测控技术与仪器 毕业论文范文——基于DSP的数据采集及FFT实现

基于DSP的数据采集及FFT实现摘 要随着大规模集成技术的发展，数字信号处理器（DSP）在功能、处理速度和处理能力方面都取得了划时代的突破。而数据采集及处理系统作为数字信号处理器的核心部件在众多领域有着广泛的应用，其主要功能是把外界模拟信号的电压参量经A/D转换器，转换成数字量，并把转换结果存储以便分析处理。数据采集技术在工业控制系统中应用广泛。数据采集设备可实现对生产现场的各种参数进行采集监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。离散傅立叶变换是将离散信号分解为幅值分量和频率分量，是数字信号处理领域的工具之一，但是由于其计算量太大，应用受到限制。后来快速傅立叶变换的出现，使得DFT在实际应用中得到了广泛的应用。由于多数DSP芯片都能在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法，而且提供专门的FFT指令，使得FFT算法在DSP芯片上实现的速度更快。 本文中主要采用TI的32位数字信号处理芯片TMS320F2812作为信号采集和处理的核心，通过片上自带的12位模数转换模块进行数据采集。对采集后的数据进行信号处理。数字处理部分主要是进行快速傅立叶变换进行分析。 全文介绍了数据采集系统的构成，DSP原理，TI公司TMS320系列F2812芯片资源，以及TMS320的软件集成开发环境(CCS)，对数据采集模块、采集原理及在TMS320F2812上的FFT实现作了细致描述和分析。关键词 数据采集，DSP，TMS320F2812，FFTImplementation of data acquisition and FFT based on DSPAbstractWith the development of large-scale integration technology, digital signal processor (DSP) has made the epoch-making breakthrough with functioning, processing speed and processing power. The data acquisition and processing system as a digital signal processor core component has been widely used in many fields, its main function is to the outside parameters of voltage analog signal through the A/D converter into a digital number, and the conversion result is stored for analysis and processing. Data acquisition technology is widely used in the industrial control system. Data acquisition equipment enables the production of various parameters on site to monitor and record collection. To improve product quality, reduce costs to provide information and tools. Discrete Fourier Transform is one of the main tools in digital signal processing field. But because of its large computational complexity, its application is limited. Afterward, with the appearance of Fast Fourier Transform, DFT is widely used in practical application. Because most chips of DSP can complete a multiplication and an addition in an instruction period, and they can provide the specialized instruction of FFT, it accelerates the speed of the FFT algorithm working on the chip of DSP.The dissertation takes the 32 bits fixed-point digital signal processing processor TMS320F2812 of Texa Instrument Company as the core of signal acquisition and processing system. The data acquisition is completed by the 12 bits ADC of TMS320F2812. And then do the signal