DSP应用技术（共12篇）
DSP应用技术 篇1
0 引言
数字信号处理(DSP)是一种新型高度集成的处理器芯片,非常适用于高速的数据采集、复杂的信号处理和实时的系统控制的高速实时处理的专用处理器。它广泛深入地应用于通信、电子等领域,熟悉DSP芯片的开发应用已经成为行业科技人员必须掌握的一门重要的实用技术。
近几年来,随着DSP新技术在国内的迅速发展,市场对DSP工程师的需求也日益增多。为适应社会的需求,教育部将《DSP应用技术》列入电子信息工程本科专业的必修科目。要求学生掌握DSP芯片的工作原理以及培养学生具备DSP芯片应用开发的能力。该课程的开设旨在使大学生掌握DSP新技术及其开发应用,提高学生的实践动手能力。《DSP应用技术》课程实践性非常强,实验实践性教学是该课程教学环节中最重要的部分。实验实践性教学的方法直接影响学生实际动手能力的培养,因此在实验实践性教学中如何激发学生对DSP芯片在具体的实验应用中产生兴趣,发展学生的实际动手能力,提高项目性实验教学效果,值得我们深入研究。
1 课程实验实践教学现状
由于《DSP应用技术》课程理论涉及多个学科,具有知识面广、综合性强的特点,该课程多个学科交叉混合,且有一定的规律性和系统性,比如数字信号处理算法实现、单片机、c语言程序设计、汇编语言程序设计等等多项内容。该课程数字信号处理理论概念抽象、DSP芯片的硬件电路复杂、尤其语音与视频的信号的理论数学模型更加复杂,其CCS开发软件与软件指令规范多。DSP芯片的复杂性让许多学生畏难而却步。但是DSP实践性确很强,课本涉及的知识只有通过实验、课程设计或科研活动等实践环节才能加深理解和掌握,在DSP实验室资源紧张、课学时有限的情况下,为学生提供大量的实际动手设计硬件电路与编制程序的机会不多。这就要求我们必须进行实践教学更进一步的改革。
2 实验教学平台的设计
DSP实验课程主要依托TMS320VC5402为核心配置的实验箱,进一步研究实验方法和实验内容,开设经典的、有代表性的实验,使学生能举一反三,提高实验教学质量。在实验教学中,根据课程的实验性质,尽可能减少验证性实验,增加设计性和综合性实验。并采用虚实结合、软硬结合的实验模式。通过硬件实验,学生对数字信号处理系统中的基本的声音信号以及视频信号的组成以及功能建立感性认识,完成一些验证性实验。而通过DSP软硬件仿真,使学生掌握较为复杂的设计性实验,以进一步提高学生的综合能力和创新实践能力。
为激发本科学生学习DSP数字信号滤波器处理以及对理论推导结果、硬件电路设计的可信度,避免课堂教学内容枯燥,积极利用电子CAD硬件仿真工具以及CCS软件仿真进行辅助教学—仿真教学。如在讲述IIR滤波器设计时,教师可以在课堂中引导学生对IIR滤波器的数学模型以及硬件电路和软件编程的有关问题进行讨论,并对讨论结果进行模拟软硬件仿真,从而极大地激发了学生的学习兴趣。通过这种仿真教学,不仅可以加深学生对DSP应用技术概念的理解,而且使学生对软硬件的功能及应用会有进一步的认识。
2.1 基础性实验
主要针对CCS软件的开发环境的认识,让学生上机编制基本程序、调试、运行、观察结果。让学生尽快掌握CCS软件开发环境。
2.2 验证性实验
根据理论讲课,让学生尽快掌握数字信号理论与DSP芯片的紧密联系。掌握FIR、IIR滤波器的设计与仿真,信号FFT傅里叶的能量谱的设计,FSK数字调制与解调,信号数模与模数的采集。
2.3 综合设计
针对学生掌握情况,让学生关于数字信号产生、处理、显示进行综合设计实验。让学生对DSP芯片有深刻的认识。
实践应用性强是DSP应用技术的一个显著特点,该课程考核就是考查学生的实际动手能力的培养。该考核的作用就相当于一个风向标或指挥棒,让学生了解具体用什么方式、什么方法对掌握DSP芯片知识的情况进行考查,并给出客观的评价。在实验考核中,着重突出考核学生的应用、实践和调试能力。其中实验考核学生做设计性实验的时间为一周,最后要求其在规定的时间内完成相应的实验内容。
3 实践课程平台的设计
由于上实验课的固定实验项目不够灵活,不能体现学生实际动手能力,学生所掌握的理论与实践相脱离的方式,学院又在课程快结束的一个月前又开设DSP课程设计实训,针对上实验课的实验箱的过大造成学生不能灵活掌握DSP芯片的软硬件开发,设计简易DSP最小型实验系统,将实验室带在身边,能够极大激发学生的学习热情,巩固实验课程的教学质量。
3.1 I/O设计
DSP芯片存在三种空间分别是程序、数据和I/O空间。DSP芯片通过地址线、数据线对I/O空间进行读写操作。为了让学生掌握I/O设计,课程设计项目之一就是利用DSP芯片设计模拟实际生活中十字路口交通灯的工作的系统,利用发光二级管亮灭模拟交通信号,数码管显示倒计时时间,利用TMS320VC5402 DSP片上定时器定时产生时钟计数。学生自已设计并制作发光二极管、数码管外围硬件电路通过排线把DSP最小型系统连接起来。通过软件编程对数码管的读写控制,定时器的中断管理进行软件实现,可以把抽象的问题为具体模拟出来,触类旁通地掌握程序、数据空间扩展方法。
3.2 多通道缓冲串口以及直接存取DMA的设计
多通道缓冲串口(MCBSP)的是DSP芯片的重要内容之一,为了进一步了解MCBSP相关硬件引脚功能,MCBSP和DMA功能的实现主要是通过控制状态寄存器来实现,课程设计项目之二就是数字音频处理设计的课题,在模拟音频技术中对音频信号的处理手段和方法都直接影响到模拟音频系统的回放质量。数字音频处理就是对音频信息进行采样,并使用二进制序列存放,通过对采集到的数据进行均衡等处理,达到改变声音听觉效果的目的。数字音频处理接口设计在掌握语音芯片(TLV320AIC23)的功能后,设计出采用MCBSP和DMA对TLV320AIC23的控制接口和数据接口电路,通过软件实现的语音信号的采集、处理和播放,并将一些简单的如数字滤波器、FFT算法进行实现,能够极大的推动学生对DSP芯片的语音处理技术的学习兴趣。
3.3 主机通信HPI的Bootloader设计
系统自举设计从本质上说就是DSP TMS320VC5402上电后,在Bootloader引导下,获取应用程序并开始运行的过程。上电以后,当MP/MC为低电平时,系统将从片内ROM的OFF80H开始执行,此处的跳转指令使程序跳转至Boot Loader程序入口处(OF800H处)。Bootloader程序先清除IFR,并设置HPI入口点(0x7F)的值为0,置HINT为低,再检测INT2是否置位,如置位则进行HIP自举,具过程如图一所示。
课程设计项目之三就是对主机通信HPI的Bootloader软硬件进行设计,DSP复位后检测MP/MC=0为自启动模式,DSP片内程序Boot Loaer(自举程序)查询HPI接口是否可以进行自启动如图一所示:在启动以后,DSP片内0x7F地址的值被置为0,Boot Loader不断检验0x7F地址处是否出现了可用的程序指针的跳转地址。当其发现该地址内的值不为0时,即判定为DSP已由外部单片机进行了HPI自举程序加载,并按照该值跳转PC指针,开始运行,从而完成HPI方式自举。通过设计具体实物来验证硬件电路与程序编写的正确性。
4 实践实验课程平台的特点
4.1 开放性
为了让学生掌握DSP最新技术,DSP实验系统中的实验箱以及DSP最小型系统器件对学生开放,学生能够根据课程设计项目的要求进行硬件设计和软件编程,他们非常清楚DSP芯片以及芯片的接口电路,从而激发更多的学生学习兴趣和彻底理解和掌握DSP芯片的应用。
4.2 多样性
实验箱的多样性在该系统上可完成DSP课程中的基础性验证型实验;学生根据开放的接口和引脚可以完成DSP的设计性实验。DSP最小型系统可以扩展相关的硬件电路、可在该系统上完成大量复杂的综合设计型实验,达到了一机多用的功能。
5 结束语
按照DSP原理及应用的课程性质,以切实提高学生实践能力为出发点,分析了该课程的特点和存在实践性的问题,选择合理的教学内容,改进教学方法,加强实验与实践环节的指导。充分利用该实验与课程设计项目的操作方式,方便学生参加DSP芯片的软硬件设计等等,且取得了较好的理论与实践性教学效果。
参考文献
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[3]宋羽飞,刘化君,周正,等.《DSP原理及应用》教学的创新与实践[J].中国现代教育装备,2008,(04):90-91.
