（信号与信息处理专业论文）基于dsp的数据存储与传输系统的研究与设计.pdf

摘要 随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理已经成为高速实时处理 的一项关键技术。因为d s p 芯片具有强大的数据处理功能，所以在信号处理方 面得到了广泛的应用。许多要求对高速采集的数据进行快速处理的实时数据采 集处理系统，都选用数字信号处理器( d s p ) 作为核心处理器。 本文设计了一种基于数字信号处理器的高速数据存储与传输系统，并给出了 具体的软硬件实现。根据系统结构与功能的要求，使用了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，这款d s p 有丰富的外部接口，可以使电路结 构设计简单，成本低廉，开发周期相对较短。实现了处理a d 采样数据和显示 处理结果等功能，并且，由于需要采集处理的数据量很大，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部 的存储资源无法满足系统的要求，本文结合d s p 芯片存储结构的特点，实现了 采集数据的串口传输和s d 卡存储等功能。论文主要从以下几个方面论述整个系 统的设计方案： ( 1 ) 分析论证了系统的可行性、工作原理以及芯片的选型。 ( 2 ) 论文结合总体方案的设计、硬件电路的设计、软件的设计等几个方面 做了详细的分析。其中硬件部分和软件部分的设计是本文设计的重点。 ( 3 ) 详细的分析了作为数据存储器的s d 卡的读写过程。并且对s d 卡的 总线模式进行了分析和选择，并最终选择了s p i 总线模式作为数据传输模式。 ( 4 ) 结合信号存储与传输的系统流程图，给出了系统的软件设计方法和实 现过程，包括每个模块的具体设计方法。 ( 5 ) 经过实际电路板上的运行调试，将串口传输的数据和s d 卡中存储的 数据进行对比，分析了实验结果，并给出了改进的方案和可行性分析。 从整体上来看，所设计的系统能够基本完成所要求的目标，能够快速的将 系统前端所采集的数据进行有效的传输和存储。其设计方法简单可行，系统具 有体积小、速度快、接口简单、使用方便的特点，并且做到了成本的控制，能 够很好的解决系统体积和成本在实际应用中带来的问题。对于要求存储数据量 比较大的信号时有很好的应用前景。 关键词：信号存储，d s p ，c c s 2 0 0 0 ，f f t ，s d 卡 a b s t r a e t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc 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 ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o rh a sb e c o m eak e yt e c h n i c a li nh i g h s p e e da n dr e a l t i m ep r o c e s s i n g d s p sa r eg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n si nt h ei n f o r m a t i o nf i e l d ，d u et o i t s p o w e r f u ls i g n a lp r o c e s s i n ga b i l i t y al o to fr e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g s y s t e m sc h o o s ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a si t sc o r ep r o c e s s o r , t h a ta s kf o r d e a l i n gw i t ht h ec o l l e c t i n gi m a g ed a t af a s t t h i sa r t i c l ed i s c u s s e sak i n do f h i g h - s p e e dd a t ac o l l e c t i o na n ds t o r a g es y s t e m ， 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 ，g i v e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r et oc o m et r u e a c c o r d i n gt ot h es y s t e m sc o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o nn e e d ，w ec h o o s et i sd s pc h i p s t m s 3 2 0 f 2 812a sac o r ep r o c e s s o r , f o rt h i sc h i ph a sa b u n d a n to f p e r i p h e r a l ，w ec a n h a v eas i m p l ec i r c u