系数可配FIR滤波器在超声探伤系统中的应用*

(安徽大学电子信息工程学院 合肥 230601)

系数可配FIR滤波器在超声探伤系统中的应用*

许先璠刘义韩留军

(安徽大学电子信息工程学院 合肥 230601)

利用FPGA的并行数据处理及在线可重构的特性,提出了一种基于FPGA的高速且系数在线可配的FIR数字滤波器实现方案。采用该方案设计的滤波器,可使用户在不影响系统正常工作的情况下,实现对滤波器系数实时重新配置的目的。通过实践测试表明:该方案设计的FIR数字滤波器,在数字超声探伤系统中得到有效、灵活的应用。

FPGA; 可重构; FIR数字滤波器; 系数在线可配

ClassNumberO426

1 引言

数字滤波器作为一种常用的数字信号处理手段,已经广泛应用于图像处理、语音识别及超声检测等领域。有限脉冲响应(finite impulse response,FIR)[1]因具有严格的线性相位关系,在通信系统中被广泛使用。随着现代数字通信系统对大批量数字信号处理的实时性、高精度及灵活性的需求,更多的设计者开始采用FPGA来实现信号处理功能[2]。

在超声波探伤系统中[3],FIR数字滤波器主要用来实现对超声波回波信号的去噪。超声波探伤设备在实际的检测过程中,需要根据被测工件的材质,时常更换不同频率的超声波探头。这就导致系统在实现去噪功能时,就需要针对使用的超声波频率相应、灵活地改变滤波功能模块的参数。针对这一应用需求,本文基于FPGA设计了一款系数动态可配的FIR数字滤波器[4]。

2 FIR滤波器原理及实现

实际中常用的数字滤波器为线性时不变(Linear Time-Invariant,LTI)滤波器[1],其系统传递函数可表示为

(1)

X(n)为输入信号,Y(n)为输出信号,h(n)为系统的单位冲击响应。由式(1)不难发现,FIR滤波器的滤波过程就是信号延迟、乘积及累加的过程。通常所称的滤波器阶数就对应输入数字序列的延迟的级数,系数就对应各级延迟序列的乘积基数。通常数字滤波器的实现可采用软、硬件方式。

软件控制灵活,实现简单,但处理速度受限于处理器指令的处理周期,效率较低很难满足系统需求;数字滤波器的硬件实现一般采用DSP和FPGA,DSP是专门针对数字信号处理应用,指令、结构经过优化并且内部集成大量硬件乘法器的数字信号处理器;FPGA具有并行数据处理能力,并且随着速度的不断提升及内部可集成DSP功能单元,其数字信号处理能力也是日渐突出。结合超声波系统功能实现,考虑到FPGA兼具在数据采集控制、数据传输及通信接口控制方面的优势,在设计FIR滤波器去噪时采用FPGA实现。

3 基于FPGA的动态系数可配FIR 滤波器设计方法

3.1动态系数可配FIR实现方案[5]

本文设计的FIR滤波器的动态系数可重配功能,主要借助于FPGA的动态可重构这一特性。所谓FPGA动态重构,是指基于SRAM工艺的FPGA在一定得外部信息触发下,实现FPGA芯片局部逻辑资源的高速动态重配置。结合超声波探伤系统应用,动态系数可重配FIR滤波器的具体设计思路为:利用Xilinx嵌入式开发平台EDK,在单片FPGA中定制嵌入式微处理器Microblaze、编写自定义FIR滤波器系数配置功能IP核及调用Xilinx官方提供的FIR滤波器等功能模块,构建一个基于FPGA的SOPC(可编程片上系统)[6～7]实现滤波器参数在线可调的系统功能。其系统功能模块如图1所示。

图1 系统功能模块框图

如图1所示。整个功能模块的工作状态受控于嵌入式微处理器microblaze,处理器利用以太网传输媒介接收由上位机输入的滤波器系数,再由microblaze通过总线接口把系数传入自定义IP核内的系数存储单元,紧接着系数重配置逻辑根据特定的配置时序,通过FIR滤波器功能模块提供的配置接口实现滤波器系数重配置功能。

3.2 FIR滤波器设计及实现

利用FPGA实现FIR滤波器功能,设计者可采用HDL硬件描述语言[8]的形式或者直接调用其官方提供的相关IP功能模块进行设计。Ip core是预先设计好、经过严格测试和优化过的电路功能模块,如乘法器、FIR滤波器、通信接口等,并且一般采用参数可配置的结构,方便用户根据实际情况来调用这些模块。本设计实现中使用的是Xilinx公司设计的FIR Compiler IP核提供一个通用的接口,协助用户设计一个参数化、面积优化的高性能FIR滤波器。FIR Compiler IP模型及端口如图2所示。