DSP应用技术 篇2
中央处理器的体系架构分为：冯·诺依曼结构和哈佛结构 冯·诺依曼结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取，经由同一总线传输，因而它们无法重叠执行，只有一个完成后再进行下一个。
哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。可以减轻程序运行时的访存瓶颈。
基础特性分类：静态DSP芯片、一致性的DSP芯片。数据格式分类：定点DSP芯片、浮点DSP芯片。用途分类：通用型DSP芯片、专用型DSP芯片。处理数据位数分类：16/32位 TMS320F2812芯片封装方式两类：179引脚的GHH球形网格阵列BGA封装、176引脚的LQFP封装。
DSP内部总线分为：地址总线和数据总线。注意：DSP外部总线：即DSP芯片与外扩存储器的总线接口，包括19根地址线和16根数据线。
时序寄存器XTIMINGx主要用于设置读写时序参数；配置寄存器XINTCNF2主要完成选择是种，设置输入引脚状态及写缓冲器深度；控制寄存器XBANK用于设置可增加周期的特定区，以及设置增加的周期数。
命令文件CMD是DSP运行程序必不可少的文件，用于指定DSP存储器分配。由两个伪指令构成，即MEMORY(定义目标存储器的配置)和SECTIONS(规定程序中各个段及其在存储器中的位置)。
28X系列DSP时钟和系统控制电路包括：振荡器、锁相环、看门狗和工作模式选择等
锁相环和振荡器的作用是为DSP芯片中的CPU及相关外设提供可编程的时钟芯片内部的外设分为告诉我社和低速外设，可以设置不同的工作频率看门狗模块用于监控程序的运行状态，它是提高系统可靠性的重要环节。
28xDSP片上晶振电路模块允许采用内部振荡器或外部时钟源为CPU内核提供时钟
DSP处理器内核有16根中断线，包括和NMI两个不可屏蔽中断和INT1至INT14等14个可屏蔽中断（均为低电平有效）。PIE中断系统共分12组，每组有8个中断复用1个CPU中断。采用三级中断机制：外设级、PIE级、CPU级
PIE中断工作原理：当某外设产生中断，IF被置1，IE也被置1，发送到PIE控制器，中断标志PIEIFRx.v被置1，中断请求发送到CPU，CPU级IFR中对应INTx被置1，IER和INTM被使能，CPU响应中断请求。
CPU定时器用户只能用T0，通用定时器是EV中的都可以用;CPU定时器只有周期中断，而EV中的通用定时器可以有上溢中断、下溢中断、周期中断、比较中断四种。
功能控制寄存器：GPxMUX、GPxDIT、GPxQUAL。
数据寄存器：GPxSET寄存器设置每个引脚为高电平；GPxCLEAR清除每个引脚信号；GPxTOGGLE反转触发每个引脚信号；GPxDAT读写每个引脚信号
事件管理器包括：通用定时器、圈比较PWM单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路QEP 全比较PWM单元产生脉宽调制信号可以控制直流电机或步进电机的转速；捕获单元对光电编码器的输出信号进行测量可以计算电机的转速；正交编码脉冲电路根据增量编码器信号计算电机的旋转方向等信息。
通用定时器的寄存器：控制寄存器（决定通用定时器的操作模式，例如选择计数模式、时钟、预分频系数、比较寄存器的重装载条件）、全局控制寄存器(规定了通用定时器针对不同时间采取的动作、读取计数方向、定义ADC的启动信号)、比较寄存器(与通用定时器的计数值不断比较，匹配时，相应引脚跳变，请求中断)和周期寄存器(决定定时器的计数周期)是双缓冲的
通用定时器的中断：上溢中断、下溢中断、比较匹配、周期匹配
每个通用定时器都支持4种计数模式：停止/保持模式、连续递增计数模式、定向递增/递减计数模式和连续递增/递减计数模式。
EV模块各有3个全比较器，每个比较器对应两路PWM输出
每个比较单元包括3个比较寄存器CMPRX，各带一个映像寄存器；1个比较控制寄存器；1个动作控制寄存器；6路带三态输出的PWM引脚以及控制和中断逻辑。
较单元的输入包括来自控制寄存器的控制信号，通用定时器1的时钟信号及下溢信号、周期匹配信号和复位信号。比较单元输出信号是一个比较匹配信号，如果比较操作被使能的话，比价匹配信号将中断标志置位，并在对应的PWM引脚上产生跳变。比较单元的工作过程：通用定时器1的计数值不断地与比较寄存器的值进行比较，当发生匹配时，该比较单元的两个输出引脚发生跳变；ACTRA寄存器定义在发生比较匹配时每个输出引脚为高有效电平或低有效电平。
PWM单元对称/不对称波形发生器、可编程死区单元DBU、PWM输出逻辑和空间向量SVPWM状态机组成。ADC模块的特点：12位模数转换内核，内置双采样/保持器；顺序采样模式或并行采样模式；模拟输入电压范围0-3v；快速的转换时间，最高采样率12.5MSPS；16通道模拟信号输入； 并行采样：AdcRegs.ADCTRL3.bit.SMODE_SEL=1;顺序采样为0 双排序AdcTegs.ADCTRL1.bit.SEQ_CASC=0;级联排序为1 AdcRegs.ADCMAXCONV.all=0x0033并双；7并级；77顺双；F顺级 AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV00=0x0 ADC工作模式：连续模式和启动/停止模式。ADC电源：上电、掉电、关闭模式。
上电顺序：给参考电源上电、给adc内部参考电源电路供电、adc模块完全供电后，等20μs才能执行第一次模数转换。
28x DSP的输入信号电压不能高于3.3V，模拟信号需经过调理后进入DSP的AD转换输入端口，未使用的模数转换器输入引脚，都要连接模拟地，否则会带来噪声信号
电源管理电路设计：多电源正确连接；不允许有电源引脚悬空；减少噪音和互相干扰，数电和模电单独供电，接地也分开，最终通过一个磁珠在单点连接
DSP编程语言特点：c语言：具有良好可读性和可移植性，开发率高；汇编语言：高的运行效率，常用语时间要求比较苛刻的地方，比如终端服务子程序。
头文件的作用：是c语言不可缺少的部分，是用户程序和函数库之间的纽带；头文件使用：用户程序只要按照头文件中的接口声明来调用库功能，编译器就会从库中提取相应的代码 C语言程序框架包含有寄存器结构定义文件、外设头文件、器件的宏与类型定义等，通过使用头外设文件，可以容易控制片内外设。
DSP程序包括：头文件包含、函数声明、宏定义、主函数main()和中断服务子程序
主函数的编程步骤：1初始换系统控制2清除所有中断并初始化PIE向量表3初始化所有用到的外设4开中断5编写用户代码 #include “DSP281x_Device.h”
#include “DSP281x_Examples.h”
interrupt void cpu_timer0_isr(void)； void main(void)// {
InitSysCtrl()； DINT；
InitPieCtrl()；
IER = 0x0000；
IFR = 0x0000；
InitPieVectTable()； EALLOW；
PieVectTable.TINT0 = &cpu_timer0_isr；
EDIS;InitGpio();InitCpuTimers();
ConfigCpuTimer(&CpuTimer0,100,1000000);
StartCpuTimer0();IER |= M_INT1；
PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx7 = 1；
EINT；
ERTM； …… }
interrupt void cpu_timer0_isr(void)
{
CpuTimer0.InterruptCount++；
PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1；
DSP应用技术 篇3
【关键词】电梯；门机控制系统；DSP
随着我国社会经济的快速发展及中高层建筑的与日增多，电梯的普及率也有所提升，尤其是在大中成熟，电梯成为高层建筑人们日常生活必不可少的交通工具。因技术的不断发展，电梯夹门、开关失灵等情况有所减少，电梯门开关的流程性及整体安全性受到广泛的重视。为给乘客提供良好的乘坐体验，良好的电梯门控制系统严重影响着电梯的整体效果。所以开发一种性能好、安全性高、维护方便的电梯门机控制系统尤为重要。电梯门机控制系统是电梯系统的重要方面，从整个电梯控制系统角度来说，因其动作较为频繁且直接面对乘客，因此需要一个运行可靠、安全稳定的电梯门控制系统为乘客提供服务。电梯门机的系统结构通常是其两个门扇被同时连接在一根传动皮带上。如果传动皮带带动电机时，2扇门也给与对称方向运动。本文使用DSP高运算速度提升整个系统的控制性能。选取合理的DSP芯片达到最佳的电梯门机控制效果，从而提升整个系统的适用性及性价比。
1.电梯系统的构成
电梯系统主要划分为本体和控制器两个部门。本体由底座、立柱、轿厢等组成，本文不进行深入探讨；电梯各层动设置轿厢所在楼层的数码显示及外呼按钮和登记指示。随着人们生活水平的提升，对电梯的性能、舒适度安全性等方面提出更高的要求、电梯门机作为直接与乘客接触的电梯系统，其运行性能、运行状态影响着该电梯系统在用户心中的形象，也关系着更多人的利益和人生安全。本文电梯门机控制系统主要由驱动模块、信号反馈模块、人机交互模块组成，如图1所示。使用信号反馈模块采集电梯的位置及速度信号，在控制器内处理数据，随之运用控制电机驱动模块输出控制电机的运行速度。电梯门在实际运行中，为了使电梯门开、关时间最短且开、关过程中撞击程度最小，电梯开关设置如下：当电梯门打开时，通常有三级变速，开始采用高速开门，开门至70%左右专变为低速，如果开门达到90%则以更低的速度爬行。如果碰触到终点限位开关，开门电路会断开，结束开门。电梯门关闭时，通常有4级变速，开始采用高速关门，关门达到60%左右则转变为某一低速，如果关门达到80%，采用更低速度运行。直至关门达到90%，使用比以前更低的速度爬行，当碰触到终点限位开关，电路关门结束。
图1 电梯门机控制系统框图
2.电梯门机系统的控制方式
电梯门机系统的运动控制方式分为编码器控制方式和速度开关控制方式。在使用编码器控制方式时，电机尾部安装有编码器，但上坎上不安装速度开关。在这种控制方式下，通过编码器既能检测轿门位置，又能检测轿门速度，因此可以使用位置和速度闭环控制。在使用速度开关控制方式时，电机不带编码器，而是依据上坎的速度开关来检测速度切换点。在这种控制方式下，没有位置检测，也没有速度检测。
相比两种运动控制方式，从系统结构上看，只是编码器信号用速度开关信号替代，其余控制信号二者完全一样。两个速度开关仅用作电梯门机系统运动过程中的速度切换点。从系统性能上看，速度开关控制方式会导致控制精度相对要差，门机运动过程的平滑性不太好。而编码器控制方式能实时监测轿门位置，轿门速度，控制精度相对要高，但相应的成本也相对较高。
3.设计电梯门机系统硬件
本文设计的电梯门机控制系统使用DSP作为主控制机，被控对象为电梯门的异步电梯及电梯门扇，采用增量编码器给予反馈控制。逆变电路采用三菱公司的智能功率模块，这种模块的最大直流侧压为600V，最大允许电流是10A，与欠电压保护、短路保护相互配合，适用于小功率的电机驱动上。
系统硬件主要由主回路部分，检测部分，控制电路三部分组成。主回路主要是把电网电压经过整流和逆变，送入交流电动机，并通过控制电路控制逆变器开关元件的开断，实现电动机的调速。检测部分主要完成输出电流、位置和速度信号的检测，以及过流、过压和欠压等故障信号的检测。控制电路主要完成电力传动系统的指令形式，电流、速度和位置控制，产生PWM控制信号，完成矢量控制算法。
使用TI公司最新研发的DSP当做主控制机，这一系列是原系列的精简版，具有价格低廉的优点。使用旋转编码器，实现对电梯门运动速度和电梯门位置加以反馈，形成速度曲线的闭环控制系统。把键盘及控制芯片连接在一起，通过键盘达到修改参数或发出指令的目的。使用SPI方式与DSP芯片完成通讯，使用其自带字库进行显示。为有效降低外部电路对DSP逻辑计算和各部件噪声对通讯的影响，系统可以设计抗干扰电路，所设置的抗干扰系统如下：（1）弱电部位，为防止模拟电路的干扰信号串联至数字电路，可以把模拟地与数字地区分开，最后设计一个共地点。（2）把强电及弱电部门分开设置，输入输出接口位置，均使用光耦隔离。避免出现互相干扰情况。
4.设计电梯门机系统软件
电梯门机控制系统软件使用结构化的设计方法，是由主程序、电机控制、人机交互等模块组成。主程序作为整个软件系统的核心，其他所有模块都必须围绕主程序进行工作。初始化实现对芯片上电、使用的I/O口、外设等展开配置；门宽自动完成对门机的复位，完成测量门宽，把所测得的门寬数值输入储存器中。电机控制模块实现对电梯门开关动作的逻辑判断、生成电梯门运动曲线，完成堵转开门的控制算法。其中主要控制功能是在主循环内完成，通讯部分数据接收采用中断服务程序进行处理。本文设计的电梯门机控制系统使用系集成的双路通讯接口，对堵转力矩控制情况进行探讨。根据改变堵转判断算法或改变相应的参数，达到控制堵转力矩大小的目的，同时堵转力矩会因基频电压的变化而改变。
5.结束语
电梯系统是一个人机交互的控制系统，它是由电气控制技术、通讯技术、变频技术等组成。为让电梯更好的为大众服务，保证其安全性、高效能，本文以电梯门机控制系统为研究对象，介绍了电梯系统的总体构成及软、硬件设计情况。 [科]
【参考文献】
[1]罗恒年.变频门机系统[J].中国现代教育装备，2011，（15）：35-38.
