光纤布拉格光栅传感分析仪_孙凤兰
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基金项目: 湖北省教育厅科研基金资助项目( Q20092301 ) 收稿日期: 2011 － 03 － 09 收修改稿日期: 2011 － 08 － 21
第 12 期
孙凤兰等: 光纤布拉格光栅传感分析仪
15
HPI 接口和网口等控制功能。DSP 芯片负责过滤杂 采样与缓存、 波、 信号波峰检测、 波峰拟合、 波长计算以及数据打包等任务。
［2 ］
、 压力
［3 ］
、 位移
［4 ］
、 振动
［5 ］
等对 象， 在航
空航天、 大坝桥梁、 舰船 车 辆、 隧 道 建 筑、 电磁 干扰、 灾害 监 测、 智能材料等工程 技术领域 中 具 有 重 大 的 实 用 价 值 和 广 阔 的 应 用前 景。 基 于 波 长 调 制 解 调 原 理 的 光 纤 布 拉 格 光 栅 ( Fiber Bragg Grating， FBG) 传感器 阵 列， 可 以 采 用分布 式 网络， 根据 光 栅中心波长漂移， 对 目 标 进 行多 方 位 信 号 测 量 和 状 态分析， 从 而能够实现对 被 测对 象 的 在 线监 测 以及 故障 诊 断 的 功 能。 此 FBG 传感器可按需要布设、 精度高、 响 应 快、 传 输 距 离 远、 安 外， 装方便、 耐恶劣环境、 抗 电磁 干扰 能 力强、 可靠 性高等 特点， 具 有明显的技术优势。 目前， 随着光纤传感 技术 的发 展 与 进 步， 基 于 FBG 原 理 的 光纤光栅传感系统 脱 颖 而 出， 受到 广 大 用 户 的 青睐， 尤其在电 6］ 力系统、 交通运输、 石油化工和工业安防等领域。 文 献［ 介绍 了一种新颖的基 于 长 周 期 与 倾斜 光纤布拉格光栅 混 合 结 构 的 7］ 高灵敏度应变传感器。文献［ 报道了一种基 于光纤布拉格光
Fiber Bragg Grating Sensor Analyzer
SUN Fenglan1 ， ZHANG Yongqin2 ， HUANG Haibo3 ( 1． Department of Control Science and Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan， 430074 ， China; 2． School of Information Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450011 ， China; 3． School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430079 ， China) Abstract : Fiber Bragg sensors become research focus of sensing technology， and have been widely used in many applications． This paper proposed a novel fiber Bragg grating sensor analyzer based on FPGA ( Filed Programmable Gate Array) and DSP ( Digital Signal Processor) platform， which converted external parameter changes into wavelength shift in fiber Bragg gratings． The system strain， pressure， displacement， and others through key steps including data acquisition， clutter can measure realtime temperature， filtering， signal peak detection， Gaussian curve fitting and weighted wavelength calculation to carry out wavelength demodulation． it is able to achieve fault diagnosis and positioning of the fiber link． Experimental results show that the system has advanMoreover， tages of low power consumption， good linearity， strong robustness， high precision and resolution on wavelength demodulation． And the system is still stable and reliable after a long test under different conditions． Key words: fiber Bragg grating; FPGA; DSP; wavelength demodulation 0 引言 光纤光栅传感网络分析仪作为 一 种 新型 的传感器， 广泛 用 于测量温度
