基于DSP的传感器技术综述
姓名：唐红星
学号：200816022123
专业：电子信息科学与技术
教师：张果
时间：2011-06-14
一．前言： 0
1.数字信号处理(Digital Signal (1)
2.DSP的起源（The Roots of DSP） (1)
二．DSP技术在光纤电压传感器中的应用 (2)
1引言 (3)
2 TMS320C31特点 (3)
2. 1 TMS320C3X是TI的第3代产品，也是第1代浮点DSP芯片。 (3)
2．2流水线 (4)
2．3专用的硬件乘法器 (4)
2．4特殊的DSP指令 (4)
2．5快速的指令周期 (4)
3 光纤电压传感器的实现原理与系统构成 (4)
4．DSP技术的具体实现方案 (5)
4．1硬件结构 (5)
4．2软件结构 (5)
5 性能改进及结论 (6)
三．心得体会： (6)
四．参考资料： (7)
一．前言：
数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。术语“DSP”是数字信号处理的英文缩写。数字信号处理是电子设计领域的术语，在这样的领域中，用离散（在时间和幅值两个方面）的采样数据集
来表示和处理信号和系统，在出版的书和杂志中有大量的这方面的研究和数学算法。最初，大多数数字信号处理是在主机和其它通用数字计算机上离线完成的。这就是所谓的数字数据的“后处理”。随着在最近的二十多来年集成电路的复杂性和集成度的飞速增加，开发出专用处理芯片器，它能实时或“在线”进行数字信号处理。这些芯片被称为数字信号处理器(DSPs)，并在半导体工业中成为最大的增长市场。从1988年至今，DSP的市场每年增长40%。这就意味着将引入更高性能的DSPs(及与DSP有关的产品)，并以较低的价格销售。结果有双重意义：第1，随着时间的推移，更多的信号处理可在更快和更复杂的处理器内完成。第2，便宜的DSPs进入更多产品，这些产品如，手持电话、无磁带电话录答机、寻呼机(pager)、高保真度立体声设备和汽车中的主动悬挂系统(active suspension systems in cars)。
1.数字信号处理(Digital Signal
Processing——DSP)强调的是通过专用集成电路芯片,利用数字信号处理理论,在芯片上运行目标程序,实现对信号的某种处理.数位讯号处理（Digital Signal Processing）是二十一世纪形成科学和工程最具威力的技术之一。在各领域内广泛的范围中已经发生革命性的改变：通讯、医疗影像、雷达和声纳、高保真度（fidelity）音乐重制，和原油探勘，只有这些有被命名。每一个领域的DSP技术都已发展到一定的深度，有它们自个儿的演算法、数学和特定的技巧。结合广度与深度使得任何人都不能精通所有已被发展的DSP技术。DSP教育包含二项工作：学习一般可套用於整体的概念，以及对你感兴趣的特定领域学习专业的技巧。本章藉由描述DSP已在数个不同领域中造成的戏剧般效应来开启我们进入数位讯号处理（Digital Signal Processing）世界的旅程。革命已经开始了。
2.DSP的起源（The Roots of DSP）
数位讯号处理不同於其它电脑科学中的领域是由於它使用的资料型别的唯一性：讯号（signals）。在大多情况下，这些讯号起源於现实世界中知觉的（sensory）资料：地震的摆动（seismic vibrations）、视觉影像、声波等……。在讯号已经被转换为数位型式后，DSP是数学、演算法和用来处理这些讯号的技术。这包
含广泛、多变化的目标，例如：强化视觉影像，辨识和产生对话（语音），为了储存和传送的资料压缩，等……。假设我们加一个「对比到数位的转换器」给电脑，并用它来撷取一部份真实世界的资料。DSP回答了问题：下一步是什麼？
DSP的起源是在1960和1970年代，当数位电脑首度变成可用时。电脑在这个时代是很昂贵的，而DSP受限於只有一些关键性的应用。先锋们主要努力於四个关键领域：冒著国际的安全性危险的雷达和声纳，可以赚大把钞票的原油探勘，资料有不可取代性的太空探索和可以救命的医学影像。1980和1990时个人电脑的革命使得DSP新的应用突然遽增。动机并非是由於军事和政府的需求，DSP突然被商业市场驱动了。任何认为他们可以在快速扩大的领域中赚钱的人全都突然变成是DSP的厂商。DSP在这样的产品中变成众所皆知的了：行动电话，CD （compact disc players），和电子语音邮件。此技术革命由上而下发生。在1980早期，DSP在电子电机领域中是在研究所课程中教授的课程。十年后，DSP已经变成大学标准课程的一部份。今日，DSP变成在许多领域中被科学家和工程师需要的基本技巧。以此类推，DSP可以被和之前技术革命中的「电子学（electronics）」相比。虽然仍是电子电机领域，几乎每个科学家和工程师都有些基础电路设计的背景。没有的话，他们可能会迷失在技术的世界中。DSP也有相同的未来。
