基于SOPC的便攜式頻譜分析儀的研究

李新獻(xiàn)

基于SOPC的便攜式頻譜分析儀的研究

李新獻(xiàn)

李新獻(xiàn)1李偉勤2施岱松2

1. 南陽(yáng)醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校；2.西南石油大學(xué)

李新獻(xiàn)（1974）男，河南南陽(yáng)，碩士研究生，畢業(yè)于西南石油大學(xué)研究生院，專業(yè)：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，方向：嵌入式系統(tǒng)；李偉勤（1976-）男，西南石油大學(xué)電信學(xué)院 通信工程教研室 副教授，現(xiàn)主要從事陣列天線設(shè)計(jì)、數(shù)字系統(tǒng)及優(yōu)化算法等方面的研究工作。

本文采用可編程片上系統(tǒng)技術(shù)在FPGA中植入NIOSII軟核作為系統(tǒng)的控制中心，利用FPGA中豐富的可編程邏輯資源和IP核來(lái)構(gòu)成該嵌入式系統(tǒng)處理器的接口功能模塊，再借助于AVALON總線，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍模擬通道A/D轉(zhuǎn)換器，存儲(chǔ)器，LCD 顯示器，鍵盤(pán)等硬件的控制。頻譜分析核心算法是基于快速傅立葉變換（FFT）。通過(guò)傅立葉運(yùn)算將被測(cè)信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，并分解成分立的頻率分量，在頻域中觀測(cè)其頻譜圖，了解信號(hào)的特性，從而對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析診斷，這種基于數(shù)字信號(hào)處理的頻譜分析已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域并且發(fā)揮著重要作用。

概述

SOPC（System On Programmable Chip，可編程的片上系統(tǒng)） 是Altera 公司提出的一種靈活、高效的SOC解決方案，首先，它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單一芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能。其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減，可擴(kuò)充，可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程能力。結(jié)合頻譜分析儀的原理，以ALTERA 公司提供的IP 核為基礎(chǔ)，以分層次的硬件描述語(yǔ)言（VHDL） 作為系統(tǒng)功能和接口的主要描述手段，借助于 QUARTUSII 和 NIOSII ，MATLAB等EDA開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能要求，用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)了整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)接口功能模塊，在頂層模塊中，對(duì)各個(gè)子模塊進(jìn)行了邏輯功能的連接，并對(duì)各個(gè)子模塊及整體模塊系統(tǒng)級(jí)的功能驗(yàn)證和仿真。最后生成系統(tǒng)，下載到開(kāi)發(fā)板中，通過(guò)在NIOSII IDE環(huán)境中編寫(xiě)軟件進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)LCD顯示，顯示的結(jié)果與MATLAB中仿真的結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證結(jié)果的正確性。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為AD采樣單元，F(xiàn)FT運(yùn)算轉(zhuǎn)換單元，顯示單元。系統(tǒng)使用FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的處理器NiosII作為系統(tǒng)嵌入式處理器，通過(guò)片上Avalon總線和高速A/ D采樣芯片，F(xiàn)FT處理轉(zhuǎn)換單元等相聯(lián)系。A/D采樣單元對(duì)外部的音頻模擬信號(hào)每周期采樣128點(diǎn)，再變換為左右聲道分別是16位的數(shù)字量。FFT運(yùn)算處理單元包括數(shù)據(jù)經(jīng)FFT轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的復(fù)數(shù)經(jīng)CORDIC算法求模及相位，最后再經(jīng)過(guò)實(shí)數(shù)到整數(shù)的轉(zhuǎn)換。此部分是由HDL語(yǔ)言編寫(xiě)的純硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。它通過(guò)DMA方式將數(shù)據(jù)從TLV320AIC23接口中取出經(jīng)FIFO緩存送到FFT處理單元，進(jìn)行FFT變換，然后將轉(zhuǎn)換后的實(shí)部和虛部經(jīng)CORDIC算法求模，而指數(shù)保留，最后將求出的模和指數(shù)組成的實(shí)數(shù)再轉(zhuǎn)化為整數(shù)，存到FIFO中，由DMA讀出，送到LCD上顯示，這樣對(duì)應(yīng)的音頻信號(hào)的幅度頻譜就可顯示出來(lái)。 整個(gè)過(guò)程大部分使用硬件電路實(shí)現(xiàn)，CPU在其中的主要作用是任務(wù)調(diào)度，中斷響應(yīng)和啟動(dòng)DMA傳輸。

