基于DSP的傳感器技術(shù)綜述

1、基于DSP的傳感器技術(shù)綜述姓名：唐紅星學(xué)號：200816022123專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)教師：張果時間：2011-06-14 一前言： 21.數(shù)字信號處理(Digital Signal 22.DSP的起源（The Roots of DSP） 3二DSP技術(shù)在光纖電壓傳感器中的應(yīng)用 41引言 42 TMS320C31特點(diǎn) 42. 1 TMS320C3X是TI的第3代產(chǎn)品，也是第1代浮點(diǎn)DSP芯片。 522流水線 523專用的硬件乘法器 524特殊的DSP指令 625快速的指令周期 63 光纖電壓傳感器的實(shí)現(xiàn)原理與系統(tǒng)構(gòu)成 64 DSP技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方案 741硬件結(jié)構(gòu) 742軟件結(jié)構(gòu) 75

2、性能改進(jìn)及結(jié)論 8三心得體會： 8四參考資料： 9一前言：數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實(shí)信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。術(shù)語“DSP”是數(shù)字信號處理的英文縮寫。數(shù)字信號處理是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的術(shù)語，在這樣

3、的領(lǐng)域中，用離散（在時間和幅值兩個方面）的采樣數(shù)據(jù)集來表示和處理信號和系統(tǒng)，在出版的書和雜志中有大量的這方面的研究和數(shù)學(xué)算法。最初，大多數(shù)數(shù)字信號處理是在主機(jī)和其它通用數(shù)字計(jì)算機(jī)上離線完成的。這就是所謂的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的“后處理”。隨著在最近的二十多來年集成電路的復(fù)雜性和集成度的飛速增加，開發(fā)出專用處理芯片器，它能實(shí)時或“在線”進(jìn)行數(shù)字信號處理。這些芯片被稱為數(shù)字信號處理器(DSPs，并在半導(dǎo)體工業(yè)中成為最大的增長市場。從1988年至今，DSP的市場每年增長40%。這就意味著將引入更高性能的DSPs(及與DSP有關(guān)的產(chǎn)品，并以較低的價格銷售。結(jié)果有雙重意義：第1，隨著時間的推移，更多的信號處理可在更

4、快和更復(fù)雜的處理器內(nèi)完成。第2，便宜的DSPs進(jìn)入更多產(chǎn)品，這些產(chǎn)品如，手持電話、無磁帶電話錄答機(jī)、尋呼機(jī)(pager、高保真度立體聲設(shè)備和汽車中的主動懸掛系統(tǒng)(active suspension systems in cars。1.數(shù)字信號處理(Digital Signal ProcessingDSP強(qiáng)調(diào)的是通過專用集成電路芯片,利用數(shù)字信號處理理論,在芯片上運(yùn)行目標(biāo)程序,實(shí)現(xiàn)對信號的某種處理.數(shù)位訊號處理（Digital Signal Processing）是二十一世紀(jì)形成科學(xué)和工程最具威力的技術(shù)之一。在各領(lǐng)域內(nèi)廣泛的范圍中已經(jīng)發(fā)生革命性的改變：通訊、醫(yī)療影像、雷達(dá)和聲納、高保真度（fid

5、elity）音樂重制，和原油探勘，只有這些有被命名。每一個領(lǐng)域的DSP技術(shù)都已發(fā)展到一定的深度，有它們自個兒的演算法、數(shù)學(xué)和特定的技巧。結(jié)合廣度與深度使得任何人都不能精通所有已被發(fā)展的DSP技術(shù)。DSP教育包含二項(xiàng)工作：學(xué)習(xí)一般可套用於整體的概念，以及對你感興趣的特定領(lǐng)域?qū)W習(xí)專業(yè)的技巧。本章藉由描述DSP已在數(shù)個不同領(lǐng)域中造成的戲劇般效應(yīng)來開啟我們進(jìn)入數(shù)位訊號處理（Digital Signal Processing）世界的旅程。革命已經(jīng)開始了。2.DSP的起源（The Roots of DSP）數(shù)位訊號處理不同於其它電腦科學(xué)中的領(lǐng)域是由於它使用的資料型別的唯一性：訊號（signals）。在大多

