《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DSP與FPGA的藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第8期
楊 勇1, 楊潤生1, 劉 品2
1. 軍械工程學(xué)院 光學(xué)與電子工程系,, 河北 石家莊 050003;2. 西安軍事代表局駐203所軍代表,陜西 西安 710065
摘要: 介紹了采用TMS320F1218(DSP)與EP2C5(FPGA)作為協(xié)同處理模塊完成系統(tǒng)的控制與處理以及采用BlueCore2-External藍(lán)牙模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸,、藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)的硬件和軟件設(shè)計原理,。測試表明,,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實時、精確,、高速采集,。
中圖分類號: TP277
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2010)08-0150-03
The design of bluetooth data-collecting system based on DSP and FPGA
YANG Yong1, YANG Run Sheng1, LIU Pin2
1. Department of Optics and Electronics Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003,China;2. Section of PLA Representation in 203 Researh Institution, Xi′an 710065, China
Abstract: This paper introduced the TMS320F1218 and EP2C5 as module of cooperated management are taken in the design to accomplish the control and disposal of the system, the Bluetooth module of BlueCore2-External are taken for wireless transmission. The principle of the hardware and software design is stated systematically. The system test indicates that the system can accomplish the data collecting with real time, precision and high speed.
Key words : FPGA; DSP; bluetooth module; SDRAM

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛地應(yīng)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(shù)字信號處理器,,藍(lán)牙技術(shù)作為一種低成本、低功耗,、近距離的無線通信技術(shù),,已廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)和領(lǐng)域[1]。本設(shè)計采用了DSP與FPGA協(xié)同控制處理,,并用藍(lán)牙傳輸代替有線電纜傳輸,,有效地解決了DSP和FPGA單獨處理的不足與有線電纜傳輸?shù)谋锥耍蟠筇岣吡藬?shù)據(jù)采集處理能力,,拓寬了系統(tǒng)在環(huán)境較為惡劣或特殊場所的應(yīng)用,。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.1系統(tǒng)總體設(shè)計

 基于DSP與FPGA的藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成。其中下位機(jī)主要由前端傳感器,、信號調(diào)理電路,、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,、DSP與FPGA協(xié)同處理模塊以及藍(lán)牙模塊組成,主要完成前端數(shù)據(jù)的采集,、轉(zhuǎn)換,、處理等功能,并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī),;上位機(jī)主要由USB藍(lán)牙適配器和PC機(jī)組成,完成數(shù)據(jù)的顯示,、監(jiān)控、存儲等功能,,并向下位機(jī)發(fā)送命令,。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)高精度、高速度,、多通道實時采集,,利用藍(lán)牙的無線傳輸特性實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示,。

    本系統(tǒng)中,,DSP與FPGA協(xié)同控制處理是系統(tǒng)的核心部分,通過動作指令控制前端調(diào)理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,,同時將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)DSP和FPGA協(xié)同處理,,后由藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī),由上位機(jī)完成后續(xù)的相應(yīng)處理工作,。
1.2 前端調(diào)理模塊
    前端調(diào)理電路主要包括傳感器、信號調(diào)理電路,、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,。
    信號調(diào)理電路包括模擬信號調(diào)理電路和數(shù)字信號調(diào)理電路。其模擬信號調(diào)理主要實現(xiàn)對模擬信號的緩沖,、放大,、衰減、隔離,、濾波以及線性化等處理,,以獲得ADC所需要的歸一化信號;數(shù)字信號調(diào)理主要完成對數(shù)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(diào)理電路的核心是模數(shù)轉(zhuǎn)換,對于模擬信號,傳感器采集的信號經(jīng)調(diào)理后需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后與FPGA相連,。而數(shù)字信號則經(jīng)過調(diào)理后可直接與FPGA相連,。模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364,。ADS8364采用+5 V工作電壓,,具有80 dB共模抑制能力的全差分輸入通道,6個模擬輸入通道(分為A,B,C 3組)可以同時并行采樣和轉(zhuǎn)換[2],??紤]到FPGA可以靈活地改變時鐘頻率,進(jìn)而改變系統(tǒng)的采樣頻率,,所以ADS8364由FPGA提供時鐘和復(fù)位信號,最高頻率為5 MHz,,其相應(yīng)采樣頻率為250 kHz。同時FPGA還為ADS8364提供信號,。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號,通過FPGA引發(fā)DSP的中斷,。在轉(zhuǎn)換結(jié)束后,F(xiàn)PGA將6個16位的轉(zhuǎn)換結(jié)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(shù)據(jù)讀取方式,。將ADD引腳置為高電平,,使得讀出的數(shù)據(jù)中包括轉(zhuǎn)換通道信息。在系統(tǒng)中,,采用FPGA實現(xiàn)ADS8364的接口控制電路,,ADS8364轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通過FPGA存在SDRAM中。
 本系統(tǒng)中,,ADS8364,、FPGA、DSP與SDRAM的接口連接如圖2所示,。

