DSP在无线传感系统中的应用

1. 引言

在现代信息社会中,目标辨识已经得到了广泛的应用。例如超市中货物的识别、图书馆中书刊的识别、银行磁卡等都是目标识别系统应用的实例。尤其是近年来,自动识别方法在许多服务领域、在货物销售与后勤分配方面、在商业部门、在生产企业和材料流通领域、在智能交通管理等方面得到了快速的普及和推广。

在几年前,条形码——纸带在识别系统领域引起了一场革命并得到了广泛的认同与应用。但是随着现代社会的发展,这种技术在越来越多的情况下不能满足人们的需求了。条形码虽然便宜,但它的不足之处在于存储能力小以及不能改写。目前,另一种广泛使用的技术是接触式IC卡（电话IC卡、银行卡）,它是将数据存储在一块硅芯片里。然而,在许多情况下,机械触点的接通是不可靠的。特别是对于运动目标或不可触及的目标更显得无能为力。于是研究更好的目标识别技术尤其是非接触识别技术,有了它深刻的现实意义。

近年来,非接触识别已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域。这个专业领域与任何传统学科都不相同。它将大量来自完全不同专业领域的技术综合到一起：如高频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多专业应用领域。基于声表面波技术的辨识标签由于具有无线、无源、抗干扰能力强与传输距离长等特点,成为当前非接触识别技术中很有特色的一种,具有广泛的市场前景。

在无线电传感系统需要对射频频带宽度的采样数据进行处理,这就要求系统。自从大规模集成技术的得到广泛应用以来,数字信号处理器 (DSP)在功能、处理速度和处理能力方面都取得了划时代的突破 ,并广泛应用在数据通信、信号处理等技术领域中 ,展示了其独特的应用潜力。

本文讨论的无线传感装置就是采用了定点DSP芯片TMS320C6201进行计算和控制,具有高速的数字运算能力和高速的数据通信能力。

2. 工作原理

声表面波无源辨识标签主要由压电基片、叉指换能器、天线和反射极组成。辨识标签工作原理如图1所示。通过带主动式天线的射频信号发射出高频脉冲信号后,辨识标签传感器经由其天线接收,该信号传至叉指换能器,由于基片的逆压电效应,换能器激发出同频的SAW,该SAW沿基片表面传播,到达一系列紧密排列编码的反射栅后,部分能量得以反射回叉指换能器,通过基片的压电效应再次转变成电磁波由天线发射回来,接收系统即可得到一系列编码的高频回波信号（如图2所示）,由收发单元接收和信号处理后以辨识不同的目标。

声表面波标签传感器的反射极可看作是条形码般的编码装置,如在反射极区域能布置32条标签条,则回波信号可得到232个状态,可分别表示不同编号的车辆、集装箱、工件、人或动物等目标以供识别。

为提高辨识目标的种类,在大容量的反射栅的情况下,降低辨识标签的插入损耗,提高反射信号的能量,从而提高无线接收信号的信噪比是实用化的关键。

3. 硬件结构

此硬件设计采用了软件无线电的中心思想,即构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能,如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成,并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统,其组成结构如图3所示。

图3 声表面波无线传感系统硬件结构

由图3可见,其结构主要由天线、射频前端、宽带A/D-D/A转换器、通用和专用数字信号处理器以及各种软件组成。射频前端在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务,接收时实现滤波、放大、下变频等功能。模拟信号进行数字化后的处理任务完全由DSP软件承担。

天线/射线部分：

信号收发系统包括高频发送电路、高频接收电路、快速切换开关、天线和中频调制解调器等。在高频信号的发送和接收电路中常使用的方式有三种：二次变频式、一次变频式和直接变频式。二次变频式采用两个中频,一个较高的中频（第一中频）用来提高抗干扰性能,而另一个较低中频（第二中频）用来提供大的放大量,高增益和稳定性都容易得到保证,但其结构比较复杂且组合频率干扰比较严重;直接变频结构实际上不使用中频放大,接收机直接变换移频键控（FSK）的fc+f与fc-f的频率成分为数字输出比特电流,所有滤波工作都在低频完成,它易于大规模集成化,使器件能大幅度小型化,但其内部存在不平衡信号和寄生干扰等问题;一次变频方式只需一个本振,因而电路简单,频率稳定度也较高,但需用一个中频同时实现高增益与高稳定性,与二次变频方式相比,整机使用的元器件可减少,便于集成化。本系统同时考虑系统实现和调试方便,采用一次变频的超外差式电路。系统中频(IF)选择为70MHz,系统的射频(RF)为270MHz。

高频发送电路主要有高频振荡器、缓冲放大器、上行变换器和功率放大器等部分组成,其作用是将一等幅的调制信号作为声表面波标签传感器的激励信号通过天线发送出去;高频接收电路有低噪声放大器、下行变换器、宽带增益等,其任务是将天线感应到的声表面波标签的高频反射信号解调出其正交分量Q和同相分量I。

快速切换开关的作用是让高频信号单向传输。在发送时,信号从功率放大器传向天线,有效地阻止它对接收支路的影响;而从天线过来的接收信号能有效地传向接收回路。天线发射和接收电磁波的能力,与天线结构、尺寸、使用的频率有关,从电性能要求来说,要求天线有更大的尺寸,结构上也可以更复杂一点,收、发天线宜分开。但从造型、实用角度看,又要求天线简单、小巧。这是一对矛盾,往往牺牲电性能,让天线服从造型的要求。系统可采用简单的线天线作为信号的收发天线。

