以FPGA和DSP為基礎的光纖微振動傳感器設計信號采集和算法處理實時系統隨著光纖技術的不斷發展，光纖微振動傳感器越來越多地應用于周界安防、石油和天然氣管道和通信線路監測等系統中。光纖微振動傳感器是利用光纖是傳感介質的一種分布式光纖傳感系統，其中光纖既是傳感介質，又是光傳輸介質。它可以在傳感光纖布設長度內，對一定準確度范圍內的突發事件進行遠程和實時的監測。國內科研單位先后開展了對于光纖微振動傳感器的相關研究工作，取得了一定的成果，實現對振動進行定位并報警，但模／數存在誤報警的問題。對振動信號進行模式識別是一種降低誤報警率的方法。國內各研究單位對光纖傳感器的振動模式識別也開展了一些研究，但都是基于PC端的離線處理，滿足不了系統實時性和小型化的要求。本文設計的基于FPGA和DSP的光纖微振動傳感器數據采集和實時處理系統滿足系統對實時性和小型化的要求，能夠實現在線對光纖微振動傳感器進行數據采集和實時模式識別算法處理。1系統設計本文設計的系統對基于雙M—Z型干涉儀的光纖微振動傳感器的信號進行采集和處理，系統功能框架圖如圖1所示，由光電轉換模塊、模／數轉換模塊、FPGA模塊和DSP模塊組成。光纖微振動傳感器的輸出信號經光電模塊從光信號轉換為電信號；然后通過模／數轉換模塊，把模擬信號轉化成數字信號；FPGA模塊控制模／數轉換模塊的時鐘，把數字信號采集入FPGA內的FIFO緩沖器，FIFO的半滿信號線和DSP模塊相連，會觸發DSP的EDMA事務，把數據從FIFO轉移到DSP的存儲器SDRAM；并且存儲器中的數據長度達到系統設定值時觸發DSP的模式識別算法處理函數。2硬件設計2．1光電轉換和模／數轉換光電轉換模塊采用SPF1200SF-D08型號的PINFET探測模塊。該PINFET工作波長為1000～1650nm，采用正負5V供電。PIN管的反偏高、輸出阻抗與FET的高輸入阻抗得到很好地匹配，減少了外部干擾和雜散電容，大大降低了熱噪聲，而且配合采用AD8065的前置放大電路可以很好地匹配A／D轉換電路輸入電平范圍。模／數轉換模塊采用ADI公司的AD923512bADC，其體積小，功耗低，耐高過載。AD9235有3種不同最大采樣頻率的型號，別是20MS／s，40MS／s，60MS／s。該系統采用的是20MS／s，其采樣時鐘由FPGA的DCM輸出，由專用的差分ADC驅動芯片AD8138將單端信號轉換為差分信號作為AD9235的輸入。采樣時鐘和FIFO的寫時鐘配合，把模／數轉換的數據寫進FPGA內的FIFO。2．2DSP模塊DSP模塊采用T1公司生產的TMS320C6747型號，時鐘頻率為300MHz，是浮點、低功耗應用處理器。其中主要功能是完成數據的EDMA轉移和算法處理，硬件設計主要包括EMIF接口和EDMA3控制器。2．2．1EMIF接口C6747通過它的2個EMIF接口：EMIFA和EMIFB，可連接外部存儲器，或其他外設。C6747的EMIFA接口時鐘頻率可達100MHz，既可接SDRAM也可接FLASH。本系統通過EMIFA接口外接1片16MB的NORFLASHS29GL128M，在CE2地址空間內實現代碼的存儲，配置寄存器CE2CFG=0x0484232D；EMIFA接口同時還和FPGA內的FIFO相連，使FPGA內的FIFO空間映射到DSP的CE3地址空間，CS3控制FPGA端的FIFO，CE3CFG=0x0484222D。C6747的EMIFB接口的時鐘頻率可達133MHz，只可接SDRAM。本系統通過EMIFB接口外接2片SDRAM芯片IS42S16160B組成64MB的存儲器，用于存放實時采集的數據和算法運算過程中的臨時數據；配置寄存器之前需先置SDCFG．TIMUNLOCK為1，然后才可更改其他寄存器：SDREF=0x00000410，SDTIM1=0x10912A10；SDTIM2=0x70090005，SDCFG=0x00010421。2．2．2EDMA3控制器TMS320C6747內的EDMA3控制器是一個高效的數據傳輸引擎，可在沒有CPU參與的前提下，完成DSP存儲空間內的數據轉移，保證CPU核心專注于信號處理算法的運算。EDMA3傳輸有3種觸發方式：事件觸發、連鎖觸發和CPU觸發。本系統設計選擇事件觸發，FPGA內FIFO的half_full輸出信號和DSP的GP4［2］相連，滿足條件會自動觸發一個EDMA請求，執行對應于參數RAM的數據傳輸。EDMA3數據傳輸的控制通過設置參數RAM來實現。本系統設計設置OPT=0x0010000C。其中TCINTEN位置1，當最后傳輸事務完成之后會觸發DSP系統的EDMA中斷；STATIC位置1，在EDMA事務傳輸請求完成之后參數RAM不會被更新或者鏈接到別的參數RAM；SYNCDIM位置1，EDMA傳輸類型是二維，每一個傳輸請求傳輸BCNTxACNT字節。