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[3]虞晖华.基于DSP和变频器的电梯门机控制系统[J].轻工机械，2013，31（4）：48-50，55.
DSP的定点溢出处理技术 篇4
关键词：定点DSP,浮点DSP,溢出
引言
DSP是一种特别适合于进行数字信号处理的数字信号微处理器, 主要用于实时快速地实现各种数字信号处理算法。自十多年前浮点DSP诞生以来, 便为实时信号处理提供了算术上更为先进的备选方案。不过由于成本较低, 定点器件至今仍是业界的主流。
在信号检测的过程中, 如果不能很容易地将信号输入输出到DSP器件或者在信号变换过程中信号明显地受损 (畸变) , 那么DSP的吸引力就没有那么大了。定点运算DSP数字信号处理器在应用中已取得了极大的成功。然而, 随着对DSP处理速度与精度、存储器容量、编程的灵活性和方便性要求的不断提高。
目前大多数用DSP作信号处理时, 其始端和终端都是模拟的。对于一般使用上的16位的定点DSP, 串行口数据位最多为16位, 因此在实际使用过程中就要考虑数据的溢出问题。DSP芯片的定点运算数据的溢出可以分为上溢和下溢。上溢在圆圈上按数据逆时针移动, 下溢在圆圈上顺时针移动。
1 什么是溢出
定点DSP完成的是整数运算或小数运算, 数值格式中不包含阶码, 通常定点DSP是16位或24位数据宽度。一个24位的定点DSP提供的精度与浮点DSP的24位数据尾数提供的精度是相同的, 但是, 它无法提供一个大的动态范围。这样, 在对定点DSP进行运算时就必须考虑“溢出”问题。
溢出的全名是“缓冲区溢出”, 是指当DSP进行运算时, 超出其动态范围的情况。缓冲区是内存中存放数据的地方。在程序试图将数据放到机器内存中的某一个位置的时候, 因为没有足够的空间就会发生缓冲区溢出。在可能出现溢出的情况下, 如果不采取适当的措施, 数据溢出会导致运算精度的严重恶化。一般的定点DSP芯片都没有溢出保护功能, 当溢出保护功能有效时, 一旦出现溢出, 则累加器ACC的结果为最大的饱和值 (上溢为7 F F F H, 下溢为8001H) , 从而达到防止溢出引起精度严重恶化的目的。
2 溢出的处理技术
对于定点DSP, 在进行运算的时候很容易出现溢出的情况。为了保证出现的溢出给对数据处理造成很严重的后果, 我们需要对经常出现溢出的情况进行处理。在本文中讨论的溢出包括以下四个方面:
(1) 使用定点D SP;
(2) 对定点DS P进行位扩展;
(3) 对定点DS P进行数据定标;
(4) 直接使用浮点DSP。
下面对上述技术的实现要点和优缺点进行说明。
2.1 使用16位定点DSP
直接使用定点DSP的时候, 尤其是在进行加法和乘法运算的时候很可能因为缓冲区位数不够而造成数据溢出。例如要进行16位和16位的乘法的时候, 它们的结果为32位, 但可能要超过32位, 为了避免溢出的发生, 一般在DSP中可以设置溢出保护功能。当发生溢出时, 自动将结果设置为最大值或最小值。
使用这种方法的缺点是有截断误差, 优点是实时性好。这种方法适用于对精度要求不高的情况。
2.2 对定点DSP进行位扩展
在进行乘法或加法运算的时候, 如果经过考虑, 可能出现数据溢出, 则可以对定点DSP进行位扩展, 例如把16位或32位扩展成32位或64位。采用这种方法的优点是数据的精度高, 出现溢出的可能性小;缺点是扩大了动态范围, 多占用了内存, 加大了运输量和存储量。这种方法适用在实时性要求不高的情况。
2.3 对定点DSP进行数据定标
这是最常用的方法。在定点DSP芯片中, 采用定点数进行数值运算, 其操作数一般采用整型数来表示, 参与数值运算的数就是16位的整型数, 但在许多情况下, 数学运算过程中的数不一定都是整数。因此, DSP芯片处理小数的关键就是确定一个数的小数点处于16位中的哪一位, 通过设定小数点在16位数中的不同位置, 就可以表示不同大小和不同精度的小数了。这就是数的定标。
数的定标有Q表示法和S表示法种。表1列出了一个16位数的16种Q表示及它们所能表示的十进制数值范围。
从表1可以看出, 同样一个16位数, 若小数点设定的位置不同, 它所表示的数也就不同, 但对于DSP芯片来说, 处理方法是完全相同的。不同的Q所表示的数不仅范围不同, 而且精度也不相同。
对定点DSP的数据进行定标, 就是要把定点数转化为浮点数。和定点运算DSP相比, 浮点运算DSP比定点运算DSP的动态范围要大很多。定点DSP的字长每增加1bit, 动态范围扩大6d B。16bit字长的动态范围为96d B。程序员必须时刻关注溢出的发生。这时, 要么不断地移位定标, 要么作截尾。前者要耗费大量的程序空间和执行时间, 后者则很快带来图像质量的劣化, 使整个系统的性能下降。而32bit浮点运算DSP的动态范围可以作到1536d B, 这不仅大大扩大了动态范围, 提高了运算精度, 还大大节省了运算时间和存储空间, 因为大大减少了定标, 移位和溢出检查。因此的实际的应用过程中, 常常需要将定点和浮点之间的转换。
浮点数与定点数的转换关系可表示为:
浮点数 (x) 转换为定点数 (xq) :xq= (int) x×2Q
定点数 (xq) 转换为浮点数 (x) :x= (fl oa t) xq×2-Q
在定点处理器中常常需要对浮点数进行处理, 处理的方法一般为:
(1) 定义变量为浮点型 (float, double) , 用C语言抹平定点处理器和浮点处理器的区别, 但是程序的代码庞大, 运算速度也慢。
(2) 放大若干倍表示小数。比如要表示精度为0.01的变量, 放大100倍去运算, 运算完成后再转化。但是这个做法比较僵硬, 如要将上面的变量重新定义成0.001精度, 又需要放大1000倍, 且要重新编写整个程序, 考虑溢出等问题。
(3) 定标法:Q格式:通过假定小数点位于哪一位的右侧, 从而确定小数的精度。
Q0:小数点在第0位的后面, 即我们一般采用的方法
Q15小数点在第15位的后面, 0~14位都是小数位。
2.4 直接使用浮点DSP
相对于定点DSP, 浮点DSP的动态范要大得多。浮点DSP的运算使用硬件来实现, 可以在单周期内完成, 因此其处理速度大大高于定点DSP, 这个优点在实现高精度复杂算法的时候尤为突出。因此在实际使用的时候为了避免数据的溢出, 我们可以直接选择合适的浮点DSP。
3 定点DSP和浮点DSP的选择
定点与浮点DSP的基本差异在于它们各自对数据的数字表示法不同。定点硬件严格执行整数运算, 而浮点DSP既支持整数运算又支持实数运算。目前, 选用定点DSP还是浮点DSP归根结底在于应用数据集是否需要浮点算术功能。
因此, 在实际应用中到底选用定点D S P还是浮点D S P需要综合考虑一下问题:
3.1、成本与方便易用性:
浮点DSP提供的计算能力更高, 这也是其区别于定点DSP功能的最大差异所在。浮点器件是最早支持C语言的DSP之一, 而定点DSP则仍须在汇编代码级上进行编程。此外, 对浮点格式而言, 实数运算可直接通过代码加入硬件运算中, 而定点器件则必须通过软件才能间接执行实数运算, 这就增加了算法指令并延长了开发时间。由于浮点DSP易于编程, 因此其最初主要用于开发工作强度较大的情况, 如研究、原型开发、影像识别、工作站的三维图像加速器以及雷达等军用系统。
3.2、逐渐趋同:
目前, 定点DSP和浮点DSP早先在成本与易用性间的差异已经不那么明显了。总体说来, 定点DSP仍然在成本上有优势, 而浮点DSP仍然在易用性上有优势, 但差别已经缩小很多。定点DSP的成本仍然较低, 但是如果大规模量产的需求出现, 那么浮点器件也将受益于规模效益带来的同样的成本降低。
3.3、浮点的精确度:
目前, 选用定点DSP还是浮点DSP归根结底在于应用数据集是否需要浮点算术功能。
4 结论
定点DSP与浮点DSP之间在成本与易用性方面仍有某些差异, 但随着时间的推移, 上述差异已经不大。对设计人员最具重要性的特性在于浮点格式具有更高的算术灵活性与精确度。对高保真音频以及需要实数运算、更高精确度与较大动态范围的其它数据集应用而言, 浮点DSP是最佳的解决方案。
参考文献
[1]刘任化, 李建平.定点DSP中算术运算算法的研究[D].电子科技大学软件工程学院.2008年06期
[2]周日贵, 胡景春, 叶水生, 邹文栋.定点DSP开发实践[J].电声技术.2003, (04)
DSP应用技术 篇5
[关键词] DSP;学习动机;实验兴趣
doi : 10.3969 / j.issn.1673-0194.2010.21.040 数字信号处理器(DSP)由于其控制功能强,处理速度快,运算处理的实时性强等优点而被广泛应用在工业控制的各个领域,DSP应用技术已成为电子类专业学生必修的专业课程。在DSP学习中,理论与实践是紧密联系,相辅相成的,用理论来指导实践,用实践来加强理论。在教学中实验课占据很大的比例是非常重要的,因此在实验教学中如何激发学生的实验兴趣,使实验教学过程成为一个愉快的学习过程,发展学生动手能力,培养学生学习兴趣,值得我们深入研究。