二．DSP技术在光纤电压传感器中的应用[关键词]DSP技术电压传感器
[摘要]光纤电压传感可以用于电网电压的监测和保护。本文对体调制型电压传感器的原理进行了分析，并提出信息处理单元采用DSP技术新方法，讨论了整个系统的构成以及信息处理单元的硬件和软件结构，对系统的性能进行了分析并与信息处理单元采用80C196的传感器进行了比较，确定了本光纤电压传感器可以达到各项性能指标。
1引言
现代化高速电气铁路的供电安全是高速列车行车的重要保证，如何有效可靠地监测供电网的运行状态，是一个重要的课题。近年出现的光纤电压传感器，具有抗电磁干扰、测量精度高、耐过压、安全、可靠等优点，因而很适合对高压进行监测。但在高压监测时，对实时性和精度的要求很高，其波形输入、输出的相移应小于1。，精度应控制在±1％。以前数据处理单元芯片选用的是80C196，但是由于该芯片在精度和速度上的一些限制，使得传感器系统勉强能满足部分指标，离实用化还有不小的差距，为了大幅度提高系统的技术指标，我们选用TI 公司专用数字信号处理芯片TMS320C31作为数据处理单元的核心芯片。由于TblS320C31具备适合数字信号处理的独特硬件结构、软件指令，所以改进后的光纤传感器系统性能必有大幅度的提高，能够向真正实用化大幅度迈进一步。
2 TMS320C31特点
2. 1 TMS320C3X是TI的第3代产品，也是第1代浮点DSP 芯片。
TMS320C3X中目前具有TMS320C30、TMS320C31和TMS320C32这3种。
TMS320C31是TMS320C30的简化和改进型，它在TMS320C30的基础上去掉了一般用户不常用的一些资源，降低了成本，是一个性能价格比较高的浮点处理器，在国内已得到了较广泛的应用。 C31具有不同于一般处理器的硬件结构，分别简介如下： 2．1哈佛结构哈佛结构是不同于传统的冯·诺曼结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储其实是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了1倍。
2．2流水线
与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增加处理器的处理能力。TMS320C3X采用四级流水线，也就是说处理器可以处理4条指令。这样就使得取指、译码、执行等操作可以同时进行，每个指处于不同的阶段。
2．3专用的硬件乘法器
在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需多个指令周期来完成。相比而言，DSP芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。这样在完成DSP的重要组成部分即乘法时，速度就要快得多。
2．4特殊的DSP指令
结合DSP芯片的特殊硬件结构，DSP芯片采用了特殊的指令，这样在实现一些特殊的DSP算法时就特别方便。
2．5快速的指令周期
哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计，可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。具体地说，我们所采用的TMS320C31的指令周期为33／40／50／60/74ns。
3 光纤电压传感器的实现原理与系统构成
在不加电时，BGO晶体是属于立方晶体，是各向同性介质，当在BGO晶体的(110)镜面加电压时，由于Pockels效应，晶体将变成双轴晶体，两主轴方向的折射率差与加在晶体上的电压成正比，当以(110)方向沿两折射率主轴各通过一线偏振光时，它们之间的最大相位差可表示为φ=2πn03r41UI/dr=πU/Uπ (1)式中：φ表示由电光效应产生的相位差； r真空波长； n0为晶体的真空折射率； r41为电光系数； 1为传光方向晶体长度； U为外加电压；d为电场方向