processing on collected data. Digital processing component is to analyze the fast Fourier transform.This paper describes the composition of the data acquisition system, DSP theory, TI TMS320 Series F2812-chip resources companies, and the TMS320 software integrated development environment (CCS), the dissertation describes and analyses the acquisition module and sampling theory of data and the achievement of Fast Fourier Transform on TMS320F2812 in great detail. Keywords data acquisition, DSP, TMS320F2812, FFT1 引言1.1 课题的研究背景及意义随着近代科学技术，特别是信息科学、材料科学、微电子技术和计算机技术的迅速发展，测试技术所涵盖的内容更加深刻、更加广泛。现代人类的社会生产、生活、经济交往和科学研究都与测试技术息息相关。各个科学领域，特别是生物、海洋、航天、气象、地质、通信、控制、机械和电子等，都离不开测试技术。测试技术已成为人类社会进步的一个重要基础技术，是各学科高级工程技术人员必须掌握的重要的基础技术。而测试需求和测试技术的发展，对测试系统的数据处理能力要求越来越高。近年来，DSP技术发展迅速，其性能越来越高，运行速度越来越快。已经日益广泛地应用于各个领域。DSP芯片能在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法，且提供专门的FFT指令，使得FFT算法在DSP芯片上实现的速度更快，近年来，基于DSP芯片的测试系统得到广泛应用。对基于DSP的测试系统的数据处理研究具有重要意义。FFT在生产实践和科学研究中有着广泛的应用。例如：对各类旋转机械、电机、机床等机器的主体或部件进行实际运行状态下的频谱分析，极大的减小了运算量，对指导DSP器件设计有重大意义，可提供设计数据和检验设计结果，或者找寻震源和诊断故障，保证设备的安全运行等；在声纳系统中，为了寻找海洋水面船只或潜艇，需要对噪声信号进行频谱分析，以提供有用信息，判断舰艇运行速度、方向、位置、大小等；滤波是FFT最广泛的应用，它使对波形的频率分量滤波变得十分简单。比如对采样信号进行FFT后，去掉不需要的频率分量，再进行FFT反变换，就得到滤波后的期望信号；电力监控系统的谐波分析，需要对采样数据进行FFT运算，然后通过液晶屏或其它人机界面重新绘画出来，以方便技术人员掌握电力的质量。本课题使用快速傅立叶变换(FFT)进行数据处理。DSP(数字信号处理器)具有运算速度快和精度高的特点，恰好满足FFT的要求，能较好地解决这个问题。它可以实现测试数据的在线频谱分析等功能，提高了测试系统的性能。掌握FFT，学会在空域和频域中同时思考问题，很多时候使用简单的方法来解决复杂的问题。1.2 国内外相关领域的研究现状1.2.1 国内外DSP测试系统现状数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。DSP是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。随着我国信息产业的发展，近年来我国的测试系统发展较快。DSP处理器已经在我国的数字通信、信号处理、雷达、电子对抗、图像处理等方面得到了广泛的应用，为科技的发展和国名经济建设创造了很大价值。我国的科研人员通过对先进的DSP芯片的研究，已经研制出一些高性能处理设备的解决方案，并且在板级PCB设计方面取得宝贵设计经验。我国研制的DSP雷达数字信号处理通用模块，使用了6片ADSPZ1060和大规模可编程器件构成通用处理模块，通过信号处理算法并行设计、系统多数据流设计、处理任务分配调度程序设计实现高速实时雷达信号处理。国外的商业化DSP测试系统一直保持快速的发展势头。欧美科技大国保持着国际领先地位。例如美国DSPreseareh公司、pentek公司、TI公司等，他们很多已经发展到相当大的规模，竞争也愈演愈烈。我们从国际知名DSP技术公司发布的产品中就可以了解一些当今世界先进的测试系统的情况。以pentek公司一款处理板4293为例，使用8片TI公司300MHz的TMS320C6203芯片，具有19200MIPS的处理能力，同时集成了8片32MB的SDARM，数据吞吐600MB。1.2.2 数据采集技术数据采集就是将要获取的信息通过传感器转换为信号，并经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，最后送到计算机系统中进行处理、分析、存储和显示。数据采集系统是计算机与外部之间联系的桥梁，是获取信息的重要途径。随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。数据采集系统追求的主要目标有两个：一是精度，二是速度。