一、妨碍学生实验兴趣发展的原因分析 1.实验课与考试内容脱节
由于实验课的内容在考试时很难体现或体现很少,因此,学生将大部分精力与时间用于理论课学习。上实验时,只机械地模仿教师的操作过程以完成实验,很少考虑实验原理、实验中出现的各种问题等,不能主动地学习和思考。长此以往,实验也就失去了培养学生动手能力的意义。
2.实验课的内容与形式不能很好调动学生的学习积极性
学生最感兴趣的是那些有所了解却又不完全已知、能够引起思考的东西,而教材中的实验大多具有已知程序、已知实验结果的特点,实验时只需查找代码后输入即可,很容易造成重复与感到枯燥。3.教师的教育、教学思想和策略不当
不少学生在做实验时小心翼翼、缩手缩脚,不敢大胆实验,担心自己一不小心把实验仪器给弄坏了,所以在实验时采取避而远之的态度。实验课时,不能全身心地投入学习,抱着不求有功,但求无过的态度。教师在实验中应亲自示范,鼓励学生按照实验规则做实验,不要担心损坏实验仪器,使学生放下思想包袱,培养学生的自信心和勇于探索的精神。
二、如何激发学生的实验学习兴趣
兴趣是激发学生深入探索的动力源泉,因此培养学生的学习兴趣是实验教学的重中之重。DSP实验不仅能看到实验现象及结果,而且能与实际应用相联系。1.充分发挥教师的引导作用 在DSP实验教学中要着重引导学生有目标、有重点地进行训练,既重视编程能力的培养,又注意养成科学思维方法。在实验教学中,教师要积极引导,使学生从内心体验到亲自动手实践而带来的喜悦和成就感。有意识、有目的地激发和培养学生持久的认知兴趣,使之不仅成为上好实验课的动力,也能成为促进学生心理品质良好发展的重要因素。
2.对学生采取个性化教学及分层教学的方式
由于学生的素质和接受能力不同,如果采用相同的实验题目会造成有的学生来不及做而有的学生无事可做的情况,因此除做好规定实验外,还可对部分学生增加探索性实验、综合性设计实验等,以多种方式来培养学生的实验兴趣。3.注重培养学生的思维能力及严谨的实验态度
由于DSP的灵活性较强,可以根据实际条件设立一些无现成教材,学生可自由发挥的实验题目,这样可以培养学生以科学的思维方式来观察和独立地分析实验中出现的问题,既有利于激发学生的学习兴趣又有利于加深对理论的理解。同时在DSP实验中会由于诸多原因(如源代码错误,或是目标代码错误,链接文件错误等)造成学生在实验中不能获得预期的结果,这时一定要引导学生自己独立地分析失败原因,以培养学生独立思维的能力和严谨认真的实验态度。
三、对现有DSP实验的改革设想 1.改革实验教学内容
(1)设计实验内容时注意其可比性。例如:在学习命令链接文件编制时,可以将程序存储器配置成在内部RAM和外部RAM中运行,这样可使学生了解DSP与以前学过的单片机的不同点。
(2)设置必做实验和选做实验项目,给学有余力的学生发挥创造性和发挥个性特长的条件。例如在三相步进电机驱动实验中,可将实验设计成三相三拍驱动和三相六拍驱动。
(3)鼓励、引导学生提出不同的设计方案和解题途径,并能从中优选最佳方案和途径。
2.改革教学方法
(1)明确实验课的地位和目的,增强实验教学的趣味性,让学生重视实验课,变“要我学”为“我要学”。
(2)突出学生的主体地位。实验课教学要精讲多练,在教师的引导和组织下,以学生独立活动为主,教师讲授为辅。教师要重视兴趣激发、思路开发、方法引导、作风培养等,做到言传身教、以身作则。凡是能够由学生自己动脑动手解决的问题,尽量让他们独立完成。(3)灵活地利用现代化的教学设备。教师通过多媒体课件演示实验应出现的现象,配以生动形象的讲解,并延伸到工程应用。
(4)重视发挥实验课的实践作用。DSP有着广泛的社会应用,把实验课堂与社会课堂结合起来,组织课外参观见习、技术创新等活动,既拓展了学生的创新精神,培养了创新能力,又能使学生毕业后,为适应未来的工作打下坚实的基础。3.改革教学实验设备
现在大多数学校的DSP实验设备都是从各个公司购买的成套的实验箱,这种设备在一定程度上能够锻炼学生的软件编程能力,但无法锻炼学生的硬件设计能力。因此,有必要自制一些DSP实验设备,通过自制的DSP实验设备讲解软件编程和硬件电路设计,不仅在软件编程方面而且还能在硬件电路设计方面使学生得到锻炼,使学生在DSP应用方面得到质的提高,为以后工作中应用DSP打下坚实的基础。
总之,在DSP实验教学中,应注意探索实验教学的规律,激发学生的学习兴趣,营造一种轻松的学习氛围,积极探索DSP技术的实用性和前瞻性,保证实验课程与时俱进,不断拓宽学生的视野,加强理论与应用的联系,构筑理论教学、实验教学和科研共进的良好环境。主要参考文献
DSP应用技术 篇6
摘 要：矿井主提升是矿井开采生产的重要环节，主提升机多采用大功率电机。随着空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术的发展，交流异步电机的调速性能有了大幅改善。本文介绍了SVPWM的基本原理，并采用德州仪器公司的TMS320F2808作为控制核心，设计出一套交流调速系统，控制性能优秀，可较好的满足矿井主提升的调速要求。
关键词：矿井主提升；空间矢量控制；交流调速
0 引言
矿井生产过程中，主提升是非常重要的一个环节，所有井下产出的原煤都需经主提升机提升至地面。为了生产和检修的需要，提升机必须具有优秀的调速性能。过去为了满足提升机调速性能，常使用直流电机作为驱动，然而直流电机本身结构复杂，造价高昂，维护费用高。三相交流异步电机结构简单，成本低廉，早已在生产生活中大量应用，受限于调速装置无法满足矿井提升机的要求。随着交流调速技术的发展，脉宽调制（PWM）、空间矢量脉宽调制（SVPWM）等技术日趋成熟。同时，电力电子技术、控制理论等学科不断发展，异步电机的交流调速越来越多的应用于实际工程中。
1 异步电机的SVPWM控制理论
1.1 电压空间矢量和磁链空间矢量
近年来，异步电机的调速控制方式已经发展到了全数字化的控制方式。由于SVPWM模型简单，转矩脉动小且具有较好的谐波抑制能力，在现代交流电机控制中应用广泛。
电压空间矢量按照电压所在绕组的空间位置确定，电机定子绕组定义了一个三相静止的平面坐标系。
定子电压UA，UB，UC分别施加在三个轴线上，形成三个电压空间矢量UA，UB，UC。三者按正弦规律变化，合成的空间矢量U是一个以电源角频率ω旋转的空间矢量。
U=UA+UB+UC （1-1）
对于电流空间矢量I和磁链空间矢量ψ，有
U=RI+ （1-2）
忽略定子运行的电阻，式（1-2）可变换为
ψ=ψ0+UtΔt（1-3）
上式中，ψ0为磁链矢量的初始值，Δt为电压矢量Ui作用的时间。
1.2 电压空间矢量分析
图1所示为一个典型的PWM变流器的逆变部分，图中上桥臂V1，V2，V3三个功率管在导通状态下表示为1，关断状态下表示为0。下桥臂V2，V4，V6与其状态正好相反。显然，电路有8种开关状态（000，001，011，010，100，110，111，101），因此，三相逆变电路输出
2 电压空间矢量SVPWM的实现
2.1 系统硬件设计
对于矿井主提升机而言，功率动辄上百千瓦甚至上千千瓦，考虑到系统的安全稳定、抗干扰以及检修的方便性等因素，本系统采用控制部分与功率部分两部分在空间上隔离运行，强弱电独立供电。控制部分主要有CPU、电源等模块。功率部分是系统的强电部分，由主开关电路、电流检测电路等组成。图3为系统硬件总框图。
TMS320F2808是IT公司的16位DSP，片内有128KB的FLASH、36KB的RAM。EVA和EVB，每个事件管理器包含两个16位通用定时器、16个脉宽调制通道、4个比较单元、4个捕获单元以及2个正交编码脉冲电路。在系统控制电路中，采用DSP中的脉宽调制单元实现PWM输出可极大节省波形生成电路，简化软硬件设计，提高程序读写效率。
矿井日常生产中，井上井下提升机车房内生产环境较为恶劣，DSP电路板在制作完成之后需进行封装，避免受潮。
2.2 软件设计
DSP主程序将完成系统初始化、模块初始化、中断系统设置等工作。这些模块包括：输入/输出模块、ADC模块、事件管理器EVA和EVB模块。
TPWM值选取越小，则电机旋转磁场越逼近正圆形，图4为主程序流程图。
图4 主程序流程图
由于功率器件开关频率的限制，TPWM取值无法过小，DSP周期寄存器的周期为TPWM/2，为方便编程，将t1、t2 置换为t1/ （TPWM/2）、t2/（TPWM/2）。
3 结语
在矿井实际生产中，功率单元选用英飞凌公司的IGBT，驱动一台1140kW的三相交流异步电机，应用效果良好。
基于TMS320F2808 DSP的全數字控制系统通过软硬件结合实现了空间矢量脉宽调制控制，配合功率模块、过程控制模块、故障诊断模块、总线通讯模块等各个部分，实现了矿井主提升的全自动化、数字化，调速性能优秀。
参考文献：
[1]李华德.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2009.
