（信号与信息处理专业论文）基于dsp的多通道信号采集分析系统的研究与应用.pdf

摘要 d s p 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 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。2 0 世纪6 0 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，而数字信号处理器( d s p ) 的出现，很好的满足 了信号采集系统对于核心微控制处理器的要求，采用d s p 作为信号采集系统的 c p u 的研究与应用目前也逐渐引起业内重视。而随着微电子制造工艺水平的飞 速提高及数据分析理论的进一步完善与成熟，国内外在对信号采集系统的高性 能研究上取得了很大的成就。采样通道由单通道发展到双通道、多通道，采样 频率、分辨率、精度逐步提高，为分析功能的加强提供了前提条件。因此，国 内外以d s p 作为数据采集系统的采样控制和分析运算的研究与应用正在展开。 在上述背景下，本文论述了一种基于数字信号处理器( d s p ) 的信号采集与 采集数据处理系统的设计方案，并给出了具体的软硬件实现方法。系统使用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型号的d s p 芯片作为核心处理器，实现了六通道信号的 a d 采样、采样数据处理、处理结果显示以及系统整体按键控制等功能。本文主 要从以下几个方面来论述整个系统的设计方案： 1 1 确定系统的开发技术路线，包括简要的理论基础、处理器和开发板的选 型以及系统性能参数的设定等； 2 ) 详细研究了系统理论基础，包括频谱分析原理，误差分析，以及2 0 4 8 点实序列f f t 变换在d s p 上的高效实现等； 3 ) 设计了系统硬件电路，包括前端输入信号调理电路设计和实现、系统内 部硬件资源分配以及液晶接口、键盘接口的实现等； 4 ) 实现系统软件设计，包括整个系统程序流程的设计、各个模块应用程序 的实现和内核模块的初始化设置等； 本次的信号采集系统设计方法简便可行，可作为廉价的信号采集模块，或 者稍加改进作为简易数字示波器。 关键词：多通道信号采集，数字信号处理，频谱分析，波形显示 a b s t r a c t d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，r e f e r r e da sd s p ) i sad i s c i p l i n et h a ti n v o l v e di n m a n ya r e a so fd i s c i p l i n e sa n dw i d e l yu s e di nm a n yd i s c i p l i n e s s i n c et h e2 0 t hc e n t u r y , 6 0y e a r s ，w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e ra n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u eh a v ee m e r g e da r dd e v e l o p e dr a p i d l y d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gi sak i n do fm e t h o dt h a tu s e sm a t h e m a t i c a ls k i l l st oc o n v e r to r e x t r a c ti n f o r m a t i o n ，i no r d e rt od e a lw i t ht h er e a ls i g n a lw h i c hi sm a d eu po fs e q u e n c e o fn u m b e r s i nt h ep a s t2 0y e a r so rm o r e ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gh a sb e e na p p l i e di n t e l e c o m m u n i c a t i o na n do t h e rf i e l d s i nt h ep a s tt w e n t yy e a r s ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g h a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fc o m m u n i c a t i o n s a n dw i t ht h ee m e r g e n c eo ft h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，t h e d s pm e e t st h ec o r er e q u i r e m e n t so fm i c r o c o n t r o l p r o c e s s o ro ft h es