（电路与系统专业论文）应用于低频扫频测量的嵌入式系统[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 z 8 7 9 0 1 8 本设计目标是要完成一个带有频谱分析和低频扫频功能的嵌入式 系统，其硬件架构是由信号发生器作为扫频设备的信号源、数字示波 器作为扫频设备的a ，d 转换以及一个处理器基于a r m 7 的嵌入式系统 作为扫频设备的信号处理单元。其能够实现的功能为：输入电压为 5 0 0 m v 的正弦信号从o i k 到2 2 0 0 比的频率扫描，频率分辨率为5 0 h z 。 另外基本完成了频谱分析的理论算法，其软件架构是基于u c o s 操作 系统的编程，所以需要完成下列工作：1 ) 操作系统的移植。2 ) 需要完成对 信号发生器和示波器的驱动程序的编写。最后还要将图形界面在嵌入 式平台中进行移植。4 ) 编写数字滤波器的程序设计，5 ) a r 模型的程序编 写。6 1 图形界面的程序编写。 对于关于相位差、滤波器、以及频谱分析的d s p 算法进行了分析和 讨论并且做了软件实现，但展后由于时间的原因最后没有在硬件系统 上实现。 1 ) 本文对扫频信号的数字信号处理进行了较深入的研究，指出了 关于扫频信号的相位差算法。并且实现了数字滤波，a r 模型的算法， 做出了程序进行了数据仿真。 2 ) 本文完成了扫频系统的软件和硬件设计，通过数据测试和系统 仿真，完全符合设计要求。 关键词：嵌入式系统，扫频仪，s 3 c 4 4 8 0 ，相位鉴别，a r 模型。 北京交通大学硕士学位论文 第1 章嵌入式系统概论 嵌入式系统概论 本章主要内容为嵌入式系统概论，讲述了嵌入式系统的概念、特 点以及应用。 1 1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统一般指非p c 系统，它是以应用为中心，软硬件可裁减的， 适应于系统对功能，可靠性，成本，体积，功耗等综合性能严格要求的专 用计算机系统，它是集的应用软件与硬件于一体的系统。 在日常生活中，早已存在许多嵌入式系统的应用，如移动电话，电子 表，微波炉，打印机等。嵌入式系统无处不在，从家庭的洗衣机，电冰箱， 小汽车，到办公室的远程会议系统等，都属于可以使用嵌入式技术进行 开发和改造的产品。嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义一个手持 m p 3 和一个p c l 0 4 的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。嵌 入式系统通常如图1 1 所示由嵌入式处理器，外围设备，嵌入式操作系 统和应用软件等几大部分组成。 图1 1 嵌入式结构框图 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处 北京交通大学硕士学位论文嵌入式系统概论 能有时间和精度的要求。为减少系统成本，除了精简每个硬件单元的成 本外，应尽可能的减少应用软件的资源消耗。 1 2 嵌入式系统的特点 ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，一般都有实时性的要求。 嵌入式处理器大多工作在特定用户群所设计的系统中。它通常具有低 功耗、体积小、集成度高、成本低等特点，从而嵌入式系统设计趋于 小型化、专业化，也使移动能力大大增强，与网络的耦合也越来越紧 密。 ( 2 ) 嵌入式系统将先进的计算技术、半导体工艺、电子技术和通信 网络技术与各领域的具体应用相结合的产物。这一特点决定了它必然 是一个技术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也与 具体产品同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，一般具有 较长的生命周期。 ( 4 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，在保证稳定、 安全、可靠的基础上量体裁衣，去除冗余，力争在同样的硅片面积上 实现更高的性能。这样才能最大限度的降低应用成本。在具体应用中， 对处理器的选择决定了其时的竞争力。 ( 5 ) 嵌入式系统还有减少功耗的要求。一方面为了省电，应为嵌入 式系统往往靠电池供电；另方面是要减少发热量，因为嵌入式系统 中通常没有风扇等排热设备。 ( 6 ) 可靠性与稳定性对于嵌入式系统有着特别重要的意义，所以， 即使逻辑上的系统结构相同，在物理组成上也会有所不同，同时，对 使用的元器件( 包括接插件、电源等等) 的质量和可靠性要求比较高， 所以元件的平均无故障时间m 1 1 弹( m e a nm m eb e t 、v e e nf a i l u r c ) 成为 关键性的参数。此外，环境温度也是需要重点考虑的问题。 ( 7 ) 嵌入式系统提供的功能以面对的应用和过程都是预知的、相对 固定的、而不像通用计算机那样，有很大的随意性。既然是专用系统， 在可编程就不需要那么灵活。一般也不会用嵌入式式系统作为开发应 用软件环境，在嵌入式系统上，通常也不会运行一些大型的软件。