4449 芯片, 在450 MHz 中心频率、200 MHz采样频率、200 MHz 系统时钟频率条件下, 通过24 路采样的方式采集多节点数字信号。由于此时的多节点数字信号被划分为24 路, 因此, 采用AD芯片转换ADS4449 芯片采样模数, 并通过高速CAN 总线将信号传递给FPGA, 经过FPGA 中的IBUFDS、IDDR 等处理后, 将24 路信号恢复成两路并行14 位AD 采样信号。

基于上述过程采集到的多节点数字信号, 引入线性检测算法估计多节点数字信号状态, 则有

(3)式中,x表示发射信号向量。

根据(3)式得到的误差值, 调整C值、σ值和I值, 并重复计算J值, 直到估计误差E值达到最小, 且不再发生变化时, 将此时得到的J值代入(1)式, 即可得到多节点数字信号状态估计结果, 这一结果即为多节点数字信号检测结果。

2.2 处理多节点数字信号

依据(1)式得到的多节点数字信号检测结果, 在DSP 上设计基于连续小波变换的多节点数字信号处理算法, 实现多节点数字信号处理。基于此, 假设任意空间R中的多节点数字信号为f(t) , 其中t表示时间。将其在小波基下展开, 即可得到多节点数字信号处理方程, 则有

综合上述内容, 此次设计系统在此次设计的硬件基础上, 通过采集获取多节点数字信号, 检测确定信号中是否存在干扰、失真等异常问题, 根据DSP 上的信号处理算法处理多节点数字信号。

3 系统测试

为了验证本文设计的基于CAN 总线的多节点数字信号处理系统的应用性能, 展开实验测试。主要测试内容为信号处理过程中的信号失真率、电源电压值误差与受干扰情况下的误比特率。

3.1 实验设置

本次测试在搭载i7 处理器的Win10 操作系统中运行, 选择XILINX 型FPGA 仿真器和ADI 型DSP仿真器进行实验。路由路径有4 字节组成, 采用C 语言编写DSP 程序, 编写完成后以.out 为后缀储存至TF卡。通过I/O 接口与TF卡连接,1 MHz 条件下耗电电流区间为0.1～400 uA, 选择MAX232AESE+T混合信号源输出多节点数字信号。

3.2 信号失真率测试

当信号通过一个系统后, 其输出波形与输入波形不相同, 意味着数字信号在传输过程中产生了失真。因此, 测试本文设计系统在信号传输过程中的信号失真率, 失真率越低, 说明本文设计系统的信号输出越准确。选择文献[7]方法与文献[8]方法做为对比方法, 共同进行测试。图3 为不同方法的输出波形与原始输入波形的对比情况。

由图3 可知, 文献[7]方法与文献[8]方法的输出波形与原始输入波形相差较远, 信号失真率较高; 而本文方法的输出波形与原始输入波形较为贴近, 信号失真率较低, 说明本文设计系统的信号输出比较准确, 对数字信号的处理效果较好。

图3 输出波形与原始输入波形测试

3.3 电源电压值误差测试

在信号处理过程中, 容易出现电源实际输出电压值偏离理论输出电压值的情况。因此对系统电源电路进行测试, 通过对比产生的波动系数, 来判断系统的稳定性。波动系数越低, 说明系统运行越稳定。本文设计系统的电源电路测试结果如表1 所示。

从表1 中可以看出, 此次设计系统电源电路的实际输出电压值与理论值之间误差最大不超过0.2, 产生的波动系数值在1%上下, 说明本文设计系统在进行数字信号处理过程中运行较为稳定。

表1 系统电源电路测试结果

3.4 误比特率指标测试

在硬件测试基础上, 采用误比特率指标测试系统软件, 计算在数据传输过程中比特被传错的概率。即系统处理多节点数字信号后, 接收端接收到的信号源比特与已知信号比特之间存在的差值。基于此,选择可以忽略干扰信号和其他噪声的暗室中测试系统软件性能。

在此次系统测试选择的测试环境中, 改变信号源发射信噪比, 在不同的信噪比条件下, 使用此次设计系统处理多节点数字信号, 统计接收信号与发射信号之间存在的误比特率, 并将该统计值与系统误比特率理论值进行对比, 其对比结果如图4 所示。

从图4 中可以看出, 当信号源发射信号信噪比达到最大时, 此次设计系统实际测量得到的误比特率达到了10-5,而系统误比特率理论值为10-6, 虽然统计值与系统误比特率理论值存在10-1的差值, 但是并未大于1, 满足系统运行需求。

图4 系统处理多节点数字信号误比特率对比图

综合上述3 组实验结果可知, 此次设计系统硬件电路调测结果和软件测试结果与系统设计理论值之间存在的差值小于1, 满足系统设计指标要求, 可以应用在实际中,处理多节点数字信号。

4 结束语

此次设计系统充分利用CAN 总线增强信号节点之间的数据通信能力和开发周期短的特点, 设计系统通信模块电路, 增强系统处理多节点数字信号能力。经系统测试验证, 本文设计系统的信号失真率较低, 运行较为稳定, 比特率较小, 说明本文设计系统信号处理效果较好。

但是此次设计未考虑信号干扰和环境噪声对系统处理多节点数字信号造成的影响, 因此在今后的研究中还需深入研究系统的跳频模式, 以此来增强系统的抗干扰能力。