i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m ，p e o p l ep a y sm o r ea t t e n t i o ni nr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n so nu s i n gt h ed s pa st h ed a t aa c q u i s i t i o n sc p ui nt h ei n d u s t r y w i t ht h e r a p i di m p r o v e m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c sm a n u f a c t u r i n ga n dt h em a t u r eo ft h et h e o r y a b o u td a t a a n a l y s i s ，p e o p l e h a sm a d e g r e a ta c h i e v e m e n t si nt h er e s e a r t ho n 1 1 i g h p e r f o r m a n c es i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m s s a m p l ep a s s a g eh a sd e v e l o p e dt ot h e d u a l - c h a n n e l ，s i n g l e c h a n n e l ，a n dm u l t i c h a n n e l w 1 1 i l es a m p l i n gf r e q u e n c y r e s o l u t i o n a n da c c u r a c yh a si m p r o v e & a l lt h a ti m p r o v e dt h ea n a l y s i sc a p a b i l i t i e s t h e r e f o r e ，a t h o m ea n da b r o a d ，t h er e s e a r c ho nh o wt ou s ed s pa sas a m p l e d - d a t ac o n t r o la n d a n a l y s i so fc o m p u t i n go nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma r es t a r t e d t 1 1 i sa r t i c l ed i s c u s s e sak i n do fd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e md e s i g n w h i c hi sb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i nt h ep a p e r , w eu s et i sd s pc h i p t m s 3 2 0 f 2 81 2m o d e la sac o r ep r o c e s s o rt oa c h i e v et h ec o n t r 0 1o fs i xp o r t sa d s a m p l i n g ，t h es a m p l i n gd a t ap r o c e s s i n g ，d i s p l a yo fp r o c e s s i n gf u n c t i o n sa n dt h e c o n t r o l l i n go ft h ew h o l es y s t e mo fk e y sa n ds oo n t h ed e s i g no ft h ew h o l es y s t e mi s d i s c u s s e di nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 ) c o n f i r mt h et e c h n i c a lp a t ho fs y s t e m se m p o l d e r , i n c l u d i n gt h es i m p l eb a s i s o ft h et h e o r y , t h es e l e c t i o no ft h ep r o c e s s o ra n dt h eb o a r d ss a m p l e ，t h es y s t e m p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n do t h e rs e t t i n g s 2 ) d i s c u s s e st h et h e o r yo ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l eo fs p e c t r u m a n a l y s i s ，e r r o ra n a l y s i s ，i