一 般而言，嵌入式系统对c p u 计算的要求并不象通用计算机那么高 北京交通大学硕士学位论文嵌入式系统概论 ( 8 ) 许多嵌入式系统都有实时要求，需要有对外部时间迅速作出反 应的能力。特别是在操作系统中有所反映，从而使嵌入式软件的开发 与常规软件的开发出现显著的区别。典型的嵌入式实时操作系统与常 规的操作系统也有着显著区别，并因而成为操作系统一个重要分支和 一个独特的研究方向。 ( 9 ) 嵌入式系统本身不具各自举开发能力。即使设计完成以后，拥 护通常也不能对其中的程序动能进行修改，必须有一套交叉开发工具 和环境才能进行开发。 ( 1 0 ) 通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方 面的专业人士，而嵌入式系统开发人员却往往是各个应用领域中的专 家，这就要求嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体 应用相结合才会有生命力，才会具有优势。嵌入式系统是与应用紧密 结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需要，进行合理的 裁减利用。嵌入式系统必须根据应用需求，对软硬件进行裁减，满足 应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。 1 3 嵌入式系统的应用 嵌入式系统以应用为中心，强调体积和功能的可裁减性，是一完 成控制、监视等公共能为目标的专用系统。在嵌入式应用系统中，系 统执行任务的软硬件都潜入在实际的设备环境中，通过专门的i o 接 口与外界交换信息。一般它们执行的任务程序不由客户编制。 嵌入式系统主要用于各种信号处理与控制，目前己在国防、国民 经济及社会生活各领域普及应用，用于企业、军队、办公室、实验室 以及各个家庭等各种场所。目前，嵌入式系统应用最热门的有以下几 个方面： ( 1 ) 个人数字助理( p d a ) 。目前市面上已经出现基于u n l i x 的p d a ， 它具有网络、多媒体等强大功能。康柏公司的i p a q 掌上电脑一般都预 装p o c k e tp c 操作系统。i p a q 采用i l l t e l 公司的s t m n g a r m 处理器，尽 管这种处理器支持u 肌x 系统，但其问世时却是使用m i c m s o f t 公司的 p o c k e tp c 操作系统。现在p d a 手机已成为新的热点。 ( 2 ) 机顶盒s t b 。所谓机顶盒s t b ( s e t t o pb o x ) ，表面上理解，只 4 北京交通大学硕士学位论文嵌入式系统概论 是放在电视机上的盒子，却能提供通过电视机直接上网的功能。但是 它更吸引入的地方在于简单易用，是专为那些不很了解电脑的人设计 的。现今，用户端机顶盒的趋势是朝微型电脑发展，即逐渐继承电视 盒电脑的功能，成为一个多功能服务的工作平台，用户通过此设备即 可实现交互数字电视、数字广播、i n t e m c t 访问、远程教学、会议电视、 电子商务等多媒体信息服务。 ( 3 ) i p 电话。1 p 电话把电话网和i l l t e m e t 结合成一个功能强大的通 信网络，它在口网络上实时传输被压缩的语音信息。p 电话的出现， 使得语音通信方便与网络价格低廉的特性很好的结合起来，因而具有 良好的应用前景。口电话以数字形式作为传输媒体，占用资源小，所 以成本很低，价格便宜。 嵌入式系统的应用正在从狭窄的应用范围、单一的应用对象，以 及简的功能，向着未来社会的应用需求进行转变。社会对嵌入式系统 的需求正慢慢的扩大，特别是最近几年，随着国际互联网的发展，从 p c 时代步入带后p c 时代，对信息家电的需求越来越明显。嵌入式系 统在信息家电的应用，就是对嵌入式系统概念和应用范围的一个变革， 从而打破了过去p c 时代被单一处理器厂家和单一操作系统厂家垄断 的旧局面，出现了一个有多芯片、多处理器占领市场的新局面。 1 4a r m 的体系结构和特点 由于本系统的核心处理器采用的是a r m 公司授权给三星公司的 s 3 c 4 4 8 0 ，所以下面介绍主要介绍下a r m 的体系结构和特点。 现在市场上所指的嵌入式系统的处理器大部分指的是a r m ，而且 本设计的核心处理器也采用的是a r m 7 ，所以有必要介绍一下a r m 公司把a r m 作为知识产权口推向嵌入式处理器市场，目前已占有8 0 左 右的市场。市场上出现的a r m 体系结构有多种形式，既有处理器内核 ( 如a r m 9 1 d m i ) 形式，也有处理器核( 如a r m 9 2 0 t ) 形式半导体厂商 或片上系统s o c 设计应用厂商采用a r m 体系结构，生产相映的 m c u m p u ( 如三星公司的s 3 c 4 4 b o ) 或s o c 芯片。 a r m 即a d v a i l c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。a r m 公司是知识产权 i p 的供应商，本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生 产各具特色的芯片。