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基于DSP+FPGA的实时信号采集系统设计与实现周新淳【摘要】为了提高对实时信号采集的准确性和无偏性,提出一种基于DSP+FPGA 的实时信号采集系统设计方案.系统采用4个换能器基阵并联组成信号采集阵列单元,对采集的原始信号通过模拟信号预处理机进行放大滤波处理,采用TMS32010DSP芯片作为信号处理器核心芯片实现实时信号采集和处理,包括信号频谱分析和目标信息模拟,由DSP控制D/A转换器进行数/模转换,通过FPGA实现数据存储,在PC机上实时显示采样数据和DSP处理结果;通过仿真实验进行性能测试,结果表明,该信号采集系统能有效实现实时信号采集和处理,抗干扰能力较强.%In order to improve the accuracy and bias of real-time signal acquisition,a real-time signal acquisition system based on DSP +-FPGA is proposed.The system adopts 4 transducer array to build parallel array signal acquisition unit,the original signal acquisition amplification filtering through analog signal pretreatment,using TMS32010DSP chip as the core of signal processor chip to realize real-time signal acquisition andprocessing,including the signal spectrum analysis and target information simulation,controlled by DSP D/A converter DAC,through the realization of FPGA data storage,real-time display on the PC and DSP sampling data processing results.The performance of the system is tested by simulation.The results show that the signal acquisition system can effectively realize the real-time signal acquisition and processing,the anti-interference ability is strong.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2017(025)008【总页数】4页(P210-213)【关键词】DSP;FPGA;信号采集;系统设计【作者】周新淳【作者单位】宝鸡文理学院物理与光电技术学院,陕西宝鸡721016【正文语种】中文【中图分类】TN911实时信号采集是实现信号处理和数据分析的第一步，通过对信号发生源的实时信号采集，在军事和民用方面都具有广泛的用途。
DSP在医学领域中的应用与发展趋势班级：：学号：：摘要在这篇论文里，我针对DSP在医学领域的应用与发展趋势进行了阐述。
通过广泛的文献查阅和细致的资料整理研究工作，我对DSP课程有了更深刻的理解。
本文介绍了，DSP 在医疗检测、医学信号采集、便携式医疗仪器等领域得到了广泛的应用,已取得了令人满意的效果。
另外，我还对DSP在医学领域的发展趋势进行了研究。
DSP 芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向发展,各种各类通用及专用的新型DSP 芯片在不断推出,应用技术和开发手段在不断完善。
因而，基于DSP的医学仪器也更加节能化、智能化、性能优化。
关键词：DSP 医学领域医疗检测信号采集AbstractIn this paper, the application and development trend of DSP in the field of medicine are described. Through extensively reviewing of documentation and detailed Arranging of data , I have a deeper understanding of the DSP course.In this paper, we can know that ,DSP is applied widely in the field of