基于DSP和FPGA構(gòu)成多普勒測量系統(tǒng)

隨著FPGA性能和容量的改進，使用FPGA執(zhí)行DSP功能的做法變得越來越普遍。在許多情況下，同一應用中同時使用處理器和FPGA，采用協(xié)處理架構(gòu)，讓FPGA執(zhí)行預處理或后處理操作，以加快處理速度。本文說明如何將FPGA和與固定功能DSP結(jié)合起來使用,設(shè)計一個基于多普勒測量原理的非侵入式測量系統(tǒng)。

圖1：電子束聚集技術(shù)。

傳統(tǒng)上，大量的應用設(shè)計使用專門的數(shù)字信號處理(DSP)芯片或?qū)Ｓ脴藴十a(chǎn)品(ASSP)并通過信號處理算法來處理數(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 的應用中的一部分而已。

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

顯示此種趨勢的應用之一是多普勒測量系統(tǒng)，它可以測量固體或液體在各種環(huán)境中流動的速度。從管道中流動的油，到人的心臟中流動的血液，相對于以前的方法，基于多普勒測量原理的非侵入式測量方法可以極大地降低風險，減少成本和提高精度。一般來說，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器件之類結(jié)合起來使用。

多普勒測量系統(tǒng)

多普勒測量系統(tǒng)利用多普勒效應測量運動目標(固體、液體或氣體)的速度。最著名的應用大概要算雷達槍了，交通巡警利用它檢測超速汽車。

在測量除汽車速度之外的其他物體的運動(例如心臟中血液的流動)時，需要進行多種測量，來確定更為復雜的流動的細節(jié)。方法之一是利用電子束聚集技術(shù)。

在這種技術(shù)中，將使用大量探測器(許多小雷達槍)測量從發(fā)射源返回的頻率。這些探測器沿拋物線分布(如圖1 所示)，因此從焦點返回的信號將會同時到達每個探測器。將這些信號組合起來，并對顯著速度的微小波動進行少量處理，就可以確定位于焦點處的物體的速度。如果可以移動探測器來對整個關(guān)注區(qū)域進行掃描，那么這種方法效果會相當好，但是如果沒有這樣的條件，則可以采用另外一種技術(shù)，它可以獲得同樣的結(jié)果。通過插入一定的可編程的延遲，改變各個探測器的輸入組合的時間，可以將焦點改變到關(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遠移，而改變延遲來縮短探測器一側(cè)的傳播路徑則會使焦點向該側(cè)移動。

圖2 顯示了如何利用可調(diào)延遲產(chǎn)生拋物線形效果。可調(diào)延遲功能在富含寄存器的FPGA中極易實現(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)實現(xiàn)示例

圖 3 顯示了一種系統(tǒng)實現(xiàn)示例的框圖。位于圖中部的 FPGA 負責產(chǎn)生發(fā)射器使用的輸出信號。該實現(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)測量目標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)。

探測器測量返回信號的模擬值，產(chǎn)生饋送到FPGA的數(shù)字值。FPGA對輸入信號執(zhí)行部分初步濾波運算，來調(diào)整探測器的位置。然后FPGA向每個探測器數(shù)據(jù)流中插入一定可編程延遲，以實現(xiàn)電子束聚集功能。數(shù)據(jù)流被組合起來，一個數(shù)字濾波器負責確定信號的頻率分量。這樣就得到了確定焦點速度所必需的多普勒讀數(shù)。

在FPGA的內(nèi)部有一個MicroBlaze軟核，控制著測量過程，從而實現(xiàn)高層次的功能，如掃描、初始化、測試，以及診斷等。

DSP讀取和存儲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)建出一幅針對掃描區(qū)域的數(shù)字圖像?？梢詾椴煌乃俣确峙洳煌念伾?按照線性、對數(shù)或任何其他比例)，并將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像，在圖形終端上實時顯示或記錄下來留待以后回放。利用眾多可以得到的軟件或工具包中的一個，還可以在處理器中輕松實現(xiàn)到JPEG或其他視頻格式的轉(zhuǎn)換， 還可以采用其他系統(tǒng)分割進行實驗。如果實時視頻處理和存儲占用了處理器過多帶寬，可以將算法的一部分(比如掃描數(shù)據(jù)的預處理)放在FPGA中來執(zhí)行。

測量過程的另一個重要部分是確定目標的質(zhì)量?？梢酝ㄟ^測量從焦點返回探測器的能量大小來實現(xiàn)這一功能。返回的能量越多，則目標越大(一般而言)。當測量的目標具有固定連貫性時(如在管道中流動的油或其他液體)，這種測量效果特別好，但當系統(tǒng)中存在各種不同質(zhì)量或反射時，測量就很困難了。

顯然，對被測系統(tǒng)多些了解可以為測量過程提供一些線索。通過存儲與返回信號的幅度相對應的數(shù)字值，可以為FPGA協(xié)處理器增加能量測量功能。該值也是經(jīng)過了FPGA的延遲。

作為選擇，JPEG處理可以作為一項獨立的功能通過FPGA來執(zhí)行，從而使處理器留出更多時間進行數(shù)據(jù)預處理器。有許多選項可供選擇，但提供一種能夠快速實現(xiàn)不同分割的易用平臺才是至為重要的。

類似的以協(xié)處理為本的應用可以從硬件開發(fā)平臺的使用中獲得好處。利用硬件平臺可以讓您輕松實驗各種系統(tǒng)和算法分割--將一些功能在FPGA 中實現(xiàn)，而另一些功能放在DSP中。DSP應用程序一般很難用軟件進行仿真，因此快速創(chuàng)建硬件/固件/軟件平臺的能力可以極大地縮短開發(fā)時間。使用賽靈思工具套件中的協(xié)仿真工具，通過The MathWorks Simulink和目標硬件進行開發(fā)，是一種可以大大縮短設(shè)計時間的技巧。

圖3：示例系統(tǒng)框圖。

Avnet DSP協(xié)處理器設(shè)計套件

Avnet DSP協(xié)處理設(shè)計套件是針對以DSP為導向、同時需要使用FPGA和DSP的廣泛應用開發(fā)而設(shè)計的。套件配有兩塊主電路板。Virtex-4評估板(如圖4所示)配有 Xilinx Virtex-4 SX-FF668 FPGA、平臺閃速配置PROM、擴展連接器、Cypress CY7C68013 USB2.0 控制器、國家半導體的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評估板之間起接口作用?？梢詮?Avnet公司購買TI電路板，完成開發(fā)平臺的構(gòu)建。