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

    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。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Mod-em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。

l 硬件系统构成
    水声通信Modem主要由5409，SST29LE010A，CH375，TPS73HD318，AD733llL，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，CH-375。TPS73HD318输出+1．8 V，+3．3 V，最大输出电流l A，带过热保护功能。满足5409，AD73311L，SST29-LE010A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。
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如图2所示。

    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。当为高电平，且和及AO都为低电平时，CH375中的数据通过D7～DO输出；当为高电平，并且，及AO都为低电平时，D7～DO上的数据都被写入CH375芯片中；当为高电平，并且和都为低电平而A0为高电平时，D7～DO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．O～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。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。

    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，使的时序满足要求。为防止误写，平时被设置为高电平，而与5409的相连，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的与DSP的相连，置高，可读FLASH；当开关置上方时，置高，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。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CLKMDl～CLKMD3一组引脚的状态决定。开始设置CLKMDl～CLKMD3为001，即PLL×lO，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，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AD7331lL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。

    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AD7331lL的初始化以及数据交换。
1．5 A／D～D／A模块
    AD733l1L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。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；第二级由运放OP07构成，实现功率放大及滤波。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。

    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。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：
   
    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。
    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。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：

    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。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：

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McBSPO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。