作为3 2 位嵌入式l u s c 微处理器业界的领先供应 北京交通大学硕士学位论文嵌入式系统概论 有片上总线a m b a ( a d v a n c e dm i c m n o o n 仰l l c rb 札sa r c b i t e c h t i l r e ) a m b a 定义了3 组总线：a 衄( a d 、r 锄c e dh i 曲p e 哟姗卸c e b u s ) ，a s 目l ( a d v a n c e ds y s t e mb u 曲和( a d v 觚c c dp e r i p h c r a lb u s ) 。通过a 船a 来方便的扩充各种处理器以及i o ，这样，可以把d s p ，其他处理器和 i 0 ( 如u a r t ，定时器和接口等) 都集成在一块芯片中。 a r m 当前有5 个产品系列：a r m 7 a r m 9 螺m 9 e a r m l 0 和 s e c i l r c o r e 。其中，前四个是通用处理器系列。每个系列提供一套特定的 性能，来满足设计者对功耗，性能和体积的要求。s o c i l 曲i e 是第五个产 品系列，是专门为安全设备而设计的。a r m 作为嵌入式系统中的处理 器，以其低电压。底功耗和低集成度等特点，以及开放和可扩展性，实际 上已经成为了嵌入式系统首选的处理器体系结构。 7 北京交通大学硕士学位论文扫频仪的基本原理 2 3 普通扫频仪工作原理 图2 1 传统功能框架 如图2 1 ，扫频系统是由扫频源，被测网络，峰值检波，示波器 和扫描电压组成。 传统的扫频仪最开始是采用点测法：测量时，采用电压表作为接 受信号指示器，把频率由低调高，由电压表读出数值，然后手工绘制 曲线，所有工序皆由人工完成。因此，人工造成的误差会很大，甚至大 于测量系统本身的误差。 后来又出现了连续法，属于一种连续测量方式。信号频率在某一 个频段连续周期性变化，然后取出包络，在显示器上显示。 连续法最早的测量装置所使用的扫频方式是由机械扫频，用一个 小马达带动振荡器振荡回路中可变电容器或带动机械调谐的速调管， 以改变振荡器的振荡频率来实现扫频在六十年代以铁氧磁扫频为主； 七十年代，扫频方式转向二极管扫频，出现了固态微波扫频信号源。 到了八十年代后，单片机的出现为智能扫频仪的产生奠定了良好 的基础。人们对单片机编程以实现对扫频各模块的智能控制，从扫频， 测量，检测，绘图。从而尽量减少了人工扫频过程中的人为误差。 2 4 扫频仪按所处理信号的分类 扫频测量应用的频率范围很宽。可以从超低频直到微波频段。大致 分为： 1 ) 超低频：o 2 2 0 0 h z 9 北京交通大学硕士学位论文 第3 章系统硬件结构 系统硬件结构 本章主要内容是介绍系统的硬件结构，系统分为三个模块，论文 分别就扫频信号发生器，信号a d 转换，以及数据处理模块进行详细 的说明。 3 1 扫频仪的信号发生器 扫频仪的信号发生器采用的是a g i l e n t 的3 3 1 2 0 ，h p3 3 1 2 0 a 是 一款发生频率可高达1 5 删z 的综合函数发生器，并且它还有自建波形 的能力操作台和系统特点的结合使3 3 1 2 0 为我们在测试中提供更灵 活的解决方法。 方便的操作台特点： 1 ) 十种标准波形 2 ) 内建1 2 一b r r 4 0 m s a s 自建波形能力 3 ) 简便的旋转式输入纽 4 ) 高亮真空荧光显示屏 5 ) 设备状态存储 6 ) 轻便，坚固的机盒 灵活的系统特点： 1 ) 四种可下载1 6 0 0 0 点自制波形存储器 2 ) _ i b ( i e e e4 8 8 ) 接口和r s 一2 3 2 串口标准 3 ) 兼容s c p i ( s t 趾d a r dc 0 姗锄d sf o rp r 0 掣锄m a b l eh l s t n l m c n t s ) 命令 1 1 北京交通大学硕士学位论文系统硬件结构 3 2 扫频仪的高速d 采集 图3 1 示波器面板 扫频仪器的高速a d 采用的是a g i l d 盯的0 4 6 2 2 d ， h p5 4 6 2 2 d 是1 0 0 m h z 的混合信号示波器( m s o ) 具有2 个模拟通道 和1 6 个数字通道，它们把示波对信号的详尽分析与逻辑分析仪多通道 测量融于一体。使我们能够看到多达1 8 个通道上信号间的复杂交互 关系。这个示波器能容易的解决混合模拟和数字设计的调试问题，而 这是传统示波器所无能为力的。模拟通道，数字定时通道，带有全部1 8 个通道上触发能力的m e g a z 0 0 m 深存储器，这三者提供了调试混合 模拟和基于8 b i t 或1 6 b i t 微控制器数字设计的全新方法。 另外，h p5 4 6 2 2 d 和m e g a z o o m 技术帮助你使用d 转换功 能抓取你所感兴趣的波形且存储。抓取后的数据可以发送给微处理器 进行分析，处理。 3 3 扫频仪的计算处理单元 扫频仪器的计算处理单元采用的是基于a r m 7 的s 3 c 4 4 b o 的嵌 入式平台，为了能更好的说明这个模块，首先从芯片级的角度说明 s 3 c 4 4 8 0 的特点和功能，然后再从板级功能的角度再仔细介绍整个计 算单元的硬件结构。 