基于DSP与FPGA的实时功率谱分析系统设计

摘要: 设计了一套实时功率谱分析系统，主要用于信号的实时功率谱分析。采用DSP 浮点芯片TMS32C6713 作为系统的主处理单元，负责进行功率谱分析; FPGA 芯片Spartan xc2s200 为主控制单元，并通过CY7C68013 USB 芯片与基于LabVIEW 的上位机进行通信。为了保证系统的实时性，在DSP 中使用了实时操作系统内核DSP/BIOS． 它提供了抢占式多线程、硬件抽象、与寄存器配置等功能。分别采用频率为25 Hz、100 Hz 的正弦信号对该系统进行标定。

 

0 引言

功率谱分析在现代工业中有着极为广泛的应用［1 － 3］，如石油探测、噪声分析、机床故障判断等。针对许多应用中对功率谱分析的实时性要求，针对工业中常见信号的特征，设计了该系统，该系统在诸多工业应用的功率谱分析中是可以通用的。

以TI DSP 浮点芯片TMS32C6713 为主处理单元，FPGA 芯片Spartan xc2s200 为控制单元，使用CY7C68013 USB 芯片与基于LabVIEW 的上位机进行通信。同时系统使用了实时操作系统内核DSP/BIOS． DSP/BIOS 是为集成开发环境CCS 开发的一个尺寸可伸缩的实时内核，是为需要实时调度与同步而设计的，提供了抢占式多线程，硬件抽象，与寄存器配置等功能［4］。

1 功率谱分析方法

系统的功率谱分析采用了非参量方法。具体流程是先使用汉明窗对信号截断为若干段长为L 的子信号段，然后对各子信号段分别进行功率谱估计，最后对各信号段的功率谱取算数平均值。对长为L 的子信号段 的周期图功率谱估计方法如下:

2 系统设计

2． 1 系统整体设计
系统整体设计如图1 所示，FPGA 控制ADC 芯片AD9240 进行采样，当ADC 采满512 ×14 bit 数据之后通过通用I /O 口( GPIO) 中断DSP 芯片，DSP 芯片通过增强型DMA( EDMA) 将数据读入DSP进行功率谱估计，DSP 处理完数据后将数据交给FPGA，FPGA 再通过USB 芯片CY7C68013 将数据传输给上位机显示。

图1 系统结构

2． 2 滤波放大电路
系统放大滤波电路是由ADA4004 － 4 组成的滤波放大电路，由四阶带通组成，通带范围为10 Hz ～ 3 kHz，放大倍数为1000倍，如图2 所示。

图2 带通滤波放大电路

2． 3 DSP 模块
DSP 模块是整个系统的处理核心。为了保证系统的时序，使用了实时操作系统内核DSP/BIOS 进行任务调度。在DSP/BIOS 中，编写了3 个线程: 读A/D 数据的线void AD( ) ，做FFT的线程void FFT( ) ，写USB 的线程void USB_Write( ) 。3 个线程之间通过Semaphore 通信。

下面以void USB_Write( ) 线程为例说明:
void USB_Write( )
{
while( 1)
{
SEM_pend( ＆fftComplish，SYS_FOＲEVEＲ) ; / /等待FFT 的完成
usbWrite( ( float* ) power，N ＞ ＞ 1) ; / /前面已经定义好的函数，将FFT 后的数据传输走
SEM_post( ＆usbWriteComplish) ; / /告诉其他线程FFT 后的数据已经传输完成
}
}

ADC 芯片由FPGA 控制，并通过FPGA 读取采样后的数据，当FPGA 读满大小为512 × 14 bit 的buffer 后中断DSP，DSP 的线程void AD( ) 通过EDMA 从FPGA 的buffer 读取512 × 14 bit数据，读取完成后触发FFT 线程。

FFT 运算线程void FFT( ) 负责对void AD( ) 读入的512 ×14 bit数据进行FFT 变换，并最后转化为功率谱。FFT 模块是系统计算量最大的部分，考虑到系统的性能，使用库DSP67x． lib，调用它的库函数void DSPF_sp_cfftr2_dit( float* x， float* w，short n) 进行基2 FFT 计算。

当FFT 线程完成后，会触发void USB_Write( ) 线程，将功率谱分析的结果传输给FPGA，FPGA 再将数据传输给由FPGA 控制的USB 芯片CY7C 68013。

2． 4 FPGA 模块
FPGA 模块使用Verilog HDL ( HDL: Hardware Discription Language) 语言编写。FPGA 采用Spartan2 系列xc2s200 芯片。该模块是系统的控制核心，控制着ADC 芯片与USB 芯片，以及通过DSP 的EMIF 接口与DSP 进行通信。

对于ADC 芯片，FPGA 通过接受用户在上位机设定的采样频率，为ADC 芯片提供该频率的时钟信号，使ADC 芯片工作在该采样频率下; 同时在ADC 时钟上升沿到来时读取一次数据ADC 所采样的数据，并存放在FPGA 内部，当FPGA 采集完512× 14 bit 数据之后，中断DSP 芯片，DSP 芯片将数读走。FPGA传输数据给DSP 的Verilog 代码如下:
assign EXT_INT = ( data_addr = = 511) ; / /采完512 个数后FPGA通过DSP 芯片的外部中断引脚中断DSP 芯片
reg［13: 0］TED_o;
always @ ( CE［2］ or TEA or dout)
if ( ～ CE［2］＆＆ ( TEA = = 4’b0000) )
TED_o = dout;
assign TED = ( ～ AOE) ? TED_o : 16’bz; / /DSP 芯片读取FPGA内部数据

USB 芯片由FPGA 芯片控制。当FPGA 收到从DSP 芯片传输过来的功率谱分析数据后就会将数据交给USB 芯片的端点0 进行传输，USB 芯片将该数据传输给LabVIEW 上位机显示。

2． 5 USB 模块
USB 芯片采用了EZ － USB FX2 系列芯片之中的CY7C68013，该芯片符合USB 2． 0 标准，可以工作在USB 2． 0 的最大速度下。系统中，USB 芯片工作在slave FIFO 模式下。

2． 6 ADC 模块
ADC 芯片选择14 bit 芯片AD9240，由FPGA 为其提供时钟。

2． 7 上位机模块
上位机软件采用LabVIEW 编写，对功率谱估计的结果实时显示。首先，需要安装NI-VISA，NI-VISA 是一个用来与各种仪器总线进行通讯的高级应用编程接口( API) ［5 － 6］。安装完成之后，还需要安装USB 设备驱动程序。之后，就可以在Lab-VIEW 上实现与USB 设备的通信。

3 系统标定

使用SPF20 信号发生器产生频率分别为25 Hz、100 Hz，幅度为0． 5 mV 的正弦波信号对该功率谱分析系统进行标定，在上位机上对ADC 采样频率设定为512 Hz．

图3 为使用该系统对上述正弦信号功率谱分析结果。谱线高度为0． 125 mW/Hz 左右( 由于有噪声，所以略有浮动) ，这与正弦信号的理论功率谱是吻合的，由此完成系统的标定。

图3 LabVIEW 显示的正弦信号的功率谱分析结果

4 结束语

利用DSP 芯片与FPGA 芯片设计了一套功率谱分析系统，并使用了实时操作系统内核DSP/BIOS，可以保证系统的实时性，完全可以满足对实时性要求很高的工业场合; 同时该系统使用方便，成本较低，配合各类传感器，在工业的许多领域具有很好的使用价值。