引言

    信息世界的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集也逐漸收到重視。現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛地應用于工業(yè)、國防、圖像處理、信號檢測等領域。其中DSP處理器是一種高速的數(shù)字信號處理器，藍牙技術作為一種低成本、低功耗、近距離的無線通信技術，已廣泛應用于許多行業(yè)和領域。本文設計采用了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用。相信會給有需要的人帶來方便。

　　1  系統(tǒng)硬件設計

　　1.1 系統(tǒng)總體設計

　　基于DSP與FPGA的藍牙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(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；上位機主要由USB藍牙適配器和PC機組成，完成數(shù)據(jù)的顯示、監(jiān)控、存儲等功能，并向下位機發(fā)送命令。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)高、高速度、多通道實時采集，利用藍牙的無線傳輸特性實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。系統(tǒng)硬件框圖如下面的圖1所示。

　　本系統(tǒng)中，DSP與FPGA協(xié)同控制處理是系統(tǒng)的部分，通過動作指令控制前端調(diào)理模塊進行數(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，后由藍牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機，由上位機完成后續(xù)的相應處理工作。

　　1.2 DSP+FPGA結構

　　DSP+FPGA結構的特點是結構靈活，有較強的通用性，適于模塊化設計，從而能夠提高算法效率；同時其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護和擴展。這種優(yōu)勢互補的組合給很多技術帶來了可能?？梢哉f是2個的完美結合。

　　例如，一個由DSP+FPGA 結構實現(xiàn)的實時信號處理系統(tǒng)中，低層的信號預處理算法處理的數(shù)據(jù)量大，對處理速度的要求高，但運算結構相對比較簡單，適于用FPGA進行硬件實現(xiàn)，這樣能同時兼顧速度及靈活性。高層處理算法的特點是所處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少，但算法的控制結構復雜，適于用運算速度高、尋址方式靈活、通信機制強大的DSP芯片來實現(xiàn)。

　　FPGA可以完成模塊級的任務，起到DSP的協(xié)處理器的作用。它的可編程性使它既具有專用集成電路的速度，又具有很高的靈活性。

　　DSP具有軟件的靈活性；而FPGA具有硬件的高速性，從器件上考察，能夠滿足處理復雜算法的要求。這樣DSP+FPGA的結構為設計中如何處理軟硬件的關系提供了一個較好的解決方案。同時，該系統(tǒng)具有靈活的處理結構，對不同結構的算法都有較強的適應能力，尤其適合實時信號處理任務。

　　1.3 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。

　　前端調(diào)理電路的是模數(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，進而改變系統(tǒng)的采樣頻率，所以ADS8364由FPGA提供時鐘和復位信號，頻率為5 MHz，其相應采樣頻率為250 kHz。同時FPGA還為ADS8364提供信號。A/D轉(zhuǎn)換結束后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結束信號，通過FPGA引發(fā)DSP的中斷。在轉(zhuǎn)換結束后，F(xiàn)PGA將6個16位的轉(zhuǎn)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(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。

　　1.4 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，其主要完成對ADS8364的控制、數(shù)據(jù)的計算以及相應的邏輯控制，并通過藍牙完成數(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、高等，本系統(tǒng)采用基于DSP與FPGA協(xié)同處理。系統(tǒng)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，1.2 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)流應用，避免FIFO溢出，設計時通過FPGA及SDRAM構造一個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的復位信號由TMS320F2812的I/O口實現(xiàn)。TMS320F2812為EP2C5產(chǎn)生復位信號，當EP2C5檢測到有效的復位信號后，就會按照TMS320F2812產(chǎn)生的分頻因子觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器進行A/D采樣，同時將ADS8364輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)EP2C5預處理后，存儲到SDRAM中。EP2C5的JTGA口為其提供程序端口。

　　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級流水線結構，主頻150 MHz,片內(nèi)有18 KB RAM，128 KB Flash存儲器。TMS320F1812采用3.3 V外設供電和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，與藍牙模塊連接。

　　1.5 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]。其結構框圖如圖3所示。

　　本系統(tǒng)設計中，上位機通過USB藍牙適配器，將控制、動作指令發(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(shù)據(jù)采集處理；下位機接收上位機命令，執(zhí)行相應命令，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，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)軟件設計主要包括數(shù)據(jù)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)上電復位后，首先完成系統(tǒng)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，通過下位機的藍牙模塊完成與上位機的連接、數(shù)據(jù)傳輸、斷開連接等操作。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)進行預處理后存入SDRAM中。當上位機通過藍牙提出讀取數(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，通過藍牙發(fā)送給上位機。

　　3  總結

　　本文提出基于DSP與FPGA的藍牙數(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。其良好的重構方案，可以很好地完成多路信號、大量信號的實時、快速、的采集，適用于惡劣復雜的環(huán)境，且開發(fā)成本低，具有較高的使用價值,有很好的應用前景。相信在以后的一段時間內(nèi)該技術會很好地在市場上得到應用。

　　4  關于藍牙模塊

　　牙模塊，一種集成藍牙功能的芯片，用于無線網(wǎng)絡通訊，主要分藍牙gps模塊，藍牙模塊BRF6100。生產(chǎn)藍牙藍牙芯片生產(chǎn)商為CSR。

　　作為取代數(shù)據(jù)電纜的短距離無線通信技術，藍牙支持點對點以及點對多點的通信，以無線方式將家庭或辦公室中的各種數(shù)據(jù)和語音設備連成一個微微網(wǎng)（Pico－net），幾個微微網(wǎng)還可以進一步實現(xiàn)互聯(lián)，形成一個分布式網(wǎng)絡（scatter－net），從而在這些連接設備之間實現(xiàn)快捷而方便的通信。本文介紹藍牙接口在嵌入式數(shù)字信號處理器OMAP5910上的實現(xiàn)，DSP對模擬信號進行采樣，并對A/D變換后的數(shù)字信號進行處理，通過藍牙接口傳輸?shù)浇邮斩?，同樣，DSP對藍牙接收到的數(shù)字信號進行D/A變換，成為模擬信號。

　　參考文獻

　　[1]  錢志鴻，楊帆。 藍牙技術原理、開發(fā)與應用 [M].北京： 北京航空航天大學出版社，2006.

　　[2]  TI公司。 ADS8364數(shù)據(jù)手冊[Z]. 2002.

　　[3]  蘇奎峰。 TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

　　[4]  華清遠見嵌入式培訓中心。 FPGA應用開發(fā)入門與典型實例[M]. 北京：人民郵電出版社，2008.

      [5]  ADS8364 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/ADS8364_1095420.html.

      [6]  TMS320F2812 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TMS320F2812_1116432.html.

      [7]  EP2C5 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/EP2C5_1438349.html.

      [8]  ROM datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/ROM_1188413.html.

      [9]  OMAP5910 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/OMAP5910_523429.html.