s a m s l l i l g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器s 3 c 4 4 b o x 为手持设 备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。为 了降低成本，s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的内置部件，包括：8 k bc a c h e ，内 1 2 北京交通大学硕士学位论文系统硬件结构 图3 4 系统板处理模块原理图 如图3 4 所示，可以知道4 4 b o 工作在小端的1 6 b i t 模式下，其 整个8 个3 2 m 的地址勘蚋k 分别为：b a n k o 接n o r f “峪h ，& 蛾k 1 接n a n df i a s h ，b a n k 2 接c p l d ( 通过c p l d 外接c f 卡) ，b a n k 3 接外接网络芯片，b a n k 4 接空( 扩展用) ，b a n k 5 分别接两个7 段 s e g ，n 】- ( 6 和b a n l 厂7 接s d r a m ，通过该原理图可以知道4 4 b o 地址分配空间以及工作模式。 北京交通大学硕士学位论文系统硬件结构 图3 5 系统板存储模块原理图 如图3 5 上可以知道系统用的r a m 是h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 是一种容量 为6 4 m b 的同步动态m 蛳( s d i l 舢岫，它的存储空间组织方式是： 1 m b x l 6 x 4b a l l l 【。s d r a m a 采用管道结构，具有高速的数据传输性 能。所有的输入和输出信号在时钟的上升触发。该r a m 还有自动刷 新、低功耗和掉电模式。所有信号都在时钟c u 【上升沿触发。 其中r o m 采用的是n o rf i a s h ，作为代码存储器s s l 3 9 v f l 6 0 是由s s t 公司推出的容量为1 m b x l 6 的c m o s 多用途h a s hr o m 。 读写操作采用单一电源2 7 3 6 v 可靠性可擦写1 0 0 0 0 0 个周期，静态 电流4 u a ，自动低功耗模式4 u a ，扇区擦除能力以及快速读操作时间。 北京交通大学硕士学位论文系统硬件结构 图3 9 系统板网络接口芯片原理图 如图3 9 为4 4 8 0 的网络原理图，由图可以知道“b o 没有自己的 网络m a c 层控制器，所以“b 0 通过c p l d 控制网络芯片期8 0 1 9 完成m a c 层的网络传输。该芯片是高度集成的以态网控制器，为即 插即用式n e 2 0 0 0 兼容网络适配器提供了简易的解决方案。 3 3 1 3 电源模块 图3 1 0 系统板电源模块原理图 1 9 北京交通大学硕士学位论文 系统软件结构以及算法实现 第4 章系统软件结构以及算法实现 本系统分为三个模块：信号发生模块，a ，d 采样模块，信号分析 计算显示模块。其中信号发生部分采用a g i l e n t 的3 3 1 2 0 a ，a d 采 样部分采用了a g i l e n 4 6 2 2 d ，信号分析显示部分采用了实验室设 计的基于a r m 7 的4 4 8 0 嵌入式开发板系统实现。其中的系统结构如 图4 1 。 模拟信号a ，d 输出值 图4 1 功能框架 带l c d 显示功能的信号处理系统以嵌入式系统为基础，分别通 过串口给信号发生器和示波器发送s c p i 指令，应用程序发送信号的 频率、幅度、以及相位，信息给信号发生器，信号发生器根据指令产 生指定的波形，然后通过示波器再根据嵌入式系统所发送的指令利用 高速a d 转换功能将通过被测电路的信号采集回来，再发送给嵌入式 系统，嵌入式系统根据所得到的幅度数据求出其平均值，这样就可以 知道被测电路对于一个频率点的幅值响应，然后改变不同的频率点， 对整个所要求的频率进行扫描。对于相位响应，则是嵌入式系统在某 个频率点将采集回来的数据通过d s p 算法再进行处理，算法的具体内 容将在这章得到详细的说明。该算沾理论上能起到比较好的数字攀频 容将在这章得到洋细的说明。该算法理论上能起到比较好的数字鉴频 北京交通大学硕士学位论文系统软件结构以及算法实现 的效果，然后再逐步切换频率点，扫描整个待测频域，最后基本上能 得到比较好的相频特性。而频谱分析功能则是嵌入式系统将这些采集 回来的数据通过d s p 理论中的现代谱分析的算法进行处理。 其中影响结果的几个问题的进行介绍。 首先是信号发生器的频率抖动，如果信号发生器产生的是一个固 定的频率抖动，其信号则变为一个f s k 信号，在频谱上将会看到两个 尖峰，如果是一直在连续变化的，则在频谱上看到一个尖峰带，事实 上，信号发生器不可能产生一个理想的正弦信号，通过实验发现其产 生的信号是一个频率连续抖动的信号，不过其误差很小，相关的数据 以及分析。 4 1 信号发生器频率抖动估算 在扫频仪的技术中，信号源占有很重要的地位，其计算的精度很 大程度上和信号发生器的频率精度有关。所以要估算扫频仪频率误 差，主要分析信号发生器频率抖动。 理论上信号发生器发送的理想的单频信号，但是实际上由于信号 的发生器的物理结构和软件的限制导致了，无法产生理想的单频信 号，必然的产生频率抖动。