1.3 DSP與FPGA協(xié)同處理模塊
 DSP和FPGA協(xié)同處理模塊是本系統(tǒng)的核心,,其主要完成對ADS8364的控制、數(shù)據(jù)的計算以及相應(yīng)的邏輯控制,,并通過藍(lán)牙完成數(shù)據(jù)的傳輸,。由于數(shù)據(jù)采集要求采集數(shù)據(jù)量大,多路信號同時采集,,要求實時性好,、速度快、精度高等,,本系統(tǒng)采用基于DSP與FPGA協(xié)同處理,。系統(tǒng)設(shè)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,,1.2 V內(nèi)核電壓,工作電壓為1.15 V~3.465 V,內(nèi)嵌RAM 119 808位,,13個乘法器,,并有143個I/O腳。在本系統(tǒng)中,,為了數(shù)據(jù)緩存,,需要在FPGA和DSP之間有一個FIFO來充當(dāng)數(shù)據(jù)的緩存區(qū),同時為了滿足數(shù)據(jù)采集中高速實時數(shù)據(jù)流應(yīng)用,避免FIFO溢出,,設(shè)計時通過FPGA及SDRAM構(gòu)造一個FIFO,,以提供一個低成本并能滿足高速實時數(shù)據(jù)流傳輸?shù)慕鉀Q方案。本系統(tǒng)中的EP2C5時鐘信號由外部晶振提供,,EP2C5的復(fù)位信號由TMS320F2812的I/O口實現(xiàn),。TMS320F2812為EP2C5產(chǎn)生復(fù)位信號,當(dāng)EP2C5檢測到有效的復(fù)位信號后,,就會按照TMS320F2812產(chǎn)生的分頻因子觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D采樣,,同時將ADS8364輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)EP2C5預(yù)處理后,存儲到SDRAM中。EP2C5的JTGA口為其提供程序下載端口,。
    TMS320F1812數(shù)字信號處理器是TI公司推出的低功耗,、高性能32位定點數(shù)字信號處理器,它采用8級流水線結(jié)構(gòu),最高主頻150 MHz,片內(nèi)有18 KB RAM,,128 KB Flash存儲器[3],。TMS320F1812采用3.3 V外設(shè)供電和1.8 V內(nèi)核供電,由外部電路提供電源和時鐘信號,,與藍(lán)牙模塊,、FPGA連接時不需要電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中,,TMS320F1812主要功能:控制FPGA及數(shù)據(jù)的讀取,通過向FPGA發(fā)送復(fù)位信號、控制信號以及讀指令,,使FPGA從SDRAM中讀取存儲的數(shù)據(jù),,并將數(shù)據(jù)傳輸給TMS320F1812;完成輸入數(shù)據(jù)的計算,、打包等處理,,與藍(lán)牙模塊連接。
1.4 藍(lán)牙模塊
 藍(lán)牙模塊設(shè)計可選用CSR公司的BlueCore2-External單芯片藍(lán)牙模塊,。該模塊核心工作電壓為1.8 V,,輸入輸出口的工作電壓為3.3 V,符合藍(lán)牙規(guī)范V1.1和V1.2,集成有射頻收發(fā)、基帶控制和管理以及藍(lán)牙主控制器接口協(xié)議HCI,,具有SPI,、UART、USB,、PIO,、PCM接口。BlueCore2-External支持8 MB的外部Flash和ROM,,可實現(xiàn)100 m內(nèi)的通信[1],。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

 本系統(tǒng)設(shè)計中,,上位機(jī)通過USB藍(lán)牙適配器,,將控制、動作指令發(fā)送給下位機(jī),,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(shù)據(jù)采集處理;下位機(jī)接收上位機(jī)命令,,執(zhí)行相應(yīng)命令,,并通過BlueCore2-External模塊將采集處理后的數(shù)據(jù)無線傳輸給上位機(jī),完成數(shù)據(jù)的顯示,、監(jiān)控,、存儲等。
2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
    本采集系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集和藍(lán)牙傳輸,。其中,,由于采用藍(lán)牙接口模塊和USB藍(lán)牙適配器,這部分協(xié)議已經(jīng)固化在模塊中,。因此,,用戶只需要在DSP和FPGA中編寫數(shù)據(jù)采集、處理和收發(fā)程序,。系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)的處理傳輸,。系統(tǒng)上電復(fù)位后,首先完成系統(tǒng)的初始化,,包括FPGA,、TMS320F1812和藍(lán)牙模塊的初始化;然后等待上位機(jī)藍(lán)牙適配器發(fā)送的控制指令,,通過下位機(jī)的藍(lán)牙模塊完成與上位機(jī)的連接,、數(shù)據(jù)傳輸、斷開連接等操作。在DSP收到上位機(jī)的控制信息后,,選擇相應(yīng)的處理算法,,向FPGA發(fā)出動作指令,同時FPGA發(fā)出采集參數(shù)指令,,控制A/D轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)的采集,,并將ADS8364輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后存入SDRAM中。當(dāng)上位機(jī)通過藍(lán)牙提出讀取數(shù)據(jù)指令時,,DSP向FPGA發(fā)出讀指令,,F(xiàn)PGA從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送給DSP,由DSP完成數(shù)據(jù)的計算,,打包等處理,,最后通過藍(lán)牙發(fā)送給上位機(jī)。
    基于DSP與FPGA的藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),,可以同時具備DSP與FPGA的優(yōu)勢,,支持更高的計算處理能力。其良好的重構(gòu)方案,,可以很好地完成多路信號,、大量信號的實時、快速,、精確的采集,,適用于惡劣復(fù)雜的環(huán)境,且開發(fā)成本低,,具有較高的使用價值[4],有很好的應(yīng)用前景,。
參考文獻(xiàn)
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