主动方针辨认体系ATR(Automatic Target Recognition)的根本功能是对方针进行勘探、辨认及分类[1]，而水中方针勘探渠道是一种特别的主动方针辨认体系。
水中ATR渠道一般需求对信号进行接连收集而且实时处理， 以获取方针的特征信息，然后进行方针辨认和参数估量。由于水中ATR渠道作业环境的特别性，要求整个硬件体系具有极低的功耗。以往的水中ATR渠道一般选用ADC+DSP(Digital Signal Processor)+FPGA(Field Programmable Gates Array)构架[2]来完结方针的检测与辨认。FPGA首要担任地址译码和数据缓存，这种规划结构简化了DSP软件规划使命。可是由于FPGA作业电流一般是几十毫安,导致体系功耗较大。为了战胜传统的依据单CPU的勘探渠道功耗高、操控杂乱等缺陷,本体系选用了MCU+DSP的双CPU的结构。该结构的关键在于快速高效地完结两者之间通讯。传统的依据串行多通道缓冲串口McBSP(Multichannel Buffered Serial Ports)的通讯形式通讯带宽运用率低，数据传输速率低，成为整个体系实时处理的瓶颈。为此,本文规划了依据HPI (Host Port Interface)接口的MSP430与DSP主从式双CPU方针勘探体系，使ATR渠道满意体系低功耗和实时性的需求。
1 HPI接口
现在比较常用的多CPU之间衔接办法首要有两种：直接互连和直接互连。直接互连首要经过SPI串口、HPI并口完结互连；直接互连首要经过FPGA、CPLD等可编程逻辑器材、双端口RAM、FIFO存储器等完结互连。
在ATR渠道中，首要考虑运用直接互连办法。一方面，没有额定添加器材，下降了体系功耗；另一方面，大大简化了多CPU之间的硬件衔接。SPI接口办法衔接简略，但数据传输的理论传输速度只能到达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才能进步的瓶颈，致使多CPU之间通讯功率下降。而DSP的HPI接口供给了一个16 bit的并行数据接口，理论传输速度到达50 MB/s，远高于串行接口传输速度。因而，选用HPI接口能够很容易地完结大容量数据的快速传输。经过HPI，主机能够拜访DSP内部的双拜访数据存储器(DARAM)，此刻，DSP相当于主机的一个外设。
2 体系规划
依据工程规划要求，水中ATR渠道有必要具有低功耗特色，因而挑选德州仪器公司的超低功耗微操控器MSP430F149作为体系的主CPU。其具有5种低功耗形式，在低功耗形式LPM3下,只需求2.0 μA供电电流，选用3.3 V供电情况下，全速运转也只需求420 μA的电流。它还具有多种时钟形式，经过程序操控，能够灵敏地挑选不同的时钟来下降体系功耗[4]。挑选TI DSP宗族中功耗优化产品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。能够依据所需时钟不同灵敏挑选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，在实践的规划过程中，依据算法实时性需求,灵敏挑选内核电压以到达下降体系功耗的意图。
MSP430F149首要担任数据收集，DSP电源办理，以及一些运算量比较小的算法的完结(如体系中的预警检测算法)TMS320VC5509A首要完结运算量较大的方针辨认及参数估量算法。双CPU之间通讯选用HPI接口，完结主从机之间的无缝衔接。详细硬件结构框图如图1所示。
体系的根本作业流程是信号经过模仿预处理之后，在单片机MSP430的操控下，运用其内部的ADC对经调度后的信号进行采样。将收集到的数据做预警检测，当预警发现可疑方针时发动DSP，MSP430将需求剖析的数据传输到DSP中，进行高阶谱剖析、小波改换等参数估量及特征提取算法，最终把成果传回MSP430，再由单片机操控其他电路作业。
2.1 电源模块
本模块首要是由双输出电源调整芯片TPS73HD301和外围器材构成。详细硬件衔接如图2所示。
THP73HD301输出3.3 V和1.2 V两路直流电源，其使能引脚接入到MSP430的IO口，能够方便地完结DSP电源的操控，然后决议DSP的作业与否。只要在需求进行参数估量及特征提取等运算量大的运算时才发动DSP。这样的电源规划形式能够有效地操控体系功耗。由于体系的功耗首要会集在DSP上，而MSP430的功耗极低。
2.2 数据收集