这样频率抖动必然有个上限和下限，这样 就可以做一个假设，抖动是一个均匀抖动，存在一个中心频率，信号 以这个频率为中心，以相同的频率抖动幅度上下抖动，这样一个抖动 的频率的信号可以理解为一个f s k 信号。那么估算信号发生器的算法 就变得非常简单了，从频域去处理，将会很简单的处理这个问题。首 先介绍一下f s k 信号 4 1 1f s k 信号的数学模型 f s k 信号有信号f ( t ) 调制频率为厶的载波而来，若令初始相位为 o ，其时域表达式为 s o ) = 4c o s ( 2 石，0 f + 乃阳o ) ) = r e 【4 p 2 4 + ”】 ( 4 1 1 ) 其中： = 冽【- 和c 。虮吾) 或冽【孚- f 】( 川叫) 北京交通大学硕士学位论文集鲡硼秤结瑙鼎篱篱隋篇 涌藩絮玉磁二l ；筠餐黹垩l 。i i 静 篁i 二! f 函茎! 霾錾签鬻娶鬟 淄馒jz 嚣终囊焉俘堰；越l l i 默莲暾甥蚓药拍量；i i 嶷妻攀堪雉幽 哥鲤囊繇j 强强薹翼羲搿到 碧，蓬耋k 氯斟稻彭派 彤塞副暴斟；雒韬釜翟蚕篓篓蔷妻隧常鞘铡；蔺静弱羁硒绛魏醚菇 实图片 北京交通大学硕士学位论文系统软件结构以及算法实现 根据图4 5 ，很明显的得出该峰值有两根线，其分辨率为每点 2 4 4 1 4 h z ，则其q 最大为2 4 4 1 4 h z ，根据公式d f - q m ，则起频率抖 动在2 5 伽l h z 的条件下最大为0 0 2 4 1 4 h z ，根据信号发生器结构，频 率越高其频率抖动越大，所以可以认为在2 5 0 0 h z 以下频率抖动不会 高于该值。 通过以上算法可以近似的得出信号发生器的信号抖动。 4 2 相位估算算法 对于扫频仪而言，另一个指标就是相位测量，本设计采用数字鉴 频的方法，引进了一个鉴相因子的概念，通过其概念后的数学表达式 转变为信号的统计信息，然后进行相位差的计算。 相位估算一直是扫频仪的一个难点，对于传统算法，一般是对比 输入和输出波形的过零点，这样计算缺点是误差比较大，尤其是针对 低频信号，周期长，过零点少，相位差的最小分辨率是z 。所以这里 提出一种算法，能有效的解决好这一问题。 这种算法是通过一种瞬时测频的方法改进而来，作者在设计算法 时查阅了大量的资料，还没有发现有类似的相位差计算方法。算法的 想法来源于国防科大的胡来招教授的瞬时测频中所提到的利用两 个信号已知的相位差，来计算信号的瞬时频率的算法。在这里进行了 改变，在扫频时所知道的恰恰是瞬时频率，而要求的确是相位差。所 以这里将书中所提到的公式进行变形得到以下算法。 4 2 1 算法的提出 考虑两个以t 为采样间隔的信号序列 u i _ a s j i i ( n t + 口)( 4 2 1 ) v i = b s i n ( n t + j ；b )( 4 2 2 ) 其中a b 为正弦信号的幅度，甜为信号的角频率，a ，芦各为两 个信号的相位差 定义下列瞬时鉴相因子【1 】 p i = u i v i + 1 一u i + 1 v j ( 4 2 3 ) 北京燹逋大学坝士学位论文系统软件结构以及舁珐买现 可以推算出 p i ：掣【c o s ( 声一口+ 蝴r ) 一c o s ( 口一声+ 堋r ) 】枷s i n ( 。一声) s i n ( 蝴r ) ( 4 - 2 4 ) 式( 4 2 4 ) 可以变形成 s j n ( ”声) = 南则一卢= 嬲i l l ( 南) 如果s i n ( 搠r ) 为。则p 也趋于o ，所以l i m a r c s 缸_ 兰_ _ ) 仍然 、 。 i 、彻s h 吖删n 7 为相位差。所以( 4 2 5 ) 是成立的。 通过该公式就可以比较简单的精确的计算出两正弦信号的相位 差出来。应用与工程实际对于鉴相因子主要采用统计数据，这样可以 在一定程度上减少噪声所带来误差。 4 2 2 理论数据仿真 这里有两组数据，分别如图4 6 ，数据周期为1 0 0 h z ，采样数据 的采样率为1 0 0 k 图4 6 频率为1 0 0 h z 的o 相位正弦信号 北京交通大学硕士学位论文 系统软件结构以及算法实现 4 3 1 r 滤波器相位特性 h r 数字麴芸擎誊婴产他引翻燃霹璃采样奉i 拶甜嚣幂剿i = = 牲 烈鬈is 幂矗稗鳓薹貉器蔫甾晕南譬一；稽璧矍蕊强职墅篓型蠢羲雾 蓊，强黼攀一r n i 萋萋i 灌始嚣嫠垂羁型硬拦翥蓊暖甬卧囊剥薹黼i 与实一 陋虿鬈； 蒌i 萋”l k 治i 舞；“| 妻霸童妻纠州。荽l l | 圳i 遘害；i 篙举凌强萋螽! 但是一定程度上解 决了相位差运算，这个难题。 a d 后的数据要考虑到量程的问题，如果得到的数据超过示波器 显示量程，那么结果将没有意义，所以在发送信号激励的时候就必须 考虑到这点，信号幅度不能太大而且不能太小，否则被燥声信号淹没。 得到输出信号的a d 信号带有一定的干扰，需要进行滤波，本设计采 用数字型的fi r 滤波器在，通过软件起到滤波的作用能够做到一定程 度上的抗干扰。 4 3 关于前端数字滤波器的设计 由于在系统实际工作中，各种干扰，尤其是毛刺信号加入，给系 统计算带来种种误差，所以需要将这些随机的毛刺去掉，根据工程经 验，这些毛刺信号都是高频信号，所以需要一个数字滤波器将毛刺滤 除。