整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

圖2 sopc 結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于SOPC的思想來(lái)實(shí)現(xiàn)我們系統(tǒng)所要求的基本功能，隨著可編程芯片的迅速發(fā)展，SOPC在數(shù)字信號(hào)處理方面的應(yīng)用也越來(lái)越明顯。其一般的結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合SOPC技術(shù)的強(qiáng)大功能，我們利用片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，定義了以下用戶邏輯模塊。

NiosII以DMA方式讀取數(shù)據(jù)到FIFO中；其頂層模塊FIFO_DMA如圖3。

圖3 FIFO_DMA 模塊圖

fifo 到 fft的接口模塊fifo_fft

該接口模塊是將數(shù)據(jù)傳送到FFT運(yùn)算單元，供FFT進(jìn)行運(yùn)算，經(jīng)FFT轉(zhuǎn)換后，又將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)取走，整個(gè)接口頂層模塊有INF_TO_FIFO .bdf ，fft_fifo.bdf，fifo_to_fft.bdf， fft_to_fifo.bdf幾個(gè)模塊構(gòu)成。因?yàn)镕FT IP CORE是要付費(fèi)的，因此不能將FFT IP CORE連同該接口模塊一起加入到SOPC BUILDER 中。只能將該接口模塊添加到SOPC BUILDER里面，而把FFT模塊單獨(dú)留在外面。這樣在生成的cpu 中就留出了FFT 模塊的接口，以便將FFT 模塊同該接口模塊相連。

FFT 模塊

在本設(shè)計(jì)中，為了縮短我們的開(kāi)發(fā)周期，充分發(fā)揮ALTERA 公司提供的MegaCore的優(yōu)勢(shì)。我們采用了MegaCore 中的FFT IP CORE ，盡管它是要付費(fèi)的，但是由于ALTERA的OpenCore Plus特性，即使不購(gòu)買IP，也可以生成具有時(shí)效性的編程文件，通常在JTAG線拔掉一小時(shí)后，編程文件才會(huì)消失，這對(duì)驗(yàn)證此模塊提供了很大的幫助，至少可以讓我們看到它在硬件中的運(yùn)行情況，其模塊圖如圖4。

圖4 FFT模塊圖

圖5 FIFO_ CORDIC模塊圖

取模及相位模塊

由于FFT轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是復(fù)數(shù)，我們要對(duì)其求模及相位，計(jì)算它的幅度頻譜和相位頻譜。在這里我們利用CORDIC算法 ，CORDIC（Coordinate Rotation Digital Computer）算法即坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算方法，是J.D.Volder 于1959年首次提出，主要用于三角函數(shù)，雙曲線，指數(shù)，對(duì)數(shù)的計(jì)算。該算法通過(guò)基本的加和移位運(yùn)算代替乘法運(yùn)算，使得矢量的旋轉(zhuǎn)和定向的計(jì)算不再需要三角函數(shù)，乘法，開(kāi)方，反三角，指數(shù)等函數(shù)。

其用硬件實(shí)現(xiàn)的模塊圖如圖5。

實(shí)數(shù)到整數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

對(duì)于FFT轉(zhuǎn)換后的實(shí)部，虛部和指數(shù)，其中實(shí)部和虛部在CORDIC模塊中進(jìn)行取模，指數(shù)部分保留起來(lái)。在這里我們通過(guò)該模塊將求出的幅度連同指數(shù)組成的浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)化為整數(shù)，其模塊圖如圖6。

圖6 FIFO_FIC 模塊圖

AD 接口模塊

此接口通過(guò)FIFO向上連接Avalon 總線并設(shè)為Slave模式，向下連接TLV320AIC23 數(shù)字音頻接口DSP模式數(shù)據(jù)格式 。采用DMA方式傳送數(shù)據(jù)，即每發(fā)送或接收到一個(gè)單元，都會(huì)自動(dòng)觸發(fā)DMA將其搬送到一個(gè)內(nèi)部的Buffer，等FIFO半滿時(shí)，再通過(guò)中斷方式告訴CPU，啟動(dòng)DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸處理 。其頂層模塊圖FIFO_TLV320AIC23.bdf如圖7。