体系数据收集首要由MSP430内部的12 bit ADC12完结,其最高采样率达200 KS/s；具有多种转化形式,能够经过软件灵敏挑选；依据体系采样要求,对ADC12内部寄存器进行装备。装备的内容首要包含采样挑选通道、参阅电压、采样时钟、采样形式、采样坚持时刻等。依据采样时序要求,需求装备的寄存器有ADC12CTL0、ADC12CTL1、ADC12MCTLx。本体系中挑选单通道重复采样形式,采样触发源挑选Timer_A.OUT1，采样频率完全由Timer_A来决议，在ADC12的中止服务程序中读取采样成果。只要需求进行数据搬移时才中止MSP430的CPU，CPU上电作业，这种“Sleep/Wake”作业体系使得功耗较大的CPU作业时刻大大削减,然后下降了体系功耗。
此外，HPI传输数据时，ADC数据存储选用“乒乓操作”，在RAM中拓荒一个缓冲区，当该缓冲区半满时，读数据指针指向整个缓冲区开端，写数据指针指向别的一半缓冲区开端。这样的规划确保数据高效、快速地传输到DSP中。
2.3 信号处理模块
数字信号处理的中心是TI公司的低功耗16 bit定点DSP-TMS320VC5509A，其具有一个增强型主机接口(HPI),能够与主处理器(如PC、DSP、ARM、51系列、MSP430系列单片机)构成主从构架处理器，增强体系的灵敏性和可操作性。
信号处理模块的首要效果便是对收集到的数据作进一步的剖析，以便愈加牢靠地勘探到方针。信号处理算法首要包含有限带宽声源级估量、高阶谱剖析中的双谱剖析、小波剖析等。此外，在建立好硬件DSP渠道上编写相应的驱动程序如(与MSP430通讯的HPI接口程序、I2C形式的Bootloader程序)。程序的开发均选用模块化编程，以便于后续资源的运用。
在本体系中，为了进一步下降体系功耗，在编写信号处理模块程序时，选用“Sleep/Wake”作业体系，当数据需求实时处理时，体系各个模块均处于作业状况，此刻功耗到达最大值。数据处理完毕后体系进入低功耗或许DSP掉电形式，此刻体系进入微功耗状况，功耗到达最低值；微功耗状况和作业状况之间的切换由体系内部中止源发生。双CPU通讯便是依据此机制，由HPI中止源唤醒DSP，DSP开端作业，MSP430进入低功耗形式。DSP完毕数据处理之后，中止源唤醒MSP430，MSP430开端作业，DSP进入低功耗形式，这种替换的Sleep-Wake-Sleep形式使MSP430和DSP替换作业，DSP作业时刻大大削减,有效地下降了体系功耗。延长了水中ATR渠道的作业时刻。
3 HPI通讯
3.1 HPI硬件衔接
3.2 HPI软件操作
在本文所述体系中，MSP430具有对DSP的操控权，HPI通讯是依据中止办法进行的：主机经过对收集到的信号进行简略算法的方针检测，如发现可疑方针，发动DSP，开端经过HPI接口传输数据。传输完毕之后，中止DSP，DSP呼应中止，开端进行杂乱的特征提取算法检测。处理完毕之后，置HINT为高，中止MSP430，DSP停机，掉电，主机持续作业。
从机DSP相当于主机MSP430的一个存储器映射，经过HPI接口，MSP430能够拜访C55X系列DSP内部映射地址规模为000060H~003FFFH 的DRAM，HPI不能直接拜访其他外设寄存器，假如主机需求从其他外设获取数据时,则有必要经过CPU或6个DMA通道中的一个,先将数据搬移到该DRAM中[6]。
HPI接口驱动程序首要由MSP430接口程序和DSP接口程序组成。MSP430和DSP的HPI接口通讯流程图如图4所示。
4 体系调试及消声水池试验
在上述建立的水中低功耗ATR硬件渠道上编程完结双CPU之间HPI通讯、预警检测算法以及方针特征提取算法等，然后检测体系硬件渠道的牢靠性。
HPI通讯是本硬件体系的关键所在，图5中上侧是MSP430集成开发环境IAR中ADC收集1 kHz正弦波的256点数据，采样率为4 096 Hz。图5下侧是DSP中存入DARAM中的数据经过CCS制作的波形图以及DRAM中地址为0x00060处的数据。经过比照发现，MSP430中的数据经过HPI接口传输到了DSP的SDRAM中，由此能够看出HPI数据传输的正确性。
为了测验水中方针勘探渠道的功能，在西北工业大学消声水池对该渠道样机进行了测验，测验现场安置如图6所示。功耗测验成果如下：当勘探体系处于预警检测状况时，体系均匀功耗为0.28 mW；当勘探体系处于全速作业状况时，体系的峰值功耗为118.2 mW。考虑实践体系的作业时刻，依照85%的预警时刻+15%的全速作业时刻核算，体系整机均匀功耗为17.97 mW。体系测验成果如下：正确预警检测概率为94%，A类方针辨认率到达86.3%，B类方针辨认率到达了87.2%，满意规划要求。
本文在剖析了主动方针勘探渠道特色的基础上，提出了一种依据HPI接口的MSP430+DSP主从结构的方针勘探硬件渠道，并完结了主从CPU的HPI通讯、方针检测和参数估量等算法。经过HPI接口通讯，能够完结大容量数据快速高效的传输。选用这种双CPU的构架和运用“Sleep/Wake”编程作业体系大大下降了体系功耗，在选用电池供电的便携式数据处理和方针勘探辨认渠道中具有很好的使用远景。
