由DSP構(gòu)成的紅外線實(shí)時(shí)監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)

紅外線遙控技術(shù)是利用紅外線來(lái)傳送指令的技術(shù),它在家用電器、玩具、安全保衛(wèi)、軍事技術(shù)、工業(yè)控制以及人們的日常生活等許多領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)在實(shí)時(shí)、快速地進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理方面無(wú)疑是佼佼者。TMS320C6201芯片是TI公司推出的并行處理的數(shù)字信號(hào)處理器,采用定點(diǎn)運(yùn)算,是目前市場(chǎng)上所有的DSP芯片中速度較快、處理功能較強(qiáng)的DSP處理器,有廣闊的應(yīng)用前景。本文即利用TMS320C6201芯片作為微處理器,成功地開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出了紅外線信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有反應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確度高、體積小、功耗低、功能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)。

1? 紅外線遙控原理及DSP芯片

1.1 紅外線遙控原理

　　紅外線是一種電磁射線,其特性等同于無(wú)線電或X射線。人眼可見(jiàn)的光波長(zhǎng)為380~780nm,波長(zhǎng)為780nm~1mm的長(zhǎng)射線稱為紅外線。部分光的光譜分布如圖1所示。紅外線光電開(kāi)關(guān)(光電傳感器)是光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱,它是利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射,由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú),其物體不限于金屬,對(duì)所有能反射光線的物體均可檢測(cè)。鏡反射式光電開(kāi)關(guān)是集發(fā)射器與接收器于一體的器件。光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)反射鏡反射回接收器,當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)且完全阻斷光線時(shí),光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào),其工作示意圖如圖2所示。本系統(tǒng)選用的是浙江洞頭光電開(kāi)關(guān)廠的SQ3M-3鏡反射型NPN4線、開(kāi)—閉式的光電開(kāi)關(guān),其特性如下。

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　　檢測(cè)距離3m?；夭钪怠?0%。響應(yīng)頻率200Hz。指向角3°～20°。工作電壓10～30V。靜態(tài)電流≤30mA,輸出電流≥200mA。殘留電壓≤1V。抗干擾程度:能承受峰值為±1000V,脈寬為1μs的電壓沖擊。以電纜方式連接(長(zhǎng)度2m)。防護(hù)等級(jí)IP50(IEC規(guī)格)。環(huán)境照度:太陽(yáng)光11000Lux(最大),日光燈3000Lux(最大)。絕緣電阻≥50MΩ。耐電壓AC1500V(50/60Hz1分鐘),抗振程度:10~55Hz(周期每分鐘),復(fù)振幅為1mm且X、Y、Z方向各2小時(shí)。抗沖擊性:500M/s2(50g)且X、Y、Z方向各3次。環(huán)境溫度:工作時(shí)在-30℃～+80℃(未結(jié)冰狀態(tài)下),儲(chǔ)存時(shí)在-30℃~+80℃(未結(jié)冰狀態(tài)下)。環(huán)境濕度:工作時(shí)為35%～95%RH。指示燈動(dòng)作顯示為紅色LED。

1.2 DSP芯片

　　TMS320C6201芯片是高速、高效定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片,是TI公司20世紀(jì)90年代后期產(chǎn)品。它采用流水線操作方式,最大處理能力為1600MIPS,完成1024定點(diǎn)FFT的時(shí)間只需要70μs。由于具有特殊的velociTI結(jié)構(gòu)及獨(dú)特的指令集,所以它的運(yùn)算能力、并行性和靈活性都非常強(qiáng)大。同時(shí)其外圍設(shè)備(DMA控制器、主機(jī)接口(HPI)、中斷選擇器等)能夠很方便地與其他外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。TMS320C6201內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,由3個(gè)主要部分組成:CPU內(nèi)核、外設(shè)和存儲(chǔ)器。CPU內(nèi)核中的8個(gè)功能單元可以完成并行運(yùn)行,功能單元執(zhí)行邏輯、位移、乘法、加法和數(shù)據(jù)尋址等操作。它的超長(zhǎng)指令字(VLIW)方式,其單指令字長(zhǎng)32位,每條32位指令占用1個(gè)功能單元。取指令、指令分配和指令譯碼單元每一周期都可以從程序存儲(chǔ)器到功能單元傳遞8條指令,這8條指令組成1個(gè)指令包,總字長(zhǎng)為8×32=256位。芯片內(nèi)部設(shè)置了專門(mén)的指令分配模塊,可以將每個(gè)256位指令包分配到功能單元中,并由8個(gè)功能單元并行運(yùn)行。其片內(nèi)存儲(chǔ)器總?cè)萘繛?MB,其中2KB×256用于程序內(nèi)存和程序cache;64KB用于數(shù)據(jù)內(nèi)存和數(shù)據(jù)cache,用戶可以訪問(wèn)8位、16位和32位數(shù)據(jù)。它的外設(shè)模塊包括多通道緩沖串口、時(shí)鐘、外部存儲(chǔ)器接口EMIF、DMA控制器、主機(jī)口和power-down邏輯等。DMA控制器可以在存儲(chǔ)器空間的各區(qū)域間控制轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù);外部存儲(chǔ)器接口EMIF可以訪問(wèn)的片外存儲(chǔ)器最大容量為64MB,數(shù)據(jù)總線寬度為32位,同時(shí)也提供對(duì)8位和16位存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)支持;16位寬的主機(jī)口HPI可以訪問(wèn)TMS320C6201的所有存儲(chǔ)空間和設(shè)備。

