基于DSP和DDS技術(shù)的氣體濃度檢測系統(tǒng)

引 言
    ADSP-BF531處理器是ADI公司Blackfin系列產(chǎn)品的成員，專為滿足當(dāng)今嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計(jì)算要求和低功耗條件而設(shè)計(jì)的新型16位嵌入式處理器。它基于由ADI和Intel公司聯(lián)合開發(fā)的微信號架構(gòu)(Micro Signal Architecture，MSA)，將一個(gè)32位RISC型指令集和雙16位乘法累加(MAC)信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。ADSP-BF531處理器具有以下主要特點(diǎn)：最大頻率為600 MHz，1200 MMACs；每一個(gè)內(nèi)核中帶有2個(gè)16位的乘法器，2個(gè)40位的累加器，2個(gè)40位的邏輯運(yùn)算單元，4個(gè)位的視頻運(yùn)算單元和1個(gè)40位的移位器，在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成2個(gè)16位數(shù)的乘法，2個(gè)40位數(shù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算，4個(gè)位的視頻數(shù)據(jù)算術(shù)邏輯運(yùn)算，1個(gè)40位的移位運(yùn)算；低功耗采用1．12 V的內(nèi)核電壓和3．3 V的I／O電壓，片內(nèi)集成調(diào)壓器，并且具備動(dòng)態(tài)電源管理；高達(dá)148 KB的片內(nèi)存儲器；豐富的外設(shè)接口，支持與SDRAM，SRAM，F(xiàn)LASH和ROM的無縫連接；片上JTAG仿真接口。
    提出一種基于ADSP-BF531為核心，集DDS和A／D采樣芯片于一體的氣體濃度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對結(jié)構(gòu)性微氣體傳感器，充分利用了DDS信號源頻率、相位穩(wěn)定可控的特點(diǎn)和DSP芯片強(qiáng)大的控制能力和高速的數(shù)據(jù)處理能力，具有硬件簡單，成本低，可靠性高，通用性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 自相關(guān)檢測原理
    設(shè)被測信號x(k)由有用信號s(k)和噪聲u(k)組成：
    x(k)=s(k)+u(k)
    x(k)的自相關(guān)函數(shù)為：

  
     式中：Rs(m)為s(k)的自相關(guān)函數(shù)；Rsu(m)為s(k)與u(k)的互相關(guān)函數(shù)；Rus(m)為u(k)與s(k)的互相關(guān)函數(shù)；Ru(m)為u(k)的自相關(guān)函數(shù)。由于在電路系統(tǒng)中主要為白噪聲，有Rsu(m)=Rus(m)=0，隨著m的增大，
    根據(jù)維納一辛欽定理，功率信號的自相關(guān)函數(shù)與其功率譜密度函數(shù)具有傅里葉變換關(guān)系，所以可以用FFT計(jì)算自相關(guān)函數(shù)。但是，實(shí)際采樣值只有N+1點(diǎn)，所以求出的Rx(m)只能是自相關(guān)函數(shù)的估計(jì)值。當(dāng)用FFT計(jì)算自相關(guān)函數(shù)時(shí)，x(k)必須補(bǔ)N個(gè)零，使長度變成2N+1，因此功率譜密度為：

對上式進(jìn)行IFFT就可以得到Rs(m)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    氣體濃度檢測系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。主要包括傳感器激勵(lì)信號的發(fā)生、傳感器位置的選取，信號采集以及外部存儲器的設(shè)計(jì)四個(gè)部分。其核心是ADSP-BF531芯片，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)事務(wù)協(xié)調(diào)以及算法功能實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)工作過程中，DSP芯片通過設(shè)定 SPI控制器，控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生一個(gè)特定的穩(wěn)幅的超聲頻的正弦信號。這個(gè)信號通過放大器和多路開關(guān)后，施加在指定的傳感器驅(qū)動(dòng)電極上，并驅(qū)動(dòng)傳感器發(fā)生同頻振動(dòng)。傳感器輸出信號經(jīng)由前置放大器放大到適當(dāng)?shù)某潭龋俳?jīng)過高精度的A／D芯片AD9235采樣后將轉(zhuǎn)換結(jié)果送到DSP進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算出振動(dòng)幅度。

