基于DSP和FPGA構(gòu)成多普勒測(cè)量系統(tǒng)

隨著FPGA性能和容量的改進(jìn)，使用FPGA執(zhí)行DSP功能的做法變得越來(lái)越普遍。在許多情況下，同一應(yīng)用中同時(shí)使用處理器和FPGA，采用協(xié)處理架構(gòu)，讓FPGA執(zhí)行預(yù)處理或后處理操作，以加快處理速度。本文說(shuō)明如何將FPGA和與固定功能DSP結(jié)合起來(lái)使用,設(shè)計(jì)一個(gè)基于多普勒測(cè)量原理的非侵入式測(cè)量系統(tǒng)。

圖1：電子束聚集技術(shù)。

傳統(tǒng)上，大量的應(yīng)用設(shè)計(jì)使用專(zhuān)門(mén)的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片或?qū)Ｓ脴?biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)并通過(guò)信號(hào)處理算法來(lái)處理數(shù)字信息，濾波、視頻處理、編碼與解碼、以及音頻處理等僅僅是眾多采用 DSP 的應(yīng)用中的一部分而已。

現(xiàn)在，隨著 FPGA 性能和容量的改進(jìn)，以及可以在大多數(shù) DSP 應(yīng)用中看到的通用算術(shù)運(yùn)算的效率的提高，使用FPGA執(zhí)行DSP功能的做法變得越來(lái)越普遍。在許多情況下，同一應(yīng)用中同時(shí)使用處理器和FPGA，采用協(xié)處理架構(gòu)，讓FPGA執(zhí)行預(yù)處理或后處理操作，以加快處理速度。

顯示此種趨勢(shì)的應(yīng)用之一是多普勒測(cè)量系統(tǒng)，它可以測(cè)量固體或液體在各種環(huán)境中流動(dòng)的速度。從管道中流動(dòng)的油，到人的心臟中流動(dòng)的血液，相對(duì)于以前的方法，基于多普勒測(cè)量原理的非侵入式測(cè)量方法可以極大地降低風(fēng)險(xiǎn)，減少成本和提高精度。一般來(lái)說(shuō)，這些系統(tǒng)都是采用 DSP技術(shù)，將FPGA和如TI公司提供的固定功能DSP器件之類(lèi)結(jié)合起來(lái)使用。

多普勒測(cè)量系統(tǒng)

多普勒測(cè)量系統(tǒng)利用多普勒效應(yīng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(固體、液體或氣體)的速度。最著名的應(yīng)用大概要算雷達(dá)槍了，交通巡警利用它檢測(cè)超速汽車(chē)。

在測(cè)量除汽車(chē)速度之外的其他物體的運(yùn)動(dòng)(例如心臟中血液的流動(dòng))時(shí)，需要進(jìn)行多種測(cè)量，來(lái)確定更為復(fù)雜的流動(dòng)的細(xì)節(jié)。方法之一是利用電子束聚集技術(shù)。

在這種技術(shù)中，將使用大量探測(cè)器(許多小雷達(dá)槍)測(cè)量從發(fā)射源返回的頻率。這些探測(cè)器沿拋物線分布(如圖1 所示)，因此從焦點(diǎn)返回的信號(hào)將會(huì)同時(shí)到達(dá)每個(gè)探測(cè)器。將這些信號(hào)組合起來(lái)，并對(duì)顯著速度的微小波動(dòng)進(jìn)行少量處理，就可以確定位于焦點(diǎn)處的物體的速度。如果可以移動(dòng)探測(cè)器來(lái)對(duì)整個(gè)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行掃描，那么這種方法效果會(huì)相當(dāng)好，但是如果沒(méi)有這樣的條件，則可以采用另外一種技術(shù)，它可以獲得同樣的結(jié)果。通過(guò)插入一定的可編程的延遲，改變各個(gè)探測(cè)器的輸入組合的時(shí)間，可以將焦點(diǎn)改變到關(guān)注區(qū)域中的幾乎任何位置。例如，加入一定的固定額外延遲可以使焦點(diǎn)遠(yuǎn)移，而改變延遲來(lái)縮短探測(cè)器一側(cè)的傳播路徑則會(huì)使焦點(diǎn)向該側(cè)移動(dòng)。

圖2 顯示了如何利用可調(diào)延遲產(chǎn)生拋物線形效果?？烧{(diào)延遲功能在富含寄存器的FPGA中極易實(shí)現(xiàn)，并可能成為從傳統(tǒng)DSP中剝離作為協(xié)處理器功能的一種功能。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)示例

圖 3 顯示了一種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)示例的框圖。位于圖中部的 FPGA 負(fù)責(zé)產(chǎn)生發(fā)射器使用的輸出信號(hào)。該實(shí)現(xiàn)采用Xilinx直接數(shù)字頻率綜合器IP核，可方便地產(chǎn)生各種波形?？梢愿鶕?jù)測(cè)量目標(biāo)的不同輕松改變頻率。