6、情況下，這些訊號起源於現(xiàn)實(shí)世界中知覺的（sensory）資料：地震的擺動（seismic vibrations）、視覺影像、聲波等。在訊號已經(jīng)被轉(zhuǎn)換為數(shù)位型式后，DSP是數(shù)學(xué)、演算法和用來處理這些訊號的技術(shù)。這包含廣泛、多變化的目標(biāo)，例如：強(qiáng)化視覺影像，辨識和產(chǎn)生對話（語音），為了儲存和傳送的資料壓縮，等。假設(shè)我們加一個對比到數(shù)位的轉(zhuǎn)換器給電腦，并用它來擷取一部份真實(shí)世界的資料。DSP回答了問題：下一步是什麼？DSP的起源是在1960和1970年代，當(dāng)數(shù)位電腦首度變成可用時。電腦在這個時代是很昂貴的，而DSP受限於只有一些關(guān)鍵性的應(yīng)用。先鋒們主要努力於四個關(guān)鍵領(lǐng)域：冒著國際的安全性危險的雷達(dá)和

7、聲納，可以賺大把鈔票的原油探勘，資料有不可取代性的太空探索和可以救命的醫(yī)學(xué)影像。1980和1990時個人電腦的革命使得DSP新的應(yīng)用突然遽增。動機(jī)并非是由於軍事和政府的需求，DSP突然被商業(yè)市場驅(qū)動了。任何認(rèn)為他們可以在快速擴(kuò)大的領(lǐng)域中賺錢的人全都突然變成是DSP的廠商。DSP在這樣的產(chǎn)品中變成眾所皆知的了：行動電話，CD（compact disc players），和電子語音郵件。此技術(shù)革命由上而下發(fā)生。在1980早期，DSP在電子電機(jī)領(lǐng)域中是在研究所課程中教授的課程。十年后，DSP已經(jīng)變成大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)課程的一部份。今日，DSP變成在許多領(lǐng)域中被科學(xué)家和工程師需要的基本技巧。以此類推，DSP可以

8、被和之前技術(shù)革命中的電子學(xué)（electronics）相比。雖然仍是電子電機(jī)領(lǐng)域，幾乎每個科學(xué)家和工程師都有些基礎(chǔ)電路設(shè)計(jì)的背景。沒有的話，他們可能會迷失在技術(shù)的世界中。DSP也有相同的未來。二DSP技術(shù)在光纖電壓傳感器中的應(yīng)用關(guān)鍵詞DSP技術(shù)電壓傳感器 摘要光纖電壓傳感可以用于電網(wǎng)電壓的監(jiān)測和保護(hù)。本文對體調(diào)制型電壓傳感器的原理進(jìn)行了分析，并提出信息處理單元采用DSP技術(shù)新方法，討論了整個系統(tǒng)的構(gòu)成以及信息處理單元的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析并與信息處理單元采用80C196的傳感器進(jìn)行了比較，確定了本光纖電壓傳感器可以達(dá)到各項(xiàng)性能指標(biāo)。 1引言 現(xiàn)代化高速電氣鐵路的供電安全是高速列

9、車行車的重要保證，如何有效可靠地監(jiān)測供電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，是一個重要的課題。 近年出現(xiàn)的光纖電壓傳感器，具有抗電磁干擾、測量精度高、耐過壓、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而很適合對高壓進(jìn)行監(jiān)測。但在高壓監(jiān)測時，對實(shí)時性和精度的要求很高，其波形輸入、輸出的相移應(yīng)小于1。，精度應(yīng)控制在±1。 以前數(shù)據(jù)處理單元芯片選用的是80C196，但是由于該芯片在精度和速度上的一些限制，使得傳感器系統(tǒng)勉強(qiáng)能滿足部分指標(biāo)，離實(shí)用化還有不小的差距，為了大幅度提高系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，我們選用TI公司專用數(shù)字信號處理芯片TMS320C31作為數(shù)據(jù)處理單元的核心芯片。 由于TblS320C31具備適合數(shù)字信號處理的獨(dú)特硬件結(jié)構(gòu)、

