引 言

　　ADSP-BF531處理器是ADI公司Blackfin系列產品的成員，專為滿足當今嵌入式音頻、視頻和通信應用的計算要求和低功耗條件而設計的新型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(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，在一個指令周期內可完成2個16位數的乘法，2個40位數的算術邏輯運算，4個位的視頻數據算術邏輯運算，1個40位的移位運算；低功耗采用1．12 V的內核電壓和3．3 V的I／O電壓，片內集成調壓器，并且具備動態(tài)電源管理；高達148 KB的片內存儲器；豐富的外設接口，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)針對結構性微氣體傳感器，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據處理能力，具有硬件簡單，成本低，可靠性高，通用性好等優(yōu)點。

　　1 自相關檢測原理

　　設被測信號x(k)由有用信號s(k)和噪聲u(k)組成：

x(k)=s(k)+u(k)

　　x(k)的自相關函數為：

　　式中：Rs(m)為s(k)的自相關函數；Rsu(m)為s(k)與u(k)的互相關函數；Rus(m)為u(k)與s(k)的互相關函數；Ru(m)為u(k)的自相關函數。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，

　　根據維納一辛欽定理，功率信號的自相關函數與其功率譜密度函數具有傅里葉變換關系，所以可以用FFT計算自相關函數。但是，實際采樣值只有N+1點，所以求出的Rx(m)只能是自相關函數的估計值。當用FFT計算自相關函數時，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計四個部分。其核心是ADSP-BF531芯片，它負責整個系統(tǒng)事務協(xié)調以及算法功能實現(xiàn)。系統(tǒng)工作過程中，DSP芯片通過設定 SPI控制器，控制DDS芯片AD9850產生一個特定的穩(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后，施加在指定的傳感器驅動電極上，并驅動傳感器發(fā)生同頻振動。傳感器輸出信號經由前置放大器放大到適當的程度，再經過高精度的A／D芯片AD9235采樣后將轉換結果送到DSP進行相關運算，計算出振動幅度。

　　2．2 DSP與A119235的接口設計

　　ADSP-BF531處理器提供可直接與并行A／D和D／A轉換器、ITU R601／656視頻編碼和解碼器以及其他通用外設連接的并行接口(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個數據引腳。輸入時鐘支持系統(tǒng)時鐘一半的并行數據傳輸率。PPI采用DMA方式，可以直接把數據存放在SDRAM或者送到內核進行處理。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據。同時AD9235的數據溢出位作為數據最高位接到 PPI，在計算過程中，可以通過判斷該位對壞數據進行剔出，其電路接口如圖3所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　氣體濃度檢測系統(tǒng)軟件設計包括DSP初始化程序、中斷向量表、應用程序(包括響應外部中斷程序)、數據后處理程序。檢測系統(tǒng)啟動時首先運行內部ROM固化的Boot-Loader程序，將存儲在FLASH中的程序代碼加載到DSP內部RAM 中。程序首先是初始化系統(tǒng)，通過配置DSP內部寄存器，確定DSP具體的工作狀態(tài)，然后是中斷響應程序以及數據后處理程序。系統(tǒng)程序框圖如圖4所示，自相關運算在中斷子程序中完成，為方便移植所有程序都采用結構化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運算，恢復出微弱信號，并計算該頻率傳感器響應幅度。前面已經證明在DSP內進行自相關運算可以用FFT來實現(xiàn)。

　　FFT算法中的倒序可以由DSP變址方便實現(xiàn)，整個推導過程由三重循環(huán)構成，外層的循環(huán)控制有M級的順次運算(M=log2N)，內層的兩個循環(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，依據上述公式可以實現(xiàn)序列的同址運算。

　　4 結 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，結合DDS技術和自相關檢測方法，硬件設計簡單可靠，程序采用結構化的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。