传统的数字滤波器有i 瓜和f 瓜滤波器，由于本系统需要对信号 的相位进行，f 皿滤波器在带内是相位是线性的，不破坏信号的相位 信息，所以本 北京交通大学硕士学位论文系统软件结构以及算法实现 设计的滤波器h r 数字滤波器设计最简单的方法是窗函数法，通 常也称为傅立叶级数法。它是在时域进行的，因此必须由理想滤波器 的频率响应推倒出其单位冲击响应，再设计一个f 皿数字滤波器的单 位冲击响应去逼近理想滤波器的单位冲击响应。 假设理想滤波器的频率响应表示为： h 。o 扣) = k o 弘“ ( 4 3 3 ) 由于滤波器的频率响应与单位冲击响应是傅立叶变换对，据此： 伯) 一去舻矿如 ( 4 3 4 ) 求得理想滤波器的单位冲击响应后，可得到该离散滤波器的系统传递 函数凰( z ) 其表达式为： h d ( z ) 一o ) z “ ( 4 3 5 ) 注意，该序列是无限长序列因此是物理不可实现的。为了是系统变为 物理可实现的，且使实际的f m 滤波器频率响应尽可能逼近理想滤波 器的频率响应，采用窗函数将无限脉冲响应截取一段h ( n ) 近似的来表 示理想的无限脉冲响应从而有： h z 2 荟 o ) z “ ( 4 3 6 ) 式中n 表示窗口长度，这样h ( z ) 就可以实现数字滤波的功能，在 工程上一般采用h t t i c e 结构，这中结构可以加快滤波运算速度，h t t i c e 结构按其序列的奇、偶来划分。 实际应用中采用m a = r i a b 的f 1 m r l o o l s 工具包，将指标和类 型输入就可以得到理想的数据了。幅频和相频特性如图4 1 0 下： 北京交通大学硕士学位论文系统软件结构咀及算法实现 图4 1 0f i r 滤波器幅频和相频特性 如下图4 1 1 是在m 棚a b 中滤波的妨真图形。如图其信号是由两个 5 0 0 h z 和一个4 5 0 0 i i z 单频信号构成，在采样率为1 0 k 的条件下，一 个幅度为o 5 v ，一个幅度为o 8 v ，共采样o 5 秒，进行h 丌可以看到 其频谱 1 _ l 。i 一 图4 1 15 0 0 h z 和4 5 0 0 h z 信号的频谱 北京交通大学硕士学位论文系统软件结构以及算法实现 图4 1 2 滤波以后的频谱 进行滤波运算以后的结果其频谱如图4 1 2 ，图中高频部分已经被 滤除掉了，滤波效果非常理想。 实际上在a r m 运行结果如图4 1 3 。 图4 1 3 用m 棚a b 估算的频率特性图 北京交通大学硕士学位论文系统软件结构以及算法实现 图4 1 4 ( 没有滤波以前真实数据) 图4 1 5 ( 进行滤波以后的数据) 对于示波器采样a d 采样方面还需要其他因素，比如采样率可调， 随着信号的频率增加如果采样率不可变势必会影响频谱分辨率，所以 北京交通大学硕士学位论文系统软件结构以及算法实现 统h ( z ) ； 2 ) 由已知的序列x ( n ) 或其自相关函数r ( m ) 估计出系统函数h ( 劢 的参数； 3 ) 根据h ( z ) 的参数估计序列x ( n ) 的功率谱p ( k ) 本设计主要采用a r 模型，a r ( a u t o r e 黟e s s i v c ) 是因为a r 模型的精 确估计可以通过解一组线性方程组来实现，计算机比较容易实现。 4 4 1a r 模型推倒 假定两个平稳信号u ( 玎) ，x ( n ) ，其中u ( n ) 是白噪声，方差为盯2 ，现在， 我们希望建立的a r 模型的参数瓠和x ( n ) 的自相关函数的关系，也即 正则方程【4 】。 输入信号我们可以如下表示： x ( n ) 一缸x o “) 枷o ) ( 4 4 1 ) 方程两边同乘以x ( n + m ) ，并求均值 咖) - e x ( n ) x ( n + m ) ) _ e 【一薹刚o “) 州。州) p 2 ) 将期望分解于是得到r 如) ：薹唧 一j 】 ) + 屯( m ) 其中r i u ( m ) = 盯2 ( m ) ，所以蜮m ) - - 罗k 一七) 当( m 1 ) ，当m = o - t 时，砸) _ - 耋吼 ) + 盯2 这个式子可以用矩阵表示 ( 0 ) ( 1 ) ( 1 ) 0 ( o ) ( 2 ) ( 1 ) ( 2 )( p ) ( 1 )( p 一1 ) ( o )0 2 ) 0 ，) 0 1 ) 一2 ) 。( 0 ) 1 n 1 口2 ： 口p ( 4 4 3 ) 北京交通大学硕士学位论文 z ：由h ( 0 ) = 吉薹卜o ) 1 2 a 1 ( 1 ) = k l ，p 1 = ( 1 - | h i2 ) b ( 0 ) ； 3 ：由 ( n ) ；e ! 一，( n ) + 七，一。( 厅一1 ) = e ：一1 ( n 一1 ) + 七。p ：_ 1 ( n ) 系统软件结构以及算法实现 ( 4 4 7 ) 得m = 1是的参数 ( 4 4 8 ) ( 4 4 9 )m = 1 ，2 ，p 可以估计出0 0 ) ，e ；o ) ，再由式4 4 6 估算出k 2 4 ：按照a 。= a m 1 + k 田1 ( m k ) ( 4 4 1 0 ) k = 1 ，2 ，m 一1a 。( m ) = p 。= ( 1 陆。i 。) h ( 0 ) ，求出m = 2 时的a 2 ( 1 ) ，a 2 ( 2 ) 及p 2 5 ：重复上述过程，直到m = p ，求出所有阶次时的a r 参数。