基于DSP與FPGA的藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊勇,楊潤(rùn)生,劉品

(1.軍械工程學(xué)院 光學(xué)與電子工程系，河北 石家莊 050003;2.西安軍事代表局駐203所軍代表，陜西 西安 710065）

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)等領(lǐng)域。DSP處理器是一種高速的數(shù)字信號(hào)處理器，藍(lán)牙技術(shù)作為一種低成本、低功耗、近距離的無(wú)線通信技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)和領(lǐng)域[1]。本設(shè)計(jì)采用了DSP與FPGA協(xié)同控制處理，并用藍(lán)牙傳輸代替有線電纜傳輸，有效地解決了DSP和FPGA單獨(dú)處理的不足與有線電纜傳輸?shù)谋锥?，大大提高了?shù)據(jù)采集處理能力，拓寬了系統(tǒng)在環(huán)境較為惡劣或特殊場(chǎng)所的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于DSP與FPGA的藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成。其中下位機(jī)主要由前端傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、DSP與FPGA協(xié)同處理模塊以及藍(lán)牙模塊組成，主要完成前端數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、處理等功能，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)；上位機(jī)主要由USB藍(lán)牙適配器和PC機(jī)組成,完成數(shù)據(jù)的顯示、監(jiān)控、存儲(chǔ)等功能，并向下位機(jī)發(fā)送命令。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)高精度、高速度、多通道實(shí)時(shí)采集，利用藍(lán)牙的無(wú)線傳輸特性實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)中，DSP與FPGA協(xié)同控制處理是系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)動(dòng)作指令控制前端調(diào)理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)DSP和FPGA協(xié)同處理，后由藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，由上位機(jī)完成后續(xù)的相應(yīng)處理工作。

1.2 前端調(diào)理模塊

前端調(diào)理電路主要包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。

信號(hào)調(diào)理電路包括模擬信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)字信號(hào)調(diào)理電路。其模擬信號(hào)調(diào)理主要實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的緩沖、放大、衰減、隔離、濾波以及線性化等處理，以獲得ADC所需要的歸一化信號(hào)；數(shù)字信號(hào)調(diào)理主要完成對(duì)數(shù)字信號(hào)的整形、分頻、隔離、緩沖等處理，以便與FPGA模塊相連。

前端調(diào)理電路的核心是模數(shù)轉(zhuǎn)換,對(duì)于模擬信號(hào)，傳感器采集的信號(hào)經(jīng)調(diào)理后需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后與FPGA相連。而數(shù)字信號(hào)則經(jīng)過(guò)調(diào)理后可直接與FPGA相連。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用TI公司的高速、低功耗、6通道同步采樣的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADS8364。ADS8364采用+5 V工作電壓，具有80 dB共模抑制能力的全差分輸入通道，6個(gè)模擬輸入通道(分為 A,B,C 3組)可以同時(shí)并行采樣和轉(zhuǎn)換[2]?？紤]到FPGA可以靈活地改變時(shí)鐘頻率，進(jìn)而改變系統(tǒng)的采樣頻率，所以ADS8364由FPGA提供時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào),最高頻率為5 MHz，其相應(yīng)采樣頻率為 250 kHz。同時(shí) FPGA還為 ADS8364提供信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)通過(guò)FPGA引發(fā)DSP的中斷。在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，F(xiàn)PGA將6個(gè)16位的轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入SDRAM中。ADS8364的地址/模式信號(hào)(A0，A1,A2)決定 ADS8364的單通道、周期或 FIFO模式的數(shù)據(jù)讀取方式。將ADD引腳置為高電平，使得讀出的數(shù)據(jù)中包括轉(zhuǎn)換通道信息。在系統(tǒng)中，采用FPGA實(shí)現(xiàn)ADS8364的接口控制電路，ADS8364轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA存在SDRAM中。

本系統(tǒng)中，ADS8364、FPGA、DSP與 SDRAM 的 接口連接如圖2所示。

1.3 DSP與FPGA協(xié)同處理模塊

DSP和FPGA協(xié)同處理模塊是本系統(tǒng)的核心，其主要完成對(duì)ADS8364的控制、數(shù)據(jù)的計(jì)算以及相應(yīng)的邏輯控制，并通過(guò)藍(lán)牙完成數(shù)據(jù)的傳輸。由于數(shù)據(jù)采集要求采集數(shù)據(jù)量大，多路信號(hào)同時(shí)采集，要求實(shí)時(shí)性好、速度快、精度高等，本系統(tǒng)采用基于DSP與FPGA協(xié)同處理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812和Altera公司的FPGA芯片EP2C5。