medicine, such as medical testing,medical signal acquisition and portable medical equipment. In addition, the development trend of DSP in the medical field is expounded. The DSP chip bees to high performance, high integration and low cost direction .And because various kinds of DSP chip will be developed ,medical instrument is more energy-saving, intelligent. Keywords：DSP MedicineMedical testingsignal acquisition1.绪论自20世纪60年代以来，随着计算机和信息学科的飞速发展，大量的模拟信息被转化为数字信息来处理。
关于现阶段生物医学信号处理的技术与进展[摘要] 生物电子学的迅速发展也推动着生物医学信号处理的快速进步。
本文对生物医学信号处理的研究现状作出介绍,同时通过分析典型系统,给出基于dsp的生物医学信号采集和分析系统的模型,并对面对的技术问题做出分析。
最后指出今后的发展趋势及展望。
[关键词] 生物医学信号dsp小波虚拟仪器引言随着生物学和医学的发展,越来越多的人体和生物信号需要测定以供科研和诊断之用。
生物医学信号处理被应用于医学教学、科研、临床、监控等 ,并显示出越来越重要的地位。
生物医学信号包括各种生理参数 ,如脑电、心电、肌电等生物电信号;心跳、血压、呼吸、血流量、脉搏、心音等的非电量信号。
这些信号均是强噪声背景下的低频 (小于 200hz)微弱信号 (幅度小于 100 mv) ,这就对信号采集系统有很高的精度要求[1]。
正由于采集的信号具有生物信号特有的特点:高背景噪声,且随机性大,即影响因素很多并且不可能用确定性的数学函数来表达,信号弱等[2],故需采用各种数字信号处理的方法来提取我们需要的信号。
所以人体信号采集和分析系统的地位显得越来越重要。
一、生物医学信号处理的研究现状1.基于dsp的生物医学信号采集和分析系统现有的生物信号采集和分析系统大部分都是以pc机或工作站为核心的。
其缺点是仅适合固定场合,灵活性差。
并且计算机上用软件实现信号算法,虽然软件可以是自己编写的,也可以使用现成的软件包,但这种方法的缺点是速度太慢,不能用于实时系统,只能用于教学与仿真。
如近些年发展迅速的matlab,几乎可以实现所有数字信号处理的仿真[3]。
便携式系统目前往往多是基于单片机系统,但由于单片机采用的是冯·诺依曼总线结构,所以单片机系统复杂,尤其是乘法运算速度慢,在运算量大的实时系统中很难有所作为,难以实现复杂的算法,特别是各种数字信号处理方面的大规模运算。
近年来,随着大规模集成电路的发展,半导体制造厂商推出了高速低功耗特别适合于数字信号处理的嵌入式dsp处理器(如ti的tms320c2000/c5000等)和高增益、高共模抑制比的集成化仪用放大器等高性能芯片[4]。
科技信息2008年第26期SCIENCE&TECHNO LO GY INFORMATION0.引言随着现代科学技术的发展,数字信号系统的应用越来越广泛。
由于数字信号处理器DSP芯片的不断发展,使得信号实时处理变得轻而易举。
本系统可以通过外部控制端的选择完成对外部信号的采集、存储和输出等功能,应用范围广泛,实用性强。
主控元件采用T M S320LF2407A芯片,T MS320L F2407A[1]是美国TI公司推出的新型高性能16位定点数字信号处理器,它专门为数字控制设计,集DSP 的高速信号处理能力及适用于控制的优化外围电路于一体,在数字控制系统中得以广泛应用。
1.系统工作原理采集系统主要由主控单元、数据采集、外部控制、存储器、输出单元等组成。
外部开关选择开始采集,则模拟量经外部输入电路进入T M S320LF2407A的A/D转换口,由2407A定时采样;采样数据由T M S320L F2407A实时处理后送入存储器分页储存;外部开关选择终止后采集停止;外部开关选择输出则由T M S320LF2407A调用存储信息送外部电路输出。
若需要对多个模拟量进行操作,则可在外部电路增加一多路开关(如C D4051)。
采样时DSP可采用级联模式,一次作16个转换;DSP 对转换后的数据进行比较、计算、存储等。
开关量输入经光耦和缓冲器进入DSP的IOPB口,DSP以对IOPB口的检测和数值处理的结果产生相应的控制动作。