其中阶数 的确定是一个问题，一般如果阶数如果太小不能完全真实反应信号的 频谱特性，如果阶数太大会出现频谱分裂的情况，所以确定阶数是一 个一直没解决好的问题，在这里论文中采用的是f p e 原则，给出一个 叫1 1 p e 的系数，这个系数为卯e - 掣，m 为阶数，p m 递减的 而：；竺是递增的，比较其乘积，当f p e 的值大于1 时阶数运算停止， 根据不断的实现发现h e 的这种算法阶数偏小，要有一个修正值，根 据经验需要再将阶数加2 0 。其波形如图4 1 6 图4 1 6 一个中频为2 4 6 8 低频7 1 h 2 的f s k 信号 北京交通大学硕士学位论文系统软件结构以及算法实现 用普通的f f r 得到的频谱图如图4 1 7 ： 图4 1 7f f r 结果 用a r 模型得到的信号再将中间部分进行频谱放大所得到的结果 直接由信号发生器给出f s k 信号波形载频为2 4 8 5 h z ，低频为 7 1 h z ，对于示波器进行设置，采样频率为1 0 j ( l z ，采样5 0 0 0 个点， 根据经典算法其频谱分辨率为2 h z ，然后根据上面所提到的算法将 4 4 8 0 计算回的数据显示在 l a t l a b 上 i，、 图4 1 8 运用a r 模型放大的结果 北京交通大学硕士学位论文系统软件结构以及算法实现 发现计算得到图确实是f s k 的频率图，计算得到2 4 8 6 h z 载频， 低频为7 h z 分辨远远小于2 k ，比较好的说明了a r 算法的正确性以 及系统工作的正确性。 从仿真图形可以很清楚的看到a r 模型能提高频谱的分辨率，实 际上是一种很好的线性预测。可以将这个算法写入4 4 8 0 中，对示波 器中得到少量的信号，就进行频谱显示，其精度明显比直接h 呵或则 补零f f t 的效果要好。 而对于嵌入式系统而言，其硬件主要有内存，l c d 控制器，以及 两个串口通道，g u i 显示部分在硬件级就已经做到了显存对于l c d 点 的一一对应，在硬件上完全满足设计的要求，在软件上，分为三个部 分，嵌入式系统的b o 盯n d a d ，操作系统，控制任务。开机以后 b o d n d a d 将操作系统搬移到内存当中，操作系统再将任务完美的 整和起来。在软件中就有b 0 0 1 r i d a d 的编写，以及操作系统的移植， 还有任务的编写，以及任务之间数据的通信。 4 5 应用程序编写 扫频仪的软件编写采用的是嵌入式编程的方式，由几个固定的模 块构成，首先是b 0 0 ，n o a d 的编写，完成系统硬件初始化以及c 语 言实现环境的设置，然后还要完成操作系统的移植，再根据具体情况 将任务划分为计算机可实现的小任务模块和线程。应用程序对系统硬 件的控制需要自己编写驱动程序，在本设计中如串口接收和图形用户 界面。下面将根据以上划分详细的介绍其软件的实现。 4 5 1 嵌入式系统编程的特点 在个人电脑上对程序进行编译、链接、以及执行的流程是很简单 的。在微机环境下，我们创建的可执行程序，在绝大多数情况下，在 程序执行的微机上运行与在程序开发时的危机上运行是相同的。然 而，在嵌入式的开发环境中却很少如此，因为绝大多数的嵌入式处理 器不可能有足够的内存资源来运行编译程序，它们也不可能支持键盘 或图形显示 8 。 其整个流程如图4 1 9 北京交通大学硕士学位论文系统软件结构以及算法实现 图4 1 9 软件开发流程 先根据任务开发出相应的硬件系统，然后根据其所选用的处理 器，在母机上建立相对应的编译环境。然后编译成其处理器可执行的 代码，再将可执行的代码烧写到r o m 里或者通过仿真头传输到系统r a m 中，通过不断调试，其中包括硬件的修改，最终完成整个设计。 4 s 2 嵌入式系统的b o o t l o a d 的建立 嵌入式系统在进入操作系统前，必须要有经过一段程序，这段程 序可以是用该处理器所对应的汇编语言也可以用c 语言( 主要看其在 母机上的编译环境是否支持) ，这段程序我们一般称其为 b 0 0 t i 0 a d 8 。一般程序分为两大部分：一部分作用是分配外部数 据空间、堆栈空间、中断入口地址，为系统执行c 语言之前先完成对 自身的初始化，从而正确的启动系统。一部分作用是先对整个系统进 行初始化然后再为系统的各个模块提供驱动程序。由于前面初始化， 这些驱动程序可以用c 语言进行编写，使得后面操作系统能够简单的 调用这些外部模块。 4 4 8 0 的b 0 0 1 r i d a d 也正是这样的功能如图4 2 0 所示。 4 1 北京交通大学硕士学位论文系统软件结构以及算法实现 驱动程序支持。在编写这段程序时，最好将初始化写在一个文件中， 其他除了g u i 比较复杂以外也写在另一个文件中( g u i 比较复杂，包括 驱动以及应用两部分，比较大，所以单独用一类文件去描述) ，其中 包含两个头文件，一个是4 4 8 0 寄存器定义，另一个是驱动函数之间 的申明，文件的划分如图所示。 立科。蚺 自 慝：露流曩l 睦邀鬻夔l 图4 2 1 程序文件结构示意图 4 5 2 3 驱动程序模块 4 5 2 3 1 串口的驱动程序 整个设计中串口是驱动是最为关键的一部分，因为4 4 8 0 对于信 号发生器以及示波器的控制都是依靠串口发送s c p i 指令来完成，所 以编写简洁有效的串口驱动对实现整个系统高效运转尤为关键。 