10、軟件指令，所以改進(jìn)后的光纖傳感器系統(tǒng)性能必有大幅度的提高，能夠向真正實(shí)用化大幅度邁進(jìn)一步。 2 TMS320C31特點(diǎn) 2. 1 TMS320C3X是TI的第3代產(chǎn)品，也是第1代浮點(diǎn)DSP芯片。 TMS320C3X中目前具有TMS320C30、TMS320C31和TMS320C32這3種。 TMS320C31是TMS320C30的簡化和改進(jìn)型，它在TMS320C30的基礎(chǔ)上去掉了一般用戶不常用的一些資源，降低了成本，是一個性能價格比較高的浮點(diǎn)處理器，在國內(nèi)已得到了較廣泛的應(yīng)用。 C31具有不同于一般處理器的硬件結(jié)構(gòu)，分別簡介如下： 21哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮·諾曼結(jié)構(gòu)的并行

11、體系結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲其實(shí)是兩個相互獨(dú)立的存儲器，每個存儲器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問。與兩個存儲器相對應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了1倍。 22流水線 與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行時間，從而增加處理器的處理能力。TMS320C3X采用四級流水線，也就是說處理器可以處理4條指令。這樣就使得取指、譯碼、執(zhí)行等操作可以同時進(jìn)行，每個指處于不同的階段。 23專用的硬件乘法器 在通用的微處理器中，乘法指令是由一系列加法來實(shí)現(xiàn)的，故需多個指令周期來完成。相比而言，DSP芯片的特征就是有一個專用的硬

12、件乘法器。這樣在完成DSP的重要組成部分即乘法時，速度就要快得多。 24特殊的DSP指令 結(jié)合DSP芯片的特殊硬件結(jié)構(gòu)，DSP芯片采用了特殊的指令，這樣在實(shí)現(xiàn)一些特殊的DSP算法時就特別方便。 25快速的指令周期 哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。具體地說，我們所采用的TMS320C31的指令周期為33405060/74ns。 3 光纖電壓傳感器的實(shí)現(xiàn)原理與系統(tǒng)構(gòu)成在不加電時，BGO晶體是屬于立方晶體，是各向同性介質(zhì)，當(dāng)在BGO晶體的(110鏡面加電壓時，由于Pockels效應(yīng)，晶體將變成雙軸晶體，兩主軸

13、方向的折射率差與加在晶體上的電壓成正比，當(dāng)以(110方向沿兩折射率主軸各通過一線偏振光時，它們之間的最大相位差可表示為=2n03r41UI/dr=U/U (1式中：表示由電光效應(yīng)產(chǎn)生的相位差； r真空波長； n0為晶體的真空折射率； r41為電光系數(shù)； 1為傳光方向晶體長度； U為外加電壓；d為電場方向晶體長的長度。 U=rd/2n03r41l為半波電壓，它僅與晶體和入射光波長有關(guān)。代入n02.07、r41=1.03×10-10cm/V、r=0.82m、d8mm、110mm可以得到半波電壓U=37kV0由(1式可見，正比于被測電壓。我們可以通過檢測求得被測電壓。 系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，

14、光發(fā)射的驅(qū)動電路產(chǎn)生等幅占空比為50的連續(xù)方波，經(jīng)LED變成光脈沖序列，被測電壓在傳感頭上對光脈沖序列進(jìn)行調(diào)制，成為調(diào)幅脈沖序列，該信號經(jīng)光纖到達(dá)探測器。探測器將它變成電信號，信號處理電路將探測器提供的電信號進(jìn)行放大濾波，再由TMS320C31處理后得到即時波形、有效值和頻譜圖。 4 DSP技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方案信息處理單元 DSP信息處理單元主要完成信號的濾波、計(jì)算、FFT變換以及輸出的任務(wù)，現(xiàn)在就其硬件和軟件的結(jié)構(gòu)、工作過程分別進(jìn)行介紹。 41硬件結(jié)構(gòu) 光電轉(zhuǎn)換后的模擬信號，經(jīng)過直流放大等預(yù)處理后，進(jìn)入AIC芯片TLC32044來完成直流和交流成分的模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)流通過串行口進(jìn)入C31芯片，在