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2．2 DSP與A119235的接口設(shè)計(jì)     ADSP-BF531處理器提供可直接與并行A／D和D／A轉(zhuǎn)換器、ITU R601／656視頻編碼和解碼器以及其他通用外設(shè)連接的并行接口(PPI)。PPI包括一個(gè)專用時(shí)鐘引腳，多達(dá)3個(gè)幀同步引腳和多達(dá)16個(gè)數(shù)據(jù)引腳。輸入時(shí)鐘支持系統(tǒng)時(shí)鐘一半的并行數(shù)據(jù)傳輸率。PPI采用DMA方式，可以直接把數(shù)據(jù)存放在SDRAM或者送到內(nèi)核進(jìn)行處理。它能與12 b A／D采樣芯片AD9235完全兼容，電路接口簡單，A／D芯片和PPI采用同一時(shí)鐘來同步數(shù)據(jù)。同時(shí)AD9235的數(shù)據(jù)溢出位作為數(shù)據(jù)最高位接到 PPI，在計(jì)算過程中，可以通過判斷該位對壞數(shù)據(jù)進(jìn)行剔出，其電路接口如圖3所示。 [!--empirenews.page--] 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)     氣體濃度檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括DSP初始化程序、中斷向量表、應(yīng)用程序(包括響應(yīng)外部中斷程序)、數(shù)據(jù)后處理程序。檢測系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)首先運(yùn)行內(nèi)部ROM固化的Boot-Loader程序，將存儲在FLASH中的程序代碼加載到DSP內(nèi)部RAM 中。程序首先是初始化系統(tǒng)，通過配置DSP內(nèi)部寄存器，確定DSP具體的工作狀態(tài)，然后是中斷響應(yīng)程序以及數(shù)據(jù)后處理程序。系統(tǒng)程序框圖如圖4所示，自相關(guān)運(yùn)算在中斷子程序中完成，為方便移植所有程序都采用結(jié)構(gòu)化C語言完成。本檢測系統(tǒng)在工作過程中，對每一頻點(diǎn)采樣4 092點(diǎn)，將每個(gè)頻點(diǎn)采樣值進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，恢復(fù)出微弱信號，并計(jì)算該頻率傳感器響應(yīng)幅度。前面已經(jīng)證明在DSP內(nèi)進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算可以用FFT來實(shí)現(xiàn)。     FFT算法中的倒序可以由DSP變址方便實(shí)現(xiàn)，整個(gè)推導(dǎo)過程由三重循環(huán)構(gòu)成，外層的循環(huán)控制有M級的順次運(yùn)算(M=log2N)，內(nèi)層的兩個(gè)循環(huán)一起控制同一級中各個(gè)碟型運(yùn)算單元，最內(nèi)層的一個(gè)循環(huán)控制為同一類型的碟型運(yùn)算。本程序采用基-2時(shí)間碟型運(yùn)算，碟型運(yùn)算的計(jì)算關(guān)系為：    這里的X(M-1)(k)和X(M-1)(j)分別表示第M-1級中上節(jié)點(diǎn)和下節(jié)點(diǎn)的值，XM(k)和XM(j)分別為第M級中上節(jié)點(diǎn)和下節(jié)點(diǎn)的值，k是j的對偶節(jié)點(diǎn)，依據(jù)上述公式可以實(shí)現(xiàn)序列的同址運(yùn)算。 4 結(jié) 語     實(shí)驗(yàn)證明，基于微氣體傳感器的氣體濃度檢測系統(tǒng)能有效地檢測出傳感器的微弱信號。系統(tǒng)以 Black-fin531為核心，結(jié)合DDS技術(shù)和自相關(guān)檢測方法，硬件設(shè)計(jì)簡單可靠，程序采用結(jié)構(gòu)化的C語言，通用性和移植性好，易于DSP實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)很好地滿足了氣體濃度檢測的需要，測量精度高，算法簡單，可以用于氫氣等多種氣體的檢測。 欲知詳情，請下載word文檔 下載文檔 來源：現(xiàn)代電子技術(shù) 作者：wangmeng 本站聲明： 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布，目的在于傳遞更多信息，并不代表本站贊同其觀點(diǎn)，本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者，如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益，請及時(shí)聯(lián)系本站刪除。 換一批 延伸閱讀 [通信先鋒] 阿維塔、賽力斯已入股！華為引望可能成“中國博世” 9月2日消息，不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司，隨著阿維塔和賽力斯的入局，華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。 關(guān)鍵字： 阿維塔 塞力斯 華為 [美通社全球TMT] Trianz與AWS達(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議，徹底改變云采用和管理方式 加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布，該公司與Amazon Web Services （AWS）簽訂了... 關(guān)鍵字： AWS AN BSP 數(shù)字化 [美通社全球TMT] 人工智能驅(qū)動(dòng)工具SODA V將顛覆汽車市場，使汽車開發(fā)時(shí)間和成本降低90% 倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V，這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具，可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時(shí)1.5... 關(guān)鍵字： 汽車 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP [美通社全球TMT] 從容應(yīng)對未知風(fēng)險(xiǎn)----解密亞馬遜云科技的韌性之道 北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行，同時(shí)企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn)，如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性，提升韌性，成... 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