基于DSP与FPGA的蓝牙数据采集系统设计详细分析以及优势
基于dsp与fpga的蓝牙数据采集系统设计,数据采集系统广泛地应用于工业、国防、图像处理、信号检测等领域。dsp处理器是一种高速的数字信号处理器
数据采集系统广泛地应用于工业、国防、图像处理、信号检测等领域。dsp处理器是一种高速的数字信号处理器，蓝牙技术作为一种低成本、低功耗、近距离的无线通信技术，已广泛应用于许多行业和领域[1]。本设计采用了dsp与fpga协同控制处理，并用蓝牙传输代替有线电缆传输，有效地解决了dsp和fpga单独处理的不足与有线电缆传输的弊端，大大提高了数据采集处理能力，拓宽了系统在环境较为恶劣或特殊场所的应用。
1 系统硬件设计 1.1系统总体设计
基于dsp与fpga的蓝牙数据采集系统由下位机和上位机两部分组成。其中下位机主要由前端传感器、信号调理电路、adc模数转换电路、dsp与fpga协同处理模块以及蓝牙模块组成，主要完成前端数据的采集、转换、处理等功能，并将处理后的数据传输给上位机；上位机主要由usb蓝牙适配器和pc机组成,完成数据的显示、监控、存储等功能，并向下位机发送命令。该系统主要实现现场数据高精度、高速度、多通道实时采集，利用蓝牙的无线传输特性实现数据的无线传输。系统硬件框图如图1所示。
本系统中，dsp与fpga协同控制处理是系统的核心部分，通过动作指令控制前端调理模块进行数据采集，同时将采集到的数据经dsp和fpga协同处理，后由蓝牙模块将数据传输给上位机，由上位机完成后续的相应处理工作。
1.2 前端调理模块
前端调理电路主要包括传感器、信号调理电路、adc模数转换模块。
信号调理电路包括模拟信号调理电路和数字信号调理电路。其模拟信号调理主要实现对模拟信号的缓冲、放大、衰减、隔离、滤波以及线性化等处理，以获得adc所需要的归一化信号；数字信号调理主要完成对数字信号的整形、分频、隔离、缓冲等处理，以便与fpga模块相连。
前端调理电路的核心是模数转换,对于模拟信号，传感器采集的信号经调理后需要进行模数转换,然后与fpga相连。而数字信号则经过调理后可直接与fpga相连。模数转换模块采用ti公司的高速、低功耗、6通道同步采样的16位模数转换器ads8364。ads8364采用+5 v工作电压，具有80 db共模抑制能力的全差分输入通道，6个模拟输入通道(分为a,b,c 3组)可以同时并行采样和转换[2]。考虑到fpga可以灵活地改变时钟频率，进而改变系统的采样频率，所以ads8364由fpga提供时钟和复位信号,最高频率为5 mhz，其相应采样频率为250 khz。同时fpga还为ads8364提供信号。a/d转换结束后产生转换结束信号,通过fpga引发dsp的中断。在转换结束后，fpga将6个16位的转换结果读入sdram中。ads8364的地址/模式信号(a0，a1,a2)决定ads8364的单通道、周期或fifo模式的数据读取方式。将add引脚置为高电平，使得读出的数据中包括转换通道信息。在系统中，采用fpga实现ads8364的接口控制电路，ads8364转换数据通过fpga存在sdram中。
本系统中，ads8364、fpga、dsp与sdram的接口连接如图2所示。
1.3 dsp与fpga协同处理模块
dsp和fpga协同处理模块是本系统的核心，其主要完成对ads8364的控制、数据的计算以及相应的逻辑控制，并通过蓝牙完成数据的传输。由于数据采集要求采集数据量大，多路信号同时采集，要求实时性好、速度快、精度高等，本系统采用基于dsp与fpga协同处理。系统设计中,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工艺，1.2 v内核电压，工作电压为1.15 v~3.465 v,内嵌ram 119 808位，13个乘法器，并有143个i/o脚。在本系统中，为了数据缓存，需要在fpga和dsp之间有一个fifo来充当数据的缓存区,同时为了满足数据采集中高速实时数据流应用，避免fifo溢出，设计时通过fpga及sdram构造一个fifo，以提供一个低成本并能满足高速实时数据流传输的解决方案。本系统中的ep2c5时钟信号由外部晶振提供，ep2c5的复位信号由tms320f2812的i/o口实现。tms320f2812为ep2c5产生复位信号，当ep2c5检测到有效的复位信号后，就会按照tms320f2812产生的分频因子触发a/d转换器进行a/d采样，同时将ads8364输出的数据经ep2c5预处理后,存储到sdram中。ep2c5的jtga口为其提供程序下载端口。
tms320f1812数字信号处理器是ti公司推出的低功耗、高性能32位定点数字信号处理器，它采用8级流水线结构,最高主频150 mhz,片内有18 kb ram，128 kb flash存储器[3]。tms320f1812采用3.3 v外设供电和1.8 v内核供电，由外部电路提供电源和时钟信号，与蓝牙模块、fpga连接时不需要电平转换。本系统中，tms320f1812主要功能:控制fpga及数据的读取,通过向fpga发送复位信号、控制信号以及读指令，使fpga从sdram中读取存储的数据，并将数据传输给tms320f1812；完成输入数据的计算、打包等处理，与蓝牙模块连接。
1.4 蓝牙模块
蓝牙模块设计可选用csr公司的bluecore2-external单芯片蓝牙模块。该模块核心工作电压为1.8 v，输入输出口的工作电压为3.3 v,符合蓝牙规范v1.1和v1.2，集成有射频收发、基带控制和管理以及蓝牙主控制器接口协议hci，具有spi、uart、usb、pio、pcm接口。bluecore2-external支持8 mb的外部flash和rom，可实现100 m内的通信[1]。其结构框图如图3所示。
