基于DSP的无人值守地面探测系统硬件设计

传统的无人值守地面探测系统可以探测一定范围内的地面运动目标。其工作模式是把采集到的信号发送回地面接收站再进行处理。此方法不能实现终端实时信号处理，且反应时间较长。另外，信号在传输和接收的过程中会受到不同程度的干扰，这样就会使识别效果出现偏差，特别是在复杂电磁环境条件下，无线通信时间越长，传输数据量越大，则受到的干扰越多，且探测系统越容易被敌方发现。本文所设计的探测系统提出了一种实时处理信号的方法，直接将处理的结果发送给决策者，这样既避免了震动和声音信号在传输过程中的失真，又缩短了反应时间，同时还增加了探测系统的隐蔽性。

系统总体方案设计

无人值守探测系统一般由地震动和声音传感器、中央处理芯片、运算放大电路以及无线收发装置等模块组成，通过传感器系统采集震动和声音信号经过滤波电路、运算放大电路以及AD转换电路将模拟信号转换为数字信号，再对这些信号进行时频分析，以期达到识别目标性质的目的。根据系统探测和监视的需求，地震动传感器应能探测到200m以内的运动车辆及20m以内人员脚步的信号，声音传感器应能感应到600m以内的车辆噪声。

由于DSP处理器具有效率高，适合数据量较大、算法较复杂的信号处理等特点，因此本文选取DSP作为无人值守地面探测系统运算处理芯片。

本文所设计的地面探测系统主要由前端探测识别——地面探测主系统和后端显示——接收显示子系统两部分组成。当探测区域出现激励时，系统开始工作，DSP的集成A/D采样接口开始采集地震动和声音传感器经过放大调理的信号。DSP模块识别目标性质以后，通过串口发送相应的编码到无线收发模块，然后经过无线传输，发送到接收显示子系统的无线收发模块，最后通过单片机串口将编码发送给单片机，将编码代表的目标属性在液晶模块上显示出来。系统工作原理如图1所示。

图1 系统工作原理图

设计所需器件选型

传感器的选型

（1）地震动传感器

系统所使用的地震动传感器安装在探测系统中并布设到地面上，用于检测目标运动引起的地震动信号。

动圈磁电式传感器是地震勘探中广泛使用的一种成熟的传感器，其性能可靠、价格低廉，而且输出信号对后续电路要求不高，可以简化系统电路设计。本文选用DX20动圈磁电式传感器。

（2）声音传感器

声音传感器主要用于检测目标发动机引起的噪声和声压变化，是由探测到的声音信号的频率和声强级来识别目标的出现。常用的声音传感器可分为电容式、碳粉式、压电式和光纤声音传感器。其中电容式声音传感器具有较高的灵敏度、较低的自生噪声及较低的失真，性能优良，其性能可以满足本系统的要求。本系统选用电容式声音传感器。

电子元件的选型

为了使该系统在野外长期稳定地工作，系统需采用低功耗设计。在该系统中，DSP、运算放大器和无线收发模块的功耗占系统功耗的很大部分。所以对此三种器件的选择需特别注意功耗的问题。

（1）DSP的选型

随着半导体科技的发展，DSP的种类越来越多。选择DSP处理器主要从以下几个方面考虑：

② 性能：描述DSP性能的最重要的指标是运算速度。

②片内硬件资源：片内硬件资源主要包括片内RAM、ROM的数量，I/O接口的种类和个数，总线驱动能力，外部可扩展的程序和数据空间等。

③系统运算量。

④通常，DSP的功耗是较大的，系统采用的DSP芯片需具有空闲模式，能够做到有目标的时候探测，没有目标的时候休眠的要求，以降低功耗。

TI公司是DSP主要生产厂家，它的产品主要包括TMS320C6000、TMS320C5000、TMS320C2000系列。其中，C5000DSP可达200MHz左右的工作时钟频率，被广泛应用于语音信号处理和调制解调器等领域，其价格适中，且硬件设计要求比较高。

本系统所必需的DSP片内外设主要包括集成ADC转换器、DPLL时钟产生器、DMA控制器、EMIF、MCBSPS、通用定时器、看门狗定时器等，同时本系统具有一定的运算量。因此，本系统选用C5000DSP作为主要运算处理芯片。C5000 DSP包括C55x和C54x两代产品。充分考虑到系统的实时性和低功耗要求，本系统选取TI公司生产的TMS320VC5509A作为核心计算单元，它的处理能力可达到400MIPS，其资源可以完成地震动和声音信号采样以及目标识别功能。该型DSP具有休眠功能，当探测区域内没有目标时，主系统DSP进入旁路模式，处于空闲模式，其工作电流仅为16μA，大大降低了DSP的功耗；当目标出现时，DSP开始工作。

TMS320VC5509A集成一个双通道10位的模数转换(ADC)模块。模数转换器不能工作在连续模式下，DSP必须向ADC控制寄存器(ADCctl)的ADCstart位写入1来初始化每次