2011 年 第 12 期
仪 表 技 术 与 传 感 器
Instrument Technique and Sensor
2011 No. 12
光纤布拉格光栅 传感 分析wk.baidu.com仪
1 2 3 孙凤兰 ， 章勇勤 ， 黄海波
( 1 ． 华中科技大学控制科学与工程 系， 湖北武汉 430074 ; 2 ． 华北水利水电学院信息工程学院， 河南郑州 450011 ; 3 ． 武汉大学电子信息学院， 湖北武汉 430079 ) 摘要: 提出了一种基于 FPGA 与 DSP 平台的光纤布拉格光栅 传感分 析 仪， 将外 界 参 量 的 变 化 转 化 为 光纤布拉格光栅 波长的偏移， 通过数据采集、 过滤杂波、 信号波峰检测、 高斯曲线拟合以及加权波长计算等关键步骤来实现 波 长 解 调 技术， 进而完成温度、 应变、 压力或位移等对象的在线测量， 并且可 以实现 光纤线 路 故障 分 析与定位 的 功 能。 实验结果表明: 该 系统功耗低、 线性度好、 波长解调精度与分辨率较高。经过长期测试， 系统软硬件运行稳定可靠。 关键词: 光纤布拉格光栅; 可编程逻辑门阵列; 数字信号处理器; 波长解调 中图分类号: TH74 文献标识码: A 文章编号: 1002 － 1841 ( 2011 ) 12 － 0014 － 04
［1 ］
8］ 栅与碳化纤维外壳复合结构的压力传感器。文献［ 叙述了利 用单一光纤布拉格光栅分 别 测 量应变 和 温 度的 新技术。 文 献 ［ 9 － 10］ 报到了光纤布拉格光栅在温度、 加速 度测 量中 的 应用。 文中提出了一种 基 于 FPGA + DSP 硬 件 平 台， 通 过 数 据采集、 信 号波峰自动检测、 高 斯 曲 线 拟 合、 加权波长计算等措施来解调 波长的设计 方 案， 并 经 过 实 验验 证， 系统 具 有 线 性度 好、 精度 高、 速度快等优点。 1 FBG 传感原理 图 1 给出了光纤 传感 系统 的 原 理 结 构 图。 高 稳 定 宽 带 光 源发出的光谱通过锯齿波驱 动 的 可 调 谐 滤 波器( FFP ) 之 后， 首 先在耦合器的作 用 下， 对 标 准 光栅 和 测 量光栅进 行 扫描， 然后 利用光电探测器来捕捉反射的 光 信 号， 经过光电转换和模拟信 号调理电路， 转换为 合 适 的电 压 或 电 流 形 式的电 信 号。 其 中 1 路为参考信号， 其 余 为 被 测 信 号， 数 据采集 处 理 电 路 主 要 完 成 18 路传感信号的数据同步采集 ( 其 中 1 路 为 参 考 信 号， 另 外 16 路为 测 量 信 号， 空 余 1 路 作为 可靠 性 通道 备份 ) ， 将 16 路 测 量 信号与参考信号 进 行 分析 与 比 较， 最 后将获取 16 路 测 量 信 号 中包含的各传感器的实际测量值。 滤波器在1 525 ～ 1 565 nm 波长范围内开始扫描时， 由于滤 、 应变
图1
光纤传感系统的原理结构图
波器的扫描速度恒 定 为 42 nm /50 ms， 而且 数 据采集 模 块 的 所 有通道都是等间 隔 同 步采集， 所 以， 只 需 要知 道 测 量通道 内 各 传感器反射波峰 相 对 于 参 考 通道 内 传感器 反 射 峰 的 扫描 时 间 间隔， 就可以算出各传感器相对 于 参 考 通道 内 某 个 传感器的 时 间差， 然后根据滤波器的 扫描 速 度( 波 长 / 时 间) 来 求 取 各 传感 器相对于参考通道内该传感器的波 长 值偏 移 量。 此外， 由于该 参考传感器的波长值是已知量， 最终 获 得所 有 传感器的波 长 测 量值。 DSP 负责采集每个通道的光谱数 据， 每 个 通道 暂 定 为 采集 2 600 点， 2 600 点能够覆盖 2 个 以 上 的波 段 ( 1 525 ～ 1 565 nm ) 数据， 而用户只需要 抽 取 1 个完整 光谱数 据， 采 样 大 概 在1 000 点左右， 而计 算1 525 nm 和1 565 nm 的 起 止 位 置， 需 要 FBG 标 定文件作参考。