圖7 FIFO_TLV320AIC23 模塊圖

顯示模塊

本設(shè)計(jì)采用JDL 12864G型號(hào)液晶顯示器，根據(jù)我們的功能要求，我們用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)了其硬件顯示控制電路及接口模塊，其顯示接口模塊如圖8。

顯示RAM中數(shù)據(jù)的產(chǎn)生方式我們采用全硬件實(shí)現(xiàn)，它以每8個(gè)數(shù)據(jù)為一組，為了循環(huán)利用輸入的數(shù)據(jù)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，采用了一個(gè)選擇電路如圖9，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)未完全進(jìn)入CFIFO 時(shí)，通道選擇由CPU輸入數(shù)據(jù)，并禁止CFIFO輸出數(shù)據(jù)，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)完全進(jìn)入時(shí)，通道選擇CFIFO循環(huán)傳送數(shù)據(jù)，并允許CFIFO輸出數(shù)據(jù)。

圖8 graphicLCD 模塊圖

圖9 選擇電路模塊圖

上面都是我們要用到的硬件電路模塊，在SOPC BUILDER中，把FIFO_FFT.bdf ， FIFO_ TLV320AIC23.bdf， FIFO_FIC.bdf ，F(xiàn)IFO_DDC_ LCD.bdf和FIFO_CORDIC.bdf 以添加新組件的方式加入到系統(tǒng)中。同時(shí)還要加入freedev_i2c，系統(tǒng)時(shí)鐘，flash， sdram， dma等，并給它們分配基地址和中斷，如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)基地址、中斷分配圖

最后點(diǎn)擊“generate”按鈕，生成系統(tǒng)，生成的CPU頂層框圖如圖11。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上電自檢：系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢。查看設(shè)備是否正常。若有異常，通過(guò)LCD顯示或報(bào)警。

系統(tǒng)初始化：若自檢正常，檢測(cè)系統(tǒng)是否允許啟動(dòng)，如允許啟動(dòng)，則系統(tǒng)初始化，首先設(shè)置AD采樣芯片的工作參數(shù)為初始默認(rèn)參數(shù)；清空FIFO保證不存在任何可能的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；復(fù)位FFT；初始化LCD顯示屏顯示操作界面，然后系統(tǒng)處于接收命令狀態(tài)，并且設(shè)置消息郵箱mbox1標(biāo)識(shí)，它通知調(diào)度程序開(kāi)始執(zhí)行AD采樣。

采樣轉(zhuǎn)換分析：調(diào)度程序開(kāi)始等待消息mbox1，若一信號(hào)被置位，系統(tǒng)立即開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)采樣，將AD芯片采樣的結(jié)果存放在FIFO中，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)達(dá)到128個(gè)點(diǎn)后，F(xiàn)IFO發(fā)送HalfFULL信號(hào)給INF_TO_FIFO 接口單元，產(chǎn)生中斷，并設(shè)置消息郵箱mbox2標(biāo)識(shí)，它通知調(diào)度程序開(kāi)始執(zhí)行FFT轉(zhuǎn)換，由CPU啟動(dòng)DMA傳輸，DMA將INF_TO_FIFO 接口單元的數(shù)據(jù)讀到FFT的FIFO接口里面，由FFT處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的復(fù)數(shù)存到FFT的輸出FIFO里面，指數(shù)單獨(dú)存放在指定的寄存器里。當(dāng)FIFO滿時(shí)，產(chǎn)生中斷，并設(shè)置消息郵箱mbox3標(biāo)識(shí)，通知調(diào)度程序開(kāi)始執(zhí)行CORDIC模塊，再由DMA通過(guò)INF_TO_FIFO 接口將復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)讀到CORDIC算法的FIFO里面，進(jìn)行CORDIC求模及相位，求模后的數(shù)據(jù)存到CORDIC的FIFO里面，當(dāng)FIFO滿時(shí)，產(chǎn)生中斷，并設(shè)置消息郵箱mbox4標(biāo)識(shí)，通知調(diào)度程序開(kāi)始執(zhí)行實(shí)數(shù)到整數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，同樣，再由DMA通過(guò)INF_TO_FIFO 接口把幅度數(shù)據(jù)連同上面保留的指數(shù)送到實(shí)數(shù)到整數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換后存到該模塊的FIFO里面，當(dāng)FIFO滿時(shí)，產(chǎn)生中斷，并設(shè)置mbox5標(biāo)識(shí)，通知調(diào)度程序開(kāi)始執(zhí)行顯示模塊， 接著由DMA通過(guò)INF_ TO_FIFO 接口將轉(zhuǎn)換得到的整數(shù)送到LCD顯示控制器進(jìn)行顯示。顯示完成后，再設(shè)置消息郵箱mbox1標(biāo)識(shí)，它通知調(diào)度程序開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)調(diào)度。整個(gè)過(guò)程我們用統(tǒng)一的INF_TO_FIFO 接口，用DMA方式在兩個(gè)模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為我們下一步軟件編程帶來(lái)了很大的方便。使整個(gè)結(jié)構(gòu)看上去也非常清晰。

