| 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。卡尔曼滤波是一种估计的递推滤波算法，具有实时性好和高的特点。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，特别适合类似卡尔曼滤波这样运算量大、实时性和计算要求高的场合。
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： 式中，Ｘ(K)＝[X1(K)，X2(K)，X3(K)，X4(K)]Ｔ Z(K)=[Z1(K)，Z2(K)]Ｔ Ｈ＝1000 0010 Ｕ１(K)表示Ｔ时间内径向速度的变化量 其中，Ｇ(K)为卡尔曼增益矩阵 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，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： (３)装入的目的起始地址； 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。 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、C3000CCＣ、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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