3.2DSP設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的DSP部分主要完成快速的數(shù)據(jù)處理。

　　TMS320C6713芯片的片上外設(shè)包括一個(gè)可進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展的32bit外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）、具有增強(qiáng)型直接存儲(chǔ)器訪問（EDMA）和快速直接存儲(chǔ)器訪問（QDMA）［8］。EMIF具有很強(qiáng)的接口能力，可以與目前幾乎所有類型的存儲(chǔ)器直接接口，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器地址的無縫連接。EDMA是DSP中一種重要的數(shù)據(jù)訪問方式，可以在沒有CPU參與的情況下，由EDMA控制器完成DSP存儲(chǔ)空間內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的源/目可以是片內(nèi)存儲(chǔ)器、片內(nèi)外設(shè)或外部器件。QDMA主要是用來進(jìn)行一次性的數(shù)據(jù)傳輸，由CPU執(zhí)行代碼來直接控制一段數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，僅僅需要1～5個(gè)CPU周期遞交傳輸請(qǐng)求。QDMA支持幾乎所有EDMA具有的傳輸模式，但是QDMA提交傳輸?shù)乃俣纫菶DMA快的多。本系統(tǒng)將FPGA通過DSP的EMIF總線，連接在CE2口，這樣就可以利用QDMA完成FPGA與DSP的數(shù)據(jù)通信。FPGA內(nèi)設(shè)置兩塊64×32位的雙口RAM，可直接調(diào)用QuartusII中的宏單元模塊實(shí)現(xiàn)。通過DSP的QDMA控制其讀和寫來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖4中DSP與FPGA之間的讀寫信號(hào)之間連接有反相器，當(dāng)為高電平時(shí)選通讀寫信號(hào)端。

　　圖5為DSP與FPGA數(shù)據(jù)傳輸模塊流程圖。A/D采樣的數(shù)據(jù)傳送到RAM1中，然后RAM1中的數(shù)據(jù)經(jīng)過EMIF被讀入到DSP中進(jìn)行實(shí)時(shí)處理運(yùn)算，處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)在經(jīng)過EMIF寫入到RAM2中，RAM2可以外接LCD顯示屏顯示處理運(yùn)算結(jié)果。在此過程中，RAM1和RAM2共用地址總線和數(shù)據(jù)總線，在RAM1讀和RAM2寫數(shù)據(jù)總線之間插入高阻模塊，以防止數(shù)據(jù)總線沖突。

　　4、粒徑反演算法

　　散射衍射式激光粒度儀所采用的數(shù)據(jù)處理方法大致可以分為兩類，即分布函數(shù)限定法和自由分布法。分布函數(shù)限定法就是預(yù)先假設(shè)被測(cè)顆粒群的尺寸分布符合某個(gè)特定的函數(shù)，自由分布法就是對(duì)被測(cè)顆粒的粒徑分布不做任何假設(shè)。其中分布函數(shù)限定法具有計(jì)算速度快的特點(diǎn)，比較適合于現(xiàn)場(chǎng)顆粒的實(shí)時(shí)測(cè)試分析。自由分布法適用于被測(cè)顆粒的粒徑分布規(guī)律未知或分布規(guī)律較復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合這一點(diǎn)比起分布函數(shù)法來有不可比擬的優(yōu)越性，但該算法的計(jì)算時(shí)間比分布函數(shù)限定法要長(zhǎng)一些，并且由于求解方程組的病態(tài)性，因此對(duì)多元光電傳感器的測(cè)量精度要求也要高一些，否則測(cè)量誤差對(duì)解的影響較大。

　　圖5DSP與FPGA數(shù)據(jù)傳輸模塊流程圖

　　R-R（Rosin-Rammler）分布函數(shù)是1933年由Rosin和Rammler研究磨碎煤粉顆粒的分布時(shí)提出的，研究表明很多小顆粒可用此函數(shù)來表示尺寸分布，它的表達(dá)式為：

