基于HPI接口的双CPU水中目标探测平台设计

摘  要： 针对水中目标探测平台低功耗和实时性的需求，提出了一种基于HPI接口的双CPU目标探测平台设计方案，并给出了硬件实现。首次将并行的HPI接口应用到水中目标探测平台上，有效地提高了数据交换速度；采用“Sleep/Wake”工作体制进行软件编程，降低了系统功耗。消声水池实验运行结果表明，该平台设计可行，各功能模块均正常工作，系统平均功耗在18 mW左右，达到了预期的设计指标。
关键词：目标探测平台； MSP430； HPI； 低功耗
   　自动目标识别系统ATR(Automatic Target Recognition)的基本功能是对目标进行探测、识别及分类[1]，而水中目标探测平台是一种特殊的自动目标识别系统。
　水中ATR平台一般需要对信号进行连续采集并且实时处理， 以获取目标的特征信息，从而进行目标识别和参数估计。由于水中ATR平台工作环境的特殊性，要求整个硬件系统具有极低的功耗。以往的水中ATR平台一般采用ADC+DSP(Digital Signal Processor)+FPGA(Field Programmable Gates Array)构架[2]来实现目标的检测与识别。FPGA主要负责地址译码和数据缓存，这种设计结构简化了DSP软件设计任务。但是由于FPGA工作电流一般是几十毫安,导致系统功耗较大。为了克服传统的基于单CPU的探测平台功耗高、控制复杂等缺点,本系统采用了MCU+DSP的双CPU的结构。该结构的关键在于快速高效地实现两者之间通信。传统的基于串行多通道缓冲串口McBSP(Multichannel Buffered Serial Ports)的通信模式通信带宽利用率低，数据传输速率低，成为整个系统实时处理的瓶颈。为此,本文设计了基于HPI (Host Port Interface)接口的MSP430与DSP主从式双CPU目标探测系统，使ATR平台满足系统低功耗和实时性的需求。
1 HPI接口
　目前比较常用的多CPU之间连接方式主要有两种：直接互连和间接互连。直接互连主要通过SPI串口、HPI并口实现互连；间接互连主要通过FPGA、CPLD等可编程逻辑器件、双端口RAM、FIFO存储器等实现互连。
　在ATR平台中，主要考虑使用直接互连方法。一方面，没有额外增加器件，降低了系统功耗；另一方面，大大简化了多CPU之间的硬件连接。SPI接口方式连接简单，但数据传输的理论传输速度只能达到12.5 MB/s，在一些实时性要求比较高的场合，数据传输成为整个信号处理能力提高的瓶颈，致使多CPU之间通信效率下降。而DSP的HPI接口提供了一个16 bit的并行数据接口，理论传输速度达到50 MB/s，远高于串行接口传输速度。因此，选用HPI接口可以很容易地实现大容量数据的快速传输。通过HPI，主机可以访问DSP内部的双访问数据存储器(DARAM)，此时，DSP相当于主机的一个外设。

2 系统设计
　根据工程设计要求，水中ATR平台必须具备低功耗特点，因此选择德州仪器公司的超低功耗微控制器MSP430F149作为系统的主CPU。其拥有5种低功耗模式，在低功耗模式LPM3下,只需要2.0 μA供电电流，采用3.3 V供电情况下，全速运行也只需要420 μA的电流。它还拥有多种时钟模式，通过程序控制，可以灵活地选择不同的时钟来降低系统功耗[4]。选择TI DSP家族中功耗优化产品TMS320C55X系列中的TMS320VC5509A作为从CPU，其最高主频为200 MHz，功耗仅为C54的1/6。可以根据所需时钟不同灵活选择1.2 V、1.35 V和1.6 V内核电压[5]，电压越高，DSP最高主频越大，功耗越大，在实际的设计过程中，根据算法实时性需求,灵活选择内核电压以达到降低系统功耗的目的。
　MSP430F149主要负责数据采集，DSP电源管理，以及一些运算量比较小的算法的实现(如系统中的预警检测算法)TMS320VC5509A主要实现运算量较大的目标识别及参数估计算法。双CPU之间通信采用HPI接口，实现主从机之间的无缝连接。具体硬件结构框图如图1所示。
   
       系统的基本工作流程是信号经过模拟预处理之后，在单片机MSP430的控制下，利用其内部的ADC对经调理后的信号进行采样。将采集到的数据做预警检测，当预警发现可疑目标时启动DSP，MSP430将需要分析的数据传输到DSP中，进行高阶谱分析、小波变换等参数估计及特征提取算法，最后把结果传回MSP430，再由单片机控制其他电路工作。
2.1 电源模块
     本模块主要是由双输出电源调整芯片TPS73HD301和外围器件构成。具体硬件连接如图2所示。