用DSP和FPGA构成多普勒测量系统

2015-03-20 12:11:59   来源:eefocus   

关键字: dsp  FPGA  测量系统  多普勒

随着FPGA性能和容量的改进,使用FPGA执行DSP功能的做法变得越来越普遍。在许多情况下,同一应用中同时使用处理器和FPGA,采用协处理架构,让FPGA执行预处理或后处理操作,以加快处理速度。本文说明如何将FPGA和与固定功能DSP结合起来使用,设计一个基于多普勒测量原理的非侵入式测量系统。 

图1:电子束聚集技术。
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传统上,大量的应用设计使用专门的数字信号处理(DSP)芯片或专用标准产品(ASSP)并通过信号处理算法来处理数字信息,滤波、视频处理、编码与解码、以及音频处理等仅仅是众多采用 DSP 的应用中的一部分而已。

现在,随着 FPGA 性能和容量的改进,以及可以在大多数 DSP 应用中看到的通用算术运算的效率的提高,使用FPGA执行DSP功能的做法变得越来越普遍。在许多情况下,同一应用中同时使用处理器和FPGA,采用协处理架构,让FPGA执行预处理或后处理操作,以加快处理速度。

显示此种趋势的应用之一是多普勒测量系统,它可以测量固体或液体在各种环境中流动的速度。从管道中流动的油,到人的心脏中流动的血液,相对于以前的方法,基于多普勒测量原理的非侵入式测量方法可以极大地降低风险,减少成本和提高精度。一般来说,这些系统都是采用 DSP技术,将FPGA和如TI公司提供的固定功能DSP器件之类结合起来使用。

多普勒测量系统

多普勒测量系统利用多普勒效应测量运动目标(固体、液体或气体)的速度。最著名的应用大概要算雷达枪了,交通巡警利用它检测超速汽车。

在测量除汽车速度之外的其他物体的运动(例如心脏中血液的流动)时,需要进行多种测量,来确定更为复杂的流动的细节。方法之一是利用电子束聚集技术。

在这种技术中,将使用大量探测器(许多小雷达枪)测量从发射源返回的频率。这些探测器沿抛物线分布(如图1 所示),因此从焦点返回的信号将会同时到达每个探测器。将这些信号组合起来,并对显著速度的微小波动进行少量处理,就可以确定位于焦点处的物体的速度。如果可以移动探测器来对整个关注区域进行扫描,那么这种方法效果会相当好,但是如果没有这样的条件,则可以采用另外一种技术,它可以获得同样的结果。通过插入一定的可编程的延迟,改变各个探测器的输入组合的时间,可以将焦点改变到关注区域中的几乎任何位置。例如,加入一定的固定额外延迟可以使焦点远移,而改变延迟来缩短探测器一侧的传播路径则会使焦点向该侧移动。

图2 显示了如何利用可调延迟产生抛物线形效果。可调延迟功能在富含寄存器的FPGA中极易实现,并可能成为从传统DSP中剥离作为协处理器功能的一种功能。

系统实现示例

图 3 显示了一种系统实现示例的框图。位于图中部的 FPGA 负责产生发射器使用的输出信号。该实现采用Xilinx直接数字频率综合器IP核,可方便地产生各种波形。可以根据测量目标的不同轻松改变频率。 

图2:具有延迟功能的电子束聚集技术。
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探测器测量返回信号的模拟值,产生馈送到FPGA的数字值。FPGA对输入信号执行部分初步滤波运算,来调整探测器的位置。然后FPGA向每个探测器数据流中插入一定可编程延迟,以实现电子束聚集功能。数据流被组合起来,一个数字滤波器负责确定信号的频率分量。这样就得到了确定焦点速度所必需的多普勒读数。

在FPGA的内部有一个MicroBlaze软核,控制着测量过程,从而实现高层次的功能,如扫描、初始化、测试,以及诊断等。
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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0320/article_11088.html
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