m p l e m e n t2 0 4 8p o i n t sf f to nd s e 3 ) d e s i g nt h eh a r d w a r eo ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gf r o n t - e n ds i g n a lc o n d i t i o n i n g c i r c u i ta n da n t i s l i a s i n gf i l t e rc i r c u i td e s i g n ，t h ea l l o c a t i o n so ft h eb o a r d sr e s o u r c e ，a s w e l la st h es e t t i n go fl c di n t e r f a c ea n dt h ek e y b o r d i i 4 li 。m p l e m e m t h ep r o g r a mo ft h es y s t e m ，i n c l u d i n g t h ep r o c e s s e so f t h ew h 0 1 e s y 兰e m 警，d e s i g n o fw h o 】ep r o g r a mp r o c e s s ，e a c hr o o d e l sp r o g 瑚n i m p l e m e n 毛t h e 3 c t l l n g s0 it i l ec o r em o d e l si n i t i a l s t 、1 等s ：吼e mh a s 孔h i e v e d t h ep a r t i c u l a r f u n c t i o no fd a t aa c q u i s i t i o na n d _ 蛾e s s l 鼍s y s t e nt h e d e s i g nm e t h o di ss i m p l ea n df e a s i b l e ，w h i c hc 孙e u s e da s l o w 。- c o s t d a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e ，o ral i u l e i m p r o v e m e n ta sas i m p i e d i g i t a l k e yw 。r d s ：m u l t i p 。r ts i g n a la c q u i s i t i 。n , d s p , f f t , w a y e f 0 】胁d i s p l a y i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 2 0 幻3 、鼬 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将 本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：向象涩 导师( 签名) ：f ) j 乜i 广刍聚日期五，o 工加 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 信号采集系统的基本功能 “信号采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后， 再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为信号采集系 统。 从严格意义上说，信号采集系统应该是用计算机控制的多路信号自动检测 或巡回检测，并且能够对信号采集后的采样数据实行存储、处理、分析计算， 以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。总 之，不论在哪个应用领域中，信号的采集与采集到的数据处理越及时，工作效 率就越高，取得的经济效益就越大。 信号采集系统的任务，具体地说，就是传感器从被测对象获取有用信息， 并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的 处理，得出所需的数据。同时，将计算得到的数据进行显示、储存或打印，以 便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制 系统用来进行某些物理量的控制【。 信号采集系统一般由信号输入通道、采样数据存储与管理、采样数据处理、 采样数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测、采 样和信号转换等工作。采样数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起 来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。采样数据处理就是从采集到的原 始数据中，删除干扰噪声、无关信息和不必要的信息，提取出反映被测对象特 征的重要信剧2 1 。另外，就是对采样数据进行统计分析，以便于检索；或者把采 样数据恢复成原来的物理量形式，以可输出的形态在输出设备上输出，如打印、 显示、绘图等。