i ta r c h i t e c t u r e ，al o wc o s ta n ds h o r td e v e l o p m e n tt i m eb y u s i n gi t a n da c h i e v ec o n t r o lo fa ds a m p l i n ga n dd i s p l a yp r o c e s s i n gf u n c t i o n f o rt h el a r g e a m o u n to fd a t at h a t r e q u i r e st ob ep r o c e s s e d ，t h ei n t e rm e m o r yr e s o u r c e so f t m s 3 2 0 f 2 812c a n tm e e tt h ed e m a n d a sf o rt h i sp o i n t ，i m p l e m e n t sa dd a t a a c q u i s i t i o ns dc a r ds t o r a g ea n ds e r i a lt r a n s m i s s i o nf u n c t i o n t h ed e s i g no ft h ew h o l e s y s t e mw a sd 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 ) t h ea r t i c l ea n a l y s i sa n dd e m o n s t r a t e st h es y s t e mf e a s i b i l i t y , t h ew o r k i n g p r i n c i p l e sa n dt h es e l e c t i o no ft h ec h i p ( 2 ) p a p e rc o m b i n e dw i t ht h eo v e r a l lp r o g r a md e s i g n ，h a r d w a r ed e s i g n , s o f t w a r e d e s i g na s p e c t so fad e t a i l e da n a l y s i s i nt h i sp a p e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni s t h ef o c u so f t h i sd e s i g n ( 3 ) d e s c r i b e di nd e t a i la sad a t as t o r a g em e d i u mo fs dc a r dr e a d e rp r o c e s s a n d s dc a r df o ra n a l y s i so fs e l e c t e db u sm o d ea n ds e l e c t e ds p ib u sm o d e ( 4 ) c o m b i n e dw i t hs i g n a lf l o wc h a r to fs t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，g i v e n t h es y s t e m ss o f t w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s s ，i n c l u d i n gt h e s p e c i f i c d e s i g no f e a c hm o d u l e ( 5 ) a f i e rt h ea c t u a lr u n n i n go nt h ep c ，t h es e r i a lt r a n s m i s s i o no fd a t aa n dt h e d a t as t o r e di ns dc a r dc o m p a r i s o n ，a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dg i v ea l l i m p r o v e ds c h e m ea n df e a s i b i l i t ya n a l y s i s o nt h ew h o l e ，t h eb a s i cd e s i g no ft h es y s t e mt oc o m p l e t et h er e q u i r e dg o a l s ，t h e s y s t e mc o nq u i c k l yc o l l e c tt h ed a t af r o n tt h ee f f e c t i v et r a n s m i s s i o na n ds t o r a g e t h e d e s i g ni ss i m p l ea n df e a s i b l e ，t h es y s t e mi ss m a l l ，f a s ta n ds i m p l ei n t e r f a c e ，e a s yt o u s ef e a t u r e sa n da