用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。