基于DSP與FPGA的藍牙數據采集系統

　　數據采集系統廣泛地應用于工業(yè)、國防、圖像處理、信號檢測等領(lǐng)域。DSP處理器是一種高速的數字信號處理器，藍牙技術(shù)作為一種低成本、低功耗、近距離的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，已廣泛應用于許多行業(yè)和領(lǐng)域。本設計采用了DSP與FPGA協(xié)同控制處理，并用藍牙傳輸代替有線(xiàn)電纜傳輸，有效地解決了DSP和FPGA單獨處理的不足與有線(xiàn)電纜傳輸的弊端，大大提高了數據采集處理能力，拓寬了系統在環(huán)境較為惡劣或特殊場(chǎng)所的應用。

　　1系統硬件設計

　　1.1系統總體設計

　　基于DSP與FPGA的藍牙數據采集系統由下位機和上位機兩部分組成。其中下位機主要由前端傳感器、信號調理電路、ADC模數轉換電路、DSP與FPGA協(xié)同處理模塊以及藍牙模塊組成，主要完成前端數據的采集、轉換、處理等功能，并將處理后的數據傳輸給上位機；上位機主要由USB藍牙適配器和PC機組成,完成數據的顯示、監控、存儲等功能，并向下位機發(fā)送命令。該系統主要實(shí)現現場(chǎng)數據高精度、高速度、多通道實(shí)時(shí)采集，利用藍牙的無(wú)線(xiàn)傳輸特性實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。系統硬件框圖如圖1所示。

　　本系統中，DSP與FPGA協(xié)同控制處理是系統的核心部分，通過(guò)動(dòng)作指令控制前端調理模塊進(jìn)行數據采集，同時(shí)將采集到的數據經(jīng)DSP和FPGA協(xié)同處理，后由藍牙模塊將數據傳輸給上位機，由上位機完成后續的相應處理工作。

　　1.2前端調理模塊

　　前端調理電路主要包括傳感器、信號調理電路、ADC模數轉換模塊。

　　信號調理電路包括模擬信號調理電路和數字信號調理電路。其模擬信號調理主要實(shí)現對模擬信號的緩沖、放大、衰減、隔離、濾波以及線(xiàn)性化等處理，以獲得ADC所需要的歸一化信號；數字信號調理主要完成對數字信號的整形、分頻、隔離、緩沖等處理，以便與FPGA模塊相連。

　　前端調理電路的核心是模數轉換,對于模擬信號，傳感器采集的信號經(jīng)調理后需要進(jìn)行模數轉換,然后與FPGA相連。而數字信號則經(jīng)過(guò)調理后可直接與FPGA相連。模數轉換模塊采用TI公司的高速、低功耗、6通道同步采樣的16位模數轉換器ADS8364。ADS8364采用+5V工作電壓，具有80dB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,C3組)可以同時(shí)并行采樣和轉換?？紤]到FPGA可以靈活地改變時(shí)鐘頻率，進(jìn)而改變系統的采樣頻率，所以ADS8364由FPGA提供時(shí)鐘和復位信號,最高頻率為5MHz，其相應采樣頻率為250kHz。同時(shí)FPGA還為ADS8364提供信號。A/D轉換結束后產(chǎn)生轉換結束信號,通過(guò)FPGA引發(fā)DSP的中斷。在轉換結束后，FPGA將6個(gè)16位的轉換結果讀入SDRAM中。ADS8364的地址/模式信號(A0，A1,A2)決定ADS8364的單通道、周期或FIFO模式的數據讀取方式。將ADD引腳置為高電平，使得讀出的數據中包括轉換通道信息。在系統中，采用FPGA實(shí)現ADS8364的接口控制電路，ADS8364轉換數據通過(guò)FPGA存在SDRAM中。