现代数据采集系统具有以下几个特点：(1)现代数据采集系统一般都内含有计算机系统，这使得数据采集的质量和效率等大为提高，同时显著节省了硬件投资。(2)软件在数据采集系统中的作用越来越大，增加了系统设计的灵活性。(3)数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成了数据采集与处理相互融合的系统，可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。(4)速度快，数据采集过程一般都具有“实时”特性。对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。(5)随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。(6)总线在数据采集系统中的应用越来越广泛，总线技术对数据采集系统结构的发展起着重要作用。1.2.3 FFT算法发展数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 近些年来，数字信号处理技术得到了迅速的发展，特别是随着微计算器和超大规模电路的飞跃发展，数字信号处理技术亦得到了更大的发展，并且广泛地应用到了国民经济的各行各业，如雷达、声纳、通信、语音处理、图象处理、地震信号处理、生物医学电子学、数字音频和视频设备、电子测量仪器、噪声控制、电力系统的谐波分析、振动分析和故障诊断等方面，取得了突出的成就。DFT是连续傅里叶变换在时域和频域上都离散的形式，将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换（DTFT）频域的采样。.但其计算量太大，很难实时地处理问题，因此引出了快速傅里叶变换(FFT)。1965年，Cooley和Tukey提出了计算离散傅里叶变换（DFT）的快速算法，将DFT的运算量减少了几个数量级。从此，对快速傅里叶变换（FFT）算法的研究便不断深入，数字信号处理这门新兴学科也随FFT的出现和发展而迅速发展。根据对序列分解与选取方法的不同而产生了FFT的多种算法，主要有两个方向：1组合数FFT算法：针对FFT变换点数N等于2的整数次幂，如基-2算法、基-4算法、基-8算法、实因子算法、分裂基算法及任意组合因子算法，利用系数的周期性和对称性，使长序列DFT分解成小数点的DFT，减少运算量。2N不等于2的整数次幂的算法，有2类：WFTA算法和PFTA算法，利用下标映射和数论及近代数学的知识，去掉级间的旋转因子减少运算量。PFTA和WFTA在运算量上占优，用的乘法器比CooleyTukey算法少，但控制复杂。在硬件实现中，需要考虑的不仅仅是算法运算量，更重要的是算法的复杂性、规整性和模块化。控制简单、实现规整的算法在硬件系统实现中要优于仅仅是在运算量上占优的算法。分裂基算法具有一定的优势，综合了基-4和基-2的运算特点，但其蝶式运算结构在控制上要复杂一些。其中基-2、基-4算法是目前普遍采用的两种算法。1.3 本论文的主要内容本文中是采用TI公司DSP作为核心处理器件的数据采集系统并采用TFG2050-DDS型函数发生器产生的45KHz左右的正弦信号，并对采集到的数据进行FFT分析。在本文中采用基-2FFT算法，用C语言和汇编语言两种方法在CCS集成开发环境下实现编译，完成信号的频谱分析。TI公司的各种型号DSP专为实时信号而设计，在其各种型号的DSP中，TMS320F28xx系列DSP将实时信号处理能力和控制器外设功能集于一身，为本数据采集系统提供了一个非常理想的解决方案。基于该系统对于速度，功耗，成本等方面的考虑，本课题采用了TMS320F28x系列中的TMS320F2812作为数据采集系统的处理器件。2 SEED-DEC2812开发板原理及开发环境介绍2.1 SEED-DEC2812功能组成框图SEED-DEC2812板是数据采集和数据处理的环境，图2.1和图2.2分别示意出EVM开发板的功能组成框图和实物图。16位AD输入通道数据、地址和控制总线power接口CAN、SPI、SCI接口SEED-DEC2812F28124路12位DACJTAGEEROMRAM晶振图2.1 SEED-DEC2812开发板的功能组成框图图2.2 SEED-DEC 2812开发板的实物图2.2 TMS320F28122.2.1 TMS320F2812特点SEED-DEC2812所用DSP芯片为TMS320F2812。TMS320F281x系列DSP是TI公司最新推出的数字信号处理器，该系列处理器是基于TMS320C2xx内核的定点数字信号处理器。器件上集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。同时代码和指令与F24x系列数字信号处理器完全兼容，从而保证了项目或产品设计的可延续性。与F24x系列数字信号处理器相比，F2812系列数字信号处理器提高了运算的精度(32位)和系统的处理能力(达到150MIPS )。该数字信号处理器还集成了128KB的Flash存储器，4KB的引导ROM,数学运算表以及2KB的OTP ROM，从而大大改善了应用的灵活性。128位的密码保护机制有效地保护了产品的知识产权。两个事件管理器模块为电机及功率变换控制提供了良好的控制功能。16通道高性能12位ADC单元提供了两个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样。