2.系统模块的硬件设计采集系统主要采用T MS320L F2407A定点DSP控制器作为数据处理单元的处理器,它的供电电压为3.3伏,执行速度为30MIPS,片内有32K字的FL ASH程序存储器,1.5K字的数据程序RAM,544字的双口RAM和2K字的单口RAM,两个事件管理器模块,看门狗定时器模块,控制器网络(CAN)2.0B模块,10位A/D转换器,40个单独编程或复用的I/O口等。
基于DSP的数据采集及FFT实现基于数字信号处理器（DSP）的数据采集和快速傅里叶变换（FFT）实现在信号处理和频谱分析等领域具有广泛的应用。
通过使用DSP进行数据采集和FFT实现，可以实现高速、高精度和实时的信号处理。
首先，数据采集是将模拟信号转换为数字信号的过程。
数据采集通常涉及到模拟到数字转换器（ADC），它将模拟信号进行采样并进行量化，生成离散的数字信号。
DSP通常具有内置的ADC，可以直接从模拟信号源获取数据进行采集。
采集到的数据可以存储在DSP的内存中进行后续处理。
数据采集的关键是采样频率和采样精度。
采样频率是指在单位时间内采集的样本数，它决定了采集到的频谱范围。
采样频率需要满足奈奎斯特采样定理，即至少为信号最高频率的2倍。
采样精度是指每个采样点的位数，它决定了采集到的数据的精确程度。
常见的采样精度有8位、16位、24位等。
在数据采集之后，可以使用FFT算法对采集到的数据进行频谱分析。
FFT是一种用于将时间域信号转换为频域信号的算法，它能够将连续时间的信号转换为离散频率的信号。
FFT算法的核心是将复杂度为O(N^2)的离散傅里叶变换（DFT）算法通过分治法转化为复杂度为O(NlogN)的算法，使得实时处理大规模数据成为可能。
在使用DSP进行FFT实现时，可以使用DSP芯片内置的FFT模块，也可以通过软件算法实现FFT。
内置的FFT模块通常具有高速运算和低功耗的优势，可以在较短的时间内完成大规模数据的FFT计算。
软件算法实现FFT较为灵活，可以根据实际需求进行调整和优化。
通常，FFT实现涉及到数据的预处理、FFT计算和结果后处理。
数据的预处理通常包括去除直流分量、加窗等操作，以减小频谱泄漏和谱漂的影响。
FFT计算是将采集到的数据通过FFT算法转换为频域信号的过程。
结果后处理可以包括频谱平滑、幅度谱归一化、相位分析等。
通过合理的数据预处理和结果后处理，可以获得准确的频谱信息。
除了基本的数据采集和FFT实现，基于DSP的数据采集和FFT还可以进行其他扩展和优化。
基于ＤＳＰ的生物医学信号高速实时数据采集与处理系统徐瑞１韩海生２金天弘１（１．天津医科大学生物医学工程系天津市３０００７０；２．天津医科大学实验中心天津市３０００７０）摘要为实现生物医学信号实时数据采集与处理，设计了以ＤＳＰ为核心的、基于ＵＳＢ２．０的信号采集与处理系统。
该系统利用ＤＳＰ的高性能数据处理能力，提供了能从微弱信号中提取生物电信号并加以分析的方法，同时实现了ＤＳＰ与ＰＣ机之间的数据高速、可靠的传输。
关键词生物医学信号；数据采集；数字信号处理器；通用串行总线ＤＳＰ－ｂａｓｅｄｒｅａｌ－ｔｉｍｅｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｓｙｓｔｅｍｆｏｒｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｓｉｇｎａｌＸＵＲｕｉ１，ＨＡＮＨａｉ－ｓｈｅｎｇ２，ＪＩＮＴｉａｎ－ｈｏｎｇ１（１．ＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＤｅｐｔ．，ＴｉａｎｊｉｎＭｅｄｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７０，Ｃｈｉｎａ；２．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＣｅｎｔｅｒ，ＴｉａｎｊｉｎＭｅｄｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７０，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓ，ａｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎＵＳＢ２．０．，ｉｎｗｈｉｃｈＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）ａｃｔｅｄａｓｔｈｅｃｏｒｅ．ＵｔｉｌｉｚｉｎｇｔｈｅｐｏｗｅｒｆｕｌｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆＤＳＰ，ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｃａｎｅｘｔｒａｃｔｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｓｉｇｎａｌｓｆｒｏｍｗｅａｋｓｉｇｎａｌｓａｎｄｔｈｅｎａｎａｌｙｚｅｔｈｅｍ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｉｔｒｅａｌｉｚｅｓａｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄａｎｄｄｅｐｅｎｄａｂｌｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｄａｔａｂｅｔｗｅｅｎＤＳＰａｎｄＰＣ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｓｉｇｎａｌ；ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）；ＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）１引言医学信号采集、分析和处理在医学研究、临床诊断与治疗上具有重要意义。
近年来，随着计算机的普及，数字信号处理理论及处理芯片（ＤＳＰ）的发展，给现代生物医学信号的研究提供了更先进的手段和处理方法。
在医学临床和科学研究中，需要采集各种生物电信号、识别信号的主要特征，并判断其规律，特别是对于生物体发出的非周期、随机的生理电信号，需要应用数字滤波、模式识别算法等对信号进行处理。
生物医学信号包括各种生理参数，如：脑电、心电、肌电、神经元放电信号等生理电信号；此外还有非生理电信号，如：血压、呼吸、血流量、心音等。
生物电信号多属于强噪声背景下的低频（小于２００Ｈｚ）的弱信号。
由于人体多种生物电信号和各种噪声的交织，以及测量系统本身的影响，使得人体生物电信号的测量成了难度较高的技术。
特别是笔者在研究生物体大脑皮层的神经元群放电信时，由微电极放大器输出的信号幅度小于１０ｍＶ，并淹没在噪声中，这些信号对于采集系统有着很高的精度要求，同时对于后继的实时处理系统也需要严格的技术要求和数学计算处理方法。
本文主要介绍一种采用ＵＳＢ２．０接口和以高性能ＤＳＰ的高速数据采集处理系统，与传统使用的医学测量仪器的功能相结合，将采集到的生物电信号进行数字化处理，实时完成信号的处理、分析、显示、存储、打印等各种功能综合系统。
２系统的硬件结构及原理２．１系统总体结构的概述整体医学信号采集与处理系统分为４个部分，包括：刺激系统，医学信号提取系统，信号采集、数字化与处理子系统和ＰＣ机，如图１所示。
（１）刺激系统：为了获得某些生理参数，需要对被测生物体外加各种不同形式的刺激信号，这包括声、光以及不同幅度、不同频率、不同波形的电信号刺激。
刺激系统可由各种类型的刺激设备构成，刺激系统的工作由系统控制。
（２）医学信号提取系统：该系统负责利用各种不同的传感器提取生物体发出的电生理信号和非电参数的生理信号，同时将非电参数的生理信号转换为电信号，送至信号采集、数字化与处理子系统。
该系统可由专门的医学测量仪器组成，例如笔者所研究的生物体大脑皮层的神经元群的放电信号，使用的是ＥＺ－８２０１型微电极放大器提取的放电信号。
一般该系统输出的电信号均为非数字信号。
（３）信号采集、数字化与处理子系统：为了能够实现对弱电信号得到高精度采样、传输以及对信号实时的算法处理，我们采用了高性能数字信号处理器（ＤＳＰ）和高速总线技术的框架结构。
ＤＳＰ用于完成计算量巨大的实时处理算法（ＦＦＴ、相关分析、功率谱分析等），由高速总线技术完成处理结果或者采样数据流的快速传输。
传统的外设与主机的通讯接口一般是基于ＰＣＩ总线、ＩＳＡ总线或者是ＲＳ２３２Ｃ串行总线。
ＰＣＩ总线虽然具有较高的传输速度（１３２ＭＢ／ｓ），并支持“即插即用”功能，但其缺点是插拔麻烦，且扩展槽有限（一般为５～６个）。
ＩＳＡ总线显然存在同样的问题。
图１医学信号采集与处理系统框图被测生物体刺激系统医学信号提取系统信号采集数字化、处理系统ＰＣ机中图分类号：Ｒ３１８．０３；ＴＰ３１９文献标识码：Ａ文章编号：１００３－８８６８（２００７）０２－００２１－０３作者简介：徐瑞，副教授，主要从事医学信号处理和医学图像技术方面的研究，Ｅｍａｉｌ：ｔｊｘｕｒｕｉ＠ｔｉｊｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ；韩海生，主要从事医学电生理信号的检测与处理方面的研究。
研究论著２１医疗卫生装备·２００７年第２８卷第２期ＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪｏｕｒｎａｌ·２００７Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．２医疗卫生装备·２００７年第２８卷第２期ＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪｏｕｒｎａｌ·２００７Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．２图４Ｃ６２０１与ＣＹ７Ｃ６８０１３连接框图图２信号采集、数字化与处理子系统ＲＳ２３２Ｃ串型总线虽然连接简单，但传输速度慢（５６Ｋｂｐｓ），且主机串口数目有限。