c h i e v et h ec o s tc o n t r o l ，c a nb eag o o ds o l u t i o ns y s t e ms i z ea n dc o s t i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o np r o b l e m sc a u s e d t h i ss y s t e mh a sb r o a di m p l i c a t i o nf u t u r e t os t o r el a r g e rd a t af o ras i g n a l k e yw o r d s ：s i g n a ls t o r a g e ，d s ec c s 2 0 0 0 ，f f t ，s dc a r d 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。 签名：盟日期： 学位论文使用授权书 曲? 口e 洒 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) ： 柘 导师( 签名) ：凡商眵日期：c 卫耳矿s ，沙 武汉理i ：人学硕士学何论文 第1 章绪论 现在一直在讲的d s p 有两种含义。第一种解释是“d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ， 即数字信号处理器，是一种芯片，指的是实现数字信号处理算法的微型处理器， 它可以给数字信号的实时处理提供一个平台。第二种解释是“d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ”，即数字信号处理，是一种技术，意思是数字信号处理的算法和理论， 比如：信号的变换、滤波、卷积和频谱分析等l ij 。其实两者是不可分割的，前一 种是实际的产品，后一种是理论上的一种技术。本文所提的d s p 的是指应用的 芯片，利用它的处理功能来完成数字信号的处理。 1 1d s p 的应用现状和应用范围 自从上世纪6 0 年代中期c o o l e y 和t u k e y 提出了f f t 变换算法以来，随着 信息科学与半导体技术的不断发展，数字信号处理理论和技术不断的丰富和成 熟【2 】。现在对数据和信号进行数字化处理的方法一般由软件和硬件配合实现，硬 件提供的是软件运行的平台，而软件则是用来实现复杂的数据和信号的处理。 随着d s p 技术的不断提高，d s p 芯片的性能也在不断的提高，现在应用d s p 芯片构造的数字信号处理系统已经可以做到实时处理，现已成为当今和未来数 字信号处理技术发展的一个热点。预见到了这一点之后，各大d s p 的厂家投入 了更多的研究经费，随着产量的提高和技术的进步，成本和售价也有了大幅度 的下降，这样，d s p 的性价比提高了，应用范围也就越来越广。现在d s p 芯片 的应用范围遍及电子学以及相关的各个领域，典型应用有： 通信一如调制解调器、编码译码器、数据压缩、数据加密、纠错编码、蜂窝 网移动电话、扩频通信等； 信号处理一如快速傅里叶变换( f f t ) 、希尔伯特变换、数字滤波、卷积、加 窗、频谱分析、模式匹配、波形产生等； 语音处理一如语音编码、语音识别、语音增强、语音合成、语音存储、语音 邮件、语音传输等； 仪器仪表一如频谱分析仪、函数发生仪、数据采集仪、探测地震仪等； 武汉理工火学硕士学位论文 医疗一如超声设备、助听器、病人监护、诊断工具等； 军事一如雷达处理、通信保密、声纳处理、飞行导航等； 图像处理一如图形处理、图像压缩、图像传输、动画、电子地图、机器人视 觉、桌面出版系统等1 3 j 。 可以预见，随着d s p 芯片性价比逐步的提高，d s p 芯片应用的领域也在逐 步的扩大：目前，对d s p 应用的爆炸性需求已经来临，前景十分可观。 1 2 信号存储与传输系统的现状和发展趋势 信号存储与传输是现在社会生产与发展的一个难点和热点。随着微电子制 造工艺水平的提高和应用技术的不断发展与成熟，并且数据分析理论水平也正 在不断的发展，对信号存储与传输系统的要求越来越高。 信号存储与传输由信号采样模块、数字处理模块、存储与传输模块组成。 ( 1 ) 其中采样模块中的采样通道从最开始的单通道发展到现在的双通道、 多通道。以前只是处理单通道，现在却需要实时的去处理两个甚至多个通道的 采集问题，与此同时，对于信号的各个方面的精度也有着越来越高的要求，采 样频率、分辨率也逐步的提高，对信号的采集模块提出了很高的要求【4 】。这也要 求许多的信号采集系统具有能够对多个通道进行实时、高速的采集，并且具有 一定的预处理能力。 ( 2 ) 对于数字处理模块，由于前端的信号采集的通道数加大，并且采集的 高精度的信号具有很高的实时性，普通的微控制处理芯片难以达到要求，就要 求有处理速度更快，处理能力更强的芯片出现。单片机由于价格比较低廉、结 构简单、接口和扩展能力比较强应用在许多方面，但是单片机数学运算能力差， 一般只是应用在一些对采样信号的数学处理较为简单的领域，对一些要求对信 号的数学处理比较复杂的领域来说，单片机就显得有些力不从心【5 】。比如f f t 和卷积等运算，使用单片机的话将会出现速度慢、处理数据少、处理精度低等 问题，所以对于前端信号有很高的实时性时，很难达到要求。