TMS320F2812具有数据信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于大批量数据处理的测控场合。TMS320F2812不仅具有以前C2xxx系列的特点，而且还增加了一些特性，其主要性能特点如下：1高性能静态CMOS技术工作频率150MHz(时钟周期6.67ns)；低功耗(核心电压1.8V,I/O口电压3.3V)；Flash编程电压3.3 V。2片内存储器128K16位的Flash存储器；1K16位的OTP ROM；4K16位的Boot ROM；LO和L1：两块4K16位的单周期访问RAM(SARAM)；HO：一块8K16位的单周期访问RAM(SARAM)；MO和M1：两块1K16位的单周期快速访问RAM(SARAM)。3外部存储器接口(仅TMS320F2812具有)有多达1M字的存储空间；可编程等待周期；读/写选择时序；三个独立的片选信号。4时钟与系统控制支持动态改变锁相环的倍频系数；片内自带振荡器；看门狗定时器模块；外部中断扩展(PIE)模块可支持45个外设中断；3个32位的CPU定时器；两个事件管理器(EVA,EVB)。512位的A/D模数转换模块28通道的输入多路选择器，两个采样保持电路；流水线最快转换周期为60ns，单通道最快转换周期为200ns。6高达有56个独立的可编程、多用途通用输入输出GPIO引脚。7通信端口多通道缓冲串行接口McBSP；增强型CAN总线通信接口；异步串行通信接口SCI；高速同步串行通信接口SPI。2.2.2 TMS320F2812功能TMS320C2000DSP平台整合了高性能的DSP内核、内部Flash存储器、高精确度模拟外设、数字控制及通信外设等。为用户提供了单芯片实现高性能控制的解决方案。 TMS320F2812主要功能模块如下。1Flash内存C2000产品的内部Flash存储器大小为8128KB。用户可以应用内部Flash存储器固化应用软件及产品的升级换代。C2000 DSP提供分区( Sector)的Flash内存，允许改写每个分区，而不清掉整个Flash内存；此外C2000 DSP采用密码保护程序代码，以保护用户的程序。2事件管理器定时器/比较器模块减少了CPU完成事件定时、采样循环及PWM生成等任务的开销；可编程死区设置；捕捉单元和正交编码电路能够同检测元件直接接口；PDP中断为系统提供无条件保护。3模拟/数字转换器10位模拟/数字转换器(C24x)和12位模拟/数字转换器(C28x)；LF240 xA最快转换时间为500ns, F2812最快转换时间为80ns；外部模拟/数字转换及事件(EV)触发的模拟转换不需占用额外CPU时间；具有双缓冲的结果寄存器，减少中断到取得转换结果所需要的时间；16个模拟输入通道；转换自动排序器可增加通道数目，而不需CPU介入。4CAN模块完整的CAN控制器，符合CAN2.0B规范；发送、接受标准帧(11位标志符)及扩展帧(29位标志符；C24x有16个信箱，F2810, F2812有32个信箱；0-8位可编程数据长度；提供接收信箱、发送信箱及可配置的发送/接收信箱(信箱0及1)；。C28x系列提供低耗电模式，定时邮递功能；数字回路自测试模式；可编程通信速率可编程中断控制。5串行通信接口异步通信格式；可编程波特率；数据长度1-8位可编程；可编程停止位长度1或2位；错误检测:极性错误、过载错误、帧错误、中止错误等；两种唤醒模式：线空闲唤醒及地址位唤醒；半双工或全双工操作；C24x具有双缓冲器的接收及发送功能；而C28x有16层的接收及发送缓冲器；独立的接收/发送中断；独立的接收/发送中断使能位。6串行外围接口1-16位可编程数据长度(F/C240为1-8位)；同步的发送/接收帧；主/从操作模式；支持多处理器通信；SPI时钟极性控制。7C28x的多信道缓冲串行端口全双工通信；双缓冲发送，三缓冲接收，允许连续的数据流；支持128个通道的发送及接收；独立的发送时钟；多通道选择模式使能每个通道的块传输。2.2.3 TMS320F2812存储空间TMS320F2812数字信号处理器采用增强的哈佛总线结构，能够并行访问程序和数据存储空间。内部集成了大量的SRAM、ROM以及Flash等存储器，并且采用统一寻址方式(程序、数据和I/O统一寻址)，从而提高了存储空间的利用率，方便程序的开发。除此之外，TMS320F2812数字信号处理器还提供外部并行总线扩展接口，有利于开发大规模复杂系统。TMS320F2812为哈佛结构的DSP，在逻辑上有4M16位的程序空间和4M6位的数据空间，但在物理上已将程序空间和数据空间统一成一个4M16位的空间。TMS320F2812片上有128K16位的FLASH,18K16位的SRAM, 4K16位的BOOT ROM，1K16位的OTP ROM。在TMS320F2812模板上还外扩了64K16位SRAM(基本配置为64K16位，最大配置为512 K16位)，片上还外扩了256K16位的FLASH(基本配置为256 K16位，最大配置为512K16位)。扩展总线(扩展总线有4个独立的存储空间CEO-CE3，每个CEX空间为1M16位，只支持异步读写访问)和若干个控制状态接口。