　　本系統中，ADS8364、FPGA、DSP與SDRAM的接口連接如圖2所示。

　　1.3DSP與FPGA協(xié)同處理模塊

　　DSP和FPGA協(xié)同處理模塊是本系統的核心，其主要完成對ADS8364的控制、數據的計算以及相應的邏輯控制，并通過(guò)藍牙完成數據的傳輸。由于數據采集要求采集數據量大，多路信號同時(shí)采集，要求實(shí)時(shí)性好、速度快、精度高等，本系統采用基于DSP與FPGA協(xié)同處理。系統設計中,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，1.2V內核電壓，工作電壓為1.15V~3.465V,內嵌RAM119808位，13個(gè)乘法器，并有143個(gè)I/O腳。在本系統中，為了數據緩存，需要在FPGA和DSP之間有一個(gè)FIFO來(lái)充當數據的緩存區,同時(shí)為了滿(mǎn)足數據采集中高速實(shí)時(shí)數據流應用，避免FIFO溢出，設計時(shí)通過(guò)FPGA及SDRAM構造一個(gè)FIFO，以提供一個(gè)低成本并能滿(mǎn)足高速實(shí)時(shí)數據流傳輸的解決方案。本系統中的EP2C5時(shí)鐘信號由外部晶振提供，EP2C5的復位信號由TMS320F2812的I/O口實(shí)現。TMS320F2812為EP2C5產(chǎn)生復位信號，當EP2C5檢測到有效的復位信號后，就會(huì )按照TMS320F2812產(chǎn)生的分頻因子觸發(fā)A/D轉換器進(jìn)行A/D采樣，同時(shí)將ADS8364輸出的數據經(jīng)EP2C5預處理后,存儲到SDRAM中。EP2C5的JTGA口為其提供程序下載端口。

　　TMS320F1812數字信號處理器是TI公司推出的低功耗、高性能32位定點(diǎn)數字信號處理器，它采用8級流水線(xiàn)結構,最高主頻150MHz,片內有18KBRAM，128KBFlash存儲器。TMS320F1812采用3.3V外設供電和1.8V內核供電，由外部電路提供電源和時(shí)鐘信號，與藍牙模塊、FPGA連接時(shí)不需要電平轉換。本系統中，TMS320F1812主要功能:控制FPGA及數據的讀取,通過(guò)向FPGA發(fā)送復位信號、控制信號以及讀指令，使FPGA從SDRAM中讀取存儲的數據，并將數據傳輸給TMS320F1812；完成輸入數據的計算、打包等處理，與藍牙模塊連接。

　　1.4藍牙模塊

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

　　本系統設計中，上位機通過(guò)USB藍牙適配器，將控制、動(dòng)作指令發(fā)送給下位機，BlueCore2-External模塊接收指令經(jīng)DSP處理后傳給其他功能模塊，完成前端數據采集處理；下位機接收上位機命令，執行相應命令，并通過(guò)BlueCore2-External模塊將采集處理后的數據無(wú)線(xiàn)傳輸給上位機，完成數據的顯示、監控、存儲等。

　　2系統軟件實(shí)現

　　本采集系統軟件設計主要包括數據采集和藍牙傳輸。其中，由于采用藍牙接口模塊和USB藍牙適配器，這部分協(xié)議已經(jīng)固化在模塊中。因此，用戶(hù)只需要在DSP和FPGA中編寫(xiě)數據采集、處理和收發(fā)程序。系統軟件流程圖如圖4所示。

　　DSP和FPGA編程的主要任務(wù)是初始化、邏輯控制、前端數據采集和數據的處理傳輸。系統上電復位后，首先完成系統的初始化，包括FPGA、TMS320F1812和藍牙模塊的初始化；然后等待上位機藍牙適配器發(fā)送的控制指令，通過(guò)下位機的藍牙模塊完成與上位機的連接、數據傳輸、斷開(kāi)連接等操作。在DSP收到上位機的控制信息后，選擇相應的處理算法，向FPGA發(fā)出動(dòng)作指令，同時(shí)FPGA發(fā)出采集參數指令，控制A/D轉換器完成數據的采集，并將ADS8364輸出數據進(jìn)行預處理后存入SDRAM中。當上位機通過(guò)藍牙提出讀取數據指令時(shí)，DSP向FPGA發(fā)出讀指令，FPGA從SDRAM中讀取數據并發(fā)送給DSP，由DSP完成數據的計算，打包等處理，最后通過(guò)藍牙發(fā)送給上位機。

　　基于DSP與FPGA的藍牙數據采集系統，可以同時(shí)具備DSP與FPGA的優(yōu)勢，支持更高的計算處理能力。其良好的重構方案，可以很好地完成多路信號、大量信號的實(shí)時(shí)、快速、精確的采集，適用于惡劣復雜的環(huán)境，且開(kāi)發(fā)成本低，具有較高的使用價(jià)值,有很好的應用前景。