基于OMAP-L138平臺多通道手持頻譜分析儀研究

摘要：針對部分特殊場合對頻譜分析儀使用需要多通道、便攜等需求，設(shè)計了一種通道數(shù)最多支持64通道的手持多通道頻譜分析儀。該頻譜分析儀以美國德州儀器公司推出的DSP+ARM雙核CPU芯片OMAP-L138為平臺，采用多通道A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用QT開發(fā)GUI界面對系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)顯示，能實現(xiàn)頻譜分析、失真測量、信號采集、多通道數(shù)據(jù)對比分析等功能。測試結(jié)果表明：本設(shè)計能完成信號采集及頻譜分析功能，并擁有較小的采集頻率誤差，誤差值≤1%。

頻譜分析儀作為信號分析領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的測試儀器，其主要功能是測量信號的幅度/頻率響應(yīng)，可以完成頻譜分析、失真測量、衰減測量、電子組件增益測量等，是從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗的重要工具。目前頻譜分析儀主要有兩種形式：一種是傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機，輸入信號經(jīng)變頻器變頻后由低通濾器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標(biāo)圖，就是輸入信號的頻譜圖。但是，傳統(tǒng)的頻譜分析儀有明顯的缺點，它只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標(biāo)量儀器而不是矢量儀器。另一種是基于快速傅里葉變換FFT)的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過傅里葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對輸入信號取樣，再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。但這種頻譜分析儀體積較大、輸入通道少，不可同時對多通道信號頻譜進(jìn)行分析比較以及數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，滿足不了很多特定場合的使用要求。

基于這些，文中提出了一種基于OMAP-L138平臺的多通道(最多可達(dá)64通道)手持頻譜分析儀的設(shè)計方案，采用8通道A/D轉(zhuǎn)換器AD7828進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集，使用跨平臺的C什應(yīng)用程序開發(fā)軟件QT開發(fā)基于linux操作系統(tǒng)的GUI界面對系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)顯示，能實現(xiàn)頻譜分析、失真測量、信號采集、多通道數(shù)據(jù)對比分析等功能。

1 硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

設(shè)計采用TI公司推出OMAP-L138芯片為系統(tǒng)主控芯片，包括外圍相關(guān)外設(shè)的搭建，完成信號采集、計算、顯示等功能，同時提供參數(shù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，方便PC機對數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理和分析。OMAP-L138是一款高集成度、低功耗、高性能的雙核處理器，OMAP-L138是TI的一款采用ARM和DSP雙核架構(gòu)的低功耗嵌入式處理器，其內(nèi)部集成了300 MHz的ARM926EJ-S內(nèi)核及300 MHz的C6748 VLIW DSP核，并提供了豐富的外設(shè)接口，其將ARM核和DSP核整合集成在一個芯片內(nèi)，其穩(wěn)定性、抗干擾能力將得到很大的提升，同時也突出其體積小、功耗低等特點和優(yōu)勢，非常適合作為對數(shù)據(jù)處理能力要求高的手持設(shè)備的處理核心。

系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示，OMAP-L138雙核心體系中，DSP核依靠強大的數(shù)據(jù)處理能力主要完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)字信號處理等工作;ARM核則負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)顯示和交互以及文件傳輸?shù)裙δ?。ARM外圍搭建豐富接口，同時很方便將數(shù)據(jù)傳送至PC機進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析與處理操作。

1.2 多通道數(shù)據(jù)采集

多通道數(shù)據(jù)采集原理圖如圖2所示，信號輸入可為拔插式傳感器的信號輸入(如高保真電容式麥克風(fēng))，也可為各種信號輸出系統(tǒng)的信號輸出(如函數(shù)信號發(fā)生器)。其中每8路信號經(jīng)過多路復(fù)用器74HC4051選擇其中一路信號送入前置放大電路，前置放大電路負(fù)責(zé)將輸入信號放大至AD輸入范圍，為保證前端放大電路的性能指標(biāo)，設(shè)計采用高頻寬帶運放AD811芯片，AD811 3dB帶寬高達(dá)140MHz，并且具有2500V/us的速度。前級放大后信號輸入至AD7828芯片的模擬輸入通道進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，AD7828是高速、多通道、8位ADC，具有8路復(fù)用模擬輸入。半Flash轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)了每通道2.5μs的快速轉(zhuǎn)換速率。其中AD7828和74HC4051通道選擇采用DSP地址線控制，時序與DSP讀時序兼容，可將對應(yīng)通道數(shù)值采集當(dāng)成外設(shè)地址數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，簡化DSP程序流程，提高DSP利用率。

