DSP的应用及发展趋势

DSP的应用及发展趋势一、引言DSP即为数字信号处理器(DigitalSignalProcessing)，是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器。它的工作原理是将现实世界的模拟信号转换成数字信号，再用数学方法处理此信号，得到相应的结果。自从数字信号处理器(DigitalSignalProcessor)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。随着成本的降低，控制界已对此产生浓厚兴趣，已在不少场合得到成功应用。DSP数字信号处理器DSP芯片采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，较传统处理器的冯?诺依曼结构具有更高的指令执行速度。其处理速度比最快的CPU快10-50倍。在当今数字化时代背景下，DSP已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的“旗手”。二、DSP技术在各领域的应用1DSP在电力系统自动化中日益渗透1.1DSP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，再进行A/D转换送给计算机。应用了交流采样技术以后，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。这不仅使得分散布置的分布式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。1.2DSP在继电保护中的应用到目前为止，应用于我国电力系统的微机保护产品采用的CPU大多为单片机，由于受硬件资源及计算功能的限制，其采样能力及采样速度很难令人满意。因此，对非正常运行条件下的系统参数测量，在速度和精度上无法满足要求，一些复杂原理和算法的实现，基于常规CPU的保护产品也都难以胜任。基于DSP的数据采集和处理系统由于其强大的数学运算能力和特殊设计，都使得它在继电保护方面的实现上得心应手。目前推出的新一代保护大都采用DSP+MCU的结构，将DSP的数字处理能力和MCU的丰富资源有机的结合起来，做到既快速实时并且功能强大。1.3DSP在变电站自动化的应用变电站自动化元件较多，模拟量、开关量比较多而且比较分散，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，使用十分灵活、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更容易。由于DSP集成化程度高，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。2DSP已成为数字通讯技术领域的核心2.1DSP在多媒体通信中的应用多媒体包括文字、语言、图像、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其进行压缩，节省存储空间，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、图象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。现代DSP完全有能力实现中、低速的移频键控、相移键控的调制与解调以及正交调幅调制与解调等。2.2DSP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、安装不同的软件来灵活实现多通信功能多频段的无线电台，它可进一步扩展至有线领域。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优点。其体系结构由电源、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、调制方式和信源编码等进行编程控制，系统的灵活性大大加强了。3DSP在工业控制领域的应用3.1DSP在超精密机床伺服控制方面的应用高速高精度多轴数控加工中，在超精密机床伺服控制方面，为使机床工作台达到亚微米级的线性运动精度，DSP技术的引入显得极为必要。精细化的控制单位、以微小程序段实现连续进给，已成为超精密数控加工的显著特点，超精数控加工的插补周期已经达到毫秒级。大数据量、高精度的插补运算和控制，要求计算机系统能高速度地对加工指令做出反应，高速处理并计算出伺服电机的移动量，随后发出控制指令。DSP的数据吞吐能力高达数十MIPS，同时其指令周期短至几十纳秒，非常适合于大数据量的高速数据采集系统和实时控制系统。将DSP应用于高性能的超精密数控系统的开发不失为一种好的策。同时还可以通过程序实现刀具磨损的实时监控和动态补偿，有效地提高了数控系统的性能和精度。此外，DSP的应用，使许多先进控制策略和方法，如自适应控制、学习控制、摩擦控制等等，得以应用于高精度伺服控制系统，大大提高了的控制精度和快速性。3.2DSP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。4DSP技术极大促进了虚拟仪器的发展虚拟仪器是由计算机硬件资源和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统，或称“软件即仪器”。虚拟仪器在硬件上由两部分组成，即AD，DA接口卡和计算机。