由于采集为同 步采集， 通 过 参 考 通道 ( 1 通道 ) 和测量通道( 2 通道 ) 计 算 出 1 525 nm 的 采集 位 置 和 1 565 nm 的采集位置， 其他通道就可以利 用 前 面 计 算 出的位 置 来 截 取 采 集数据。DSP 程序作初步的判断， 在 测 量通道中 找 到 含 有 连 续 的 50 个波峰左右的一段数据， 并 确 定 此 段 数 据 的 起 止 位 置， 其 他通道也根据这个起止位置来 截 取 相应数 据， 然 后 根据 软 件 实 波峰拟合、 波长计算 等 处 理， 把 各 通道 的波 长 计 算 现波峰查找、 出来。 以 2 个采样通道为例， 通道 1 为 参 考 通道 ( 所 谓 参 考 通道， 即此通道含有 50 个 左右 波 长 恒 定 的 参 考 传感器 反 射 峰， 分布 在1 525 ～ 1 565 nm 范围内， 彼此波 长 值 的间 隔 大 致 在 0. 8 nm． 之所以要这么多个参考峰， 是为 了 消 除 光纤可 调 谐 滤 波器的非 线性扫描误差。通道 2 为 测 量通道， 有 1 个 传感器 反 射 波 峰。 通过比较各测量通道 内 光纤光栅 的 反 射 光谱中 心 位 置 相 对 于 参考通道内标准波长中心位置 的 偏 移 量， 即 可计 算 得 出 每 个 测 量通道内各光纤光栅的波长值， 然 后 通 过 物 理 量转 换 计 算 得 出 传感器实际测量值。 2 2. 1 光栅波长解调系统 系统硬件 系统硬件结构框图如图 2 所 示， 光栅 波 长解 调 系统 按 照 具 体功能可以划分 为 电 源 管 理 电 路、 光 电 转 换、 模拟信号调理电 GPIO 外 围 电 路 控 制、 HPI 接 路、 同步信号生成电 路、 数 据采集、 口控制、 网 口 控 制 和 DSP 处 理 等 部 分， 其中主要元器件包括 MSP430、 FDS4435、 AAT3110、 MAX038、 74ALS244、 ADL5310、 MAX489、 AD7656、 EP1C20F400I7、 TMS320C6713B、 MT48LC4M32B2、 K9K4G08UXM FPGA 芯 片 实现 17 路 A / D 和 Ax88796 等芯片。根据同步信号， 2. 2 系统软件 根据需求， 系统软件主要划分以下几种基本功能模式: ( 1) 指 令 1， 即 17 路 200 KSPS 数 据 采 集 模 式: 数 据 从 AD7656 采集后， 经过网口直接发送到 PC 机 进 行 光栅 波 长解 调 处理; ( 2) 指 令 2， 即 17 路 200 KSPS 波 长 计 算 模 式: 数 据 从 AD7656 采集 后， 经 过 HPI 接 口 送 入 DSP 外 挂 的 SDRAM 中， DSP 软件根据参考 通道， 检测出 一 个完整 光谱 采 样， 再计算出 剩余 16 路测 量通道 的波 峰 波 长 值， 然 后 利 用 HPI 中 断 机制， FPGA 把处理结果从 SDRAM 取出， 并 经 过 网 口 发 送 到 PC 机 做 进一步分析与处理; ( 3 ) 指令 3 ， 即 软 件 复 位， 指令 切 换， 让 系统 工 作 在空 闲 状 态， 等待命令; ( 4 ) 指令 4 ， 即 GPIO 功 能， 控 制 程 控 放 大 器， 其 中 GPIO ［ 13 : 0］ pc_gpio［ 15 : 0］是 PC 机输 出 控 是 FPGA 输出控制信号， pc_mask［ 15 : 0］ 制 I / O， 是 PC 机输 出 I / O 掩膜， 并 且 保证 LittleEndian 格式 存 放， 13 : 0］ = pc _ gpio 其 具 体 对 应 关 系 为 GPIO［ ［ 13 : 0］ ＆ pc_mask［ 13 : 0 ］ ; ( 5 ) 其他指令功能: 保留备用。 因项目实时性要求很高， 单个 DSP 处理器 TMS320C6713B， 若按照一般的系统 设计 思 想 ( 顺 序 处 理 ) ， 难 以 满足 预 期 目 标。 为了充分发挥系统的性能， 提出 采 用 软 件 乒乓操 作 来代 替 硬 件 乒乓操作( 即采用 2 个 DSP 处理器) ， 从而解决了处理速度不足 的问题， 达到了令人满意的预期 处 理 效果， 提 高 了 系统 性 价 比。 FPGA 负 责 3 片 系统工作 流 程 为: 在 A / D 同 步 信 号 配 合 下， AD7656 数据采集， 在 1 个三角波 周 期 内 通 过 HPI 接 口 把 17 路
第 12 期
孙凤兰等: 光纤布拉格光栅传感分析仪
