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處理器/DSP  

用DSP和FPGA構成都卜勒測量系統

上網時間: 2005年09月23日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:FPGA  DSP  協同處理架構  都卜勒測量  非侵入式測量系統 

隨著FPGA性能和容量的改進,使用FPGA執行DSP功能的做法變得越來越普遍。在許多情況下,同一應用中將會同時使用處理器和FPGA,採用協同處理架構,讓FPGA執行預處理或後處理作業,以加速處理速度。本文說明如何將FPGA和與固定功能DSP結合起來使用,設計一個基於都卜勒測量原理的非侵入式測量系統

圖1:電子束聚集技術。

傳統上,大量的應用設計使用專門的數位訊號處理(DSP)晶片或專用標準產品(ASSP)並透過訊號處理演算法來處理數位資訊,濾波、視訊處理、編碼與解碼、以及音訊處理等僅僅是眾多採用DSP的應用中的一部份而已。

現在,隨著FPGA性能和容量的改進,以及可以在大多數DSP應用中看到的通用算術運算的效率的提高,使用FPGA執行DSP功能的做法變得越來越普遍。在許多情況下,同一應用中同時使用處理器和FPGA,採用協同處理架構,讓FPGA執行預處理或後處理作業,以加速處理速度。

顯示此種趨勢的應用之一是都卜勒測量系統,它可以測量固體或液體在各種環境中流動的速度。從管道中流動的油,到人的心臟中流動的血液,相對於以前的方法,基於都卜勒測量原理的非侵入式測量方法可以大幅降低風險,減少成本和提高精密度。一般來說,這些系統都是採用DSP技術,將FPGA和如TI公司提供的固定功能DSP元件之類結合起來使用。

都卜勒測量系統

圖2:具有延遲功能
的電子束聚集技術。

都卜勒測量系統利用都卜勒效應測量運動目標(固體、液體或氣體)的速度。最著名的應用大概要算雷達槍了,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動(例如心臟中血液的流動)時,需要進行多種測量,來確定更為複雜的流動的細節。方法之一是利用電子束聚集技術。

在這種技術中,將使用大量探測器(許多小雷達槍)測量從發射源返回的頻率。這些探測器沿拋物線分佈(如圖1所示),因此從焦點返回的訊號將會同時到達每個探測器。將這些訊號組合起來,並對顯著速度的微小波動進行少量處理,就可以確定位於焦點處的物體的速度。如果可以移動探測器來對整個關注區域進行掃描,那麼這種方法效果會相當好,但是如果沒有這樣的條件,則可以採用另外一種技術,它可以獲得同樣的結果。透過插入一定的可程式的延遲,改變各個探測器的輸入組合的時間,可以將焦點改變到關注區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遠移,而改變延遲來縮短探測器一側的傳播路徑則會使焦點向該側移動。

圖2顯示了如何利用可調延遲功能產生拋物線形效果。可調延遲功能在富含暫存器的FPGA中極易實現,並可能成為從傳統DSP中剝離作為協同處理器功能的一種功能。

圖 3:示例系統結構圖。

系統實現示例

圖3顯示了一種系統實現示例的結構圖。位於該圖中間的FPGA負責產生發射器使用的輸出訊號。該範例採用Xilinx直接數位頻率合成器IP核心,可方便地產生各種波形。同時可以根據測量目標的不同輕鬆改變頻率。

探測器測量返回訊號的類比值,產生饋送到FPGA的數位值。FPGA對輸入訊號執行部份初步濾波運算,來調整探測器的位置。然後FPGA向每個探測器數據串流中插入一定可程式延遲,以實現電子束聚集功能。數據串流被組合起來,一個數位濾波器負責確定訊號的頻率分量。這樣就得到了確定焦點速度所必需的都卜勒讀數。

在FPGA的內部有一個MicroBlaze軟核心,控制著測量過程,因而實現高層次功能,如掃描、初始化、測試,以及診斷等。

DSP讀取和儲存FPGA執行作業的結果。一旦完成一系列掃描,處理器就可以建構出一幅針對掃描區域的數位影像。可以為不同的速度分配不同的顏色(按照線性、對數或任何其他比例),並將數位影像轉換成視訊影像,在圖形終端上即時顯示或記錄下來留待以後播放。利用眾多可以得到的軟體或工具套件中的一個,還可以在處理器中輕鬆實現到JPEG或其他視訊格式的轉換,還可以採用其他系統分割進行實驗。如果即時視訊處理和儲存佔用了處理器過多頻寬,可以將演算法的一部份(比如掃描數據的預處理)放在FPGA中來執行。

圖4:DSP協同處理器Virtex-4 FPGA硬體平台。

測量過程的另一個重要部份是確定目標的品質。可以透過測量從焦點返回探測器的能量大小來實現這一功能。返回的能量越多,則目標越大(一般而言)。當測量的目標具有固定連貫性時(如在管道中流動的油或其他液體),這種測量效果特別好,但當系統中存在各種不同品質或反射時,測量就很困難了。

顯然,對被測系統多些了解可以為測量過程提供一些線索。透過儲存與返回訊號的幅度相對應的數位值,可以為FPGA協同處理器增加能量測量功能。該值也是經過了FPGA的延遲。

作為選項,JPEG處理可以作為一項獨立的功能透過FPGA來執行,因而使處理器留出更多時間進行數據預處理器。有許多選項可供選擇,但提供一種能夠快速實現不同分割的易用平台才是至為重要的。

類似的以協同處理為本的應用可以從硬體開發平台的使用中獲得好處。利用硬體平台可以讓你輕鬆實驗各種系統和演算法分割,將一些功能在FPGA中實現,而另一些功能放在DSP中。DSP應用程式一般很難用軟體進行模擬,因此快速製作硬體/韌體/軟體平台的能力可以大幅縮短開發時間。使用智霖工具套件中的協模擬工具,透過The MathWorks Simulink和目標硬體進行開發,是一種可以大幅縮短設計時間的技巧。

圖5:DSP處理器配接器模組。

Avnet DSP協同處理器設計套件

Avnet DSP協同處理設計套件是針對以DSP為導向、同時需要使用FPGA和DSP的廣泛應用開發而設計。套件配有兩塊主電路板。Virtex-4評估板(如圖4所示)配有Xilinx Virtex-4 SX-FF668 FPGA、平台快閃記憶體配置PROM、擴展連接器、Cypress CY7C68013 USB2.0控制器、美國國家半導體的DP83847 10/100乙太網路埠、128x64 OSRAM圖形顯示器、8MB快閃記憶體、32MB DDR SDRAM以及各種用戶開關和LED。第二塊電路板是TI DSP配接器模組(如圖5所示),用於在Virtex-4電路板和各種TI DSP評估板之間的介面功能。該套件還包括一些設計示例和用戶文件。

對廣泛的DSP應用而言,同時使用FPGA和固定功能數位訊號處理器的方法是可行的。在很多此類應用中,利用專門為協同處理應用而開發的硬體設計套件來開發設計原型也是可行的。

作者: Kim Olsen


DSP應用工程師


Avnet公司


Email: kim.olsen@avnet.com





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