AD采集卡的作用是把模拟测试信号从外部通过模一数转换采集到计算机中，而DA卡的功能是先把计算机要输出的数字信号进行数模转换，然后再发送出去。其它的运算、分析、时频转换和频谱成分的获取等功能都由计算机通过软件来实现。但有些仪器对实时性要求很高，或对信号处理的精度要求很高，例如：用于自动控制、雷达、航空航天测控、生物医学等领域的许多仪器，而现在的通用计算机在处理较复杂的运算时却显得力不从心，远远比不上DSP芯片在这方面的性能。如一台奔腾Ⅲ的PC机完成1024点的FFT需要几十毫秒，而TI公司的TMS320C6201型DSP完成相同的FFT只需66微秒。以前作为虚拟仪器硬件一部分的数据采集卡所完成的仅仅是采集数据和传输数据，而虚拟仪器中最耗时最复杂的数据分析处理却留给计算机的CPU去完成，从而导致了虚拟仪器实时性和精确性的不足。如果根据DSP本身的特点，把DSP集成到AD采集卡上，并把数据分析处理的工作留给DSP来完成，那么计算机的工作就仅仅是完成数据的简单整理、显示、存储和输出，而以往虚拟仪器速度和精度方面的不足就得到了很好的弥补。以上所述的几个方面对于DSP应用来说只是一个方面，目前正处于高速成长的阶段。5DSP在仪器仪表领域的应用DSP已经涉足测量仪表和测试仪器行业，而且大有取代高档单片机的趋势。使用DSP开发测量仪表和测试仪器可将产品提升到一个崭新的水平。新款DSP丰富的片内资源可以大大简化仪器仪表的硬件电路，实现仪器仪表的SOC（SystemOnChip,即片上系统）设计。仪器仪表的测量精度和速度是一项重要的指标，使用DSP芯片开发产品可使这两项指标大大提高。以TMS320F2810为例，其高效的32位CPU内核、优异的12位A/D转换器、丰富的片内存储器以及灵活的指令系统为我们开发快速、高精度仪器搭建了广阔的平台。目前DSP正处于一个高速发展的时期，仪器仪表是DSP的一个重要应用领域，相信DSP的应用会推进仪器仪表的技术革新。6DSP在汽车电子系统及其他应用领域汽车电子系统日益兴旺发达起来，诸如装设红外线和毫米波雷达，将需用DSP进行分析。如今，汽车愈来愈多，防冲撞系统已成为研究热点。而且，利用摄像机拍摄的图像数据需要经过DSP处理，才能在驾驶系统里显示出来，供驾驶人员参考。应用DSP的领域可以说是不胜枚举，电视会议系统里，也大量应用DSP器件。视听机器里也都应用DSP。随着科学技术的发展，将会出现许许多多的DSP新应用领域。三、DSP技术的发展趋势可以预见未来DSP技术将向以下几方面发展：1.努力向系统级集成DSP迈进，将几个DSP芯核、MPU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。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(SIMD)、超长指令字结构(VLIM)、超标量结构、超流水结构、多处理、多线程及可并行扩展的超级哈佛结构(SHARC)在新的高性能处理器中将占据主导地位。3.可编程DSP是主导产品生产厂商可在同一个DSP平台上开发出各种不同型号的系列产品，以满足不同用户的需求。同时，可编程DSP也为广大用户提供了易于升级的良好途径。人们已经发现，许多微控制器能做的事情，使用可编程DSP将做得更好更便宜。4.追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸5.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。6.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需要。7.DSP嵌入式系统在许多嵌入式应用领域，既需要在数据处理方面具有独特优势的DSP，也需要在智能控制方面技高一筹的微处理器(MCU)。因此，将DSP与MCU融合在一起的双核平台，将成为DSP技术发展的一种新潮流。TI最新发布的OMAP平台是这方面的典型例子。目前，国外众多厂商涉足我国DSP产品市场，我国的DSP应用已有了相当的基础，有1O多家集成电路设计企业从事数字信号处理系统(DSP)及相关产品的开发与应用。从应用范围来说，数字信号处理器市场前景看好。随着DSP芯片的品种和技术档次不断提高以及向多功能化、高性能化、低功耗化方向发展，DSP日益进入人们的生活，在未来相当长的一段时间，我国DSP市场将蓬勃发展，今后几年市场销售额仍将保持40％以上的增长率，具有良好的市场前景。数字信号处理器以其功能强、速度快、接口简单、稳定性好、编程和开发方便、精度高的特点成为信号处理系统开发的主流器件，在通信、语言、图像、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到了日益广泛的应用。随着数字信号处理新技术及微电子技术的不断发展，DSP的处理速度将会不断提高，应用范围将更加广泛，必将为数字化事业的发展奠定坚实的基础。四、结束语在这个信息化的时代，DSP应用在通讯领域、数字影音的产品将越来越普及，使得相关市场需求越来越大，未来DSP市场竞争将越趋激烈。相信在未来的时间里DSP技术一定会被更加重视及关注，会为科技的进步带来很大发展。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]许伟.DSP应用的结构和发展方向[J].电子技术应用,1999.[3]陈宝陵,李锐丽,周智敏.主从式DSP嵌入式系统的实现[J].半导体技术,2001,