基于高速浮点型DSP TMS320C31芯片实现数据处理模块的设计

在TWS雷达系统中，对跟踪目标的数据进行处理常常要进行卡尔曼滤波。卡尔曼滤波是一种最优估计的递推滤波算法，具有实时性好和精度高的特点。但是由于其算法中多为矩阵运算，所以较其它算法如最小二乘法、α-β算法等的运算量要大。为了减小运算量以满足系统反应时间的要求，应用中往往采用简化的卡尔曼滤波算法，但这样又会带来滤波精度的降低。在设计卡尔曼滤波数据处理模块时，为了解决该矛盾，采用了高速浮点型DSP TMS320C31。TMS320C31是美国TI公司的第三代DSP产品，其内部采用程序和数据分开的哈佛结构、流水线操作以及并发I/O和CPU操作。芯片内含有专用硬件乘法器和桶形移位寄存器，具有32位的浮点精度，特别适合类似卡尔曼滤波这样运算量大、实时性和计算精度要求高的场合。

1 卡尔曼滤波算法

卡尔曼滤波器的状态方程和量测方程如下：

ρ（K），分别为距离和径向速度的估值

θ（K）、分别为方位角和方位角速度的估值

U1（K）表示T时间内径向速度的变化量

U2（K）表示T时间内方位角速度的变化量

V1（K）为距离量测噪声

V2（K）为方位角量测噪声

Z1（K）和Z2（K）分别为距离和角度的测量值

滤波器递推方程为：

其中， G（K）为卡尔曼增益矩阵

Q（K）、R（K）分别为状态噪声协方差矩阵和量测噪声协方差矩阵

2 基于TMS320C31的数据处理模块的工作原理

2.1 多处理器工作模式下主机和TMS320C31数据通信的设计

数据处理模块由双口RAM IDT7134、TMS320C31（以下简称C31）、EEROM 28F010和高速RAM CY7C199组成，通过ISA总线和主计算机连接起来，构成主从式多处理器工作模式，如图1所示。主从式处理器系统的设计关键在于处理器之间的数据交换，主从处理器间的数据交换主要有串行、并行、DMA及双口RAM四种交换方式。本方案采用IDT公司的双口RAM IDT7134实现主计算机和C31间的数据交换。IDT7134内部含有4KB的存储器资源，具有两组地址、数据总线及读写控制线。主计算机和C31可同时对其进行读写操作。在对其内部同一存储单元访问时，要考虑写入和读出数据的完整性。IDT7134没有单独的主从处理器访问控制引脚，设计时需用软件方式来保证主计算机和C31之间数据交换的正确性。本方案中采用了在IDT7134中设置输入输出semaphore的方案，即主计算机在将跟踪雷达的测量数据写入双口RAM后，设置输入semaphore，通知C31读取测量数据。C31进行卡尔曼滤波后，将滤波结果写入双口RAM，设置输出semaphore，通知主计算机读取。双口RAM的数据宽度为8位，C31数据总线宽度为32位。双口RAM的数据总线和C31低8位数据总线相接。为了提高数据处理的精度，双口RAM中的跟踪数据和C31的滤波结果都以字（32位）为单位进行存储，C31作卡尔曼滤波时，首先按字节读取跟踪数据，然后进行移位，拼接成32位整形数，再将整形数转换为浮点数，进行滤波运算。输出时，则将浮点型的结果转为整形数，按字节写入双口RAM中。双口RAM空间分配如图2所示。

2.2 C31的系统装入和管理

C31有两种工作模式，即微处理器和微计算机方式，本方案中，C31的MCBL/MP脚接高电平，C31工作于微计算机方式。C31具有程序引导功能，其内部固化有引导程序（BOOT），可将来自其它处理器、低速EPROM或其它标准的存储器件的程序和数据装入到高速静态RAM中以全速运行。C31有两种装入方式可供用户选择：串行装入方式和存储器装入方式。存储器装入方式根据地址的不同又分为三种：BOOT1、BOOT2、BOOT3。C31通过查询四个中断引脚确定装入方式，引脚低电平有效。在本方案中，C31的INT脚接低电平。C31采取BOOT2的引导方式，将从0x400000处开始的程序存储器中的卡尔曼滤波程序以8位字节方式引导到首地址为0x100000的高速RAM中。采用外部存储器装入时，需在程序前加装程序头。程序头包括下列信息：

（1）外部存储器的宽度（8/16/32位）;

（2）程序代码块的长度;

（3）装入的目的起始地址;

（4）存储器访问的定时控制。

程序头内容安排见表1。

本方案中程序头配置如下：“08 00 00 00 F8 10 00 00 FF 20 00 00 00 00 10 00”，包含以下信息：①外部程序存储器宽度为8位;②EPROM需要7个等待状态;③装入的目的起始地址为0X100000;④程序代码块长度为20FF。程序头在存储器的0X400000开始存放。［page］

C31的EMU0～EMU3为4个仿真引脚，H3为时钟引脚，按照MPSD仿真头的定义将其和仿真器相连。C31的仿真器没有采用传统的电路仿真器，而是采用先进的扫描仿真器，扫描仿真器通过DSP芯片上提供的仿真引脚和时钟引脚实现仿真功能。用户程序存储在目标系统的片内或片外存储器中，可实时运行，而不会因仿真器引入额外的等待状态。

3 数据处理模块的软件设计方法

数据处理模块的软件设计是在TI公司的DSP集成开发环境CCS下进行的。它有C2000CC、C3000CC、CCS5000、CCS6000等4个不同版本。对于C31来讲，可采用C3000CC版本的软件。编程语言既可选择C31的汇编语言也可使用C语言。汇编语言在低层的初始化和I/O控制编程方面效率高，但对于类似卡尔曼滤波这类复杂控制算法的编程却不如C语言简捷，且汇编语言的可读性和移植性差。因此这里采用C语言进行程序设计。设计过程如下：

（1）在CCS下用C语言编辑卡尔曼滤波源程序;

（2）编写链接命令文件，即扩展名为·cmd文件;

（3）建立扩展名为·mak的工程文件，将卡尔曼滤波源程序、链接命令文件以及支持库RTS30·LIB加入到所建立的工程中去;

（4）对该工程进行build，若无错误，即生成扩展名为·out的文件。

生成的·out文件可通过仿真器进行调试。调试完成后，将·out文件保存为·out（coff）格式文件。在编程器中对该文件进行修改，把程序头加到卡尔曼滤波程序的前面，一起写入EPROM。

图3和图4给出了数据处理模块的流程图，主计算机和C31可并行工作，通过双口RAM中的semaphone进行查询和设置，完成它们之间的数据交换，进而对跟踪目标实现数据处理。

本文介绍了卡尔曼滤波以及基于DSP的卡尔曼滤波器数据处理模块的原理，该模块具有运算能力强和实时性好的特点。在对跟踪目标进行卡尔曼滤波时，其处理周期仅有几十个μs，能很好地满足TMS雷达系统中数据处理任务的需要。

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