基于TMS320F2812便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀

1 引言
    動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀在電子測(cè)量領(lǐng)域中稱為頻域中的“射頻萬(wàn)用表”，可見其重要性和寬泛應(yīng)用。動(dòng)態(tài)信號(hào)分析是將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域進(jìn)行處理，一般要求使用時(shí)窗技術(shù)，如快速傅氏變換(FFT）、離散傅氏變換(DFT)等。如果采樣點(diǎn)為N，直接DFT運(yùn)算需要N2次乘法操作，需用大量運(yùn)算時(shí)間。而FFT運(yùn)算可將運(yùn)算減少到（N/2)log2N次乘法，因此，F(xiàn)FT成為動(dòng)態(tài)信號(hào)分析的核心算法。
    這里提出一種基于TMS320F2812的便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)方案，以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，利用數(shù)字信號(hào)處理器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力分析所采集的信號(hào)，優(yōu)化動(dòng)態(tài)信號(hào)的FFT算法．從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各頻率成份和功率譜的計(jì)算分析以及失真度的測(cè)量，其分析結(jié)果在液晶顯示器(LCD)上顯示。

2 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析原理
    動(dòng)態(tài)信號(hào)分析方法有時(shí)域分析法、頻域分析法等。其中頻域法最適合動(dòng)態(tài)信號(hào)分析FFT算法。該系統(tǒng)采用FFT算法．其本質(zhì)是DFT的快速算法。FFT算法是將長(zhǎng)序列DFT根據(jù)其對(duì)稱性和周期性分解為短序列的DFT之和。N點(diǎn)的DFT先分解為2個(gè)N/2點(diǎn)的DFT，每個(gè)N／2點(diǎn)的DFT又分解為N／4點(diǎn)的DFT。最小變換的點(diǎn)數(shù)即所謂FFT的“基數(shù)”。因此，基數(shù)為2的DFT最小變換是2點(diǎn)DFT(或稱蝶形運(yùn)算)。在基數(shù)為2的N點(diǎn)FFT中，設(shè)N=2，則總共可分成M級(jí)運(yùn)算，每級(jí)中有(N／2)log2N個(gè)蝶算，則N點(diǎn)FFT總共有(N／2)log2N個(gè)蝶算，1個(gè)蝶算只需一個(gè)復(fù)數(shù)乘法對(duì)N點(diǎn)FFT需計(jì)算(N/2)log2N個(gè)復(fù)數(shù)乘法、(N／2)log2N個(gè)復(fù)數(shù)加法。一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)FT比DFT運(yùn)算量要小得多,N點(diǎn)的FFT需做(N／2)log2N次乘法運(yùn)算，而N點(diǎn)DFT需要做／N2次乘法運(yùn)算，由此看來(lái)N點(diǎn)DFT運(yùn)算量大約是FFT的2N/log2N倍，分析動(dòng)態(tài)信號(hào)頻率成份，首先以采樣頻率fs采樣N點(diǎn)(N=2M)，經(jīng)快速傅立葉變換得到其頻譜。
    由譜分辨率F=fs／N，如果保持采樣點(diǎn)數(shù)N不變，提高其分辨率(F減小)，必須降低采樣頻率，采樣頻率的降低會(huì)引起譜分析范圍的減少。如果保持fs不變，為提高頻率分辨率，可增加采樣點(diǎn)數(shù)N，因?yàn)镹T=Tp,T=fs-1，只有增加對(duì)信號(hào)的觀察時(shí)間Tp，才能增加N。Tp和N可以按照的條件選擇。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。被檢測(cè)輸入信號(hào)經(jīng)以運(yùn)算放大器LM358為核心的調(diào)理電路后送至TMS320F2812 DSP內(nèi)部自帶的12位A／D轉(zhuǎn)換器采樣后，其數(shù)字輸出信號(hào)送至DSP內(nèi)核處理單元進(jìn)行FFT處理。經(jīng)過(guò)DSP運(yùn)算處理后，實(shí)現(xiàn)各分量頻率值和功率值的計(jì)算，信號(hào)失真度的計(jì)算和周期信號(hào)的檢測(cè)，其分析結(jié)果由屏幕式LCD顯示。鍵盤采用鍵盤查詢方式中斷處理，實(shí)現(xiàn)各種工作模式和顯示界面的切換。