EP2C5是Altera公司推出的CycloneII序列FPGA器件，采用 TSMC90nm、Low-K工藝，1.2 V內(nèi)核電壓，工作電壓為 1.15 V～3.465 V,內(nèi)嵌 RAM 119 808位，13個(gè)乘法器，并有143個(gè)I/O腳。在本系統(tǒng)中，為了數(shù)據(jù)緩存，需要在FPGA和DSP之間有一個(gè)FIFO來(lái)充當(dāng)數(shù)據(jù)的緩存區(qū),同時(shí)為了滿足數(shù)據(jù)采集中高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流應(yīng)用，避免FIFO溢出，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)FPGA及SDRAM構(gòu)造一個(gè)FIFO，以提供一個(gè)低成本并能滿足高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流傳輸?shù)慕鉀Q方案。本系統(tǒng)中的EP2C5時(shí)鐘信號(hào)由外部晶振提供，EP2C5的復(fù)位信號(hào)由TMS320F2812的I/O口實(shí)現(xiàn)。TMS320F2812為EP2C5產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，當(dāng)EP2C5檢測(cè)到有效的復(fù)位信號(hào)后，就會(huì)按照TMS320F2812產(chǎn)生的分頻因子觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D采樣，同時(shí)將ADS8364輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)EP2C5預(yù)處理后,存儲(chǔ)到SDRAM中。EP2C5的JTGA口為其提供程序下載端口。

TMS320F1812數(shù)字信號(hào)處理器是TI公司推出的低功耗、高性能32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，它采用8級(jí)流水線結(jié)構(gòu),最高主頻150 MHz,片內(nèi)有18KB RAM，128 KB Flash存儲(chǔ)器[3]。TMS320F1812采用3.3 V外設(shè)供電和 1.8 V內(nèi)核供電，由外部電路提供電源和時(shí)鐘信號(hào)，與藍(lán)牙模塊、FPGA連接時(shí)不需要電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中，TMS320F1812主要功能:控制FPGA及數(shù)據(jù)的讀取,通過(guò)向FPGA發(fā)送復(fù)位信號(hào)、控制信號(hào)以及讀指令，使FPGA從SDRAM中讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給TMS320F1812；完成輸入數(shù)據(jù)的計(jì)算、打包等處理，與藍(lán)牙模塊連接。

1.4 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)可選用CSR公司的BlueCore2-External單芯片藍(lán)牙模塊。該模塊核心工作電壓為1.8 V，輸入輸出口的工作電壓為3.3 V,符合藍(lán)牙規(guī)范V1.1和V1.2，集成有射頻收發(fā)、基帶控制和管理以及藍(lán)牙主控制器接口協(xié)議 HCI， 具有 SPI、UART、USB、PIO、PCM 接口。BlueCore2-External支持8 MB的外部 Flash和ROM，可實(shí)現(xiàn)100 m內(nèi)的通信[1]。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，上位機(jī)通過(guò)USB藍(lán)牙適配器，將控制、動(dòng)作指令發(fā)送給下位機(jī)，BlueCore2-External模塊接收指令經(jīng)DSP處理后傳給其他功能模塊，完成前端數(shù)據(jù)采集處理；下位機(jī)接收上位機(jī)命令，執(zhí)行相應(yīng)命令，并通過(guò)BlueCore2-External模塊將采集處理后的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸給上位機(jī)，完成數(shù)據(jù)的顯示、監(jiān)控、存儲(chǔ)等。

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集和藍(lán)牙傳輸。其中，由于采用藍(lán)牙接口模塊和USB藍(lán)牙適配器，這部分協(xié)議已經(jīng)固化在模塊中。因此，用戶只需要在DSP和FPGA中編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集、處理和收發(fā)程序。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

DSP和FPGA編程的主要任務(wù)是初始化、邏輯控制、前端數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)的處理傳輸。系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先完成系統(tǒng)的初始化，包括FPGA、TMS320F1812和藍(lán)牙模塊的初始化；然后等待上位機(jī)藍(lán)牙適配器發(fā)送的控制指令，通過(guò)下位機(jī)的藍(lán)牙模塊完成與上位機(jī)的連接、數(shù)據(jù)傳輸、斷開(kāi)連接等操作。在DSP收到上位機(jī)的控制信息后，選擇相應(yīng)的處理算法，向FPGA發(fā)出動(dòng)作指令，同時(shí)FPGA發(fā)出采集參數(shù)指令，控制A/D轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)的采集，并將ADS8364輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后存入SDRAM中。當(dāng)上位機(jī)通過(guò)藍(lán)牙提出讀取數(shù)據(jù)指令時(shí)，DSP向FPGA發(fā)出讀指令，F(xiàn)PGA從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送給DSP，由DSP完成數(shù)據(jù)的計(jì)算，打包等處理，最后通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給上位機(jī)。

基于DSP與FPGA的藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以同時(shí)具備DSP與FPGA的優(yōu)勢(shì)，支持更高的計(jì)算處理能力。其良好的重構(gòu)方案，可以很好地完成多路信號(hào)、大量信號(hào)的實(shí)時(shí)、快速、精確的采集，適用于惡劣復(fù)雜的環(huán)境，且開(kāi)發(fā)成本低，具有較高的使用價(jià)值[4],有很好的應(yīng)用前景。

[1]錢(qián)志鴻,楊帆.藍(lán)牙技術(shù)原理、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 [M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[2]TI公司.ADS8364數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].2002.

[3]蘇奎峰.TMS320F2812原理與開(kāi)發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[4]華清遠(yuǎn)見(jiàn)嵌入式培訓(xùn)中心.FPGA應(yīng)用開(kāi)發(fā)入門(mén)與典型實(shí)例[M].北京:人民郵電出版社,2008.