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)用的計算要求和低功耗條件而設(shè)計的新型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：最大頻率為600 MHz,，1200 MMACs；每一個內(nèi)核中帶有2個16位的乘法器,，2個40位的累加器,，2個40位的邏輯運算單元,，4個位的視頻運算單元和1個40位的移位器，在一個指令周期內(nèi)可完成2個16位數(shù)的乘法,，2個40位數(shù)的算術(shù)邏輯運算,，4個位的視頻數(shù)據(jù)算術(shù)邏輯運算，1個40位的移位運算,；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，并且具備動態(tài)電源管理,；高達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)定可控的特點和DSP芯片強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,。
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計算自相關(guān)函數(shù),。但是，實際采樣值只有N+1點,，所以求出的Rx(m)只能是自相關(guān)函數(shù)的估計值,。當(dāng)用FFT計算自相關(guān)函數(shù)時，x(k)必須補N個零,，使長度變成2N+1,，因此功率譜密度為：
對上式進行IFFT就可以得到Rs(m),。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
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)計四個部分。其核心是ADSP-BF531芯片,，它負責(zé)整個系統(tǒng)事務(wù)協(xié)調(diào)以及算法功能實現(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)生一個特定的穩(wěn)幅的超聲頻的正弦信號,。這個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)動電極上,，并驅(qū)動傳感器發(fā)生同頻振動,。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進行相關(guān)運算,，計算出振動幅度,。
2．2 DSP與A119235的接口設(shè)計
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包括一個專用時鐘引腳,，多達3個幀同步引腳和多達16個數(shù)據(jù)引腳。輸入時鐘支持系統(tǒng)時鐘一半的并行數(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采用同一時鐘來同步數(shù)據(jù),。同時AD9235的數(shù)據(jù)溢出位作為數(shù)據(jù)最高位接到 PPI,，在計算過程中，可以通過判斷該位對壞數(shù)據(jù)進行剔出,，其電路接口如圖3所示,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
氣體濃度檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計包括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)啟動時首先運行內(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，對每一頻點采樣4 092點,，將每個頻點采樣值進行自相關(guān)運算,，恢復(fù)出微弱信號，并計算該頻率傳感器響應(yīng)幅度,。前面已經(jīng)證明在DSP內(nèi)進行自相關(guān)運算可以用FFT來實現(xiàn),。
FFT算法中的倒序可以由DSP變址方便實現(xiàn)，整個推導(dǎo)過程由三重循環(huán)構(gòu)成,，外層的循環(huán)控制有M級的順次運算(M=log2N),，內(nèi)層的兩個循環(huán)一起控制同一級中各個碟型運算單元，最內(nèi)層的一個循環(huán)控制為同一類型的碟型運算,。本程序采用基-2時間碟型運算,，碟型運算的計算關(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)點和下節(jié)點的值，XM(k)和XM(j)分別為第M級中上節(jié)點和下節(jié)點的值,，k是j的對偶節(jié)點,，依據(jù)上述公式可以實現(xiàn)序列的同址運算。
4 結(jié) 語
實驗證明,，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。