[2]苏奎峰.TMS320X281X DSP原理及C程序开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[3]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.
作者简介：
浅谈DSP技术的应用和发展前景 篇7
自从数字信号处理器 (Digital Signal Processor) 问世以来, 由于它具有高速、灵活、可编程、低功耗和便于接口等特点, 已在图形、图像处理、语音、语言处理, 通用西信号处理, 测量分析, 通信等领域发挥越来越重要的作用。随着技术成本的降低, 控制界已对此产生浓厚兴趣, 已在不少场合等到成功应用。
2 DSP技术的发展历程
DSP的发展大致分为三个阶段:
在数字信号处理技术发展的初期 (二十世纪50-60年代) , 人们只能在微处理器上完成数字信号的处理。直到70年代, 有人才提出了DSP的理论和算法基础。一般认为, 世界上第一个单片DSP芯片应当是1987年AMI公司发布的S281I。1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个重要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980年, 日本NEC公司推出的m PD7720是第一个具有硬件乘法器的商用DSP芯片, 从而被认为是第一块单片DSP器件。
随着大规模集成电路技术的发展, 1982年美国德州仪器公司推出世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品, 标志了实时数字信号处理领域的重大突破。TI公司不久相继推出了第二代和第三代DSP芯片。90年代DSP发展最快。TI公司相继推出第四代、第五代DSP芯片等。
随着CMOS技术的进步与发展, 日本的Hitachi公司在1982年推出第一个基于CMOS工艺的浮点DSP芯片, 1983年日本Fujitsu公司推出的MB8764, 其指令周期为120ns, 且具有双内部总线, 从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。
而第一个高性能浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32。与其他公司相比, Motorola公司在推出DSP芯片方面相对较晚。1986年, 该公司推出了定点处理器MC56001。1990年推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。美国模拟器件公司 (AD) 在DSP芯片市场上也占有一定的份额, 相继推出了一系列具有自己特点的DSP芯片。自1980年以来, DSP芯片得到了突飞猛进的发展, DSP芯片的应用越来越广泛, 并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。从运算速度来看, MAC (一次乘法和一次加法) 时间已经从20世纪80年代初的400ns降低到
10ns以下, 处理能力提高了几十倍。DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年占模片区的40%左右下降到5%以下, 片内RAM数量增加一个数量级以上。DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上, 引脚数量的增加, 意味着结构灵活性的增加, 如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。
3 DSP技术在各领域的应用
3.1 DSP技术在电力系统模拟量采集和测量中的应用
计算机进入电力系统调度后, 引入了EMS/DMS/SCADA的概念, 而电力系统数据采集和测量是SCADA的基础部分。传统的模拟量的采集和获得, 通过变送器将一次PT和CT的电气量变为直流量, 在进行A/D转换送给计算机。应用了交流采用技术以后, 经过二次PT、CT的变换后, 直接对每周波的多点采样值采用DSP处理算法进行计算, 得到电压和电流的有效值和相角, 免去了变送器环节。这不仅使得分布布置的分布式RTU很快地发展起来, 而且还为变电站自动化提供了功能综合优化的手段。
3.2 DSP在变电站自动化的应用
变电站自动化元件较多, 模拟量、开关量比较分散, 要求的实时性也较高, DSP能快速采集、精确处理各种信息, 尤其在并行处理上可实现多机多任务操作, 实用十分灵活、方便, 片内诸多的接口为通讯及人机接口提供了容易的扩展, 由于接口的多样化, 使励磁、调速器及继电保护的挂网监控庚容易。由于DSP集成度高, 硬件设计方便, 使设计起来更容易, 而且增加了产品的可靠性, DSP在冗余设计上更容易, 为水电站实现无人值班, 少人值守的发展方向, 提供了可靠的新技术。
3.3 DSP在多媒体通信中的应用
多媒体包括文字、语言、图形和数据等媒体。多媒体信息中绝大部分是视频数据和音频数据, 而数字化的音、视频数据的数据量是非常庞大的, 只有采用先进的压缩编码算法对其进行压缩, 节省储存空间, 提高通信线路的传输效率, 才能使高速的多媒体通信系统成为可能。多媒体通信要求多媒体网络终端应能快速处理信息, 并具有较强的交互性。因此, DSP在语音编码、图像压缩与还原的语音通信中得到了成功的应用。如今的DSP基本能实时实现大部分已形成国际标准的语音编解码算法与协议。移动通信中的语音压缩和调制解调器也大量采用DSP。有能力实现中、低速的移频键控、相移键控的调制与解调等。
3.4 DSP在软件无线电的应用
软件无线电是一种新的无线通信技术, 是基于同、一硬件平台上、安装不同的软件来实现多通信功能多频段的无线电台, 它可进一步扩展至有限领域。随着DSP技术的发展和应用的成熟, 特别是低功耗DSP芯片的出现, 、使软件无线电的应用研究成为热点。软件无线电具有系统结构通用、功能实现软件化和互操作性好等一系列有优点。其体系结构有电源、天线、多带射频转换器和A/D/A变换器与DSP组成。信号的数字化是实现软件无线电的先决条件。关键步骤是以可编程能力强的DSP来代替专用的数字电路, 使系统硬件结构与功能相对独立。这样就可基于一个相对通用的硬件平台, 通过软件实现不同的通信功能, 并可对工作频率、系统频宽、调制方式和新品编码等进行编程控制, 系统的灵活性大大加强了。
3.5 DSP在机器人控制中的应用
目前, 由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步, 使得机器人的研究在高水平上进行, 同时也对机器人控制系统的性能提出了更高的要求。随着机器人控制系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高, 采用高速、高性能的DSP将成为主要的控制方式。将DSP应用于机器人的控制系统, 充分利用DSP实时运算速度快的特点, 这是当前发展的趋势。尤其是随着数字信号芯片速度的不断提高, 并易于构成并行处理网络, 可大大提高控制系统的性能。
4 DSP技术的发展趋势
未来DSP技术将向以下几个方面继续发展:
4.1 努力向系统级集成DSP迈进
将几个DSP芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上, 成为DSP系统级集成电路。
4.2 DSP的内核结构进一步改善
多通道结构和单指令多重数据、超标量结构、超流水结构、多处理、多线程及可并行扩展的哈佛结构在新的高性能处理器中将占据主导地位。
4.3 追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸
4.4 定点DSP是主流
虽然浮点DSP的运算精度更高, 动态范围更大, 但定点DSP器件的成本较低, 对存储器的要求也较低, 而且耗电较省。因此, 定点运算的可编程DSP器件仍是市场上的主流产品。据统计, 目前销售的DSP器件中的80%以上属于16位定点可编程DSP器件, 预计今后的比重将逐渐增大。
4.5 与可编程器件结合
与常规DSP器件相比, FPGA器件配合传统的DSP器件可以处理更多信道, 可在基站中用来实现高速实时处理功能, 满足无线通信、多媒体等领域多功能和高性能的要求。
摘要：数字信号处理 (DSP) 是门涉及许多学科而又广泛用于许多领域的新兴学科。本文概述了数字信号处理技术的发展过程, 分析了DSP处理器在多个领域应用状况, 介绍了DSP的最新发展, 对数字信号处理技术的发展前景进行了展望。
关键词：信号,数字信号处理,信息技术
参考文献
[1]申敏.DSP原理及其在移动通信中的应用[M].人民邮电出版社, 1999.
[2]徐伟.DSP应用的结构和发展方向[J].电子技术应用, 1999.