存储空间配置如表2.1表2.1 存储空间配置地址范围数据空间程序空间备注0 x0020000 x005FFF16K16位外扩控制/状态寄存器16K16位外扩控制/状态寄存器占Zone2和Zone1具体定义见外部存储器所示0 x0800000 x0FFFFF512K16位外扩FLASH512K16位外扩FLASH占Zone2（基本配置256）具体定义见外部存储器所示0 x1000000 x17FFFF512K16位外扩SRAM512K16位外扩SRAM占Zone2（基本配置64）具体定义见外部存储器所示0 x3FC0000 x3FFFFF16K16位外扩SRAM16K16位外扩SRAM占Zone7，当MP/MC=1,占SRAM当高16KF2812外部存储器接口包括：19位地址线，16位数据线，3个片选控制线及读写控制线。这3个片选线映射到5个存储区域，Zone0,Zonel,Zone2,Zone6,Zone7。其中，Zone0和Zone 1共用一个片选线XCSOANDI , Zone6和Zone7共用1个片选线XCS6AND7。这5个存储区域可分别设置不同的等待周期。Zone0存储区域：x002000-0 x003FFF,8K16位Zone1存储区域：0 x004000-0 x005FFF, 8K16位Zone2存储区域：0 x080000-0 x0FFFFF, 512K16位Zone6存储区域：0 x100000-0 xI7FFFF, 512K16位Zone7存储区域：0 x3FC000-0 x3FFFFF, 16K16位2.2.4 时钟和中断SEED-DEC2812用30M外部晶体给DSP提供时钟，并使能TMS320F2812片上PLL电路。PLL倍频系数由PLL控制寄存器PLLCR的低4位控制，可由软件动态的修改，外部复位信号(RS)可将此4位清零(CCS中的复位命令将不能对这4位清零)。 TMS320F2812的工作频率最高可工作在150M的主频下，也即是对输入频率进行5倍频。由于TMS320F28xx系列DSP片上有非常丰富的外设，每个片上外设均可产生1个或多个中断请求，所以TMS320F28xx系列DSP的中断要比其它系列DSP复杂。TMS320F2812的中断有两级组成，一级是PIE中断，另一级是CPU中断。TMS320F2812只有32个CPU中断源，而TMS320F28xx系列的DSP上有很多片上外设，每个片上外设可能产生1个或多个中断请求，以响应众多的片上外设事件。CPU没有足够的中断源来管理所有的片上外设中断请求，所以在F28xx系列DSP中设置了一个外设中断扩展控制器(PIE)来管理片上外设和外部引脚引起的中断请求。TMS320F28xx系列DSP的片上外设中断共有96个，被分为12个组，每组内有8个片外设中断请求。TMS320F2812有3个外部中断引脚：XINT1,XINT2和XNMI_INT13，每个中断可以设置为上升沿触发或下降沿触发，也可以被使能或禁止。在本文中，由USB产生的中断请求连接在XINT1引脚上，对应PIE中的INT1.4中断；由中断产生电路产生的中断请求连接在X1NT2引脚上，对应PIE中的INT1.5中断。目前根据系统的设计方案，实际的项目只允许使用一个外部中断，故本系统屏蔽了XINT1中断，实际上是产生了该中断，但系统并不响应。系统采用查询的方式来获得USB产生的中断请求。TMS320F2812的CPU中断共有14个屏蔽中断(INT1-INT14)和一个不可屏蔽中断NM 1。其中，INT 14来自于TMS320F2812中的32位CPU定时器2。这个定时器和CPU定时器1都是用与实时操作系统的。INT13来自CPU定时器1或者外部中断3。其余的可屏蔽中断(INT1-INT12)都来自PIE管理器。PIE将 12个CPU中断扩展为96个PIE中断。目前，TMS320F2812只使用96PIE中断中的45个。2.3 CCS概述及配置2.3.1 CCS概述CCS是一种针对TMS320系列DSP的集成开发环境,在Windows操作系统下，采用图形接口界面，提供环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具。 CCS有两种工作模式：1、软件仿真器模式：可以脱离DSP芯片，在PC机上模拟DSP的指令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调试。2、硬件在线编程模式：可以实时运行在DSP芯片上,与硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。CCS目前有CCS1.1, CCS1.2, CCS2.0和CCS2.2等几个版本，有CCS2000(针对C2xx)、CCS5000(针对C54xx, C55xx)和CCS6000(针对C6x)等几个不同的型号。各个不同的版本和型号之间的差别并不大。本实验选用的是CCS2(Code Composer Studio Version2.0)代码调试器。设计运行程序编辑和生成编辑源文件生成代码调试语法检查断点设置等分析实时调试统计，跟踪图2.3 CCS2的开发流程CCS2包含源代码编辑工具、代码调试工具、可执行代码生成工具和实时分析工具，并支持设计和开发的整个流程，如图2.3所示。CCS2除了包含HLL调试器的主要特性外，还包括下列特性:1完全集成的开发环境。CCS2将TI公司的编辑器、编译器、链接器和调试器等都集成到它的开发环境中，用户可以从菜单栏中选择TI公司的各种工具，并可以直接观察到流水线输出到窗口的编译结果。同时，出错信息加亮显示，只要双击出错信息便可以打开源文件，光标停留在出错的地方。在Windows环境中，用户可以很方便地同时编辑、调试和编译源程序。代码编译器可以跟踪一个项目中的所有文件及其相关内容。用户可以选择编译单个的文件，或者将所有文件包括在一个项目中，或者逐步建立项目。在编辑器、编译器、链接器和调试器选项中有方便的对话框。2高度集成的源代码编辑器。能动态提示C语言和DSP汇编语言源代码，能很容易地阅读和理解源代码，及时发现和定位语法错误。CCS2是一个完全集成的包含TI编译器的开发环境。CCS2目标管理系统、内建编辑器和所有的调试分析能力都集成在Windows环境中。3支持编辑和调试的后台编辑。用户在编译和调试程序时，不必退出系统而回到DOS系统中，CCS2会自动将这些工具交互式地装载到它的环境中。在代码调试窗口中，只要双击错误，就可以直接显示源代码的出错处。4对C语言源文件和DSP汇编语言文件的目标管理。编辑器能跟踪所有文件及其相关内容。这样，编译器只对最近一次编译中改变过的文件进行编译，节省了编译时间。CCS2在Windows98和Windows2000中支持多线程处理，并行管理调试器(PDM),允许将命令传播给所有的或所选择的处理器。5文件探针在算法中通过文件提取或加入信号和数据。CCS2允许用户从PC机中的文件直接读取或写入信号流，而不是实时地读取输入信号。这样，用户可以使用己有的文件来仿真算法。6可以在后台执行DOS程序。可以执行后台DOS命令，并将其输出通过流水线的方式输出，允许用户将应用集成到CCS2。7图形分析功能。具有强大的图形分析功能。8方便的代数分解窗口。可以选择查看C语言格式的代数表达式，以便容易读懂操作代码。9有在任何算法点观察信号的图形窗口探针。图形显示窗口使用户能够观察时域或者频域内的信号。对于频域图，FFT在PC机上执行，以便观察所感兴趣的部分而不需要改变它的DSP代码。图形显示也可以同探针相连接，当前显示窗口被更新探针被确定；当代码执行到这一点时，可以迅速地观察到信号。10有状态观察窗口。CCS2的可视窗口允许用户直接进入C表达式及相关变量结构、数组和指针等都能很简单地进行增加和减少，以便进入复杂结构。2.3.2 CCS的配置1配置CCS工作在软件仿真环境采用标准配置文件进行系统配置的步骤：步骤1：启动CCS配置程序。点击桌面Setup CCS2(C2000)图标，弹出对话框。步骤2：在“Import Configuration”窗口，点击清除原先配置“clear”后，清除以前定义的配置。步骤3：选中可用配置窗口中的“F2812 Device Simulator”选项后点击输入配置“Import”，然后点击完成和保存设置“Save and Quit”。接着在下面出现的窗口中选择“否(N”。步骤4：安装驱动程序。点击“Install a Device Driver”，弹出选择器件驱动程序对话框。步骤5：保存系统配置。打开“File”菜单，单击“Save”按钮，将系统配置保存在系统寄存器中，完成CCS的系统配置。此时CCS已经被配置成Simulator方式(软件仿真TMS320F2812器件的方式)。2配置CCS通过SEED-XDSUSB 2.0仿真器连接硬件环境进行软件调试和开发：(1)安装CCS软件，并按提示安装DSP通用仿真器SEED-XDSUSB 2.0在CCS环境中的驱动程序。(2)点击桌面图标“Setup CCS2(C2000)，进入CCS配置窗口。(3)出现“Import Configuration”窗口，点击清除原先配置“clear”后选中可用配置窗口中的“SEED-XDSUSB 2.0 USB Emulator for TMS320F2812”选项后点击输入配置“Import”，然后点击关闭窗口“Close。(4)在出现的窗口中用鼠标右键单击F2812 XDS510 Emulator，选“Properties”弹出“Board Properties，点击“Startup GEL File”点击“Browse”按钮，在CCS目录下找到f2812.ge1。最后保存设置。(5)Properties .”弹出“Board Properties”，点击“Startup GEL File”点击“Browse”按钮，在CCS目录下找到f2812.ge1。最后保存设置。以上配置完成后，CCS已经被配置成Emulator的方式(用仿真器链接硬件板卡的方式)，并且指定通过SEED-XDSUSB 2.0仿真器连接SEED-DEC2812V1.0开发板。 在开始的仿真器启动时，出现了错误，出错信息为“Cant Initialize Target CPU”。经过一系列工作包括:确认目标板供电正常；确认仿真器硬件的口地址设置正确；检查仿真器和目标板之间的电缆连接正确；确认将目标板的正确信息输入了CCS_ setup；最后检查到处理器有没复位，复位后正常进入。仿真器复位程序执行的功能有:1检查仿真器硬件的I/O地址正确与否；2确认没有调试器工作于多处理器模式；3复位测试总线控制器；4检查目标电压检测引脚是否上电；5置仿真器于测试逻辑复位状态；6检查仿真器是否处于TLR状态，如果不是，将会给出出错信息。图2.4 CCS配置完成图3 基于TMS320F2812数据采集实现3.1 基于TMS320F2812数据采集原理3.1.1 数据采集系统的构成下图为一个典型的数据采集系统，它是由来自外部世界传感器的输入模拟信号经过信号调理信号经过信号调理电路。模拟多路开关(MUX)，测量放大器(IA )，采样保持放大器(SHA )，进入模拟数字转换器(ADC)转换为计算机可以接受的数字信号。