笔者利用ＤＳＰ设计了基于ＵＳＢ２．０总线的实时数据采集和处理子系统。
结构如图２所示。
ＵＳＢ的优势在于不会发生中断请求以及ＤＭＡ、存储器和Ｉ／Ｏ冲突；具有强大的扩展能力；安装方便。
其中，ＵＳＢ２．０有着高达４８０Ｍｂｐｓ的传输速度，已经逐渐成为计算机接口的主流。
在ＰＣ机的控制下，信号采集、数字化与处理子系统除了将采集的生物电信号进行数字化处理及完成对信号的算法处理外，负责将最后的计算结果送至ＰＣ机进行存储与显示，计算机应用程序易于实现丰富的图形界面，具有良好的人机对话接口，以供医学研究。
２．２信号模数转换通道信号输入通道，我们采用了２片ＡＤ９０４２模数转换功能片，它具有高速度、高性能、低功耗的特点，只需＋５Ｖ电源即能工作，并以１２Ｂ、４１ＭＨｚ的采样速率提供数据的输出，特别是对于多通道的要求ＡＤ９０４２设计保证在２０ＭＨｚ带宽上，具有８０ｄＢ的无失真动态范围，典型的信噪比为６８ｄＢ。
连接４Ｋ的双口ＲＡＭ空间分为２个ＢＬＯＣＫ，每采完２Ｂ数据即产生一个ＥＸＴ＿ＩＮＴ７中断，ＤＳＰ将数据取走，ＤＳＰ取数不影响Ａ／Ｄ采样，Ａ／Ｄ采样的下２Ｂ数据写入另一个ＢＬＯＣＫ，２个ＢＬＯＣＫ轮流工作。
２．３ＤＳＰ处理器ＡＤ转换后的数据信号送ＤＳＰ处理器进行运算处理。
ＤＳＰ作为采集系统的核心器件，对数据进行低通滤波、ＦＦＴ和相关分析等数字信号处理运算的同时，还要与ＵＳＢ之间进行数据传输控制，选择ＤＳＰ芯片时，需要考虑运算速度、总线宽度、性价比以及功耗等因素。
本设计采用了ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１数据处理器，该芯片是一种高性能的定点数字信号处理器，当工作频率达到２００ＭＨｚ时，每个指令周期为５ｎｓ，运算速度可达到１６００ＭＩＰＳ。
１套２５６位的程序总线，２套３２位的程序总线和１套３２位的ＤＭＡ专用总线。
采用了先进的超长指令字（ＶＬＩＷ）体系结构，在单指令周期内８条３２位指令可并行执行，指令获取、分配、执行和数据存储需要多级流水线完成［１］。
ＶＬＩＷ还具有类似ＲＩＳＣ结构，具有良好的编译性能。
外部存储器接口（ＥＭＩＦ）支持与各种外部存储器件的无缝连接，包括同步动态存储器（ＳＤＲＡＭ）、同步突发静态存储器（ＳＢＳＲＡＭ），以及与直接异步存储器接口，包括静态存储器、ＳＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ等。
此外，Ｃ６２０１内部的模块中还包括有２个相互独立的可编程的ＤＭＡ处理器，还有１６Ｂ的主机接口的辅助通道（ＨＢＩ），ＤＭＡ可对ＣＰＵ进行分频处理，即可独立于ＣＰＵ进行工作，且按ＣＰＵ时钟速率进行数据吞吐。
２．４ＵＳＢ２．０通信接口ＵＳＢ接口是一种通用的高速串行接口。
为了满足实时数据采集、传输、处理，ＵＳＢ２．０可以达到４８０Ｍｂｐｓ，它可以很好地解决大数据量的数据在嵌入式系统与ＰＣ机之间的互传问题，同时支持热插拔，并且最多同时支持１２７个外设，我们选用了ＥＺ－ＵＳＢ．ＦＸ２系列中的ＣＹ７Ｃ６８０１３。
ＣＹ７Ｃ６８０１３包括１个８０５１处理器，１个串行接口引擎（ＳＩＥ），１个ＵＳＢ收发器，１个８．５ＫＢ的片上ＲＡＭ，１个４ＫＢＦＩＦＯ存储器以及一个通用可编程接口（ＧＰＩＦ）。
如图３所示。
ＣＹ７Ｃ６８０１３的结构特点：（１）在它的独特架构中，包括一个智能串行接口引擎（ＳＩＥ），它可以执行所有的基本ＵＳＢ功能，将嵌入的ＭＣＵ解放出来用于实现其他功能，以保证持续有效高速的数据传送。
（２）芯片内具有４ＫＢ的ＦＩＦＯ用于数据缓冲，作为从设备时，可采用ＦＩＦＯ接口直接与ＤＳＰ连接。
（３）为了解决ＵＳＢ高速模式带宽的问题，ＵＳＢ接口和应用环境直接共享ＦＩＦＯ，而微控制器可不参与数据传输。
（４）８５０１单片机程序从ＲＡＭ中运行也可从外部存储器运行，当从ＲＡＭ中运行时可通过ＵＢＳ口从ＰＣ机中装载，也可通过Ｅ２ＰＲＯＭ装载便于软件更新。
（５）ＦＸ２可提供全面集成的解决方案，它占用更少的电路板空间，并缩短开发时间。
在ＦＸ２封装模式中我们选用了电路板空间较少的５６脚ＳＯＰＰ。
ＣＹ７Ｃ６８０１３与外部设备的接口有２种方式，一种为ＳｌａｖｅＦＩＳＯ形式，将ＣＹ７Ｃ６８０１３设为从机方式，由外部设备控制，象对普通ＦＩＦＯ一样，对芯片内部的ＦＩＦＯ进行读写，设置为同步和异步工作方式，并对ＦＩＦＯ提供内部产生或外部输入的工作时钟。
另一种工作方式是以ＣＹ７Ｃ６８０１３为主机方式，由可编程接口ＧＰＩＦ通过软件编程读写控制波形，可以对外部的接口控制器、存储器和总线进行数据读写，这种方式适合外部无控制情况［２］。
在本方案中选用了ＳｌａｖｅＦＩＦＯｓ模式，异步读写。