本设计对于串口的收发写了三个驱动程序。 1 ：c h a rg e t c h a r ( u i n t 8c h ) 功能是选择一个串口接受通道，返回一个从通道得到的字符。 2 ：v o i dp u t c h a r ( u i i l t 8c h ，u i n t 8d a 呦 功能是选择一个串口发送通道，将要发送的8 b i t 数据发送出去。 3 ：v o i du a n 州n t f ( u i l l t 8c h ，c h a r4 缸t ，) 功能是选择一个串口发送通道，将要发送的若干的字符串发送出去， 直到遇到回车符号为止。 通过这三个驱动程序的编写，操作系统可以方便运用串口进行数 据的 北京交通大学硕士学位论文 2 ：字体库的特征是 1 ) 基本软件包自带各种字体，如4 x 6 ， 8 ，1 0 ，1 3 ，1 6 的成比例放大缩小的字体。 系统软件结构以及算法实现 6 x 8 以及像素高度为 2 ) 新字体可以通过简易的方法进行链接加入 3 ) 最后生成的可执行映象文件仅可链接了实际使用到的字体，从 而是r o m 的占用空间最小化 4 ) 字体大小可以成比例的调整，并且可以在x ，y 方向调整 5 ) 带有字体转换器 应用e mw i n 的步骤 1 ) 配置e mw i n 这一步通常是通过修改头文件l c d c 砒h 来配置e mw 缸。 l c d c o n f h 中的宏定义描述了u 、d 显示部分的硬件特征，在编程的 时应根据具体情况修改这些宏定义 2 ) 定义“、d 的底层驱动函数 底层函数包括对l c d 控制器的初始化函数及l c d 显示缓冲区的 读写函数等，可完成对l c d 显示的硬件的直接操作。 对于映射在系统存储器上的l c d ，对显示缓存区的操作仅需要在 l c d c o n h 中定义就可以了；但是对于采用i o 端口及缓冲区操作的 l c d ，就必须定义相应的接口函数， 3 ) 编译，链接和测试例子代码 e mw i n 对于单任务和多任务环境下的应用都提供了例子代码。 在编程之前，对这些例子代码进行编译、链接和测试，能够初步了解 这些代码的应用。 4 ) 阅读使用手册，根据任务编写自己的代码。 4 - 5 3 操作系统 在完成了所有初始化程序，和所有驱动模块程序就可以进入操作 系统了，而内核式操作系统最主要的工作就是进行多任务管理，并且 确保工作的实时性。 在嵌入式系统中，除了一些较为简单的应用，许多应用都需要同 时处理多个事物。如果将每一个事务称做处理器的一个任务，就是一 北京交通大学硕士学位论文系统软件结构以及算法实现 “c o s i i 在读写处理器寄存器时只能通过汇编语言来实现。由于 群c o s 仅是一个内核操作系统，并且在设计时就已经充分考虑了可 移植性，所以“c 0 s i i 的移植相对来说是比较容易的。 1 0 要使“c 0 s i i 正常运行，处理器必须满足以下要求 1 ：处理器的c 编译器能产生可重入代码。 2 ：用c 语言就可以打开和关闭中断。 3 ：处理器支持中断，并且能产生定时中断( 通常在1 0 1 0 0 h z 之 间) 。 4 ：处理器支持能够容纳一定量数据( 可能是几千字节) 的硬件 堆栈。 5 ：处理器有将堆栈指针和其他c p u 寄存器读出和存储到堆栈或 内存中的指令。 s 3 c 4 4 b o 处理器能够满足以上的要求。a r m 公司开发软件中能够 产生可重入性代码。 首先来了解c 0 s i i 硬件和软件的体系结构，其结构如下图所 示。从图中可以很清楚的看到，对c o s i i 的移植实际上就是对与处 理器相关的代码进行重写或修改。移植工作包括以下内容 1 ) 用蒯e f i n e 设置1 个常量的值( 0 sc p u h 文件中) 2 ) 声明l o 个数据类型( o sc p u h 文件中) 3 ) 用# d e f i n e 声明3 个宏( o sc p u h 文件中) 4 ) 用c 语言编写6 个简单的函数( 0 sc p uc c 文件中) 5 ) 编写4 个汇编语言函数( o sc p ua a s m 文件中) 囤篓撵i | 舞鎏阐 露鬻戮誊i i j 銎孥誊13 一一! ；解一 崔件屡 匿薹重要霎露黼 图4 2 2u c o s 结构示意图 图重 一。翟i 一一 北京交通大学硕士学位论文系统软件结构以及算法实现 肛c o s i i 的移植实例要求用户编写四个简单的汇编语言函数： o s s t a n 碰g l l r d y o o s c 臼【s w 0 o s h l t c 妞s w o o 嘶d d s r o ( 1 ) 0 s s t a n 碰g i l i 酣y o 使就绪状态的任务开始运行的函数口q 做0 s s t a r t o 。在用户调用 o s s t a n n 之前，用户必须至少已经建立了自己的一个任务。 0 s s t a n h j 曲r d y o 假设0 s 1 b h j g i r d y 指向的是优先级最高的任务的 任务控制块。前面曾提到过，在c o s i i 中处于就绪状态的任务的堆 栈结构看起来就像刚发生过中断并将所有的寄存器保存到堆栈中的 情形一样。要想运行最高优先级