　　R=exp（-D/X）N（3）

　　式中：R表示顆粒粒徑在D以上的累積重量分?jǐn)?shù);X為尺寸參數(shù);N為分布參數(shù)，反映了顆粒粒徑的分散程度。

　　綜上所述，本文假定噴霧粒徑分布基于R-R分布，算法運(yùn)行環(huán)境為DSP，其中在DSP開發(fā)環(huán)境CCS中編寫的代碼使用了由Matlab前期計(jì)算出的參數(shù)。具體步驟為：

　?。?）根據(jù)光電探測(cè)器的內(nèi)外環(huán)大小以及公式

　?。?），將粒徑尺寸分為30個(gè)區(qū)間，求得代表各區(qū)間大小的平均值Di。

　?。?）在Matlab平臺(tái)上，根據(jù)各已知參數(shù)，求得能量分布的系數(shù)矩陣T（30，30）。（3）采集光電探測(cè)器30個(gè)環(huán)的衍射光能量測(cè)量值，并進(jìn)行歸一化，得到能量矩陣e（30）。

　?。?）二維搜索待定參數(shù)X，N。依次取X=Di，然后在一維空間（0，10）中利用黃金分割法求得每個(gè)環(huán)的歸一化光能計(jì)算值Ei（30），得到對(duì)應(yīng)的Nj值及目標(biāo)函數(shù)值Fi=abs（Ei-e）。

　?。?）比較各Fi的大小，值最小的目標(biāo)函數(shù)值對(duì)應(yīng)的X和N即為最佳的待定參數(shù)值。此時(shí)對(duì)應(yīng)的R-R分布即為所求的分布函數(shù)。

　　5、測(cè)試實(shí)例

　　結(jié)合粒徑反演算法，我們對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試計(jì)算，將得到的30路電壓值歸一化，得到：

　　e（30）={0.0042，0.0068，0.0100，0.0136，0.0176，0.0217，0.0258，0.0316，0.0371，0.0418，0.0455，0.0478，0.0488，0.0503，0.0503，0.0493，0.0475，0.0453，0.0436，0.0407，0.0392，0.0373，0.0367，0.0357，0.0343，0.0324，0.0301，0.0275，0.0250，0.0225}。

　　反演算法的運(yùn)行結(jié)果為：尺寸參數(shù)X=49.15μm，分布參數(shù)N=1.96;目標(biāo)函數(shù)（擬合誤差）f=0.00384，DSP運(yùn)算時(shí)間為124s。如圖6所示，由式（3）得到了30個(gè)代表尺寸的顆粒分布：

　　WDi={0.0110，0.2425，1.1583，2.7117，4.3664，5.6762，6.4772，7.2438，7.5328，7.4197，7.0210，6.4515，5.8031，5.3078，4.7480，4.1773，3.6310，3.1294，2.7363，2.3230，2.0391，1.7675，1.5825，1.4002，1.2237，1.0472，0.8905，0.7413，0.6223，0.5177}。

　　圖6擬合粒徑分布圖

　　結(jié)果可以表明，尺寸參數(shù)符合對(duì)噴油器噴霧的預(yù)期估計(jì)，擬合程度高。驗(yàn)證了算法的有效性，也預(yù)示了系統(tǒng)的可行性。

　　6、結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了基于激光衍射理論的電控噴油器測(cè)粒系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的FPGA和DSP部分設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述，并給出了粒徑反演算法。應(yīng)用高性能的DSP芯片對(duì)采集到的激光衍射后的能量分布進(jìn)行了在線實(shí)時(shí)處理，處理算法要兼顧準(zhǔn)確和高效的特點(diǎn)，得到的處理結(jié)果即為噴油器在采集區(qū)的空間粒徑分布。

　　目前的激光測(cè)粒裝置平臺(tái)設(shè)計(jì)已經(jīng)初步完成，但是平臺(tái)的性能還需進(jìn)一步完善以便達(dá)到更加精確的測(cè)量精度，如需考慮到多重顆粒衍射的影響而改進(jìn)反演算法，以及為提高處理速度進(jìn)行的DSP代碼優(yōu)化等。下一步，我們將在進(jìn)一步考慮影響平臺(tái)的測(cè)量精度因素上改進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)，從而最終開發(fā)出通用性的樣機(jī)。