而d s p 的出现就 满足了这一要求，并且随着现在d s p 芯片性能的提高以及一些特殊的指令的出 现，使得d s p 芯片对于数字信号处理的算法比如数字滤波、快速傅里叶变换有 着很强的处理能力【6 j 。因此，d s p 作为信号采集的处理器将是今后的主要发展趋 势。d s p 采用了哈佛总线结构，与以前的冯诺依曼结构不同的是，程序空间和 2 武汉理i ：人学硕士学位论文 数据空i 日j 都是独立的，并且有着各自独立的程序总线和数据总线；可以同时对 程序和数据空间进行寻址，但是写数据和写程序并不能同时发生，同样，读程 序和取指令也不能同时发生。 ( 3 ) 存储和传输模块是指对于前端处理好的数字信号进行有效地存储和传 输，d s p 具有很快的处理速度，处理的数据也必将是大量的，正因为这样，前 端进行处理的巨量的信号必须要进行有效的传输和存储，这样才能对采集到的 数据进行分析和重现。这就需要传输和接收速度很快的存储器件。例如现在流 行的u 盘和s d 卡就具备这种存储功能。 1 3 本课题的内容和意义 1 3 1 本文主要的研究工作 本课题的主要内容是研究基于d s p 的信号处理的存储与传输系统。系统的 整体设计框架如图1 1 所示。 图1 1 信号的存储与传输结构框图 论文的设计流程是：应用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控芯片，应用到的信号是前 端经过调理电路整流之后进行a d 采样的信号，此时模拟信号已经转变成数字 武汉理- j ：人学硕十学位论文 信号，存储在外部s r a m 中。前端具备6 路鉴相电路，应用到6 路的a d 通道 用于采样和频域分析。所以本系统的存储和传输也必须能够区分并显示6 路信 号，并且应该带有时间数据和采样频率。 本系统应用了r s 2 3 2 达到可以与p c 通信的功能，可以显示采集到的信号数 据和通道数；同时做到了将采集到的数据外存到s d 卡，并且应用了时钟芯片产 生时间信号，起到了录波的功能。存储到s d 卡上的数据可以在p c 上面显示， 可以用于突发事件之后的数据分析。可以将本系统经过优化之后用于记录电网 的波动，达到无人值班的记录自动化1 7 j 。 1 3 2 本文的体系结构 本文第一章主要介绍了基于d s p 的信号存储与传输系统的应用范围和应用 现状、课题的内容和意义。第二章设计了信号存储与传输系统的整体方案，描 述了各硬件设备的功能和特点；并对各个子系统进行了设计，分析了连续时间 信号采样的采样频率范围。第三章详细阐述了信号存储系统的设计方法和具体 的功能实现。第四章对各个子系统进行了软件设计，并且在此基础上完成了系 统整体的软件开发。第五章借助嵌入式的插件实现了系统运行结果的显示，并 且通过对比分析存储与传输的数据完成了评估。第六章总结了本论文所做的工 作，指出该系统需要完善的地方和可以增加的功能，并且对下一步的研究工作 进行了展望。 1 4 本章小结 本章首先介绍了d s p 的应用范围和应用现状，然后简单阐述了信号存储与 传输系统的现状和发展趋势，最后给出了本课题的内容和研究意义，并简单介 绍了本文的体系结构。 4 武汉理r ：入学硕十学位论文 第2 章信号存储与传输系统的整体设计 2 1 信号存储与传输系统总体设计方案 基于d s p 的信号存储与传输系统由微控制器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 、信号采集装置、 信号传输装置和s d 卡存储装置组成。模拟信号经过抗混叠滤波电路处理后经过 t m s 3 2 0 f 2 81 2 中的a d 采样转换成数字信号，经过r s 2 3 2 与p c 进行通信进行 显示，同时将得到的数据送入s d 卡中进行存储。系统结构框图如图2 1 所示。 图2 1 信号存储与传输系统流程图 其中硬件部分是采用以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心构造的数据传输与录波系统； 软件部分是运用d s p 指令系统的汇编语言和c 语言编写的数据采集处理软件。 2 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 系列d s p 概述 数字信号处理器( d 蜮t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ，d s p ) 自2 0 世纪8 0 年代诞生以来， 在短短的二十几年里得到了飞速发展，已经成为目前最具发展潜力的技术、产 业和市场之一。美国德州仪器( t e x a si n s t n u n e n t s ，t i ) 公司是世界上最大的d s p 供应商，同时也是d s p 研发和生产的领先剖引。 5 武汉理1 人学项 学俺论文 2 2 1 d s p 的硬件选型 目前t i 推出的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是世界卜最具影响力的定点d s p t 流产品 奉论文所应用的硬件平台如陶2 2 所求。 图2 - 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 硬件电路板 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 不仅具有以前c 2 x x x 系列的特点，而且还增加了一砦特性， 其主要性能特点如下： ( 1 ) 高性能的3 2 位c p u ( f 2 8 x ) ，具有1 6 位1 6 位双通道m a c ( 乘累加运 算) ，可以进行1 6 位1 6 位和3 2 位x 3 2 位的m a c 操作，而且不占用c p u 时b j 采用的是哈佛总线结构，具有统一的存储模式可以快速响应巾断及中断处理。 