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HPI 接口和网口等控制功能。DSP 芯片负责过滤杂 采样与缓存、 波、 信号波峰检测、 波峰拟合、 波长计算以及数据打包等任务。
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、 压力
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、 位移
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等对 象， 在航
空航天、 大坝桥梁、 舰船 车 辆、 隧 道 建 筑、 电磁 干扰、 灾害 监 测、 智能材料等工程 技术领域 中 具 有 重 大 的 实 用 价 值 和 广 阔 的 应 用前 景。 基 于 波 长 调 制 解 调 原 理 的 光 纤 布 拉 格 光 栅 ( Fiber Bragg Grating， FBG) 传感器 阵 列， 可 以 采 用分布 式 网络， 根据 光 栅中心波长漂移， 对 目 标 进 行多 方 位 信 号 测 量 和 状 态分析， 从 而能够实现对 被 测对 象 的 在 线监 测 以及 故障 诊 断 的 功 能。 此 FBG 传感器可按需要布设、 精度高、 响 应 快、 传 输 距 离 远、 安 外， 装方便、 耐恶劣环境、 抗 电磁 干扰 能 力强、 可靠 性高等 特点， 具 有明显的技术优势。 目前， 随着光纤传感 技术 的发 展 与 进 步， 基 于 FBG 原 理 的 光纤光栅传感系统 脱 颖 而 出， 受到 广 大 用 户 的 青睐， 尤其在电 6］ 力系统、 交通运输、 石油化工和工业安防等领域。 文 献［ 介绍 了一种新颖的基 于 长 周 期 与 倾斜 光纤布拉格光栅 混 合 结 构 的 7］ 高灵敏度应变传感器。文献［ 报道了一种基 于光纤布拉格光
Fiber Bragg Grating Sensor Analyzer
SUN Fenglan1 ， ZHANG Yongqin2 ， HUANG Haibo3 ( 1． Department of Control Science and Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan， 430074 ， China; 2． School of Information Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450011 ， China; 3． School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430079 ， China) Abstract : Fiber Bragg sensors become research focus of sensing technology， and have been widely used in many applications． This paper proposed a novel fiber Bragg grating sensor analyzer based on FPGA ( Filed Programmable Gate Array) and DSP ( Digital Signal Processor) platform， which converted external parameter changes into wavelength shift in fiber Bragg gratings． The system strain， pressure， displacement， and others through key steps including data acquisition， clutter can measure realtime temperature， filtering， signal peak detection， Gaussian curve fitting and weighted wavelength calculation to carry out wavelength demodulation． it is able to achieve fault diagnosis and positioning of the fiber link． Experimental results show that the system has advanMoreover， tages of low power consumption， good linearity， strong robustness， high precision and resolution on wavelength demodulation． And the system is still stable and reliable after a long test under different conditions． Key words: fiber Bragg grating; FPGA; DSP; wavelength demodulation 0 引言 光纤光栅传感网络分析仪作为 一 种 新型 的传感器， 广泛 用 于测量温度
