結(jié)合FPGA和DSP設(shè)計(jì)基于多普勒測量原理的非侵入式測量系統(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。本文說明如何將FPGA和與固定功能DSP結(jié)合起來使用，設(shè)計(jì)一個(gè)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(yīng)用設(shè)計(jì)使用專門的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片或?qū)Ｓ脴?biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）并通過信號(hào)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(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。
　　顯示此種趨勢的應(yīng)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(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，基于多普勒測量原理的非侵入式測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(yīng)測量運(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超速汽車。
　　在測量除汽車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)行多種測量，來確定更為復(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，將使用大量探測器（許多小雷達(dá)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(diǎn)返回的信號(hào)將會(huì)同時(shí)到達(dá)每個(gè)探測器。將這些信號(hào)組合起來，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)探測器來對(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(gè)探測器的輸入組合的時(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，而改變延遲來縮短探測器一側(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。可調(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)。
　　
　　探測器測量返回信號(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，來調(diào)整探測器的位置。然后FPGA向每個(gè)探測器數(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，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，控制著測量過程，從而實(shí)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(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?？梢詾椴煌乃俣确峙洳煌念伾ò凑站€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中來執(zhí)行。
　　測量過程的另一個(gè)重要部分是確定目標(biāo)的質(zhì)量。可以通過測量從焦點(diǎn)返回探測器的能量大小來實(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)，測量就很困難了。