包括4 m 线性可寻址的程序空间和4 m 线性可寻址的数据空问，代码高效( 用 c ，c + _ 或者汇编语言1 与t m s 3 2 0 f 2 4 矶f 2 4 0 x 处理器的源代码兼容。 ( 2 ) 高性能静态c m o s 技术，最高工作频率u 】以达到15 0 m h z ( 时钟周期 66 7 n s ) ，提高了控制器的实时控制能力，减小了控制器的功耗( 核心电压l8 v ) f l a s h 编程电压及i 0 供电电压为33 v 1 5 i 。 ( 3 ) 片内具有高达1 2 8 k 1 6 位的f l a s h 存储器，包括4 个8 k x l 6 位和6 个 武汉理- j ：人学硕十学位论文 1 6 k x l 6 位的程序存储器，1 k x l 6 位的o t p 型只读存储器、两块4 k x l 6 位的单 口随机存储器( s a r a m ) l 0 和l 1 、一块8 k x l 6 位的单口随机存储器h 0 、两块 1 k x1 6 位的单口随机存储器( s a r a m ) m o 和m l 。 ( 4 ) 两个事件管理器( e v a ，e v b ) 可以进行电机控制外围设备，并且与 c 2 4 0 x 系列芯片兼容。 ( 5 ) 外部存储器接口x i n t f ( 仅t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有) ，有多达1 m 字的存储 空问，有编程等待状态、可编程读写选通计数器，具有3 个独立的片选信号。 ( 6 ) 时钟与系统控制，支持动态改变锁相环的频率，片内自带晶体振荡器， 具有看门狗定时器模块。 ( 7 ) 最多有5 6 个独立的可编程、多用途通用输入输出引脚( g p i o ) 。 ( 8 ) 根只读存储器( b o o t r o m ) 4 k x l 6 位，带有软件的b o o t 模式，并且保存 了标准的数学函数表i l0 1 。 ( 9 ) 串口外围设备，包括串行外围接1 3 ( s p i ) ，两个串行通信接e i ( s c i ) ，标 准的u a r t ，改进的局域网络( e c a n ) ，多通道缓冲串行接u i ( m c b s p ) 。 ( 1 0 ) 外部中断扩展( p i e ) 模块，可支持9 6 个外部中断( 当前只使用了4 5 个 中断) ，3 个3 2 位的c p u 定时器。 ( 1 1 ) 具有1 6 通道1 2 位的模数转换( a d ) ，即2 x 8 通道的输入多路选择 器，两个采样保持器，有同时采样和单个采样两种模式，最快转换频率为： 8 0 n s 12 5 m s p s ( 每秒百万次采样) 。 ( 1 2 ) 先进的仿真性能，具备分析和断点功能，可以通过硬件实时调试。 2 2 2 本课题完成的工作 鉴于数据存储与传输的重要性及市场需要，本文围绕着几项基本的功能进 行设计，从系统的硬件设计、软件设计、芯片价格等角度进行研究。重点在各 部分功能的实现上，主要完成下面的工作： ( 1 ) 搭建了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力系统参数测试硬件电路，按照功能 性质分，主要有以下三大类：外围器件接口模块、信号存储模块和信号传输模 块，其中外围器件接口电路又分为外部r a m 扩展电路、日历时钟电路、信号存 储模块即s d 卡的存储电路；信号传输模块即串行通信s c i 接口电路。 ( 2 ) 软件功能：围绕着各硬件部分的接口驱动程序，编写了基于r s 2 3 2 的 串口显示程序和基于s p i 接口的s d 卡存储程序。并在此基础上进一步完善了系 7 武汉理，i ：人学硕士学位论文 统的软件设计尽量做到提高系统的性能。 2 3 串口通信电路 2 3 1 串行通信接口的连接 串行通信接口( s c i ) 是一个两线异步串行接口，也就是通常所说的u a r t 。 s c i 模块支持c p u 和其他使用标准不归零( n r z ) 格式的外部设备之间的异步 数字通信。为了保证数据的完整性，s c i 模块会对接收数据进行中断检测、奇偶 校验、溢出和帧错误检测等。此外，通过d s p 内的一个1 6 位的波特率选择寄存 器对波特率进行编程l l 。 在进行，d 采样的同时还需要对数据进行有效的存储，同时还能在p c 上面 显示，本论文选用了r s 2 3 2 与p c 进行通信，显示一些需要的数据和信号。串口 的硬件连接图如图2 3 所示。 号f 图2 3 串口的硬件连接图 应用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的s c i t x d a 和s c i r x d a 引脚和m a x 3 2 3 2 的接收端 和发送端相连接。运行程序的时候在初始化程序里面打开g p i o 相应的s c i 口并 设置成相应的功能! 武汉理t 大学硕十学位论文 2 3 2s c i 波特率的计算 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有一个1 6 位的波特率选择寄存器，并且还可以对波特率进 行编程，最高可以达到6 4 k b p s 的速率。