用DSP和FPGA構成多普勒測量系統

隨著(zhù)FPGA性能和容量的改進(jìn)，使用FPGA執行DSP功能的做法變得越來(lái)越普遍。在許多情況下，同一應用中同時(shí)使用處理器和FPGA，采用協(xié)處理架構，讓FPGA執行預處理或后處理操作，以加快處理速度。本文說(shuō)明如何將FPGA和與固定功能DSP結合起來(lái)使用,設計一個(gè)基于多普勒測量原理的非侵入式測量系統。

圖1：電子束聚集技術(shù)。



傳統上，大量的應用設計使用專(zhuān)門(mén)的數字信號處理(DSP)芯片或專(zhuān)用標準產(chǎn)品(ASSP)并通過(guò)信號處理算法來(lái)處理數字信息，濾波、視頻處理、編碼與解碼、以及音頻處理等僅僅是眾多采用 DSP 的應用中的一部分而已。

現在，隨著(zhù) FPGA 性能和容量的改進(jìn)，以及可以在大多數 DSP 應用中看到的通用算術(shù)運算的效率的提高，使用FPGA執行DSP功能的做法變得越來(lái)越普遍。在許多情況下，同一應用中同時(shí)使用處理器和FPGA，采用協(xié)處理架構，讓FPGA執行預處理或后處理操作，以加快處理速度。

顯示此種趨勢的應用之一是多普勒測量系統，它可以測量固體或液體在各種環(huán)境中流動(dòng)的速度。從管道中流動(dòng)的油，到人的心臟中流動(dòng)的血液，相對于以前的方法，基于多普勒測量原理的非侵入式測量方法可以極大地降低風(fēng)險，減少成本和提高精度。一般來(lái)說(shuō)，這些系統都是采用 DSP技術(shù)，將FPGA和如TI公司提供的固定功能DSP器件之類(lèi)結合起來(lái)使用。

多普勒測量系統

多普勒測量系統利用多普勒效應測量運動(dòng)目標(固體、液體或氣體)的速度。最著(zhù)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(chē)。

在測量除汽車(chē)速度之外的其他物體的運動(dòng)(例如心臟中血液的流動(dòng))時(shí)，需要進(jìn)行多種測量，來(lái)確定更為復雜的流動(dòng)的細節。方法之一是利用電子束聚集技術(shù)。

在這種技術(shù)中，將使用大量探測器(許多小雷達槍)測量從發(fā)射源返回的頻率。這些探測器沿拋物線(xiàn)分布(如圖1 所示)，因此從焦點(diǎn)返回的信號將會(huì )同時(shí)到達每個(gè)探測器。將這些信號組合起來(lái)，并對顯著(zhù)速度的微小波動(dòng)進(jìn)行少量處理，就可以確定位于焦點(diǎn)處的物體的速度。如果可以移動(dòng)探測器來(lái)對整個(gè)關(guān)注區域進(jìn)行掃描，那么這種方法效果會(huì )相當好，但是如果沒(méi)有這樣的條件，則可以采用另外一種技術(shù)，它可以獲得同樣的結果。通過(guò)插入一定的可編程的延遲，改變各個(gè)探測器的輸入組合的時(shí)間，可以將焦點(diǎn)改變到關(guān)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(diǎn)遠移，而改變延遲來(lái)縮短探測器一側的傳播路徑則會(huì )使焦點(diǎn)向該側移動(dòng)。

圖2 顯示了如何利用可調延遲產(chǎn)生拋物線(xiàn)形效果?？烧{延遲功能在富含寄存器的FPGA中極易實(shí)現，并可能成為從傳統DSP中剝離作為協(xié)處理器功能的一種功能。

系統實(shí)現示例

圖 3 顯示了一種系統實(shí)現示例的框圖。位于圖中部的 FPGA 負責產(chǎn)生發(fā)射器使用的輸出信號。該實(shí)現采用Xilinx直接數字頻率綜合器IP核，可方便地產(chǎn)生各種波形?？梢愿鶕y量目標的不同輕松改變頻率。

圖2：具有延遲功能的電子束聚集技術(shù)。



探測器測量返回信號的模擬值，產(chǎn)生饋送到FPGA的數字值。FPGA對輸入信號執行部分初步濾波運算，來(lái)調整探測器的位置。然后FPGA向每個(gè)探測器數據流中插入一定可編程延遲，以實(shí)現電子束聚集功能。數據流被組合起來(lái)，一個(gè)數字濾波器負責確定信號的頻率分量。這樣就得到了確定焦點(diǎn)速度所必需的多普勒讀數。

在FPGA的內部有一個(gè)MicroBlaze軟核，控制著(zhù)測量過(guò)程，從而實(shí)現高層次的功能，如掃描、初始化、測試，以及診斷等。