本系统设计中，上位机通过usb蓝牙适配器，将控制、动作指令发送给下位机，bluecore2-external模块接收指令经dsp处理后传给其他功能模块，完成前端数据采集处理；下位机接收上位机命令，执行相应命令，并通过bluecore2-external模块将采集处理后的数据无线传输给上位机，完成数据的显示、监控、存储等。
2 系统软件实现 本采集系统软件设计主要包括数据采集和蓝牙传输。其中，由于采用蓝牙接口模块和usb蓝牙适配器，这部分协议已经固化在模块中。因此，用户只需要在dsp和fpga中编写数据采集、处理和收发程序。系统软件流程图如图4所示。
dsp和fpga编程的主要任务是初始化、逻辑控制、前端数据采集和数据的处理传输。系统上电复位后，首先完成系统的初始化，包括fpga、tms320f1812和蓝牙模块的初始化；然后等待上位机蓝牙适配器发送的控制指令，通过下位机的蓝牙模块完成与上位机的连接、数据传输、断开连接等操作。在dsp收到上位机的控制信息后，选择相应的处理算法，向fpga发出动作指令，同时fpga发出采集参数指令，控制a/d转换器完成数据的采集，并将ads8364输出数据进行预处理后存入sdram中。当上位机通过蓝牙提出读取数据指令时，dsp向fpga发出读指令，fpga从sdram中读取数据并发送给dsp，由dsp完成数据的计算，打包等处理，最后通过蓝牙发送给上位机。
基于dsp与fpga的蓝牙数据采集系统，可以同时具备dsp与fpga的优势，支持更高的计算处理能力。其良好的重构方案，可以很好地完成多路信号、大量信号的实时、快速、精确的采集，适用于恶劣复杂的环境，且开发成本低，具有较高的使用价值[4],有很好的应用前景。
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1 系统硬件设计 1.1系统总体设计
基于dsp与fpga的蓝牙数据采集系统由下位机和上位机两部分组成。其中下位机主要由前端传感器、信号调理电路、adc模数转换电路、dsp与fpga协同处理模块以及蓝牙模块组成，主要完成前端数据的采集、转换、处理等功能，并将处理后的数据传输给上位机；上位机主要由usb蓝牙适配器和pc机组成,完成数据的显示、监控、存储等功能，并向下位机发送命令。该系统主要实现现场数据高精度、高速度、多通道实时采集，利用蓝牙的无线传输特性实现数据的无线传输。系统硬件框图如图1所示。
本系统中，dsp与fpga协同控制处理是系统的核心部分，通过动作指令控制前端调理模块进行数据采集，同时将采集到的数据经dsp和fpga协同处理，后由蓝牙模块将数据传输给上位机，由上位机完成后续的相应处理工作。
1.2 前端调理模块
前端调理电路主要包括传感器、信号调理电路、adc模数转换模块。
信号调理电路包括模拟信号调理电路和数字信号调理电路。其模拟信号调理主要实现对模拟信号的缓冲、放大、衰减、隔离、滤波以及线性化等处理，以获得adc所需要的归一化信号；数字信号调理主要完成对数字信号的整形、分频、隔离、缓冲等处理，以便与fpga模块相连。
前端调理电路的核心是模数转换,对于模拟信号，传感器采集的信号经调理后需要进行模数转换,然后与fpga相连。而数字信号则经过调理后可直接与fpga相连。模数转换模块采用ti公司的高速、低功耗、6通道同步采样的16位模数转换器ads8364。ads8364采用+5 v工作电压，具有80 db共模抑制能力的全差分输入通道，6个模拟输入通道(分为a,b,c 3组)可以同时并行采样和转换[2]。考虑到fpga可以灵活地改变时钟频率，进而改变系统的采样频率，所以ads8364由fpga提供时钟和复位信号,最高频率为5 mhz，其相应采样频率为250 khz。同时fpga还为ads8364提供信号。a/d转换结束后产生转换结束信号,通过fpga引发dsp的中断。在转换结束后，fpga将6个16位的转换结果读入sdram中。ads8364的地址/模式信号(a0，a1,a2)决定ads8364的单通道、周期或fifo模式的数据读取方式。将add引脚置为高电平，使得读出的数据中包括转换通道信息。在系统中，采用fpga实现ads8364的接口控制电路，ads8364转换数据通过fpga存在sdram中。
本系统中，ads8364、fpga、dsp与sdram的接口连接如图2所示。
1.3 dsp与fpga协同处理模块
dsp和fpga协同处理模块是本系统的核心，其主要完成对ads8364的控制、数据的计算以及相应的逻辑控制，并通过蓝牙完成数据的传输。由于数据采集要求采集数据量大，多路信号同时采集，要求实时性好、速度快、精度高等，本系统采用基于dsp与fpga协同处理。系统设计中,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工艺，1.2 v内核电压，工作电压为1.15 v~3.465 v,内嵌ram 119 808位，13个乘法器，并有143个i/o脚。在本系统中，为了数据缓存，需要在fpga和dsp之间有一个fifo来充当数据的缓存区,同时为了满足数据采集中高速实时数据流应用，避免fifo溢出，设计时通过fpga及sdram构造一个fifo，以提供一个低成本并能满足高速实时数据流传输的解决方案。本系统中的ep2c5时钟信号由外部晶振提供，ep2c5的复位信号由tms320f2812的i/o口实现。tms320f2812为ep2c5产生复位信号，当ep2c5检测到有效的复位信号后，就会按照tms320f2812产生的分频因子触发a/d转换器进行a/d采样，同时将ads8364输出的数据经ep2c5预处理后,存储到sdram中。ep2c5的jtga口为其提供程序下载端口。
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