晶体长的长度。 U=rd/2n03r41l为半波电压，它仅与晶体和入射光波长有关。代入n0＝2.07、r41=1.03×10-10cm/V、r=0.82μm、d＝8mm、1＝10mm可以得到半波电压U=37kV0由(1)式可见，π正比于被测电压。我们可以通过检测φ求得被测电压。系统构成如图1所示，光发射的驱动电路产生等幅占空比为50％的连续方波，经LED变成光脉冲序列，被测电压在传感头上对光脉冲序列进行调制，成为调幅脉冲序列，该信号经光纤到达探测器。探测器将它变成电信号，信号处理电路将探测器提供的电信号进行放大滤波，再由TMS320C31处理后得到即时波形、有效值和频谱图。
4．DSP技术的具体实现方案
信息处理单元 DSP信息处理单元主要完成信号的滤波、计算、FFT变换以及输出的任务，现在就其硬件和软件的结构、工作过程分别进行介绍。
4．1硬件结构
光电转换后的模拟信号，经过直流放大等预处理后，进入AIC芯片TLC32044．来完成直流和交流成分的模数转换。数据流通过串行口进入C31芯片，在C31中，信号主要完成噪声滤除、FFT变换、有效值计算等变换，并将计算结果输出到相应的输出设备上。其中EPROM 27512主要完成初始化的数据和固化好的程序；快速RAM 7C199可以满足大型程序的无等待运行；双口RAM7C133，暂存C31的输出数据，负责DSP和电脑的通信工作；TLC32044是高精度A／D、D ／A转换芯片，负责系统的输入A／D以及输出n／A的转换工作。
4．2软件结构
自引导程序是C31自带的程序，它负责系统上电后，把需要实时运行的程序和数据从外部的低速EPROM中装入；自引导程序运行完毕后，程序开始运行，首先控制TLC32044把模拟信号转化为数字信号，并且从串行口输入；对输入的信号进行滤波，除去带内噪声。接着把信号直接送到串行口输出，经过D／A转换后，用示波器观察实时波形；同时每100个周期运行一次有效值计算程序，并将
结果送到数码管显示；滤噪后的信号进行FDT变换，运行FIT程序，并运行并行口输出程序，把结果送到双口RAM中；接着PC机通过ISA槽从双口RAM中读取频谱数据，并运行显示程序，将频谱显示。
5 性能改进及结论
铁路供电网的电流基频为50Hz，按20倍频计算，电流的带宽为1000Hz，因此A／D转换的采样频率设为5000Hz足够用，这样一帧信号的周期为200ps，这就需要在200μS内完成所有的DSP运算；我们采用的DSP芯片时单指令周期为40ns的TMS320C31芯片，它的运算能力为25MIPS(每秒执行百万条指令)，这样一帧内可以完成25MIPSx200μs＝25，OOO次运算，考虑系统的各项指标要求，一帧内完成2．5万的指令足以满足系统的时延小要求；而且c31采用浮点运算，可以保证计算精度。另外还有高精度的A／D转换器，这样就可以达到±l％的精度；另外直流放大器，A／D转换器都是高速、低延迟芯片，这样就可以满足线性度，1％，时延小于‘1。的指标要求。由此可见采用DSP技术的光纤电压传感器，只要合理设计软硬件，完全可以达到实际测量仪表的指标要求。据文献中介绍，国外光纤电压传感器相移角已经接近1，，远远优于互感器，可以肯定，光纤电压传感器的研究和发展，将对高电压的精确测量和控制产生重大的影响。
三．心得体会：
通过了解DSP，现代化高速电气铁路的供电安全是高速列车行车的重要保证，如何有效可靠地监测供电网的运行状态，是一个重要的课题。近年出现的光纤电压传感器，具有抗电磁干扰、测量精度高、耐过压、安全、可靠等优点，因而很适合对高压进行监测。但在高压监测时，对实时性和精度的要求很高，其波形输入、输出的相移应小于1。，精度应控制在±1％。以前数据处理单元芯片选用的是80C196，但是由于该芯片在精度和速度上的一些限制，使得传感器系统勉强能满足部分指标，离实用化还有不小的差距，为了大幅度提高系统的技术指标，我们选用TI公司专用数字信号处理芯片TMS320C31作为数据处理单元的核心芯片。由于TblS320C31具备适合数字信号处理的独特硬件结构、软件指
令，所以改进后的光纤传感器系统性能必有大幅度的提高，能够向真正实用化大幅度迈进一步。
四．参考资料：
1中华商务网讯
2《科学家和工程师的数位讯号处理指引手册》
3《The Scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing》4北方交通大学光学工程系(北京100044)李振军吴重庆