采样数据输出及显示就是把采样数据以适当的形式进行输出和 显示【3 】o 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 信号采集系统的现状和发展趋势 1 2 1 信号采集系统的现状 信号采集与处理一直是生产实践研究与应用领域的一个热点和难点。随着 微电子制造工艺水平的飞速提高及数据分析理论的进一步完善与成熟，目前国 内外在对信号采集系统的高性能研究上取得了很大的成就。就a d 转换的精度、 速度和通道数来说，采样通道由单通道发展到双通道、多通道，采样频率、分 辨率、精度逐步提高，为分析功能的加强提供了前提条件【4 1 。对于信号采集模块， 通常要求其能对多通道进行并行处理，具备较高的实时性并具有一定的数据预 处理能力。随着现代检测与控制系统复杂性的提高，对信号采集模块也提出了 新的要求。在许多控制系统中，要求信号采集模块能够对多个信号通道进行实 时、高速采集和高精度的数据预处理。 传统的信号采集处理系统多以单片机作为微控制处理器，但对于高精度、 高速度、实时的信号采集和处理系统，单片机难以适应高精度信号采集和处理 的要求，特别对于数字信号处理算法如数字滤波、f f t 等实现较为困难1 5 1 。 数字信号处理器( d s p ) 的出现和广泛应用，很好的满足了信号采集系统对 于核心微控制处理器的要求【6 】。与传统的冯诺依曼总线结构不同的是，d s p 采 用的是哈佛总线结构，特点是程序和数据具有独立的存储空间，有着各自独立 的程序总线和数据总结；可以同时对数据和程序进行寻址，并且在指令上实现 了多级流水线操作；采用特殊的数学运算指令快速实现了乘法累加器等常用的 数字处理运算操作；d s p 比单片机有更快的指令执行速度，精度更高，这大大 提高了数据处理能力，适合于实时数字信号处理【7 1 。 1 2 2 信号采集系统的发展趋势 伴随着高性能微处理器的采用和用户技术要求的不断提高，信号采集系统 的功能也越来越完善。信号采集系统的发展主要体现在以下几个趋势： 首先，在专业测控方面，基于p c 计算机的信号采集系统越来越成熟和智能 化。在过去的二十年中，开放式架构p c 机的处理能力平均每十八个月就增强一 倍。为了充分利用处理器速度的发展，现代开放式测量平台结合了高速总线接 口，如p c i 和p x i c o m p a c t p c i ，以便获得性能的进一步提升。计算机的性能提 升和由此引起的基于计算机的测量技术的创新，正在持续不断地模糊着传统仪 2 武汉理工大学硕士学位论文 器和基于计算机的测量仪器之间的界线【8 】。 其次，在通用测控方面，采用嵌入式微处理器的方案也由早期的采用a d 器件和标准单片机组成应用系统发展到在单芯片上实现完整的数据采集与分 析，即目前极为热门的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。通常在一块芯片上会集成一个 可以采样多路模拟信号的d 转换子系统和一个硬c p u 核( 比如增强型8 0 5 2 内核) ，而且其c p u 的运算处理速度和性能也较早期的标准c p u 内核提高了数 倍，而且有着极低的功耗。这种单芯片解决方案降低了系统的成本和设计的复 杂性。 此外，为了解决s o c 方案中数据处理性能的不足，采用d s p 作为信号采集 系统的c p u 的研究与应用目前也逐渐引起业内重视( 如t i 近年设计的 t m s 3 2 0 c 2 4 0 x 系列芯片就是一款较为完整的数据采集与控制单片系统) 。但是这 类产品目前仅仅处于发展的初级阶段，在精度、速度或其它性能指标上并不能 很好的满足要求。因此，国内外以d s p 作为数据采集系统的采样控制和分析运 算的研究与应用正在展开【9 】。 1 3 本课题的内容和研究意义 1 3 1 本课题的预期目标及整体规划 本课题主要研究一个基于d s p 的信号采集与处理系统，主要用于存储波形 采集数据、显示波形、波形频谱分析等。经过最初的设计，确定了以下基本的 技术开发路线： 1 ) 基于总体功能预期适用性的考虑，我们决定用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为此系 统的主处理芯片，在此核心芯片的基础上外扩来达到最初目的； 2 ) 考虑到被采集模拟信号的不确定性，系统前端必需要有相应的调理电路 ( 加法电路、电平跟随电路、电平移位电路等) ； 3 ) 要有信号采集的核心模块，鉴于d s p 内部有自带的a d 采样转换模块， 且采样分辨率( 1 2 位) 能达到课题的基本需求，遂不用外接a d 转换采样芯片： 4 ) 外部扩展l c d 显示屏作为时域波形和频域波形的显示工具【1 0 】。 以上是此系统的基本硬件模型，此系统的软件模型是：前端模拟信号通过 调理电路处理后进行a d 采样，使得模拟信号变换为数字信号，将其抽取部分 归一化后作时域波形显示；同时数字信号处理器对数字量进行相应处理，同样 归一化后作频域波形显示。下面是具体的系统结构框图( 图1 1 ) ，从中大家可以 武汉理工大学硕士学位论文 看到粗略的数据量的行走路线，也是整个系统设计的基本核心思想。 