為使EDMA事件傳輸及中斷能夠被觸發并順利執行，本系統設計進行下列配置：（1）GPIO4［2］配置為邊沿觸發，且打開中斷使能；（2）對EDMA寄存器EESR相應位寫1，使EER相應位置1，使EDMA3CC監測外部觸發事件；（3）配置EDMA的參數RAM并寫進配置寄存器，定義EDMA數據傳輸的參數；（4）配置EDMA寄存器DMAQNUM，映射GP4［2］中斷對應的28號事件到隊列0；（5）配置EDMA寄存器DRAE［1］，使能EDMA傳輸完成產生的中斷；（6）置EDMA寄存器IER相應位為1，使對應通道的傳輸完成能觸發EDMA中斷；（7）DSP控制寄存器IER．NMIE置1，使能DSP所有非重啟的中斷；（8）DSP控制寄存器CSR．GIE置1，打開DSP中斷的總開關。2．3FPGA和DSP接口系統設計采用FPGA和DSP雙核心，FPGA在并行運算方面有很高的效率，可負責控制信號的采集和預處理，而DSP擅長信號處理，負責信號的算法，保證系統的高效運行。FPGA和DSP的接口設計是保證兩者進行有效通信的關鍵。本系統設計中DSP通過EMIFA和FPGA相連的物理接口如圖2所示。接口的信號線可分3部分：DSP對FPGA的控制線，FPGA通知DSP的中斷信號線和數據線。（1）控制線：在FPGA內部和DSP相連的是一個輸出FIFO，它的片選信號、時鐘信號和寫使能信號對應于TMS320C6747的信號EMA_CS3，EMA_CLK，EMA_WE信號；而讀使能信號由EMA_OE，EMA_CS3和EMA_CLK共同產生，因為EMIFA的每一個讀時序包含多個EMA_CLK時鐘周期，在EMA_OE有效電平期間，FIFO的讀使能信號只能持續一個時鐘周期，否則多個數據將被讀出。（2）中斷信號線：FIFO的信號線half_full和C6747的其中一個通用管腳GP4［2］相連，通過配置GPIO的配置寄存器SET_RIS_TRIG45，CLR_FAL_TRIG45和BINTEN，GPIO4［2］電平由低到高的變化將會產生中斷。（3）數據線：EMIFA的數據線是16位，12位的FIFO的輸出數據線直接和EMIFA的EMA_D低12位相連，在FPGA中配置與EMA_D高4位相連的管腳一直為0。3軟件設計系統軟件設計包括FPGA模塊和DSP模塊的軟件流程控制，FPGA模塊內部主要是FIFO設計，控制數據的采集以及配合DSP進行通信，而在DSP模塊中主要包含EDMA數據傳輸控制和算法處理。3．1FPGA的FIFOFPGA模塊采用Xilinx公司的XC4VSX35型號，其內部設計有DCM模塊和FIFO模塊。DCM模塊和外部的晶振相連，引入時鐘信號，通過DCM輸出時鐘信號給AD9235作時鐘信號以及FPGA內部FIFO的寫時鐘信號。FIFO模塊設有相互獨立的讀寫時鐘，是異步讀寫方式，能夠協調模／數轉換模塊和DSP模塊之間的工作，把數據從模／數轉換模塊的輸出轉移到DSP模塊。FIFO模塊采用XC4VSX35內部的BlockRAM，通過IP核配置的方式，生成所需的FIFO緩沖存儲器，FIFO的寫入時鐘由FPGA內部的DCM提供。在寫入時鐘的控制下AD9235的輸出數據寫入FIFO緩沖器，當FIFO內數據數量達到設定值時，FIFO的half_full信號線電平由低轉高，以GPIO中斷的方式觸發DSP的EDMA事務進行數據轉移。圖3是ISE7．1中FIFO的仿真時序圖。為了避免系統重置之前half_full信號上升沿導致錯誤的觸發DSP的EDMA事件，在rst置位之前half_full置1。模／數轉換模塊的AD9235輸出位數是12位，FIFO的輸入和輸出均設為12位。3．2DSP的軟件流程DSP模塊的軟件流程設計采用TI的DSP集成開發環境CCS3．3。DSP中的軟件配合FPGA上的FIFO一起控制信號的采集和數據的實時處理。軟件實現的功能分3個部分：系統初始化，EDMA傳輸控制和中斷服務程序，算法處理。軟件流程圖如圖4所示。C6747上電后，首先進行系統初始化，設置各配置寄存器使DSP各功能模塊按設計要求運行，主要配置管腳復用、PLL、PSC和EMIF。FPGA同時啟動并開始控制AD9235開始采集數據，傳感器的信號經過模／數轉換進入FPGA的FIFO緩沖器，當FIFO內的數據量達到設定長度時，half_full信號線電平由低轉高，輸出中斷信號。然后，因為此信號線和DSP的通用管腳GP4［2］相連，DSP內部的EDMA3控制器會檢測到此GPIO中斷事務，并產生一個傳輸請求，按照設定的參數把數據從FPGA內的輸出FIFO轉移到DSP模塊的SDRAM存儲器。在完成此EDMA傳輸請求之后觸發一個EDMA中斷，在中斷服務程序中檢測SDRAM內數據長度。最后，當SDRAM