基于DSP的多传感数据处理智能硬件架构研究

作     者：马凯辉 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周磊

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：多传感数据融合 智能硬件 DSP+MCU 硬件可重构 

摘      要：随着信息数字化技术的发展,智能化时代已经到来,硬件正逐步走向智能化。信息采集技术的快速崛起,智能硬件需要处理的数据也在迅速增加,随之而来的是数据质量较差、数据形成速度较快、数据多源异构化等问题,而这些问题也是阻碍数据处理技术领域发展的重要原因。目前传统的智能硬件难以满足处理大量多传感数据的实时性要求,并且功能服务单一,实用性不强,智能化水平较低,难以灵活满足在复杂应用场景下的需求。为应对以上问题本文研究设计了一种基于DSP的多传感数据处理智能硬件架构。针对不同复杂应用场景,弥补传统智能硬件在硬件安装部署和软件版本迭代等方面的诸多不便,提出了一种可以灵活配置的硬件可重构系统方案。硬件上将核心通讯计算控制单元与多传感器信号采集单元分离设计,传感器可插拔设计,实现传感器平台与通讯计算平台分离,提升系统可复用性;软件上提出支持硬件可重构的引导程序方案,引导程序方案包含跳转用户程序、Flash擦除和写入程序、在线应用编程（In Application Programming,IAP）升级文件获取程序三大结构,共同完成核心通讯计算控制单元的软件配置和版本迭代。针对多传感器数据信号处理的融合和实时性问题,提出了一种以MCU+DSP双核处理器为核心计算控制单元的智能硬件架构方案。将MCU的事务管理能力与DSP的高速数字信号处理能力融合在一起,提高系统整体性能,同时基于该智能硬件架构可灵活配置多种类型传感器,以满足不同应用场景下的需求。针对多传感器数据采样数据质量较差问题,设计实现了一种ADC过采样和累积抽取算法。该算法能够降低ADC采样量化噪声,还原恢复更为真实的原始信号,提升ADC采样的有效分辨率。针对多传感器信号需要同步采样处理的问题,设计实现了一种多通道A/D同步采样驱动模型。针对多传感器数据融合处理,研究实现了时域抽取基2-FFT算法。在此算法应用上,设计了一种基于DSP的离散傅里叶变换法相位差检测方法,在工程领域中相位差测量有着广泛的应用,高精度的相位差测量方法在工程项目中具有深远的意义。基于多传感数据处理智能硬件架构开发的用电行为智能安全监测系统,在第十五届中国研究生电子设计竞赛中获得赛区二等奖,并且已经投入到实际工程应用中,在高校、居民楼以及酒店等地区场所中安装使用,在使用过程中已然多次发现安全隐患,从而印证了本文设计的实际市场应用价值。