基于DSP的闸机控制技术 篇8
闸机作为自动检票设备, 被应用于很多不同的场合, 而最常见的是用在轨道交通AFC系统中, 对闸机的部分组件进行改造后也可应用于游乐场、图书馆的检票系统以及企事业单位的考勤系统等场合。以保证持票乘客可以安全进出、阻止无票乘客出入的“看门人”[1], 在整个AFC系统中起着举足轻重的作用。
本文提出了一种基于DSP芯片TMS320F2812主控芯片闸机控制系统, 实现对闸机两扇门的精确控制。该系统包括闸机通道传感器布置设计、主控板硬件电路设计和软件设计。系统的特点:1) 采用新的通道传感器布置方案;2) 使用CANopen通讯协议实现主控板对闸机扇门精确控制。通过测试实验验证了系统的可靠性, 保证了闸机扇门开合的快速性、准确性、可靠性和实时性, 并实现了设备设计的模块化、标准化。
1 闸机控制系统结构
整个闸机控制系统可以分为两个主要部分:主控单元和通道传感器阵列。主控单元主要负责运行控制软件部分, 完成通道传感器信号采集、通行识别算法、数据处理、扇门控制算法等功能。
闸机扇门控制系统是本文研究的重点, 其设计品质不仅关系到闸机的主要性能, 而且还将直接影响到整个自动售检票系统的成败。该系统主要对通道内乘客的通行状况进行实时的监测, 保证持票乘客能够顺利的通行, 阻止各种非法通行, 同时也提高了通行识别率、通行速度, 最大程度上保证了乘客的通行安全和通行舒适度。扇门控制系统组成如图1所示。
扇门控制系统各部分功能如下。
通道传感器阵列:主要完成采集通道传感器实时状态的功能、人体和物体识别的功能等, 根据通行算法处理结果给出正确的判断, 正常情况发给扇门执行控制模块开门或关门的命令, 异常情况发出报警信号。
扇门控制模块:根据通行识别模块的命令来驱动扇门开启与关闭。在保证乘客通行安全的前提下, 正确控制扇门的动作, 使得左、右两扇门能够同步、平稳, 迅速的到位。
报警及通行状态显示模块:通行状态显示模块主要负责显示闸机通道内的状态, 如闸门正常开、关和乘客正常通行或乘客非法闯入等不同情形。当出现各种非法通行情况时, 报警模块发出声光报警信号, 提示管理人员进行相应操作。
系统通讯模块:主要包含与PC机通信的RS232, 与中央控制单元通信的RS485以及主控板与扇门控制模块通信的CANopen通信模块。
2 系统总体设计
2.1 传感器布置
在闸机系统中, 对通道行人通行的精确识别是闸机控制技术的重要组成部分, 因此对闸机传感器的选择和布置的要求比较高, 对于闸机的智能识别系统, 通常采用的是反应灵敏、快速的对射式红外传感器, 特别适合于识别运动体的通行情况。对射式红外传感器由投光器和受光器两个部分组成, 它们被平行布置在闸机左右两侧的内侧, 投光器和受光器之间不存在物体时, 受光器会接收到投光器发射的红外线, 此时传感器所对应的工作状态为“0”;投光器和受光器之间存在物体时, 物体会挡住投光器发射的红外线, 此时传感器的状态变为“1”。通道传感器的工作原理如图2所示。
通道传感器的空间布局主要取决于通行目标, 即行人以及人和行李行走时的特征。同时也要考虑到闸机本身尺寸的大小, 因为传感器都是要安装在闸机机壳内部的。据资料统计, 我国男性的步长为550 mm~775 mm, 女性为500 mm~700 mm[1]。根据测量, 一般情况下准确测出行人通行情况需要3~5步, 因此闸机长度可以设定为2 m左右, 闸机的收费高度一般根据各地的情况而定, 基本上在1 200 mm左右。通道传感器布置示意图3所示。
2.2 系统硬件设计
本系统按功能主要由通行识别模块、通行显示模块和扇门控制控制模块三部分组成, 其主要实现对通行目标通过闸机时的行为进行检测及识别, 并根据系统的判断结果来控制扇门控制模块工作。其中, 通行识别模块中主要的组成部件是18对通道传感器, 对通行目标进行监控, 闸机扇门控制系统示意图如图4所示。
针对闸机扇门控制系统所需完成的功能, 本设计选用TI公司的TMS320F2812作为主控芯片。该芯片采用32位高性能的CMOS技术, 主频可达150MHz, 它集成事件管理器、A/D转换模块、SCI通信接口、SPI外设接口、e CAN总线通信模块、通用数字I/O口、外部中断等多功能模块[3]。其资源分配如下:
1) GPIOA和GPIOB用于采集18路通道传感器信号。
2) 部分GPIOB, GPIOE和GPIOF用于声光报警和通行状态显示模块。
3) 部分GPIOF和GPIOB预留接口, 可用于外部模拟刷卡等功能。
3 系统软件设计
3.1 主体软件
软件品质直接关系到该系统的正常、准确、高效的运行, 因此在软件设计时一定要理清系统工作的逻辑顺序, 在基于硬件的基础上, 充分发挥系统的功能。该系统的软件按功能可分为两大部分:通行识别软件部分主要指通行识别算法, 对通道传感器采集的状态信息进行分析处理并给出正确判断;扇门控制软件部分的主要任务是控制扇门模块运动的整个过程, 协调各个模块使扇门能够平稳、快速到位, 并且在误动时上传报警信息。
根据系统需求及设计基本原则, 该系统软件总体设计流程如图5[2]所示。由于C语言可移植性较强, 因而本系统选择在TI公司提供的CCS3.3编程环境中用C语言进行程序编写。
3.2 CANopen协议实现
根据CANopen协议通讯规范Ci A DS一301和DS一402 (伺服驱动设备子协议) 规定的一系列设备规范对通信对象字典 (OD) 、SDO报文、PDO报文格式进行参数设定[4,5]。工作流程如图6[6]。
4 结语
介绍一种基于DSP芯片TMS320F2812的闸机控制技术, 采用面向对象的思想设计, 具有很好的模块化特性和很高的适应性。通过后期的调试和测试, 该设计很好的解决了闸机扇门控制的准确性、及时性、安全性等问题, 也使得系统具有模块化特性, 便于后期的维护、升级等优点。
参考文献
[1]李建省.轨道交通闸机控制系统中人体识别技术研究与实现[D].上海:上海大学, 2008.
[2]和丽真.自动检票闸机拍打门控制系统研究[D].南京:南京理工大学.2013.
[3]顾卫刚.手把手教你学DSP—基于TMS320X281x[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2011.
[4]Elmo Motion Control CANopen DS 301 Implementation Guide.Elmo Motion Control.2003.9.
[5]Elmo Motion Control CANopen DSP 402 Implementation Guide.Elmo Motion Control.2003.9.
DSP应用技术 篇9
一、立足专业, 开发教材资源
但各个学校DSP课程由于专业不同、定位不同、选用的DSP芯片不同, 教学内容也就各有侧重, 教材也就多种多样。
现在本科教学中开设的DSP课程, 主讲的是TI公司的TMS320系列的DSP芯片, 电气控制专业一般学习的是2000系列, 通信专业一般学习的是5000系列, 由于DSP需要掌握的知识比较多, 一般的教材要么全而不精, 要么精而不全, 在DSP芯片介绍时我们希望全面, 而对特定应用时我们希望精而专, 如果能够编写一本适合本专业的内容丰富的校本教材将更助于该课程的学习。
二、做好实验平台建设, 培养学生的实践动手能力, 建设实践教学资源
DSP应用技术主要培养学生的DSP实际应用能力, 使学生在有限的时间内不仅能系统的掌握DSP的基本知识, 更重要的是培养他们对应用系统的设计能力及产品开发技术, 因此实验平台的建设和实验内容的合理设置也是教学研究的重点内容之一。DSP应用技术课程以实验教学为主, 要求学生通过实践掌握集成开发环境CCS的使用方法、熟练运用DSP汇编指令、实现数字信号处理常用算法, 完成片内片外资源的初始化及驱动程序的编写等。因此为保证实验的正常进行, DSP实验室必须配备计算机、DSP仿真器和DSP开发板或实验箱若干套。
目前, 我院DSP实验室购置了计算机、DSP仿真器及实验箱三十余套, 基本上满足了本科实验教学。该实验平台采用模块化设计, 实验系统中的各种资源, 如信号调节模块、DSP数码管显示模块、按键模块、AD/DA模块、串行接口模块, 串口通信单元、液晶接口模块、开关量输入输出模块等全部开放, 这样利于功能扩展, 进行二次开发。课程教学中不仅可以进行验证性实验, 也可以进行多种设计性实验。这样调动了学生的设计积极性, 提高了学生的独立思考能力和创新能力。
三、科研成果转化为教学资源。
我国北京师范大学学者的研究显示:教师的科研成果和教师的教学效果呈现较为显著相关性, 大学教师的科研和教学存在相互促进的关系。从总体上看, 有科研成果的教师的教学效果显著好于无科研成果的教师[2]。
虽然一些地方院校想向研究型大学转型, 但科研能力还是不能够和国内重点大学相提并论, 属于教学型大学, 一般教学型大学的科研成果与研究型大学相比, 学术价值相对低一些。但是, 这些科研成果却是各位教师结合自己实际教学, 或在教学中发现的问题进行研究和探讨而提出的观点和结论, 更能解决教学中的问题, 和实际教学比较贴近。如果将这些科研成果转化为教学资源, 对教学更能发生影响[3]。
我们从学院的科研课题和开发项目中有选择的让学生分析有关DSP应用系统的硬件或编写相应的程序, 这样不仅让他们学习巩固了DSP知识, 而且通过解决实际问题, 增强了学生的实践能力, 极大地促进了学生自主研究意识和创新能力的提高。
四、强化教师资源的开发。
教师是教学的主要力量教师也是重要的教学资源。在课程资源建设的过程中, 要始终把教师队伍建设放在首位, 通过这一最重要的课程资源的突破来带动其他课程资源的优化发展。学校和社会应该为教师提供专业发展机会, 提高教师进行有效的科学教学所需的能力。可以聘任电子行业经验丰富、技术熟练的工程师到学校来担任专职或兼职教师。或是组织相关教师员参加TI等公司举办的专业技术培训, 参加有关技术的科研项目。
我校为进一步增强应用型本科教育特色, 提高教师的实践教学水平, 推出了“双师”建设一支既具有丰富理论知识、又有较强实践动手能力及技术应用能力的“双师型”教师队伍。学校组织在职教师参加相关的培训以提高其“双师”素质。
结论:本课题结合我校“应用型”本科的办学理念, 从教材、实践和教师等方面对DSP应用技术课程教学资源的开发与建设进行研究, 提出了DSP应用技术课程资源开发与建设的方法和途径。以适应DSP技术的发展, 以便从整体上提高DSP课程的教学质量, 为培养高素质的应用型人才服务。
参考文献
[1]小斯坦利.J.米凯拉克, 罗伯特.J.弗雷德里克.科研能提高教学质量吗[J].外国高等教育资料, 1987, (3) .