圖11 系統(tǒng)CPU模塊圖

停止運(yùn)行：當(dāng)系統(tǒng)接收到從鍵盤(pán)發(fā)出的停止分析命令時(shí)，系統(tǒng)首先停止AD采樣芯片的采樣工作，恢復(fù)為初始化參數(shù)，然后清空FIFO中所有數(shù)據(jù)，等FFT運(yùn)算單元結(jié)束當(dāng)前的FFT運(yùn)算后讀走數(shù)據(jù)。最后系統(tǒng)初始化等待下一個(gè)命令。

結(jié)合μc/os-II任務(wù)管理功能 ，在系統(tǒng)中創(chuàng)建了7個(gè)任務(wù)，包括主控響應(yīng)任務(wù)，鍵盤(pán)掃描任務(wù)，AD采集任務(wù)，F(xiàn)FT轉(zhuǎn)換任務(wù)，CORDIC算法任務(wù)，實(shí)數(shù)到整數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)，顯示控制任務(wù)。其中主控相應(yīng)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)最高，它負(fù)責(zé)處理中斷響應(yīng)和中斷響應(yīng)進(jìn)程的調(diào)用。采樣控制進(jìn)程負(fù)責(zé)管理采樣控制。FFT管理進(jìn)程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽FT IP core，進(jìn)行FFT變換。CORDIC算法負(fù)責(zé)將復(fù)數(shù)求模及相位；實(shí)數(shù)到整數(shù)的轉(zhuǎn)換負(fù)責(zé)將幅度和指數(shù)組成的浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)，顯示控制進(jìn)程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示轉(zhuǎn)換，控制LCD的顯示。

系統(tǒng)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性，我們把CYCLONE II EP2C8Q208C8 開(kāi)發(fā)板上的LINE IN接口與我們PC機(jī)上的音頻輸出接口相連。通過(guò)PC機(jī)播放一段音樂(lè)，采集一幀音頻數(shù)據(jù)，在Nios II IDE環(huán)境下，按照功能要求，進(jìn)行編程，讓該程序運(yùn)行在我們?cè)O(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)上，最后通過(guò)LCD顯示，可以看出采集信號(hào)的頻譜圖，如圖12顯示。為了驗(yàn)證顯示結(jié)果的正確性，我們?cè)贜ios II IDE的調(diào)試窗口下，觀察內(nèi)存緩沖區(qū)中的音頻數(shù)據(jù)，取此音頻數(shù)據(jù)在MATLAB中進(jìn)行仿真，圖13是經(jīng)過(guò)FFT變換后的頻域仿真波形，即頻譜圖。與我們?cè)贚CD屏幕上看到的結(jié)果基本上是一致的，由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是符合我們的要求、是正確的。

圖12 音頻信號(hào)幅度頻譜圖LCD顯示

圖13 音頻信號(hào)頻域波形仿真圖

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.036