d s p j-l i 模拟 调多通 s r a m 数据缓存 通道理道信内部 输入 斗 电 号采 数据一c p l d 撇l j h 液晶显示 信号 路集处理 1 l 按键控制 图1 1 信号采集处理系统的原理框图 1 - 3 2 本课题的研究意义 本课题的研究就是针对多路信号采样展开，旨在研制出低成本的并具有一 定通用性的信号采集分析系统，以满足生产中大多数场合信号采集的需要，同 时希望能往电力参数的测量方向发展，能测量三向电流和三向电压的各种特征 值，并能记录各通道波形，使波形重现，为电力参数的数据分析提供强有力的 数据支持f l l 】。 1 3 3 体系结构 本文第一章主要介绍了信号采集系统的发展现状和发展趋势、课题的研究 背景、意义和内容。第二章将主要从硬件的角度，介绍此系统的总体设计方案， 从d s p 的内部特征和外部扩展着手，使大家能全面了解此系统的运行模式。第 三章将主要介绍傅里叶变换算法原理以及在此系统上的实现。第四章将介绍此 系统的软件开发环境以及软件开发流程，具体到开发过程中所遇到的难点及处 理办法。 1 4 本章小结 本章首先介绍了信号采集系统的功能、发展现状和发展趋势，然后粗略地 阐述了本课题的预期目标、整体规划和研究意义，最后给出了本文的组织体系， 为后续详细地介绍此系统打下了坚实的基础。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统硬件总体设计 任何一个系统都需要有良好的硬件平台作为支柱，选择一个好的硬件开发 平台并不是说选尽可能高端的芯片，也不是说选择的芯片功能越齐全越好。其 实选择合适的硬件平台是一项复杂的工作，必须从多方面来考虑。不过硬件选 择的基本原则是在能满足既定功能要求的条件下硬件平台的价格越低越好，选 择了一个良好的硬件平台可以为应用软件的开发提供许多便利。 2 1 硬件平台的选择原则 选择一个好的硬件平台首要解决的是选择一个合适的核心控制芯片，基于 系统是做多通道的信号采集与处理，d s p 核心控制芯片是最好的选择。通用d s p 芯片适用于普通的数字信号处理；而专用d s p 芯片是为某些特殊的数字信号处 理运算而专门设计的，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和f f t 等。 2 1 1d s p 芯片的选择 本系统的主处理芯片采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，它集成了高性能的d s p 内核和片内外设于一个芯片内，是传统的微控制单元与昂贵的多片外设的一种 廉价替代品。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片具有如下特剧1 2 】： 采用高性能的静态c m o s 技术： 主频达15 0 m h z ( 时钟周期6 6 7 n s ) ； 低功耗设计。 高性能3 2 位c p u ： 哈佛总结结构； 统一寻址模式； 4 m b 的程序数据寻址空间； 高效的代码转换功能( 支持c c + + 和汇编) 。 片上存储器： 最多达1 2 8 k 1 6 位的f l a s h 存储器； 武汉理工大学硕士学位论文 最多达1 2 8 k 1 6 位的r o m ； 1 k x l 6 位的o t pr o m ； l 0 和l 1 ：两块4 k x l 6 位的单周期访问洲( s a r a m ) ； h o ：一块8 k x l 6 位的单周期访问r a m ( s a ra m ) ； m 0 和m 1 ：两块1 1 6 位的单周期访问r a m ( s a r a m ) 。 外部存储器扩展接口： 最多1 m b 的寻址空间； 3 个独立的片选信号。 三个3 2 位c p u 定时器。 1 2 位模数转换模块： 2 x 8 通道复用输入接口； 两个采样保持电路； 单连续通道转换； 流水线最快转换周期为6 0 n s ，单通道最快转换周期为2 0 0 n s 。 先进的仿真调试功能： 分析和断点功能； 硬件支持适时仿真功能。 可以看出，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 完全能满足系统的功能需求，而且此芯片有丰富 的片内外设，性能价格比很高。综上所述，本系统决定选择以此芯片为核心模 块的硬件平台。 2 1 2 本课题硬件平台的选择 根据本课题控制系统的实际需要，结合考虑d s p 的综合性能评价指标，本系 统采用开发板之家的e a s y 2 8 1 2 开发板，此开发板有丰富的内部资源和外部扩展， 可以完全满足本课题的研究内容。此硬件开发板如下图所示。 6 武汉理上大学硕士学位论文 圈2 1e a s y 2 8 1 2 硬件电路开发板 选择这一开发板的原因大家可以很清楚的从上图看到，课题所需要的六通 道a d 采集通道，t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 芯片内部可提供多达1 6 通道， 而且通道全部外接很方便外接信号供采集访真使用，而采集的数据可以存在外 部扩展r a m 中，虽然外扩r a m 只有2 5 6 k ，但是作为六通道数据显示缓冲区 也已经是绰绰有余，同时此硬件电路开发板通过c p l d 的总线扩展，可以将1 2 8 6 4 的液晶显示屏并行连接在总线上，这样d s p 对液晶屏的读写操作就更加便捷。 总之，选择这一开发板不仅可以有效减少系统外围接口芯片电路，易于数 字信号处理的实现，而且鉴于接口多样，方便扩展，从而有利于系统升级，以 此达到提高系统整体性能和工作效率的目的。 