圖2：具有延遲功能的電子束聚集技術(shù)。

探測(cè)器測(cè)量返回信號(hào)的模擬值，產(chǎn)生饋送到FPGA的數(shù)字值。FPGA對(duì)輸入信號(hào)執(zhí)行部分初步濾波運(yùn)算，來(lái)調(diào)整探測(cè)器的位置。然后FPGA向每個(gè)探測(cè)器數(shù)據(jù)流中插入一定可編程延遲，以實(shí)現(xiàn)電子束聚集功能。數(shù)據(jù)流被組合起來(lái)，一個(gè)數(shù)字濾波器負(fù)責(zé)確定信號(hào)的頻率分量。這樣就得到了確定焦點(diǎn)速度所必需的多普勒讀數(shù)。

在FPGA的內(nèi)部有一個(gè)MicroBlaze軟核，控制著測(cè)量過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)高層次的功能，如掃描、初始化、測(cè)試，以及診斷等。

DSP讀取和存儲(chǔ)FPGA執(zhí)行操作的結(jié)果。一旦完成一系列掃描，處理器就可以構(gòu)建出一幅針對(duì)掃描區(qū)域的數(shù)字圖像。可以為不同的速度分配不同的顏色(按照線性、對(duì)數(shù)或任何其他比例)，并將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像，在圖形終端上實(shí)時(shí)顯示或記錄下來(lái)留待以后回放。利用眾多可以得到的軟件或工具包中的一個(gè)，還可以在處理器中輕松實(shí)現(xiàn)到JPEG或其他視頻格式的轉(zhuǎn)換， 還可以采用其他系統(tǒng)分割進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如果實(shí)時(shí)視頻處理和存儲(chǔ)占用了處理器過(guò)多帶寬，可以將算法的一部分(比如掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理)放在FPGA中來(lái)執(zhí)行。

測(cè)量過(guò)程的另一個(gè)重要部分是確定目標(biāo)的質(zhì)量。可以通過(guò)測(cè)量從焦點(diǎn)返回探測(cè)器的能量大小來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。返回的能量越多，則目標(biāo)越大(一般而言)。當(dāng)測(cè)量的目標(biāo)具有固定連貫性時(shí)(如在管道中流動(dòng)的油或其他液體)，這種測(cè)量效果特別好，但當(dāng)系統(tǒng)中存在各種不同質(zhì)量或反射時(shí)，測(cè)量就很困難了。

顯然，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)多些了解可以為測(cè)量過(guò)程提供一些線索。通過(guò)存儲(chǔ)與返回信號(hào)的幅度相對(duì)應(yīng)的數(shù)字值，可以為FPGA協(xié)處理器增加能量測(cè)量功能。該值也是經(jīng)過(guò)了FPGA的延遲。

作為選擇，JPEG處理可以作為一項(xiàng)獨(dú)立的功能通過(guò)FPGA來(lái)執(zhí)行，從而使處理器留出更多時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理器。有許多選項(xiàng)可供選擇，但提供一種能夠快速實(shí)現(xiàn)不同分割的易用平臺(tái)才是至為重要的。

類(lèi)似的以協(xié)處理為本的應(yīng)用可以從硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的使用中獲得好處。利用硬件平臺(tái)可以讓您輕松實(shí)驗(yàn)各種系統(tǒng)和算法分割--將一些功能在FPGA 中實(shí)現(xiàn)，而另一些功能放在DSP中。DSP應(yīng)用程序一般很難用軟件進(jìn)行仿真，因此快速創(chuàng)建硬件/固件/軟件平臺(tái)的能力可以極大地縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。使用賽靈思工具套件中的協(xié)仿真工具，通過(guò)The MathWorks Simulink和目標(biāo)硬件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，是一種可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間的技巧。

圖3：示例系統(tǒng)框圖。

Avnet DSP協(xié)處理器設(shè)計(jì)套件

Avnet DSP協(xié)處理設(shè)計(jì)套件是針對(duì)以DSP為導(dǎo)向、同時(shí)需要使用FPGA和DSP的廣泛應(yīng)用開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的。套件配有兩塊主電路板。Virtex-4評(píng)估板(如圖4所示)配有 Xilinx Virtex-4 SX-FF668 FPGA、平臺(tái)閃速配置PROM、擴(kuò)展連接器、Cypress CY7C68013 USB2.0 控制器、國(guó)家半導(dǎo)體的DP83847 10/100 以太網(wǎng)端口、128x64 OSRAM 圖形顯示器、8MB閃存、32MB DDR SDRAM 以及各種用戶開(kāi)關(guān)和LED。第二塊電路板是 TI DSP 適配器模塊(如圖5所示)，用于在Virtex-4 電路板和各種 TI DSP評(píng)估板之間起接口作用?？梢詮?Avnet公司購(gòu)買(mǎi)TI電路板，完成開(kāi)發(fā)平臺(tái)的構(gòu)建。