15、C31中，信號主要完成噪聲濾除、FFT變換、有效值計(jì)算等變換，并將計(jì)算結(jié)果輸出到相應(yīng)的輸出設(shè)備上。 其中EPROM 27512主要完成初始化的數(shù)據(jù)和固化好的程序；快速RAM 7C199可以滿足大型程序的無等待運(yùn)行；雙口RAM7C133，暫存C31的輸出數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)DSP和電腦的通信工作；TLC32044是高精度AD、DA轉(zhuǎn)換芯片，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的輸入AD以及輸出nA的轉(zhuǎn)換工作。 42軟件結(jié)構(gòu) 自引導(dǎo)程序是C31自帶的程序，它負(fù)責(zé)系統(tǒng)上電后，把需要實(shí)時運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)從外部的低速EPROM中裝入；自引導(dǎo)程序運(yùn)行完畢后，程序開始運(yùn)行，首先控制TLC32044把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并且從串行口輸入；對輸

16、入的信號進(jìn)行濾波，除去帶內(nèi)噪聲。 接著把信號直接送到串行口輸出，經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換后，用示波器觀察實(shí)時波形；同時每100個周期運(yùn)行一次有效值計(jì)算程序，并將結(jié)果送到數(shù)碼管顯示；濾噪后的信號進(jìn)行FDT變換，運(yùn)行FIT程序，并運(yùn)行并行口輸出程序，把結(jié)果送到雙口RAM中；接著PC機(jī)通過ISA槽從雙口RAM中讀取頻譜數(shù)據(jù)，并運(yùn)行顯示程序，將頻譜顯示。 5 性能改進(jìn)及結(jié)論 鐵路供電網(wǎng)的電流基頻為50Hz，按20倍頻計(jì)算，電流的帶寬為1000Hz，因此AD轉(zhuǎn)換的采樣頻率設(shè)為5000Hz足夠用，這樣一幀信號的周期為200ps，這就需要在200S內(nèi)完成所有的DSP運(yùn)算；我們采用的DSP芯片時單指令周期為40ns的TM

17、S320C31芯片，它的運(yùn)算能力為25MIPS(每秒執(zhí)行百萬條指令，這樣一幀內(nèi)可以完成25MIPSx200s25，OOO次運(yùn)算，考慮系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求，一幀內(nèi)完成25萬的指令足以滿足系統(tǒng)的時延小要求；而且c31采用浮點(diǎn)運(yùn)算，可以保證計(jì)算精度。 另外還有高精度的AD轉(zhuǎn)換器，這樣就可以達(dá)到±l的精度；另外直流放大器，AD轉(zhuǎn)換器都是高速、低延遲芯片，這樣就可以滿足線性度，1，時延小于1。的指標(biāo)要求。 由此可見采用DSP技術(shù)的光纖電壓傳感器，只要合理設(shè)計(jì)軟硬件，完全可以達(dá)到實(shí)際測量儀表的指標(biāo)要求。據(jù)文獻(xiàn)中介紹，國外光纖電壓傳感器相移角已經(jīng)接近1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于互感器，可以肯定，光纖電壓傳感器的研究和發(fā)展，將對高電壓的精確測量和控制產(chǎn)生重大的影響。三心得體會：通過了解DSP，現(xiàn)代化高速電氣鐵路的供電安全是高速列車行車的重要保證，如何有效可靠地監(jiān)測供電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，是一個重要的課題。 近年出現(xiàn)的光纖電壓傳感器，具有抗電磁干擾、測量精度高、耐過壓、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而很適合對高壓進(jìn)行監(jiān)測。但在高壓監(jiān)測時，對實(shí)時性和精度的要求很高，其波形輸入、輸出的相移應(yīng)小于1。，精度應(yīng)控制在±1。 以前數(shù)據(jù)處理單元芯片選用的是80C196，但是由于該芯片在精度和速度上的一些限制，使得