21 _ 3 本课题硬件电路开发板的相关技术指标 d s p 处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，3 2 位定点高速数字处理器，最高工作频率 1 5 0 m ； 片内内置1 2 8 k x l 6 位f l a s h ，利用烧写插件可以方便的固化用户程序， f l a s h 可加密： 武汉理工大学硕士学位论文 片内内置1 8 k 1 6 位s r a m ； 扩展2 5 6 k 1 6 位s r a m ，i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l ( 起始地址o x l 0 0 0 0 0 ) ； 扩展5 1 2 k 1 6 位f l a s h ，s s t 3 9 v f s 0 0 ( 起始地址0 x 8 0 0 0 0 ) ，方便用户 烧写较大程序； 提供1 6 路1 2 位a d 输入接口，3 、4 路加了限流和运放处理，输入范围 o 3 v ： 提供1 2 8 6 4 中文图形液晶接口。 芯片最大的特点是统一循址，能通过片选线来访问不同的空间，以实现 不同的器件操作。 以上便是与本课题有关的电路开发板的相关技术指标，了解了这些后，我 们将从信号采集数据的角度来深入了解本课题电路开发板和前端调理电路的硬 件电路图，及相应技术指标参数【1 4 1 。 2 2 具体模块硬件设计 本章的前一节，我们了解了整个系统的硬件平台以及其相关技术指标，虽 然整个硬件平台按功能模块划分的话有很多，但是实际上用到的硬件模块只有 下面几个【15 】：a d 采集模块、c p l d 总线扩展模块、按键及l e d 控制模块、外 部r a m 存储模块和l c d 显示模块。但是要将这四个模块协调好，以至使系统 能完成相应的功能，一定要对这几个模块的连接方式有一个深入的了解，这样 在编写软件程序时才能事半功倍。 2 - 2 1 调理电路与a d 采样 前面提到，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 可以提供1 6 路1 2 位a d 输入接口，可配置成2 个独立的8 通道模块。但是d s p 能接受的外部被采样信号在0 - 3 v ，外部输入 电压值不能超出这个范围，因此信号进入a d 采样引脚之前，必须要加入调理 电路，使信号的电压值符合d s p 的电压值范围。调理电路如图2 2 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 电手穆经电路 图2 2 调理电路 下面我将把调理电路按照功能的不同，分开解析它们各自的功用，总体而 言就是将信号的电压调节到0 3 v ，以满足d s p 内部a d 引脚的采样要求。 2 2 1 1 加法器电路 加法器电路采用由运放构成的反相加法器。如图2 3 。 加法电罄 气r 图2 3 加法器电路 本电路为由运放构成的反相加法器。由于需要分析的信号频率范围在1 1 0 0 k h z ，因此运放采用l m 3 5 6 高速运放，其带宽增益积为3 0 0 k h z 。本电路主 9 武汉理工大学硕士学位论文 要用于信号叠加，增益为l ，考虑到信号输出阻抗，此处输入电阻选取1 0 k ，反 馈电阻亦为1 0 k 。 2 2 1 2 电平跟随电路 电平跟随电路实际上是通过可变电阻产生一个直流电平，然后通过与电平 移位电路的输入信号叠加，使得输出信号成为单极性信号。电平跟随电路如图 2 4 。 电孚，跟随电 2 2 1 3 电平移位电路 + l 如 图2 - 4 电平跟随电路 电平移位电路是采用运放构成的反相加法器，其主要作用是将信号与电平 跟随电路所产生的直流电平叠加，从而使得输出信号成为单极性信号。而且使 用两次反相加法器可以还原初始信号的相位，最低程度的减少原信号的失真。 跑平移位电路 芎 图2 5 电平移位电路 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 4 a d 转换电路 模数转换模块a d c 有1 6 个通道，可配置为2 个独立的8 通道模块，分别 服务于事件管理器a 和b ，两个独立的8 通道模块也可以级联构成一个1 6 通道 模块。尽管在模数转换模块中有多个输入通道和两个排序器，但仅有一个转换 器。两个8 通道模块能够自动排序，每个模块可以通过多路选择器( m u x ) 选 择8 通道中的任何一个通道。对于每个通道而言，一旦a d c 转换完成，将会把 转换结果存储到结果寄存器( a d c i 迮s u l t ) 中。自动排序器允许对同一个通道 进行多次采样，用户可以完成过采样算法，这样可以获得更高的采样精度【1 6 】。 此a d 采样模块有多个触发源可以启动a d c 转换( s o c ) ，转换的结果可 以存放在对应的1 6 个结果寄存器当中，转换后的数字量可以表示为： 数字值= 4 0 9 5 x 笪堡塑篁二垒里竺兰q 3 下面便是此硬件开发板上的a d 采样模块电路图。 量兰兰兰兰兰主妄妄妄主鲁耋耋熹茎参参荽参；蓼荽；享参参荽要茎 黜季蚕莎莎巧莎” ” 址c o 二 7 五i ) c 量3 j x t 3 4 五d c 叠3 ， x 卫3 6 期x 器8 了 矗2 龇 捌x 撇 d c k i i 却) 删 翻x t ：芯 捌x 黼 期x 粼 翔) c 嘲 捌x 凇 埘 譬s 譬畦 图2 - 6 a i d 转换电路 为获得更高精度的模数转换结果，正确的p c b 板设计是非常重要的。