1.3 外圍接口

系統(tǒng)外圍包括Nand Flash、SDRAM、以太網(wǎng)、USB接口、鍵盤、觸摸屏、Jtag接口與實時時鐘和晶振。其中Jtag接口與實時時鐘和晶振是系統(tǒng)最小系統(tǒng)所必須，Nand Flash和SDRAM用于Arm核的linux操作系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，提供文件存儲及操作等功能。以太網(wǎng)和USB接口用于手持設(shè)備與PC機間通訊，提供數(shù)據(jù)文件到PC機，以便PC對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析。鍵盤和觸摸屏用于CUI界面的顯示和操作，可完成測量參數(shù)設(shè)置以及結(jié)果顯示等功能。

2 軟件設(shè)計

2.1 程序流程設(shè)計

OMAP-L138為ARM+DSP雙CPU架構(gòu)的處理芯片，其內(nèi)部有128KB的共享內(nèi)存可作為雙方緩存數(shù)據(jù)，但是并沒有在這兩個核中增加用于個核之間的通信機相互控制的指令，兩個核之間的通信只能依靠其間的中斷系統(tǒng)，其間中斷共計7個，Arm有5個DSP中斷時間，DSP有兩個ARM中斷。其中ARM和DSP只用系統(tǒng)控制模塊中的INRGEN寄存器相互中斷。當(dāng)雙核需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，首先把數(shù)據(jù)放在雙方可以訪問的共享內(nèi)存中，然后給對方一個中斷信號。對方接收到中斷信號后瀆取共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)后進(jìn)行相應(yīng)操作。

如圖3所示為雙核程序流程控制圖，ARM系統(tǒng)啟動后，將使用DSP Link的Proc函數(shù)啟動DSP核，DSP核被喚醒后等待ARM系統(tǒng)發(fā)送的中斷信號。ARM子系統(tǒng)通過界面上參數(shù)的配置對所需要運行參數(shù)的修改，配置完成后ARM子系統(tǒng)對共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，更新完成后向DSP發(fā)出中斷指令，DSP接收到指令后從共享內(nèi)存中讀取所需要運行的參數(shù)，然后對信號進(jìn)行采集，采集完成后按照處理參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和處理，處理完成后將結(jié)果數(shù)據(jù)更新至共享空間，然后通過DSP Link向ARM發(fā)出中斷，ARM接收到中斷后讀取共享內(nèi)存中的數(shù)值，然后將結(jié)果更新至界面以及Nand Flash存儲空間，等待用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析等操作。

2.2 界面設(shè)計

ARM內(nèi)核運行操作系統(tǒng)為Linux2.6.32.2，界面采用QT進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，QT是一個跨平臺的C++應(yīng)用程序開發(fā)框架。廣泛用于開發(fā)CUI程序。其良好封裝機制使得QT的模塊化程度非常高，可重用性較好，方便用戶使用。界面運行截圖如圖4所示，其中包括文件操作、參數(shù)設(shè)置、運行測試及對比分析界面。文件操作界面主要包括對歷史記錄數(shù)據(jù)調(diào)用、歷史測試參數(shù)調(diào)用、跨平臺間文本傳輸?shù)裙δ?參數(shù)設(shè)置主要對各個通道是否開啟、采樣參數(shù)、處理算法、結(jié)果顯式方式等進(jìn)行設(shè)置;運行測試界面主要根據(jù)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及結(jié)果顯示;對比分析界面主要對多通道數(shù)據(jù)進(jìn)行對比及進(jìn)一步分析，得出各個通道信號對比之后的分析結(jié)果。

3 實驗測試

為測定系統(tǒng)可行性，本系統(tǒng)對CH1-CH4通道進(jìn)行音頻信號采集，信號輸入端連接高保真電容麥克風(fēng)，信號源采用4個音頻信號發(fā)生器同時發(fā)出頻率分別為1kHz、5 kHz、10kHz、15kHz的音頻信號，各通道采用頻率均設(shè)置為44.1k，采用FFT算法對其進(jìn)行頻譜分析，得出各通道采集結(jié)果圖如圖5所示。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果對比如表1所示。由實驗結(jié)果可知，其中能對聲音信號輸入進(jìn)行頻譜分析，并將頻譜成分以柱狀圖形式描繪，其中能提取信號范圍內(nèi)頻率成分最大的頻率分量，并將結(jié)果顯示出來。

由表1可知，得出的結(jié)果誤差較小，在1%以內(nèi)。

4 結(jié)論

以OMAP-L138為核心的手持多通道頻譜分析儀，可以實現(xiàn)多路實時穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和處理分析，依靠其便攜及多通道同時處理分析的特性和QT開發(fā)的上位機界面良好的交互功能及文件存儲功能，該頻譜分析儀能靈活應(yīng)用到各種場合，具有很強的實用性。