2011 年 第 12 期
仪 表 技 术 与 传 感 器
Instrument Technique and Sensor
2011 No. 12
光纤布拉格光栅 传感 分析wk.baidu.com仪
1 2 3 孙凤兰 ， 章勇勤 ， 黄海波
( 1 ． 华中科技大学控制科学与工程 系， 湖北武汉 430074 ; 2 ． 华北水利水电学院信息工程学院， 河南郑州 450011 ; 3 ． 武汉大学电子信息学院， 湖北武汉 430079 ) 摘要: 提出了一种基于 FPGA 与 DSP 平台的光纤布拉格光栅 传感分 析 仪， 将外 界 参 量 的 变 化 转 化 为 光纤布拉格光栅 波长的偏移， 通过数据采集、 过滤杂波、 信号波峰检测、 高斯曲线拟合以及加权波长计算等关键步骤来实现 波 长 解 调 技术， 进而完成温度、 应变、 压力或位移等对象的在线测量， 并且可 以实现 光纤线 路 故障 分 析与定位 的 功 能。 实验结果表明: 该 系统功耗低、 线性度好、 波长解调精度与分辨率较高。经过长期测试， 系统软硬件运行稳定可靠。 关键词: 光纤布拉格光栅; 可编程逻辑门阵列; 数字信号处理器; 波长解调 中图分类号: TH74 文献标识码: A 文章编号: 1002 － 1841 ( 2011 ) 12 － 0014 － 04
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8］ 栅与碳化纤维外壳复合结构的压力传感器。文献［ 叙述了利 用单一光纤布拉格光栅分 别 测 量应变 和 温 度的 新技术。 文 献 ［ 9 － 10］ 报到了光纤布拉格光栅在温度、 加速 度测 量中 的 应用。 文中提出了一种 基 于 FPGA + DSP 硬 件 平 台， 通 过 数 据采集、 信 号波峰自动检测、 高 斯 曲 线 拟 合、 加权波长计算等措施来解调 波长的设计 方 案， 并 经 过 实 验验 证， 系统 具 有 线 性度 好、 精度 高、 速度快等优点。 1 FBG 传感原理 图 1 给出了光纤 传感 系统 的 原 理 结 构 图。 高 稳 定 宽 带 光 源发出的光谱通过锯齿波驱 动 的 可 调 谐 滤 波器( FFP ) 之 后， 首 先在耦合器的作 用 下， 对 标 准 光栅 和 测 量光栅进 行 扫描， 然后 利用光电探测器来捕捉反射的 光 信 号， 经过光电转换和模拟信 号调理电路， 转换为 合 适 的电 压 或 电 流 形 式的电 信 号。 其 中 1 路为参考信号， 其 余 为 被 测 信 号， 数 据采集 处 理 电 路 主 要 完 成 18 路传感信号的数据同步采集 ( 其 中 1 路 为 参 考 信 号， 另 外 16 路为 测 量 信 号， 空 余 1 路 作为 可靠 性 通道 备份 ) ， 将 16 路 测 量 信号与参考信号 进 行 分析 与 比 较， 最 后将获取 16 路 测 量 信 号 中包含的各传感器的实际测量值。 滤波器在1 525 ～ 1 565 nm 波长范围内开始扫描时， 由于滤 、 应变
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光纤传感系统的原理结构图
波器的扫描速度恒 定 为 42 nm /50 ms， 而且 数 据采集 模 块 的 所 有通道都是等间 隔 同 步采集， 所 以， 只 需 要知 道 测 量通道 内 各 传感器反射波峰 相 对 于 参 考 通道 内 传感器 反 射 峰 的 扫描 时 间 间隔， 就可以算出各传感器相对 于 参 考 通道 内 某 个 传感器的 时 间差， 然后根据滤波器的 扫描 速 度( 波 长 / 时 间) 来 求 取 各 传感 器相对于参考通道内该传感器的波 长 值偏 移 量。 此外， 由于该 参考传感器的波长值是已知量， 最终 获 得所 有 传感器的波 长 测 量值。 DSP 负责采集每个通道的光谱数 据， 每 个 通道 暂 定 为 采集 2 600 点， 2 600 点能够覆盖 2 个 以 上 的波 段 ( 1 525 ～ 1 565 nm ) 数据， 而用户只需要 抽 取 1 个完整 光谱数 据， 采 样 大 概 在1 000 点左右， 而计 算1 525 nm 和1 565 nm 的 起 止 位 置， 需 要 FBG 标 定文件作参考。