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基于ADSP-BF531为核心集DDS和A/D采样芯片于一体的气体浓度检测系统
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2017-10-20
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引 言
ADSP-BF531处理器是ADI公司Blackfin系列产品的成员，专为满足当今嵌入式音频、视频和通信应用的计算要求和低功耗条件而设计的新型16位嵌入式处理器。它基于由ADI和Intel公司联合开发的微信号架构（Micro Signal Architecture，MSA），将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加（MAC）信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起。ADSP-BF531处理器具有以下主要特点：最大频率为600 MHz，1200 MMACs；每一个内核中带有2个16位的乘法器，2个40位的累加器，2个40位的逻辑运算单元，4个位的视频运算单元和1个40位的移位器，在一个指令周期内可完成2个16位数的乘法，2个40位数的算术逻辑运算，4个位的视频数据算术逻辑运算，1个40位的移位运算；低功耗采用1．12 V的内核电压和3．3 V的I／O电压，片内集成调压器，并且具备动态电源管理；高达148 KB的片内存储器；丰富的外设接口，支持与SDRAM，SRAM，FLASH和ROM的无缝连接；片上JTAG仿真接口。
提出一种基于ADSP-BF531为核心，集DDS和A／D采样芯片于一体的气体浓度检测系统。该系统针对结构性微气体传感器，充分利用了DDS信号源频率、相位稳定可控的特点和DSP芯片强大的控制能力和高速的数据处理能力，具有硬件简单，成本低，可靠性高，通用性好等优点。
1 自相关检测原理
设被测信号x（k）由有用信号s（k）和噪声u（k）组成：
x（k）=s（k）+u（k）
x（k）的自相关函数为：
式中：Rs（m）为s（k）的自相关函数；Rsu（m）为s（k）与u（k）的互相关函数；Rus（m）为u（k）与s（k）的互相关函数；Ru（m）为u（k）的自相关函数。由于在电路系统中主要为白噪声，有Rsu（m）=Rus（m）=0，随着m的增大，
根据维纳一辛钦定理，功率信号的自相关函数与其功率谱密度函数具有傅里叶变换关系，所以可以用FFT计算自相关函数。但是，实际采样值只有N+1点，所以求出的Rx（m）只能是自相关函数的估计值。当用FFT计算自相关函数时，x（k）必须补N个零，使长度变成2N+1，因此功率谱密度为：
对上式进行IFFT就可以得到Rs（m）。
2 系统硬件设计
气体浓度检测系统硬件框图如图1所示。主要包括传感器激励信号的发生、传感器位置的选取，信号采集以及外部存储器的设计四个部分。其核心是ADSP-BF531芯片，它负责整个系统事务协调以及算法功能实现。系统工作过程中，DSP芯片通过设定 SPI控制器，控制DDS芯片AD9850产生一个特定的稳幅的超声频的正弦信号。这个信号通过放大器和多路开关后，施加在指定的传感器驱动电极上，并驱动传感器发生同频振动。传感器输出信号经由前置放大器放大到适当的程度，再经过高精度的A／D芯片AD9235采样后将转换结果送到DSP进行相关运算，计算出振动幅度
ADSP-BF531处理器是ADI公司Blackfin系列产品的成员，专为满足当今嵌入式音频、视频和通信应用的计算要求和低功耗条件而设计的新型16位嵌入式处理器。它基于由ADI和Intel公司联合开发的微信号架构（Micro Signal Architecture，MSA），将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加（MAC）信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起。ADSP-BF531处理器具有以下主要特点：最大频率为600 MHz，1200 MMACs；每一个内核中带有2个16位的乘法器，2个40位的累加器，2个40位的逻辑运算单元，4个位的视频运算单元和1个40位的移位器，在一个指令周期内可完成2个16位数的乘法，2个40位数的算术逻辑运算，4个位的视频数据算术逻辑运算，1个40位的移位运算；低功耗采用1．12 V的内核电压和3．3 V的I／O电压，片内集成调压器，并且具备动态电源管理；高达148 KB的片内存储器；丰富的外设接口，支持与SDRAM，SRAM，FLASH和ROM的无缝连接；片上JTAG仿真接口。
提出一种基于ADSP-BF531为核心，集DDS和A／D采样芯片于一体的气体浓度检测系统。该系统针对结构性微气体传感器，充分利用了DDS信号源频率、相位稳定可控的特点和DSP芯片强大的控制能力和高速的数据处理能力，具有硬件简单，成本低，可靠性高，通用性好等优点。
1 自相关检测原理
设被测信号x（k）由有用信号s（k）和噪声u（k）组成：
x（k）=s（k）+u（k）
x（k）的自相关函数为：
式中：Rs（m）为s（k）的自相关函数；Rsu（m）为s（k）与u（k）的互相关函数；Rus（m）为u（k）与s（k）的互相关函数；Ru（m）为u（k）的自相关函数。由于在电路系统中主要为白噪声，有Rsu（m）=Rus（m）=0，随着m的增大，
根据维纳一辛钦定理，功率信号的自相关函数与其功率谱密度函数具有傅里叶变换关系，所以可以用FFT计算自相关函数。但是，实际采样值只有N+1点，所以求出的Rx（m）只能是自相关函数的估计值。当用FFT计算自相关函数时，x（k）必须补N个零，使长度变成2N+1，因此功率谱密度为：
对上式进行IFFT就可以得到Rs（m）。
2 系统硬件设计
气体浓度检测系统硬件框图如图1所示。主要包括传感器激励信号的发生、传感器位置的选取，信号采集以及外部存储器的设计四个部分。其核心是ADSP-BF531芯片，它负责整个系统事务协调以及算法功能实现。系统工作过程中，DSP芯片通过设定 SPI控制器，控制DDS芯片AD9850产生一个特定的稳幅的超声频的正弦信号。这个信号通过放大器和多路开关后，施加在指定的传感器驱动电极上，并驱动传感器发生同频振动。传感器输出信号经由前置放大器放大到适当的程度，再经过高精度的A／D芯片AD9235采样后将转换结果送到DSP进行相关运算，计算出振动幅度
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