2?系統(tǒng)組成及工作原理

　　系統(tǒng)的組成框圖如圖4所示,其中DSP芯片C6201與信號(hào)調(diào)理電路、外擴(kuò)存儲(chǔ)器等一起構(gòu)成高速的數(shù)據(jù)采集模塊,這些模塊與相應(yīng)的軟件結(jié)合,完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、故障判斷和報(bào)警等任務(wù)。當(dāng)接收到光電開(kāi)關(guān)的信號(hào)后,C6201向上位機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。若該中斷未被屏蔽,則上位機(jī)響應(yīng)中斷,并轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序?qū)⒋鎯?chǔ)在C6201的外擴(kuò)SDRAM中的數(shù)據(jù)通過(guò)HPI一次性讀入上位機(jī),然后返回中斷。而上位機(jī)則根據(jù)采集的數(shù)據(jù)作出報(bào)警或消除誤報(bào)等一系列動(dòng)作。由于上位機(jī)與C6201之間的數(shù)據(jù)傳輸采用的是帶地址自增的讀方式,讀取對(duì)象是C6201的外部SDRAM,其最大傳輸速率為200Mbps。所以,C6201與上位機(jī)的通信非常迅速,系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。為了保證C6201HPI與接口PCI9052協(xié)調(diào)穩(wěn)定地工作,除了要有合理的硬件電路外,還必須對(duì)PCI9052的內(nèi)部寄存器進(jìn)行準(zhǔn)確的配置(限于篇幅,這里不作介紹)。

2.1 系統(tǒng)主要電路

2.1.1 DSP與上位機(jī)的連線

　　DSP與上位機(jī)連線圖如圖5所示,C6201由主機(jī)口HPI通過(guò)PLX公司的PCI9052與上位機(jī)連接。C6201的HPI是一個(gè)16位寬度的并行端口,上位機(jī)掌握該接口的主控權(quán)。通過(guò)它可以直接訪問(wèn)CPU存儲(chǔ)空間,還可以直接訪問(wèn)DMA輔助通道,以完成HPI對(duì)存儲(chǔ)空間的訪問(wèn)。主機(jī)和CPU都可以對(duì)HPI控制寄存器(HPIC)進(jìn)行訪問(wèn),主機(jī)方還可以訪問(wèn)HPI地址寄存器(HPIA)、HPI數(shù)據(jù)寄存器(HPID)以及C6201的存儲(chǔ)映射的外圍設(shè)備。HPI與CPU存儲(chǔ)空間的互連是通過(guò)DMA控制器實(shí)現(xiàn)的。它們借助專門(mén)的地址和數(shù)據(jù)寄存器,通過(guò)DMA輔助通道,完成HPI對(duì)存儲(chǔ)空間的訪問(wèn)。PCI9052是PLX公司的低成本PCI接口芯片,它支持PCI2.1協(xié)議,在33MHz的總線時(shí)鐘頻率下峰值傳輸速率可達(dá)132MHzps,改善了數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹捌款i”問(wèn)題,而且還不會(huì)浪費(fèi)資源,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)資源的自動(dòng)配置。因?yàn)镃6201的I/O工作電壓為3.3V,PCI9052工作電壓為5V,為了使電平匹配,必需通過(guò)SN74CBTD3384進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。SN74CBTD3384是TI公司的10位雙向總線轉(zhuǎn)換器,其輸入、輸出引腳一一對(duì)應(yīng),分別排在芯片的二側(cè),圖5中共用了3片SN74CBTD3384。NM93CS46是PLX公司的串行E2PROM,它用于加載PCI9052的配置信息,并按一定的順序存放PCI9052的設(shè)備號(hào)(DID)、供應(yīng)號(hào)(SID)、供應(yīng)商號(hào)(VID)、子設(shè)備號(hào)(SDID)、子供應(yīng)商代號(hào)(SVID)、PCI總線與局部總線之間的地址空間映射關(guān)系、片選取地址、控制位、狀態(tài)位及其他雜項(xiàng)配置等。用MAX706作為硬件看門(mén)狗電路,在系統(tǒng)“死機(jī)”或程序“跑飛”時(shí)使系統(tǒng)能夠自動(dòng)復(fù)位,以避免系統(tǒng)癱瘓。