由于采集为同 步采集， 通 过 参 考 通道 ( 1 通道 ) 和测量通道( 2 通道 ) 计 算 出 1 525 nm 的 采集 位 置 和 1 565 nm 的采集位置， 其他通道就可以利 用 前 面 计 算 出的位 置 来 截 取 采 集数据。DSP 程序作初步的判断， 在 测 量通道中 找 到 含 有 连 续 的 50 个波峰左右的一段数据， 并 确 定 此 段 数 据 的 起 止 位 置， 其 他通道也根据这个起止位置来 截 取 相应数 据， 然 后 根据 软 件 实 波峰拟合、 波长计算 等 处 理， 把 各 通道 的波 长 计 算 现波峰查找、 出来。 以 2 个采样通道为例， 通道 1 为 参 考 通道 ( 所 谓 参 考 通道， 即此通道含有 50 个 左右 波 长 恒 定 的 参 考 传感器 反 射 峰， 分布 在1 525 ～ 1 565 nm 范围内， 彼此波 长 值 的间 隔 大 致 在 0. 8 nm． 之所以要这么多个参考峰， 是为 了 消 除 光纤可 调 谐 滤 波器的非 线性扫描误差。通道 2 为 测 量通道， 有 1 个 传感器 反 射 波 峰。 通过比较各测量通道 内 光纤光栅 的 反 射 光谱中 心 位 置 相 对 于 参考通道内标准波长中心位置 的 偏 移 量， 即 可计 算 得 出 每 个 测 量通道内各光纤光栅的波长值， 然 后 通 过 物 理 量转 换 计 算 得 出 传感器实际测量值。 2 2. 1 光栅波长解调系统 系统硬件 系统硬件结构框图如图 2 所 示， 光栅 波 长解 调 系统 按 照 具 体功能可以划分 为 电 源 管 理 电 路、 光 电 转 换、 模拟信号调理电 GPIO 外 围 电 路 控 制、 HPI 接 路、 同步信号生成电 路、 数 据采集、 口控制、 网 口 控 制 和 DSP 处 理 等 部 分， 其中主要元器件包括 MSP430、 FDS4435、 AAT3110、 MAX038、 74ALS244、 ADL5310、 MAX489、 AD7656、 EP1C20F400I7、 TMS320C6713B、 MT48LC4M32B2、 K9K4G08UXM FPGA 芯 片 实现 17 路 A / D 和 Ax88796 等芯片。根据同步信号， 2. 2 系统软件 根据需求， 系统软件主要划分以下几种基本功能模式: ( 1) 指 令 1， 即 17 路 200 KSPS 数 据 采 集 模 式: 数 据 从 AD7656 采集后， 经过网口直接发送到 PC 机 进 行 光栅 波 长解 调 处理; ( 2) 指 令 2， 即 17 路 200 KSPS 波 长 计 算 模 式: 数 据 从 AD7656 采集 后， 经 过 HPI 接 口 送 入 DSP 外 挂 的 SDRAM 中， DSP 软件根据参考 通道， 检测出 一 个完整 光谱 采 样， 再计算出 剩余 16 路测 量通道 的波 峰 波 长 值， 然 后 利 用 HPI 中 断 机制， FPGA 把处理结果从 SDRAM 取出， 并 经 过 网 口 发 送 到 PC 机 做 进一步分析与处理; ( 3 ) 指令 3 ， 即 软 件 复 位， 指令 切 换， 让 系统 工 作 在空 闲 状 态， 等待命令; ( 4 ) 指令 4 ， 即 GPIO 功 能， 控 制 程 控 放 大 器， 其 中 GPIO ［ 13 : 0］ pc_gpio［ 15 : 0］是 PC 机输 出 控 是 FPGA 输出控制信号， pc_mask［ 15 : 0］ 制 I / O， 是 PC 机输 出 I / O 掩膜， 并 且 保证 LittleEndian 格式 存 放， 13 : 0］ = pc _ gpio 其 具 体 对 应 关 系 为 GPIO［ ［ 13 : 0］ ＆ pc_mask［ 13 : 0 ］ ; ( 5 ) 其他指令功能: 保留备用。 因项目实时性要求很高， 单个 DSP 处理器 TMS320C6713B， 若按照一般的系统 设计 思 想 ( 顺 序 处 理 ) ， 难 以 满足 预 期 目 标。 为了充分发挥系统的性能， 提出 采 用 软 件 乒乓操 作 来代 替 硬 件 乒乓操作( 即采用 2 个 DSP 处理器) ， 从而解决了处理速度不足 的问题， 达到了令人满意的预期 处 理 效果， 提 高 了 系统 性 价 比。 FPGA 负 责 3 片 系统工作 流 程 为: 在 A / D 同 步 信 号 配 合 下， AD7656 数据采集， 在 1 个三角波 周 期 内 通 过 HPI 接 口 把 17 路