考虑到发射信号的功率受固定值的限制,因此,提高接收机的灵敏度尤为重要。在高频电路中还应包括一些相应的匹配电路和滤波器,调整高频匹配元件,使其工作于匹配状态,使之发挥最佳效能。

数据处理部分：

双通道高速数据采集系统是声表面波自动目标识别系统的一个重要组成部分。该数据采集系统作为识别系统的前端,用于采集声表面波标签反射回波并经滤波处理后的I、Q两路信号。

如图3所示,信号处理部分采用工作频率为200MHz的TMS320C6201作为核心。采样的时序由FPGA XCS20XL控制完成,主要包括控制天线的发射/接收开关切换、在接收传感器信息时启动A/D转换、并将A/D转换结果存储到4K×32位IDT7024双口RAM中等内容。在一次整周期采样过程中数据量不超过640字节。当被测量变化较慢时,对发射/接收机完成8次整周期采样后进行数据平均,然后DSP一次将预处理后的数据读至片内RAM中,进行运算处理,然后送PC机实现进一步的功能或直接输出。

在系统中,相位误差大小与采样所使用的模/数转换器(ADC)的性能紧密相关。理想情况下,ADC唯一的误差源是量化,量化误差是由在变换范围内可能取任何值的模拟输入信号转化为有限精度的数字序列时产生的;由于ADC信噪比为：

因此,恰当选择ADC的位数N和采样频率 不仅可以减少Nyquist带内的量化噪声,从而提高信噪比,而且减小了量化误差,是非常必要的。实际采用了12位模数转换器AD9042,确定采样频率为40MHz。对中频放大至2.4±0.5V,带宽为8MHz的回波信号进行采样。

AD9042设计保证在40MHZ带宽上具有80dB的无失真动态范围,其噪声性能也相当好,典型的信噪比为68dB。双口RAM7024读写速度为15nS,完全满足系统的数据存储要求。

通过对FPGA XCS20XL芯片的进一步设计,可以实现使数字信号通过不同的方式从A/D到DSP的流程（基于FPGA的控制方式,FIFO方式,DMA传送方式）。

评价模块是一种低成本的开发板,EVMs的硬件平台是带有目标处理器、板上存储器和少量外设的PC机插卡,插卡上配有模拟输入/输出接口,EVM板可用来进行DSP芯片评价、性能评估和有限的系统调试。

针对TMS320C6201的DSP器件,为方便DSP目标板的开发,采用DSP2621PA评估板进行硬件仿真。DSP2621PA板采用TI的DSP器件（TMS320C6201）,最高运行速度可达1600MIPS,适用于雷达、通信、图象处理系统。板上配置了高速同步存储器SBSRAM（128x32Bit）和SDRAM（4Mx32Bit）。两路A/D可同时采集,每路最高采样频率可达40MHz,A/D采样频率可变。为方便用户进行二次开发,板上配置了大容量的FPGA器件（2万-3万门）和外部I/O接口。板上还提供了一个McBSP 接口,兼容5V TTL电平,方便用户与外部系统通信。板上可选择的EPLD（800门）,方便用户专用逻辑的设计。

本系统选用的TMS320C6201处理器有352只管脚,采用BGAP封装,可采用50MHz或100MHz的工作频率,经片内锁相环路（PLL）将外部时钟频率乘以2或4,可以使C6201的最高工作时钟达200MHz,运算能力达1600MIPS,指令周期仅为5ns。

硬件结构TMS320C6201处理器硬件资源丰富,主要由三大部分组成：CPU、外围设备和存储器。C6201的地址总线为32位,寻址范围达到4GB,存储器空间可分为四部分：片内程序空间(包括Cache)、片内数据空间、外部存储空间和内部外围设备空间。主要特性有：

内部结构不同于一般DSP芯片,内部同时集成了2个乘法器和6个算术运算单元,且它们之间是高度正交的,使得在一个指令周期内最大能支持8条32位的指令。

指令集不同。为充分发挥其内部集成的各指令单元的独立执行能力,TI公司使用了超长指令字（VLIW）结构,可在一个时钟周期内并行执行几条指令。

大容量的片内存储器和大范围的寻址能力。片内集成了512K字程序存储器和512K字数据存储器,并拥有32位的外部存储器接口。CPU可以在一个周期内同时访问不同RAM块的数据,增强了数据存取的并行性。

智能外设。内部集成了4个DMA控制器, 2个32位计时器,2个双向多通道（128个）缓冲串行口。数据可为32,24,20,16,12或8位。

4. 结束语：

基于声表面波传感的无线标签识别系统无疑是未来声表面波应用的一个潜力巨大的研究方向,采用声表面波传感技术所组成的目标识别系统给人一个全新的概念,具有非接触（甚至不可见）,低能耗、抗环境干扰能力强、快速数据读取及传输处理和低价格小体积等优点,并特别适合于对运动对象的识别。随着声表面波识别技术的进一步研究和发展,以及面向实用的各项措施的完善,应用声表面波技术的运动目标识别和定位系统将具有广阔的发展前景。