2.1.2 DSP與外部存儲(chǔ)器電路的連線

　　TMS320C6201的EMIF是外部存儲(chǔ)器與DSP的接口,CPU訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)必須通過(guò)EMIF。本系統(tǒng)采用同步動(dòng)態(tài)型64Mb的SDRAM,DSP與SDRAM的接口如圖6所示,DSP與16位的ROM接口如圖7所示(其他電路略)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)及算法分析

　　由于C6201的指令集較簡(jiǎn)單,完成DSP算法中的一些指令(如乘、加、循環(huán)等)需要循環(huán)體,使程序設(shè)計(jì)復(fù)雜,所以軟件設(shè)計(jì)采用了軟件流水線技術(shù),并利用C6201的8個(gè)功能單元,讓程序并行運(yùn)行。因系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求高,故CPU采用了中斷工作方式。主程序?qū)τ布跏蓟?則等待中斷。中斷服務(wù)程序主要完成數(shù)據(jù)的采集與識(shí)別工作。系統(tǒng)中斷脈沖時(shí)間約為幾毫秒,但中斷處理程序必須在這個(gè)時(shí)間內(nèi)完成(C6201能保證在短時(shí)間內(nèi)完成相關(guān)函數(shù)、FFT等復(fù)雜的運(yùn)算)。

　　為保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、減少誤報(bào)率,本系統(tǒng)采用了識(shí)別算法。其思路是:由于被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)且完全阻斷某個(gè)光電開(kāi)關(guān)至少要有幾十到幾百毫秒的時(shí)間,因而光電開(kāi)關(guān)信號(hào)會(huì)在連續(xù)的數(shù)個(gè)周期中存在,且它們的函數(shù)有很強(qiáng)的自相關(guān)性。但微處理器可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次采樣,加以分析計(jì)算,以減少漏報(bào)率。

　　軟件由二大部分組成:一是運(yùn)行在DSP內(nèi)的系統(tǒng)監(jiān)控程序,二是運(yùn)行在上位機(jī)的圖形界面用戶程序。前者的實(shí)時(shí)性很強(qiáng),故采用TMS320C6201匯編語(yǔ)言編寫(xiě),經(jīng)匯編、鏈接、調(diào)試后將目標(biāo)代碼通過(guò)JTAG口下載到DSP內(nèi)。它的主要功能:(1)系統(tǒng)初始化。完成ROM、RAM、中斷以及定時(shí)器等外設(shè)初始化設(shè)置。(2)定時(shí)采樣。將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理后存入數(shù)據(jù)RAM中。(3)對(duì)數(shù)據(jù)作FFT運(yùn)算。根據(jù)選擇好的參數(shù)配置控制端口的工作等(限于篇幅,具體程序不作介紹)。

3? 結(jié)束語(yǔ)

　　本DSP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是在ICETEK/EVM-AD40M高速采集板背板系統(tǒng)上進(jìn)行的,選用的是TI公司的原裝TMS320C6201EVM處理板,十分方便。而且由于利用了DSP硬件結(jié)構(gòu)更適合作數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn),使程序用較少的時(shí)間就能完成比較復(fù)雜的運(yùn)算,加之采用的并行技術(shù)、先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析算法和優(yōu)化的編程方法,使得其在報(bào)警的速度和準(zhǔn)確度方面得到了保證。該系統(tǒng)具有誤報(bào)率及漏報(bào)率低、時(shí)效性和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn),己被做成產(chǎn)品,在一些超市、銀行、高級(jí)飯店、交通管理以及智能大廈等場(chǎng)所被使用,效果良好,其應(yīng)用前景十分看好。