连接 一一一一一一嘞憾一 武汉理工大学硕士学位论文 到a d c i n x x 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。为了减 少因数字信号的转换产生的耦合干扰，需要将a d c 模块的电源输入同数字电源 隔离开。 2 2 2 时钟振荡电路 锁相环( p l l ) 模块主要用来控制d s p 内核的工作频率，外部提供一个参 考时钟输入，经过p l l 倍频或分频后提供给d s p 内核。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 有4 位倍频位，能够实现0 5 - - 一1 0 倍的倍频。 下图为本开发板上采用的电路，采用的是内部振荡器方式，选用的外部晶 振为3 0 m 的电路。 z 一 | 山z 2扣 寒曼 一 o g p x g 5s c 图2 7 时钟振荡电路 1 2 n 受floo譬o 卜111基。o 妨p o 卜 卫i l i卫| i i 2 2 3 外扩r a m 和外扩f l a s h 电路 1 1 t 舫! a 0l _ o 。 7 d c 五l： a ll o i sd ： 芷5 五2o： 9d ： ； l od j 甜5 五3l 。3 i 3 a 4 1 0 4 1 3m 筋 9 a 51 0 5 1 4d 5 a ?2 0 篮1 0 6 1 5d 6 硒二l a 7l 。? 1 5d j 五9：2 i o s 冀d s 盖1 0 2 3 l 。9 3 0d 9 3 ld ：0 五1 n a 1 ll o v 3 ：d ： i 五i ：誓 a l ： l _ o ， 3 5d ： 3 6d ：ja t ；2 6 五b1 03 五l 二二j a 1 41 04 3 7d ：4 五1 54 2 3 8d ： j e j l 4 4 越6 越7 = c 1 1 职= 】c c 筠6 v 司丁 w tl j 匹 b b 嚣d4 l g z 拍 o e 1 2 一i l nb l o i 3 9 四q l bq o 3 ；1 t c 1 2 s 筑弼下g 图2 - 8 外扩r a m 和外扩f l a s h 电路 图2 8 左u 1 1 是外部扩展r a m ，选用的型号是i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l ，2 5 6 k 1 6 b i t 大小l l 。这里用了a 0 - 一a 1 7 共1 8 根地址线，最大为2 5 6 k ；d 0 - d 1 5 共1 6 根 数据线。片选c s 6 和读写w r ，r d 信号都是由d s p 引出来的，此扩展r a m 主 要是用来存储数据。图右u 1 2 是外扩的f l a s h ，型号为s s t 3 9 v f 8 0 0 ，5 1 2 k x l 6 b i t 大小，方便烧写较大程序。这里和外扩r a m 的区别就是在地址线上面比外扩 r a m 多了一根，所以最大可以达到5 1 2 k ，片选信号用c s 2 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 ，4l e d 灯和按键电路 图2 9l e d 灯和按键电路 按键和l e d 灯是所有硬件开发板上最基本的控制和显示元素，可以说任何 电子产品都离不开这两个基本的元素，本课题研究在a d 通道的选用上，在系统 的操作流程上都要用到按键和l e d 灯，在这个开发板上，这两个基本控制物都 是用c p l d 外扩在d s p 总线上的，根据c p l d 的程序，我们可以知道，l e d 灯 的地址和键盘地址分别为：0 x 4 1 0 0 和0 x 4 8 0 0 ，并且对于d s p 数据总线而言，l e d 灯的地址是只能写数据，而键盘地址是只能读数据的，这些都是由c p l d 的输 入输出引脚以及内部程序所决定的【1 8 】。这一点对以后软件程序的编写是相当重 要的，否则就会出错。 2 2 5 液晶显示系统硬件设计 在了解液晶与系统的硬件连接之前，我们首先要对液晶屏的用法有一个初 步的了解，这样才能知道液晶屏应该以怎样的方式连接在d s p 上，可以使d s p 更方便的读写液晶屏的数据，使液晶屏能最有效的发挥其显示的功效。 2 2 5 1 液晶屏的内部硬件结构 此系统使用的液晶屏型号是f y d l 2 8 6 4 0 4 0 2 b ，这是一种具有4 位8 位并行、 2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图 形液晶显示模块；其显示分辨率为1 2 8 x 6 4 ，内置8 1 9 2 个1 6 1 6 点汉字，和1 2 8 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 个1 6 8 点a s c i i 字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令， 可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8 x 4 行1 6 1 6 点阵的汉字，也可完 成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案 与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简 洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块【1 9 】。