计算机输出的数字信号通过数据缓冲，进入DAC转换为模拟信号，再经输出信号调理电路送往外部世界的接受器。传感器接收器输入调理输出调理输入模拟信号输出模拟信号MUXIA数据缓冲数字信号数字信号CPU存储总线图3.1 典型结构的数据采集系统框图现代数据采集系统的构成，可以采用多种方式。最初的办法是采用分立元件或单件器件来搭成所需要的数据采集系统。但实际上最方便的途径是采用芯片上包含的多路选择器(MUX)，采样保持器(SHA)，模数转换器(ADC)以及计算机缓冲接口在内的单片数据采集系统，在本设计中采用的F2812芯片即集成了上述功能。(1)多路选择器(MUX )数据采集系统往往要对多路模拟量进行采集，在不要求高速采样的场合，一般采用公共的A/D转换器，分时对各路模拟量进行A/D转换，目的是简化电路，降低成本。可以用模拟多路开关轮流切换各路模拟量与A/D转换器间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到A/D转换器，从而实现分时转换的目的。一般模拟多路开关有个模拟输入端，N个通道选择器，由N个选通信号控制选择其中一个开关闭合，使对应的模拟输入端与多路开关的输出端接通，让该模拟信号通过。有规律地周期性改变N个选通信号，可以按固定的序列周期性闭合各个开关，构成一个周期性分组的分时复用输出信号，由后面的A/D转换器分时复用对各通道模拟信号进行周期性转换。在TMS320F2812上有16个多路选择入口，即最多可以对16路信号进行分时复用转换。(2)采样保持器(SHA)A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时间内希望A/D转换器输入端的模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度。这可以用采样/保持器来实现，采样/保持器的加入，大大提高了数据采集系统的采样频率。F2812上拥有2个采样保持器(SHA)。(3)模数转换器(ADC)因为计算机只能处理数字信号，所以需要把模拟信号转换成数字信号，实现这一转换功能的器件是A/D转换器。A/D转换器是采样通道的核心，因此A/D转换器是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。F2812尽管有多个输入通道和两个排序器，但只有一个模数转换器。3.1.2 ADC转换技术TMS320F2812ADC转换模块是一个12位分辨率，具有流水线结构的模数转换器。流水线结构ADC，又称为子区式ADC，它是一种高效和强大的模数转换器。能够提供高速、高分辨率的模数转换，并且具有令人满意的低功率消耗和很小的芯片尺寸；经过合理的设计，还可以提供优异的动态特性。流水线型ADC由若干级级联电路组成，每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。快速精确的n位转换器分成两段以上的子区(流水线)来完成。首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个m位分辨率粗A/D转换器对输入进行量化，接着用一个至少n位精度的乘积型数模转换器(MDAC)产生一个对应于量化结果的模/拟电平并送至求和电路，求和电路从输入信号中扣除此模拟电平。并将差值精确放大某一固定增益后关交下一级电路处理。经过各级这样的处理后，最后由一个较高精度的K位细A/D转换器对残余信号进行转换。将上述各级粗、细A/D的输出组合起来即构成高精度的n位输出。3.2 TMS320F2812 ADC模块介绍3.2.1 ADC转换模块的功能特点TMS320F2812内部集成了ADC转换模块，该模块具有如下主要特性：（1）12位的分辨率，内置双采样保持器（S/H）；（2）16路模拟输入（0-3V）；（3）2个模拟输入复选器；（4）每通道8路模拟输入；（5）2个采样/保持单元（每路一个）；（6）串行、并行2种采样工作模式；（7）自动序列化：在单一时间段内提供16通道的自动AD转换；（8）2个独立的8通道序列化；（9）16个独立的结果转换寄存器（分别设定地址）保存转换结构；（10）多触发源启动序列转换（SOC）；（11）触发源可以为：外部触发、软件直接启动、事件管理器A/B三种。ADC模块共有16个输入通道，可级联为一个16个通道的模块，也可以配置为2个独立的8通道，它的内部只有一个转换器。为获得更高精度的模数转换结果，正确的PCB板设计是非常重要的。连接到ADCINxx引脚的模拟量输入信号线要尽可能地远离数字电路信号线。为减少因数字信号的转换产生的耦合干扰，需要将ADC模块的电源输入同数字电源隔离开。3.2.2 自动转换排序器的操作原理模数转换模块ADC排序器由两个独立的8状态排序器(SEQI和SEQ2)构成，这两个排序器还可以级联构成一个16状态的排序器(SEQ)。这里的状态是指排序器内能够完成的ADC自动转换通道的个数。对于这两种排序器：模式单排序器模式（级联构成16状态）和双排序器模式(两个相互独立的8状态)，模数转换模块ADC都可以对一系列转换进行自动排序，每次模数转换模块收到一个开始转换请求，就能自动地完成多个转换。对于每个变换，可通过模拟复用器选择16个输入通道中的任何一个。转换结束后，所选通道转换的数字量保存到相应的结果寄存器(ADCRESULTn)中。