基于DSP與FPGA的實時功率譜分析系統設計

摘要: 設計了一套實時功率譜分析系統，主要用于信號的實時功率譜分析。采用DSP 浮點芯片TMS32C6713 作為系統的主處理單元，負責進行功率譜分析; FPGA 芯片Spartan xc2s200 為主控制單元，并通過CY7C68013 USB 芯片與基于LabVIEW 的上位機進行通信。為了保證系統的實時性，在DSP 中使用了實時操作系統內核DSP/BIOS．它提供了搶占式多線程、硬件抽象、與寄存器配置等功能。分別采用頻率為25 Hz、100 Hz 的正弦信號對該系統進行標定。

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0 引言

功率譜分析在現代工業(yè)中有著極為廣泛的應用［1 － 3］，如石油探測、噪聲分析、機床故障判斷等。針對許多應用中對功率譜分析的實時性要求，針對工業(yè)中常見信號的特征，設計了該系統，該系統在諸多工業(yè)應用的功率譜分析中是可以通用的。

以TI DSP 浮點芯片TMS32C6713 為主處理單元，FPGA 芯片Spartan xc2s200 為控制單元，使用CY7C68013 USB 芯片與基于LabVIEW 的上位機進行通信。同時系統使用了實時操作系統內核DSP/BIOS． DSP/BIOS 是為集成開發(fā)環(huán)境CCS 開發(fā)的一個尺寸可伸縮的實時內核，是為需要實時調度與同步而設計的，提供了搶占式多線程，硬件抽象，與寄存器配置等功能［4］。

1 功率譜分析方法

系統的功率譜分析采用了非參量方法。具體流程是先使用漢明窗對信號截斷為若干段長為L 的子信號段，然后對各子信號段分別進行功率譜估計，最后對各信號段的功率譜取算數平均值。對長為L 的子信號段的周期圖功率譜估計方法如下:

基于DSP與FPGA的實時功率譜分析系統設計

2 系統設計

2． 1 系統整體設計
系統整體設計如圖1 所示，FPGA 控制ADC 芯片AD9240 進行采樣，當ADC 采滿512 ×14 bit 數據之后通過通用I /O 口( GPIO) 中斷DSP 芯片，DSP 芯片通過增強型DMA( EDMA) 將數據讀入DSP進行功率譜估計，DSP 處理完數據后將數據交給FPGA，FPGA 再通過USB 芯片CY7C68013 將數據傳輸給上位機顯示。

圖1 系統結構

2． 2 濾波放大電路
系統放大濾波電路是由ADA4004 － 4 組成的濾波放大電路，由四階帶通組成，通帶范圍為10 Hz ～ 3 kHz，放大倍數為1000倍，如圖2 所示。

圖2 帶通濾波放大電路

2． 3 DSP 模塊
DSP 模塊是整個系統的處理核心。為了保證系統的時序，使用了實時操作系統內核DSP/BIOS 進行任務調度。在DSP/BIOS 中，編寫了3 個線程: 讀A/D 數據的線void AD( ) ，做FFT的線程void FFT( ) ，寫USB 的線程void USB_Write( ) 。3 個線程之間通過Semaphore 通信。

下面以void USB_Write( ) 線程為例說明:
void USB_Write( )
{
while( 1)
{
SEM_pend( ＆fftComplish，SYS_FOＲEVEＲ) ; / /等待FFT 的完成
usbWrite( ( float* ) power，N ＞＞ 1) ; / /前面已經定義好的函數，將FFT 后的數據傳輸走
SEM_post( ＆usbWriteComplish) ; / /告訴其他線程FFT 后的數據已經傳輸完成
}
}

ADC 芯片由FPGA 控制，并通過FPGA 讀取采樣后的數據，當FPGA 讀滿大小為512 × 14 bit 的buffer 后中斷DSP，DSP 的線程void AD( ) 通過EDMA 從FPGA 的buffer 讀取512 × 14 bit數據，讀取完成后觸發(fā)FFT 線程。

FFT 運算線程void FFT( ) 負責對void AD( ) 讀入的512 ×14 bit數據進行FFT 變換，并最后轉化為功率譜。FFT 模塊是系統計算量最大的部分，考慮到系統的性能，使用庫DSP67x． lib，調用它的庫函數void DSPF_sp_cfftr2_dit( float* x， float* w，short n) 進行基2 FFT 計算。

當FFT 線程完成后，會觸發(fā)void USB_Write( ) 線程，將功率譜分析的結果傳輸給FPGA，FPGA 再將數據傳輸給由FPGA 控制的USB 芯片CY7C 68013。

2． 4 FPGA 模塊
FPGA 模塊使用Verilog HDL ( HDL: Hardware Discription Language) 語言編寫。FPGA 采用Spartan2 系列xc2s200 芯片。該模塊是系統的控制核心，控制著ADC 芯片與USB 芯片，以及通過DSP 的EMIF 接口與DSP 進行通信。

對于ADC 芯片，FPGA 通過接受用戶在上位機設定的采樣頻率，為ADC 芯片提供該頻率的時鐘信號，使ADC 芯片工作在該采樣頻率下; 同時在ADC 時鐘上升沿到來時讀取一次數據ADC 所采樣的數據，并存放在FPGA 內部，當FPGA 采集完512× 14 bit 數據之后，中斷DSP 芯片，DSP 芯片將數讀走。FPGA傳輸數據給DSP 的Verilog 代碼如下:
assign EXT_INT = ( data_addr = = 511) ; / /采完512 個數后FPGA通過DSP 芯片的外部中斷引腳中斷DSP 芯片
reg［13: 0］TED_o;
always @ ( CE［2］ or TEA or dout)
if ( ～ CE［2］＆＆ ( TEA = = 4’b0000) )
TED_o = dout;
assign TED = ( ～ AOE) ? TED_o : 16’bz; / /DSP 芯片讀取FPGA內部數據

USB 芯片由FPGA 芯片控制。當FPGA 收到從DSP 芯片傳輸過來的功率譜分析數據后就會將數據交給USB 芯片的端點0 進行傳輸，USB 芯片將該數據傳輸給LabVIEW 上位機顯示。

2． 5 USB 模塊
USB 芯片采用了EZ － USB FX2 系列芯片之中的CY7C68013，該芯片符合USB 2． 0 標準，可以工作在USB 2． 0 的最大速度下。系統中，USB 芯片工作在slave FIFO 模式下。

2． 6 ADC 模塊
ADC 芯片選擇14 bit 芯片AD9240，由FPGA 為其提供時鐘。

2． 7 上位機模塊
上位機軟件采用LabVIEW 編寫，對功率譜估計的結果實時顯示。首先，需要安裝NI-VISA，NI-VISA 是一個用來與各種儀器總線進行通訊的高級應用編程接口( API) ［5 － 6］。安裝完成之后，還需要安裝USB 設備驅動程序。之后，就可以在Lab-VIEW 上實現與USB 設備的通信。