很显然，以8 位并行的方式连接d s p ，可以做到最快的读写液晶屏的数据，下面给出液晶屏 并行连接的引脚功能表。 表2 1 液晶屏并行接口功能表【2 0 】 管脚号管脚名称电平管脚功能描述 1v s s0 v 电源地 2v c c3 0 + 5 v电源正 3v 0 对比度( 亮度) 调整 r s = “h ”，表示d b 0 - - - d b 7 为显示数据 4 r s ( c s ) h l r s = “l ”，表示d b 啪b 7 为显示指令数据 w = “h ”，e = “h ”，数据被读到d b 0 - - - d b 7 5 r w ( s l d ) h l r j w = “l ”，e = “h - - - ，l ”，d b 0 - - - d b 7 的数据被写到i r 或d r 6 e ( s c l k ) h l使能信号 7d b oh l 三态数据线 8d b lh 几 三态数据线 9d b 2h l 三态数据线 1 0d b 3h l 三态数据线 1 1d b 4h l 三态数据线 1 2 d b 5h l三态数据线 1 3d b 6h l 三态数据线 1 4d b 7肌 三态数据线 1 5p s bh l h ：8 位或4 位并口方式，l ：串口方式 1 6n c 空脚 1 7 瓜e s e th l复位端，低电平有效 1 8 v o u tl c d 驱动电压输出端 1 9av d d 背光源正端( + 5 v ) 2 0kv s s 背光源负端 2 2 5 。21 2 8 6 4 图形l c d 驱动电路 下面给出此图形l c d 与d s p 连接的电路图【2 1 】，结合上面所给的表2 1 ，就 可以知道此图形l c d 具体的读写方式，也就是怎么来通过d s p 操作此液晶屏。 武汉理工大学硕士学位论文 l 缎 最s l i m ：， 敝叫 莎r r ) 】 莎一 毯： 融 d 6 f 一 图2 1 0l c d 液晶屏连接电路 从上图及表2 1 我们可以知道，由于第1 7 引脚接在电源和电容之间，又因 为第1 7 脚是低电平有效的复位端，显然当电源通电时l c d 由于第1 7 引脚的低 电平而自动复位。而第5 引脚刚w 读写引脚接地，这就说明液晶屏只能写数据 而不能读。第4 、5 、6 三个引脚联合起来就可以控制d s p 对液晶写指令数据或 是普通数据，而4 、6 引脚是连接在d s p 的i o 口i o p f 4 和i o p f 5 上的，通过 表2 1 我们知道，当i o p f 4 输出低电平时，利用i o p f 5 的下降沿可以向液晶屏 写指令数据，反之当i o p f 4 输出高电平时，利用i o p f 5 的下降沿可以向液晶屏 写普通数据，仅仅做到这些还不足以向液晶屏写数据，因为还不知道液晶屏的 地址。地址正是此液晶屏的特殊之处，一般的外设都是通过片选来设置地址， 但此液晶屏是同过并口数据输入来设置的。首先数据输入端d o7 - d 77 是连接在 c p l d 上的，对通过c p l d 的内部程序只有向0 x 4 4 0 0 地址写数据时，接入c p l d 上的d s p 低8 位数据线上的数据才会传给液晶屏上的d o - - d 7 。综上所述，当 i o p f 4 输出低电平时，利用i o p f 5 的下降沿给0 x 4 4 0 0 数据是向液晶屏写指令数 据，反之当i o p f 4 输出高电平时，利用i o p f 5 的下降沿给0 x 4 4 0 0 数据是向液晶 屏写普通数据。 下面是第4 、6 引脚，r s 、刚w 、引脚的配合功能表。 1 6 ：一：234，6了99n垃n“”：2”擂拶 一 i 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 2r s 、刚w 配合决定控制模式 r s 状态对w 状态功能说明 低 低 m p u 写指令到指令寄存器( i r ) 低高读出忙标志( b f ) 及地址记数器( a c ) 的状态 高低m p u 写入数据剑数据暂存器( d r ) 一 局高m p u 从数据暂存器( d r ) 中读出数据 而e 引脚，第5 引脚的功能读如下： 表2 3e 引脚功能图 e 状态执行动作结果 高一低i 0 缓冲一d r 配合r w 进行写数据或指令 高d r - - - q o 缓冲 配合r w 进行读数据或指令 低“氏一高 无动作 2 3 本章小结 本章对此课题设计的硬件部分做了整体的规划，论述了芯片的选择原则， 描述了硬件实验板t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的相关技术指标，以及与课题有关的调理 电路的设计、显示系统接口设计等。并讲述了各功能模块的基本操作方法，为 后绪的软件设计定下了良好的基调。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章傅里叶变换f f t 原理 3 。1 频谱分析的提出 在迄今为止涉及的测量仪器和测量方