DSP应用技术 篇10
关键词：交流电机,电机控制,DSP技术,信号处理
1 DSP简述
DSP中文名为数字信号处理, 是Digital Signal Processing的缩写。在电机控制中, DSP通常是以数字信号处理芯片的形式应用的, 而数字信号处理是近几年才发展起来的一门学科, 尤其是计算机等技术的发展, 使DSP被广泛应用于计算机领域。与传统的模拟信号相比, 数字信号处理采用的是提取信息点的方式。在模拟信号中, 可以直接提取现实信息, 而在数字信号处理中, 是通过一些特殊的数学处理, 提取现实中的信号关键点, 这样获取的信息量虽然比较小, 但是, 得到信息的效果并不受影响。在数据传输的过程中, 由于承载的信息量较小, 传输的效率就得到了很大的提升, 而这种传输效率的提升正符合现在无线发展的需要。
在电机控制领域, TI公司推出2000系列的电机控制DSP。TMS320F2812属于最新的高端产品, 适合应用于工业控制、机床控制等高精度生产中。目前, 2000系列芯片在电气传动中的应用主要是以TMS320LF240X为主, 应用TMS320F (C) 28X的比较少。28X系列的DSP与24X系列的DSP相比, 具有更多的外围控制接口和更丰富的电机控制外设电路、更高的主频, 指令时间仅为6.67 ns, 流水线采样最高速率为60 ns, 12位A/D转换通道16个, PWM输出道12个。资源足够同时控制2台三相电机, 大大降低了控制系统的价格, 缩小了其体积, 提高了其可靠性, 以便其可以在高度集成的环境中实现高性能电机控制。
2 基于DSP的电机控制方式
2.1 单DSP系统
目前, 利用DSP实现复杂控制算法的应用有很多, 比如无速度传感器的矢量控制、直接转矩控制等。它是采用基于DSP的矢量控制的方法来控制交流异步电机。其原理是, 利用坐标变换将电机的三相坐标等效为两相系统, 经过按转子磁场定向的旋转变换, 实现对定子电流励磁分量与转矩分量之间的解藕, 进而达到分别控制交流电机磁链和电流的目的。系统充分利用了DSP的高速运算能力和丰富的外设资源。实验结果表明, 该系统精度高, 动态响应快。
2.2 双DSP系统
双PWM控制系统分别采用PWM控制整流和逆变器, 但是, 电机采用的是恒压频比控制, 可以对其进一步改进。其中, 一个PWM控制系统用于控制整流逆变器, 另一个采用直接转矩的方法控制电机。这样, 系统将有更快的响应速度和更高的精度。二者之间可以用SCI通讯端口连接起来, 既减小了谐波污染, 又提高了变频器的控制性能。
2.3 DSP与PC组合系统
DSP作为系统快速处理的执行者, 以尽量快的速度完成算法的实现。它是由PC、高性能DSP、64 K字的程序存储器和64 K字的数据存储器组成, 采用共享存储器的方式构成PC-DSP多处理器系统。该系统不仅提供了一个完整的硬件环境, 实时运行1个真正的数字控制, 而且还实现了各种先进的控制规律, 比如在设计控制器时, 由于系统具有高速数字控制能力, 通过S域的变换, 模拟控制器就能在其上实现相关的应用、重构和评价。
3 交流电机控制系统的控制算法
3.1 PI控制
PI控制器以其简单、有效、实用的特性被广泛应用于交流电机控制系统中。交流电机调速系统的速度环和电流环调节器均使用PI控制器。但是, 交流电机是一个强耦合的非线性对象, 并且其应用环境较为复杂, 常常有各种干扰, 而电机参数也会在运行过程中发生变化。因此, 在交流电调速过程中, 由于PI控制器自身的特点和存在的不足, 比如PI控制器直接获取目标和实际之间存在一定的误差, 会因为初始控制力太大而出现超调的情况, 无法有效解决控制过程中快速性和稳定性之间的矛盾。如果PI参数一旦确定, 就无法在线自调整, 以适应对象参数的变化, 即同一PI参数一般难以适用于不同电机的转速, 且PI控制器参数控制对象的范围较小。所以, 交流电机采用PI控制难以取得令人满意的调速性能, 尤其是在对控制精度要求比较高的场合。
3.2 模糊控制
模糊控制是利用模糊集合来刻画人们日常所使用概念中的模糊性, 使控制器能够更加逼真的模仿、熟练操作人员和专家的控制经验和方法。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制的突出特点是无需建立被控对象的精确数学模型, 系统的鲁棒性强, 适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变和滞后问题, 以语言变量代替常规的数学变量, 推理过程模仿人的思维过程, 借鉴专家的知识、经验, 处理复杂的控制问题。模糊控制器的基本结构如图1所示。
3.3 神经网络控制
人工神经网络是依据人脑生物微观结构和功能, 模拟人脑神经系统而建立的模型。其主要功能是模拟人脑的思维方式工作, 具有自学习、并行处理和自适应等能力。利用神经网络优秀的学习能力和非线性逼近能力, 提出了许多基于神经网络的控制方案, 从而改善系统的收敛性、稳定性和鲁棒性等。在交流调速领域中, 应用神经网络的主要问题是其算法比较复杂, 大多以仿真形式出现, 但其控制效果还有待于在系统中进一步检验。
4 交流电机控制的发展趋势
虽然交流电机控制已经取得了很多成果, 但是, 仍不完善。它的发展方向主要有: (1) 随着电力电子、微电子、计算机等技术的发展, 采用数字处理器可以快速完成复杂运算, 一些复杂控制算法逐步被应用, 且有效提高了电机控制的性能。 (2) 为了使电机控制系统具有较高的动静态性能和鲁棒性, 应该寻找新型的控制方法或改进现有的控制方法。 (3) 每种电机控制方法都有其优点和缺点, 为了提高电机的控制性能, 可以将两种或多种控制方法有机结合起来, 取长补短, 实现优势互补, 将其集成为一体, 克服单控制方法的缺陷。例如, 可将模糊与PID、自适应与变结构、模糊与神经、无源与自抗扰等控制结合起来。 (4) 电机控制系统需要速度信号, 但是, 安装速度传感器会引发很多问题。通过容易测量的其他信号, 可以间接估算出电机速度。目前, 高性能的无速度传感器控制方法也已经成为了研究的热点。 (5) 电机的定、转子等参数会随着工况和环境而变化, 除了采用先进的控制策略减小它们的变化对控制性能的影响外, 还应对电机参数进行实时在线精确辨识。目前, 对电机参数的辨识, 已经提出了递推最小二乘法、模型参考自适应法、扩展Kalman滤波法、神经网络和遗传算法等多种辨识方法。 (6) 随着人们环保意识的增强, 电机控制产生的高次谐波会对电网造成污染, 降低电机的工作噪声, 增强其可靠性、安全性等。人们试图采取合适的控制方式设计出绿色变频调速器来解决这个问题。
5 结束语
电机控制未来的发展趋势是将电机、功率变换器、控制系统集成在一起, 使其成为结构紧凑的机电一体化产品。目前, DSP器件具有较高的集成度, 精简的指令系统、独立的程序和数据空间等使其具有高速的数据运算能力, 采用基于DSP的电机专用集成电路可以降低对传感器等外围器件的要求。在高速控制中, 使用DSP可以实现位检测、逻辑运算和高速数据传输。采用DPS器件代替单片机控制电机已经成为了电机控制未来的发展趋势。
参考文献
[1]程善美, 蔡凯, 龚博.DSP在电气传动系统中的应用[M].北京:机械工业出版社, 2010.
张鹤：DSP蓄势爆发 篇11
在GMIC移动营销峰会上，包括多盟、InMobi、互动通、亿动、木瓜移动、安沃等在内的多家移动营销平台都分享了移动广告的发展趋势以及2015年的战略布局。会后，本刊记者对中国第一智能手机广告平台多盟总裁张鹤进行了专访，进一步探讨了相关话题，借此也可以对整个行业的发展进行管中窥豹的解读。
DSP发展：今年以布局为重
与PC端发展趋势相同，程序化购买也是移动广告发展的方向。
张鹤指出，目前移动端程序化购买呈现出几个变化：一是媒体流量的质量和规模都比2014年有了很大提升，之前以公开交易平台上的长尾流量为主，今年有更多优质流量进入；二是需求端的变化，今年开始很多大品牌广告主逐渐有了明确的DSP（程序化购买）预算，同时很多大型4A公司设立了专门对接DSP的部门，这在去年都还很少；三是DSP平台的发展，越来越多数字营销企业在布局移动DSP，这些都说明整个行业大环境在发展。根据芒果的数据，截至今年3月，国内号称具备移动DSP平台的程序化购买企业已超过60家。
张鹤判断，2014年是移动DSP的起步阶段，2015年将是资源整合和蓄势的阶段，到2016年预计会有一个爆发。
多盟也在2014年推出了自己的DSP平台，并定位于DSP+ADN的发展策略，继续发挥自身积累多年的广告网络资源和优势，形成一种“进可攻退可守”态势。从广告形式上看，正在从插屏广告向原生广告转变，其中最具代表性的是信息流广告。多盟的必得DSP整合了行业最好的信息流广告资源，包括QQ空间、百度贴吧等。
但是张鹤表示，今年多盟对于DSP的收入并没有很高预期，他认为目前还不到谈收入的阶段，主要任务还是布局和教育市场，尽可能多做出一些好的案例给广告主看到，让他们把更多预算投到移动DSP上来。
据悉，广告投放大户宝洁目前已有70%-75%的数字广告预算是通过程序化购买进行投放的。但是从总体上，广告主对移动端程序化购买的接受度还远不如PC端。据张鹤介绍，目前品牌广告主在移动营销上的预算投入大概占到数字营销预算的20%左右，DSP上就更少，但增长势头非常明显。
数据和技术将是未来核心竞争点
另一方面，张鹤指出移动DSP的竞争最终还是要回归到技术能力、数据能力和平台服务能力上，因此今年在布局的同时，多盟还要“练好内功”，不断提升数据处理和优化能力，以提高DSP的投放效率。
由于几位创始人的技术背景，多盟在移动广告行业内素来以技术著称。经过将近5年的积累，多盟已覆盖了超过7亿的移动终端设备，拥有丰富的用户行为数据。即便如此，张鹤表示，在大数据的汪洋大海中迅速准确地找到广告主需要的目标用户依然不是一件容易的事情，还需要更丰富的数据，和不断地优化。
多盟OCPC是业界首创的优化CPC算法的一种优化手段，能够基于广告主期望的转化成本最大化优化单独流量上的出价。简单来说，就是在保证平均CPC价格不高于广告主预算的情况下根据广告主的转化成本倒推出可出的竞价价格。用不同价格购买不同质量的流量，降低成本，获取更高质量用户。
“过去广告主是采用定价方式，比如说愿意拿3毛钱买一个流量，买到了就算完成KPI了。但其实广告主的真实需求并不是这个流量，而是要带来转化，就好比那个经典案例，消费者买钉子锤子这个行为背后的真实需求是墙上的洞。所以在OCPC模型中，广告主只要告诉我基本需求，我可以花2-5块钱来买一个优质流量，因为它能带来更高转化效果，只要最后平均价格不超过3毛钱就可以，但这样能大大提高采买效率和转化率。”张鹤解释了OCPC的优化逻辑。
他认为，未来随着移动DSP行业的发展，竞争最终还是会落在数据技术能力、资源整合能力和平台服务能力等方面，其中数据和技术的作用将越来越重要。
移动互联网带来全球化机遇