3.1 調(diào)理電路
    在設(shè)計(jì)調(diào)理電路時(shí)，由于要將被采樣信號(hào)的電壓幅度調(diào)理到A／D轉(zhuǎn)換器所能接收的范圍內(nèi)并濾除高頻噪聲信號(hào)，因此采用級(jí)聯(lián)方式。其中第一級(jí)選擇高精度集成運(yùn)算放大器LM358組成電壓跟隨器，具有隔離作用；而第二級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的比例放大和低通濾波，如圖2所示。圖2中運(yùn)算放大器LM358構(gòu)成反向比例放大電路，Ui是經(jīng)第一級(jí)電壓跟隨器隔離后的電壓信號(hào),R1、R3構(gòu)成反向比例電路，將輸入信號(hào)按比例縮小4.7倍，C3、R3構(gòu)成RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)，其電路截止頻率f=1/2πR3C3=1/2π×1 kΩ×0.01 μF=15 923 Hz，符合設(shè)計(jì)要求(其信號(hào)頻率范圍0～10 000 Hz)。引腳7和引腳4分別接一只0.1μF的瓷片電容，用于濾除高頻。為了減少失調(diào)電流，引腳3接R2(其阻值約為R1和R3的并聯(lián)電阻)；輸出信號(hào)U0送至第三級(jí)加法電路。第三級(jí)加法電路可將信號(hào)升高0 V以上，滿足A／D轉(zhuǎn)換需求(該系統(tǒng)采用TMS320F2812內(nèi)部自帶A／D轉(zhuǎn)換器)。調(diào)理完成后送至DSP進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。

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3.2 系統(tǒng)控制單元
    系統(tǒng)控制單元采用32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812。該器件采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻達(dá)150 MHz，使得指令周期縮短6.67 ns，從而提高控制器的實(shí)時(shí)控制能力。其高性能32位CPU，單周期32x32乘法累加運(yùn)算操作特性，能夠完成64位的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)高精度的處理任務(wù)。高效的代碼轉(zhuǎn)換功能(支持C/C++和匯編)并與TMS320F24x／LF240x程序代碼兼容。片內(nèi)存儲(chǔ)器資源包括：片內(nèi)128 K×16位的Flash，128 K×16位ROM，18 K×16位的SARAM，1 Kxl6位一次可編程的存儲(chǔ)器OTP。片上Flash／ROM具有可編程加密特性，便于現(xiàn)場(chǎng)軟件升級(jí)。TMS320F2812帶有128位保護(hù)密碼，防止非法用戶通過(guò)JTAG仿真接口查看Flash/OTP/L0/L1的內(nèi)容，訪問(wèn)外設(shè)和裝載某些不合法的軟件，保證相關(guān)數(shù)據(jù)的安全性。A/D轉(zhuǎn)換器有16個(gè)通道，可配置成2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，便于服務(wù)事件管理器A和事件管理器B。這2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊可級(jí)聯(lián)成一個(gè)16通道的模塊。A／D轉(zhuǎn)換器雖具有豐富的輸入通道和2個(gè)排序器，但只有1個(gè)轉(zhuǎn)換器。2個(gè)8通道模塊自動(dòng)排序轉(zhuǎn)換，通過(guò)多路開關(guān)選擇任意一個(gè)8通道模塊。在級(jí)聯(lián)模式下自動(dòng)排序器作為一個(gè)16通道的排序器。每個(gè)排序器一旦轉(zhuǎn)換完成，就將所選擇通道的值存儲(chǔ)在各自的ADCRESULT寄存器中。自動(dòng)排序允許對(duì)同一通道多次轉(zhuǎn)換，允許用戶使用過(guò)采樣算法，相對(duì)傳統(tǒng)單次采樣轉(zhuǎn)換，這將提高結(jié)果的精度。
    為了獲得規(guī)定的A／D轉(zhuǎn)換器精度，須采用正確的線路板布局。為了獲得最佳效果，引腳ADCINxx要盡量遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)線，可最大程度地消除數(shù)字電路中開關(guān)噪聲與A／D轉(zhuǎn)換器輸入之間的耦合；同時(shí)，A／D模塊的電源引腳與數(shù)字電源之間需采用適當(dāng)隔離。
3．3 顯示模塊LCD
    CMl2864-10是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及格128x64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可實(shí)現(xiàn)顯示圖形以及8×4個(gè)漢字(16×16點(diǎn)陣)。LCD與DSp的接口電路如圖3所示，由于TMS320F2812DSP是低功耗設(shè)計(jì)，所有的數(shù)字輸入都與TTL兼容，所有輸出都是3.3 V CMOS電平，不能接收5 V輸入，而顯示模塊LCD接口為5 V的輸入輸出，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需電平轉(zhuǎn)換器SN74ALVCl64245。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件包括主程序，捕獲中斷服務(wù)子程序，T1的周期中斷服務(wù)子程序、A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序，F(xiàn)FT運(yùn)算子程序和LCD顯示子程序。主程序主要完成系統(tǒng)初始化，包括CPU、PIE寄存器、PIE中斷向量表、LCD液晶屏，A/D轉(zhuǎn)換器初始化等，以及查詢工作模式設(shè)定。根據(jù)不同的工作模式進(jìn)入相應(yīng)的服務(wù)子程序，其主程序流程如圖4所示。

