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。
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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。
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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
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