PC互联网时代，中国总是跟在美国后面复制，然而移动互联网则开创了新的时代，从一开始就是一个全球化的市场，流量全球竞价，用户全球分布。很多海外应用进入中国市场的同时，也有大量中国的产品和模式向海外输出，中国的地位和话语权都在提升，移动互联网为中国企业走向世界提供了更多机遇。
近几年，多盟也在转向全球市场定位，积极进行海外布局。一方面帮助中国广告主“出海”，获取海外流量和用户，另一方面也帮助很多海外应用和平台在中国区进行流量变现。张鹤表示，未来多盟会把重点放在跟Facebook、谷歌Adwords等优质资源的合作上，尤其是海外的社交平台优质流量的系统挖掘上，多盟的优化能力在其中可以得到充分体现。目前，多盟已经可以在海外市场为广告主提供超过百万级的日下载量，单一的广告主，单一天的激活数，就可以达到五六十万，甚至更高的水准。
效果化、垂直化、专业化、全球化是整个行业的大趋势。张鹤指出，现在整个移动广告行业最主要的矛盾已经不是流量不够，更多是效率问题。“资源越来越充足，但是优质流量还是比较稀缺，用能够满足广告主ROI的方式获取流量还是比较困难。”
张鹤认为，多盟现在做的事情在某种意义上就像在画一张全球地图，“就像当年哥伦布发现新大陆一样，哪里是高山哪里是河流哪里是不毛之地哪里是富矿，我们把地图画出来以后广告主就可以有目标地去寻找受众，比如游戏还是应用，他的目标人群可能有很大不同。我们的价值就是把这个地图画清楚，给广告主提供一个清晰的指南和参考，让广告主的营销预算花的物有所值。”
DSP应用技术 篇12
数字信号处理器(DSP)的高速发展,为实现高效的音视频信号处理提供了可能性。但目前多数的DSP并不具备文件管理系统和存储器接口[1,2],视频的存储往往需要外部处理器协助完成,对于对存储容量要求不高的场合,大大浪费了资源、增加了成本。
针对这种情况,笔者以TMS320DM642(后简称为DM642)为实验平台,在硬件设计上增加了高级技术附加装置(ATA)接口,可以外接电子集成驱动器(IDE)存储设备。软件部分使用协议标准和软件算法,高效的实现了FAT32文件系统以及AVI格式视频文件存储,也可以进行JPEG格式文件存储[3]。存储部分的完成,主要解决了3个问题:1)低成本硬盘存储接口可以直接外挂IDE硬盘;2)FAT32文件系统的完成,使DSP存储的压缩视频流具有与其他操作系统和设备交互的能力,解决了文件系统的兼容性问题;3)AVI文件格式的完成,为视频文件的拷贝、播放、编辑和传输扫清了障碍。因此,本系统解决了视频存储的瓶颈问题,使系统具有了更大的灵活性和完整性,在某些需要抓拍或视频录像的场合,不需要专用的外部设备就可以完成视频存储,是一种完整高效的解决办法。
2 文件存储系统的设计原理与实现
2.1 视频压缩算法的选择
目前用于视频制作的非线性编辑系统,广泛采用的算法就是MJPEG,这种压缩方法对活动的视频图像通过实时帧内编码过程单独地压缩每一帧,在编辑过程中可以随机存取压缩视频的任意帧,而与其他帧不相关,这对精确到帧的后期编辑非常理想[4],MJPEG图像的采集分辨力均可达768×576,25帧/秒(PAL制)或640×480,30帧/秒(NTSC制)。由于算法不太复杂,只是在频域里对人眼不敏感的高频分量进行取舍,而在时域里能量仍能均匀分布,可以用很小的压缩比(如2∶1)全帧采集,从而实现广播级指标所要求的无损压缩[5],因此使用MJPEG视频压缩算法,既可以进行视频存储也可以进行视频抓拍,非常适于本系统。
2.2 ATA存储接口的设计
ATA存储接口的使用非常普及[6],现在大部分个人计算机和便携式计算机上的硬盘接口就是ATA接口。因此本系统选择ATA存储接口。ATA硬盘接口的实现,主要是指ATA标准的物理层的实现,即实现对物理层各个寄存器的访问。主要包括两组寄存器[6]:
1)命令块寄存器组共有10个寄存器组成,其中只读和只写寄存器各2个,6个读/写寄存器,由于只读和只写寄存器共用1个寻址单元,所以共占8个寻址单元,由CS0进行片选。
2)控制块寄存器组共有2个寄存器,1个为只读寄存器,1个为只写寄存器,只占1个寻址单元,有CS1进行片选。
在本系统中,这两组寄存器是通过CPLD进行地址译码后,产生各自的片选信号(CS0和CS1)选通,并将之映射在TMS320DM642的存储空间。当外部存储器为32 bit时,地址分配如表1所示。
2.3 FAT32文件系统的算法实现
FAT32文件系统是使用大容量硬盘存储文件的有效系统[7]。FAT32长于兼容性,FAT32文件系统兼容Linux,MacOS等操作系统,因此是基于软件的硬存储系统的最佳选择。
FAT32及文件存储的实现算法流程图如图1所示。
2.4 AVI格式文件存储的实现方法
在AVI文件中,伴音与视频数据交织存储,播放时可以获得连续的信息[7]。这种视频文件格式灵活,与硬件无关,因此采用AVI格式存储视频。
在AVI视频存储算法中,将文件分配表分为FAT PartI和FAT PartII两部分来更新。FAT PartI用于更新视频数据流的文件分配部分,FAT PartII用于更新AVI索引块增加带来的更新。FAT PartI的簇链指向FAT PartII,这样就解决了数据与索引块同时更新而带来的文件分配表更新的难题。算法流程如图2所示。
3 程序层优化
3.1 系统的EDMA优化
在两级缓存的结构中,CPU只对L1的数据进行访问,程序代码和数据必须经过存储器到L2,L2到L1的逐级搬移才能被CPU访问[8]。在CPU处理片内的数据时可以通过EDMA把片外的数据倒入片内,并行工作以提高效率。在DM642中,EDMA控制器负责片内L2与其他外设之间的数据传输。EDMA进行数据传输时,有2种启动方式,一种是由CPU启动,另一种是由同步事件触发。本系统选用的是通过同步事件触发方式来启动EDMA传输,来完成视频数据的搬移,提高了系统的执行效率。性能提高示意图见图3。
3.2 两级缓存的配置优化
实时系统中把缓存配置成128 Kbyte,剩余的128 Kbyte作为SRAM使用。从表2可以看到,将L2的缓存设为128 Kbyte时,系统性能最佳。
3.3 减少对内存带宽的需求
缓存在程序层的优化关注的是数据、代码在内存中的分配方式和函数的调用方式。优化的目的是尽可能减少缓存遗失的次数和CPU停止周期的次数[8]。在视频编码系统中的变换编码部分,由于视频编码的输入精度是8 bit,依据整型变换变化矩阵的特点很容易分析出在变换过程中的数,用16 bit来表示即可,不必定义为32 bit,在地址更新中尽量使用“起始地址+偏移地址”的模式,尽量少使用32 bit数据类型。
3.4 对处理链进行优化
对于视频编码应用来说,数据流是顺序的,即前一函数的输出为后一函数的输入。函数1当前的输入在L1D中,输出数据将被存放在低一级的存储空间(L2或外部存储器),函数2在读取数据时会发生访问失败。为了减少该类失败,可将函数1的输出写入L1D,则该部分数据可以直接重新访问而不会发生CPU停止。这种优化的理念可用图4来表示。
3.5 避免L1P因冲突导致的读遗失
当读取内存地址映射到相同缓存单元却不在缓存中的代码时,会导致读遗失。编译器和连接器不会考虑缓存冲突问题,须手动优化这部分代码。
1)循环里两个函数映射到L1P中的地址空间有重叠的情况。
解决方法:调整函数在链接时的顺序,可通过将一个循环中的两个函数func1和func2在内存中连续存放来保证他们映射到L1P中的地址空间不重叠。
2)循环里所有函数的代码大小比L1P大的情况。
解决方法:循环拆分。这种改进方式会增加用于存储输出数据的临时缓冲区的大小。
在视频编码存储系统中,对文件分配表的更新和数据存储的地址更新部分的代码进行这类优化,将该部分代码分割成一系列核心循环以避免L1P因冲突造成的访问失败,经测试可知,优化之后的程序,缓存的使用效率可达90%。
4 小结
本系统可以在D1分辨力、1.5 Mbit/s的数据量且帧率为25帧/秒时,同时完成基于MJPEG的视频图像的编码和解码,基于FAT32文件系统的AVI视频文件存储以及基于TCP/IP协议的网络传输。存储的视频文件可以使用Pegasus Imaging Corporation公司的PICVIDEO标准插件,以及Windows Media Player等进行播放和编辑,实现了DSP与PC等其他系统的无缝文件交互。本系统可以应用于网络摄像机、视频黑盒子、视频服务器及数码摄像机等相关设备。
参考文献
[1]HATABU A,MIYAZAKI T,KURODA I.QVGA/CIF resolution MPEG-4video codec based on low-power and general-purpose DSP[C]//Proc.IEEE Workshop on Signal Processing Systems.[S.l.]:IEEE Press,2002:15-20.
[2]MEHENDALE M.Challenges in the design of embedded real-time VLSI design DSP SoCs[C]//Proc.IEEE17th VLSI Design.[S.l.]:IEEE Press,2004:507-511.
[3]ISO/IEC11172-2,Information technology-coding of moving pictures and associated audio for aigital storage media at up to about1.5Mbit/s[S].1993.
[4]WANG Xiwei,TANG Kun.Cache optimization strategy of video coding based on DM642[J].Control&Automation,2005,21(9):84-86.
[5]KAMATH S,JACKSON J R.Low-bit rate motion JPEG using dif-ferential encoding[C]//Proc.the Thirty-Eighth Asilomar Conference on Signals,Systems and Computers.[S.l.]:IEEE Press,2004,2:1723-1726.
[6]ANSI INCITS317,AT Attachment with packet interface extension(ATA/ATAPI-6)[S].2002.
[7]Microsoft.Microsoft extensible firmware initiative FAT32 file sys-tem specification[EB/OL].[2009-01-02].http://download.microsoft.com/download/1/6/1/161ba512-40e2-4cc9-843a-923143f3456c/fat-gen103.doc.