该功能模块提供四个通信端口:数据输出、通道配置、系数重载及滤波器数据出处端口,用户需要按照特点的通信协议对各个端口的数据交互进行时序控制,具体的数据交互时序可参考Xilinx官方提供的IP数据手册[9]。

4 仿真及实测结果

针对超声波探头发射频率为5MHz的探伤系统,设计一个采样频率60MHz、上截止频率3.5MHz、下截止频率6.5MHz、16阶的带通滤波器。利用Matlab[10]软件中的FDATool工具箱设计一个16阶的切比雪夫带通滤波器,得到一组参数的滤波器系数,滤波器的频谱响应如图3所示;然后在整个系统运行过程中,通过人机界面端口在线配置系统滤波器。

图3 滤波器频谱响应

1)仿真测试:信号源输入不同频率的正弦波,上位机观察到经滤波后的波形分别如图4～图6所示。

图4 输入3MHz正弦信号的滤波输出

图5 输入5MHz正弦信号的滤波输出

图6 输入10MHz正弦信号的滤波输出

由图4～图6可以看出,设计实现的带通滤波器对低频、高频(相对而言)信号具有明显的衰减作用,能够实现信号的滤波去噪功能。

2)实测数据:利用5MHz的回波探头进行系统测试,观察滤波器工作前后的超声波回波波形。如图所示:滤波前波形图7曲线较粗,说明信号中叠加了高频及低频噪声,滤波后波形图8曲线较细,说明噪声去除明显。对比前后波形可知,系统能在运行期间实现滤波器系数重配,且滤波效果较好。

图7 滤波前波形图

图8 滤波后波形图

5 结论

本文论述的采用FPGA实现的FIR数字滤波器是基于硬件逻辑,允许运算的并行操作,这极大的提高了系统的处理速度。同时,利用FPGA的动态可重构性,实现了滤波器参数的动态可调节功能,很大程度上提高了超声波探伤系统的使用灵活性。此外,利用FIR数字滤波器显著的线性相位特性,系统在进行滤波处理的过程中能够保证信号的无失真要求。通过测试及实验数据分析得出,依据本方案设计实现的FIR滤波处理模块,运行稳定、处理速度快、去噪明显。

[1]杨守卫.FIR数字滤波器应用分析探讨[J].机电信息,2011(15):47-49.

[2]高亚军.基于FPGA的数字信号处理[M].北京:电子工业出版社,2012:85-127.

[3]纪洪广,张天森,张志勇,等.无损检测中常用声发射参数的分析与评价[J].无损检测,2001(7):289-294.

[4]郑军胜.动态系数FIR滤波器的FPGA研究[D].西安:西北大学硕士学位论文,2011.

[5]胡文静,陈松,刘翔.基于FPGA的嵌入式程控数字滤波器实现研究[J].电子器件,2009(6):1040-1042.

[6]何宾.基于AXI4的可编程SOC系统设计[M].北京:清华大学出版社,2011:55-145.

[7]冯良.可重用设计方法在SoPC系统设计中的研究与实现[D].北京:北京交通大学硕士学位论文,2008.

[8]夏宇闻,甘伟.Verilog HDL入门[M].第三版.北京:北京航空航天大学出版社,2010:27-354.

[9]LogiCORE IP FIR Compiler v6.3 fir_compiler IP User Guide[EB/OL].http://www.xilinx.com/support/documentation/ip_documentation/fir_compiler/v6_3/pg149-fir-compiler.pdf.

[10]王彬,于丹,等.MATLAB数字信号处理[M].北京:机械工业出版社,2010:120-201.

ApplicationofCoefficientsConfigurableFIRintheUltrasonicFlawDetectionSystem

XU Xianfan LIU Yi HAN Liujun

(College of Electronics Information, Anhui University, Hefei 230601)

The characteristics of parallel processing data and online reconfiguration of FPGA is used, an implement of dynamic coefficient and high-speed FIR digital filter is proposed.In this way, the user can real-time reconfigure the filter without affecting the system under the condition of normal work.Test shows this design of FIR digital filter can work effectively in the digital ultrasonic flaw detection system.

FPGA, online reconfiguration, FIR digital filter, online reconfiguration

2014年3月1日,

:2014年4月15日

许先璠,男,副教授,研究方向:高频电子技术应用。刘义,男,硕士研究生,研究方向:超声检测。韩留军,男,硕士研究生,研究方向:无线通信。

O426DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.09.036