结合FPGA和DSP设计基于多普勒测量原理的非侵入式测量系统

随着FPGA性能和容量的改进，使用FPGA执行DSP功能的做法变得越来越普遍。在许多情况下，同一应用中同时使用处理器和FPGA，采用协处理架构，让FPGA执行预处理或后处理操作，以加快处理速度。本文说明如何将FPGA和与固定功能DSP结合起来使用，设计一个基于多普勒测量原理的非侵入式测量系统。
　　图1：电子束聚集技术。
　　
　　传统上，大量的应用设计使用专门的数字信号处理（DSP）芯片或专用标准产品（ASSP）并通过信号处理算法来处理数字信息，滤波、视频处理、编码与解码、以及音频处理等仅仅是众多采用 DSP 的应用中的一部分而已。
　　现在，随着 FPGA 性能和容量的改进，以及可以在大多数 DSP 应用中看到的通用算术运算的效率的提高，使用FPGA执行DSP功能的做法变得越来越普遍。在许多情况下，同一应用中同时使用处理器和FPGA，采用协处理架构，让FPGA执行预处理或后处理操作，以加快处理速度。
　　显示此种趋势的应用之一是多普勒测量系统，它可以测量固体或液体在各种环境中流动的速度。从管道中流动的油，到人的心脏中流动的血液，相对于以前的方法，基于多普勒测量原理的非侵入式测量方法可以极大地降低风险，减少成本和提高精度。一般来说，这些系统都是采用 DSP技术，将FPGA和如TI公司提供的固定功能DSP器件之类结合起来使用。
　　多普勒测量系统
　　多普勒测量系统利用多普勒效应测量运动目标（固体、液体或气体）的速度。最著名的应用大概要算雷达枪了，交通巡警利用它检测超速汽车。
　　在测量除汽车速度之外的其他物体的运动（例如心脏中血液的流动）时，需要进行多种测量，来确定更为复杂的流动的细节。方法之一是利用电子束聚集技术。
　　在这种技术中，将使用大量探测器（许多小雷达枪）测量从发射源返回的频率。这些探测器沿抛物线分布（如图1 所示），因此从焦点返回的信号将会同时到达每个探测器。将这些信号组合起来，并对显著速度的微小波动进行少量处理，就可以确定位于焦点处的物体的速度。如果可以移动探测器来对整个关注区域进行扫描，那么这种方法效果会相当好，但是如果没有这样的条件，则可以采用另外一种技术，它可以获得同样的结果。通过插入一定的可编程的延迟，改变各个探测器的输入组合的时间，可以将焦点改变到关注区域中的几乎任何位置。例如，加入一定的固定额外延迟可以使焦点远移，而改变延迟来缩短探测器一侧的传播路径则会使焦点向该侧移动。
　　图2 显示了如何利用可调延迟产生抛物线形效果。可调延迟功能在富含寄存器的FPGA中极易实现，并可能成为从传统DSP中剥离作为协处理器功能的一种功能。
　　系统实现示例
　　图 3 显示了一种系统实现示例的框图。位于图中部的 FPGA 负责产生发射器使用的输出信号。该实现采用Xilinx直接数字频率综合器IP核，可方便地产生各种波形。可以根据测量目标的不同轻松改变频率。
　　图2：具有延迟功能的电子束聚集技术。
　　
　　探测器测量返回信号的模拟值，产生馈送到FPGA的数字值。FPGA对输入信号执行部分初步滤波运算，来调整探测器的位置。然后FPGA向每个探测器数据流中插入一定可编程延迟，以实现电子束聚集功能。数据流被组合起来，一个数字滤波器负责确定信号的频率分量。这样就得到了确定焦点速度所必需的多普勒读数。
　　在FPGA的内部有一个MicroBlaze软核，控制着测量过程，从而实现高层次的功能，如扫描、初始化、测试，以及诊断等。
　　DSP读取和存储FPGA执行操作的结果。一旦完成一系列扫描，处理器就可以构建出一幅针对扫描区域的数字图像。可以为不同的速度分配不同的颜色（按照线性、对数或任何其他比例），并将数字图像转换成视频图像，在图形终端上实时显示或记录下来留待以后回放。利用众多可以得到的软件或工具包中的一个，还可以在处理器中轻松实现到JPEG或其他视频格式的转换， 还可以采用其他系统分割进行实验。如果实时视频处理和存储占用了处理器过多带宽，可以将算法的一部分（比如扫描数据的预处理）放在FPGA中来执行。
　　测量过程的另一个重要部分是确定目标的质量。可以通过测量从焦点返回探测器的能量大小来实现这一功能。返回的能量越多，则目标越大（一般而言）。当测量的目标具有固定连贯性时（如在管道中流动的油或其他液体），这种测量效果特别好，但当系统中存在各种不同质量或反射时，测量就很困难了。