用户也可以对同一通道进行多次采样，从而实现过采样算法，过采样模式有利于提高采样的精度。在双排序器连续采样模式下，一旦当前工作的排序器完成排序，任何一个排序器的挂起ADC开始转换都会开始执行。例如，假设当SEQ1产生ADC开始转换请求时，ADC正在对SEQ2进行转换，完成SEQ2的请求后会立即启动SEQ1。如果SEQ1和SEQ2的SOC请求都没挂起，且SEQ1排序器有更高的优先级，这时假如ADC模块正在处理SEQ1，SEQ1和SEQ2同时产生SOC请求，当ADC完成SEQ1的有效排序后，将会立即处理新的SEQ1的转换请求，SEQ2的转换请求仍然被挂起。ADC可以工作在同步采样模式或者顺序采样模式。对于每一个转换(或在同步采样模式中的一对转换)，CONVxx位确定采样和转换的外部模拟量输入引脚。在顺序采样模式中，CONVxx4位都用来确定输入引脚，最高位确定采用哪个采样并保持缓冲器，其他3位定义偏移量。例如，如果CONVxx状位的值010lb，ADCINA5就被选为输入引脚。如果CONVxx的值是101lb，ADCINB3被选为输入引脚。在同步采样模式，CONVxx寄存器的最高位不起作用，每个采样和保持缓冲器对CONVxx寄存器低3位确定的引脚进行采样。例如，如果CONVxx寄存器的值是0110b，ADCINA6就由采样和保持器A(S/H-A)来采样，ADCINB6由采样和保持器B(S/H-B)来采样。如果CONVxx寄存器的值是100lb，ADCINAl由采样和保持器A来采样，ADCINB1由采样和保持器B来采样。转换器首先转换采样和保持器A中锁存的电压量，然后转换采样和保持器B中锁存的电压量。采样和保持器A转换的结果保存到当前的ADCRESULTn寄存器(如果排序器己经复位，SEQ1的结果放在ADCRESULT0)。采样和保持器B转换的结果保存在下一个ADCRESULTn寄存器(如果排序器己经复位，SEQ1的结果放在ADCRESULTI)，结果寄存器指针每次增加2。3.3 采样定理采样定理说明了：一个带宽限制在0的模拟信号x(t)，唯一地由一系列时间间隔不大于1/2秒的均匀采样值确定。这相当于在信号最高频率时，每一周期最少提取两个采样值。设采样后得到的采样信号为，为采样间隔。有公式： （式3.1）上式意义在于证明了：只要采样频率高于两倍信号频谱，整个连续信号就可以用它的采样值完全代表，而不致损失任何信息。有两种基本的数字化采样方式：实时采样和等效时间采样。实时采样就是当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采入并且数字化，然后经过一个采样周期，再采入下一个样本，直到整个波形数字化后存入存储器。它的优点是信号波形一到就采入，因此适合于任何形式的信号波形，并容易实现波形显示功能；缺点是时间分辨率差，每个采样点的采入、量化、存储，必须在小于采样间隔的时间内全部完成。实时采样一般又分为定时采样和等点采样，定时采样就是一般常规采样，也叫做等间隔采样，其采样数据的容量与模拟信号的最高频率以及采样时间成正比，所以模拟信号的频率越高，测量时间越长，所需要的数据存储空间就越大，这就影响了数据采集系统的采集范围；等点采样是指不论被测信号频率为多少，一个信号周期内均匀采样点数总共为N个，这样采样信号周期随被测信号周期变化，故又叫做变步长采样，它能满足系统精度的要求，较之等间隔采样更能合理使用系统内存单元。等点采样法是最初采用的方法，等点采样是指信号周期T，采样间隔，及采样点数N严格满足等式T=N。等点采样法又被称作同步采样、等间隔整周期采样或等周期均匀采样。理论上只要严格满足T=N且N2M(M为被测信号最高谐波次数)，用等点采样法就不存在测量方法上的误差。同步采样法需要保证采样截断区间正好等于被测信号周期的整数倍，当被测信号的周期T变化时，采样间隔必须随之改变，保持同步变化。然而，由于下列主要原因，严格意义上的同步采样是难以实现的：1信号周期T的测量不会绝对准确，尤其是对于电网信号来说，其频率总是在一定范围内波动的；2微控制器中定时器的定时精度受最小定时单位(分辨率)的限制；3A/D转换、程序执行等都会产生时间延迟。因此在实际采样测量中，采样周期不能与被测信号周期实现严格同步，即N次采样不是落在2区间上，而是落在2+,称为同步偏差(其值可正可负)等点采样方法分为硬件同步采样和软件同步采样法。硬件等点采样主要通过锁相电路来构成频率跟踪电路，然后通过分频电路来控制数字采样的触发信号，从而实现同步等间隔采样。由于硬件同步采样中，锁相电路调试困难，尤其在频率发生变化时，有出现失锁的可能，最终将会造成很大的方法误差。从实际使用的情况来看，由于软件等点采样方法省略了硬件锁相电路，结构简单，因此，软件同步采样是目前交流采样的主要方法而得到广泛应用。软件同步采样先测取被测信号的周期T，该被测信号的周期T由TMS320F2812的捕获单元所测的频率f得到，因为周期T等于频率f的倒数，即T=1 /f。将该周期除以一个周期的采样点数N，得到采样间隔(采样周期)，即=T/N。按此间隔采样N(128)点。以确定定时器的计数值，用定时中断方式实现同步采样。而定时器初值由DSP赋值，受其时钟周期不能无限小的限制，理论计算所得时间间隔与定时器设定的时间间隔相比，存在一个偏差值，随着采样点的增加，偏差值不断累积，产生同步误差。设定时器的计数周期为，则定时器的计数值为T/（N)(N为一周期内采样点数)，由于受定时器最大计数频率不能无限大的限制，T/(N)一般不