設(shè)置兩個(gè)斷點(diǎn)，當(dāng)程序執(zhí)行到斷點(diǎn)時(shí)，觀察接收數(shù)據(jù)和顯示圖像。運(yùn)行到第一個(gè)斷點(diǎn)處，A/D采樣完成，此時(shí)可設(shè)置圖像觀察A/D采樣的結(jié)果(即顯示Ad_data1數(shù)組)；運(yùn)行到第二個(gè)斷點(diǎn)處，F(xiàn)FT變換完成，可設(shè)置圖像觀察FFT變換后沒(méi)有取模時(shí)的結(jié)果(即顯示ipcb數(shù)組)；繼續(xù)運(yùn)行程序，停止運(yùn)行后，程序會(huì)停在循環(huán)語(yǔ)句處，同樣可設(shè)置圖像觀察取模后的結(jié)果，即顯示mod數(shù)組，圖5從上至下分別為1 024點(diǎn)的Ad_datal數(shù)組，ipcb數(shù)組，mod數(shù)組的圖像顯示，其中，橫坐標(biāo)是采樣點(diǎn)數(shù)．縱坐標(biāo)是信號(hào)幅度。[!--empirenews.page--]

5 結(jié)論
    針對(duì)頻譜分析。設(shè)計(jì)基于TMS320F2812 DSP動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀．并在此基礎(chǔ)上采用一系列數(shù)據(jù)處理措施實(shí)現(xiàn)實(shí)數(shù)的FFT變換。對(duì)于動(dòng)態(tài)信號(hào)分析，A／D的采樣速率決定處理信號(hào)的頻率為20 kHz以下．在分析頻譜前需估計(jì)信號(hào)頻率范圍估計(jì)，然后調(diào)整采樣速率保證1 024點(diǎn)能夠采樣一個(gè)以上的周期．同時(shí)還要滿足香農(nóng)采樣定理。該系統(tǒng)采用TMS320F2812DSP控制，外圍電路少，系統(tǒng)穩(wěn)定，功能強(qiáng)，操作方便，低成本．具有廣泛使用價(jià)值。