s c i 的波特率选择需要根据给定的 l s p c l k ，然后通过波特率选择寄存器组成1 6 位值，也就是从6 4 k 个不同的串 行时钟波特率中选择一个。 波特率选择高字节寄存器s c i h b a u d 和低字节寄存器s c i l b a u d 确定了 s c i 的波特率，由他们连接在一起就形成了1 6 位的波特率选择寄存器中的值旧， 即：b r r 。s c i 模块的波特率按下面的公式计算： s c l = l s p c l k 【( b r r + 1 ) 8 】 ( 2 - 1 ) 所以，可得： b r r = l s p c l k ( s c l x 8 ) - 1 ( 2 - 2 ) 在s c i 程序罩面设置好波特率才能进行通讯，本实验将波特率设置为9 6 0 0 ，即： s c i a r e g s s c i h b a u d = 0 x 01 ； s c i a r e g s s c i l b a u d = 0 x e 6 ； 2 4 外部r a m 扩展电路 外扩s r a m 型号为i s 6 1 v l v 2 5 6 1 6 1 0 ，速度为1 0 n s ，存储空间为2 5 6 k 1 6 位大小。直接和t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的x i n t f 接口连接，x i n t f 信号可以与特定的 外部扩展接口的要求匹配，比如选通信号的建立和保持时间，可以对每个区域 进行独立的设置时间参数，避免总线冲突，从而可以使总线的效率最大化。所 有的x i n t f 时间值与x t i m c l k 有关，等于s y s c l k o u t 或者是其一半【l 3 1 。 本系统中采用的片选信号为x z c s 2 ，基地址为0 x 0 8 0 0 0 0 ，取定x t i m c l k = s y s c l k o u t 2 ，即在x i n t f 子程序中设定： x i n t f r e g s x i n t c n f 2 b i t x t i m c l k = 1 ： 将s r a m 的o e 与w e 分别与d s p 的读写引脚相连接，其中d s p 的读使能 引脚r d 为低电平有效的选通信号，它的建立、有效、和跟踪时间均在x t i m i n g x 寄存器里面设置，写使能引脚w e 也是低电平有效的选通信号，它的时间设定 和r d 信号一样。s r a m 与d s p 的连接图如图2 - 4 所示。 9 武汉理j ：人学硕士学位论文 u 4 0 li s 6 1 l v 2 5 6 1 6 5 1 2 1 6 a ol a 0 d o 7d o a 12 a ld i 8d 1 a 239d 2 a 3 4 a 2 d 2 1 0d 3 a 41 a 3 d 3 1 3d 4 a 5 1 8 a 4d 4 a 61 9 a 5d 5 1 4d 5 a ?2 0 a 6d 6 1 5d 6 a 82 l a 7 d 7 1 6d 7 a 9：2 a 8d 8 2 9d 8 a 1 0：3 a 9d 9 3 0d 9 a 儿：4 a 1 0d 1 0 3 l d 1 0 a 1 22 j a l ld 1 l 3 2d 1 l a 1 3：6 a 1 2 d 1 2 3 5d 1 2 a 1 42 7 a 1 3d 1 3 3 6d 1 3 a 1 5 4 2 a 1 4d 1 4 3 7d 1 4 姒64 3 a 1 5d 1 5 3 8d 1 5 a 1 6 舡74 4 a 1 7 l 一 4 02 8越8 i1i 2 ub拌nc 嘣 3 3v c c v c e # 1 7 v c c 1 11g ( s 2 ! 6 ，e 群v c c c e 撑 g n d 1 2 r d j j 4 1 3 4 l oe捍gnd l 3一to1：-r渊o1u 图2 4s r a m 与d s p 的连接图 本设计中采用定标时间x 2 t i m i n g = 0 ，读信号x w r l e a d = i ，x w r a c t i v e = 1 ，x w r t r a i l = 3 ，x r d l e a d = 1 ，x r d a c t i v e = 3 ，x r d t r a i l = l ，即读 建立、有效、跟踪时间分别为1 、l 、3 个x t i m c l k 周期，同理写建立、有效、 跟踪时间分别为1 、3 、1 个x t i m c l k 周期【1 4 1 。 2 5 外扩存储s d 卡设计电路 经过d s p 采集之后的数据量是很大的，本身外扩的r a m 只有2 5 6 k ，存储 量是很有限的，并且存储的数据并不能很直观的看出来，没有再现的功能，所 以这个时候应该有一个较大容量的外设去存储。并且，存储的数据量最好能够 在p c 上面显示，这个时候常见的方法是通过通讯口将数据上传到p c 机或者转 存到u 盘或者s d 卡这种较大容量的存储器件。s d 卡体积小、重量也较轻，携 带方便；同时也具有快速数据传递率、高记忆容量、很好的安全性和移动的灵 活性等优点。基本成为主流的移动存储设备。本系统选择了s d 卡作为外部存储 l o 武汉理工大学硕士学位论文 设备来进行外扩。s d 卡的电路连接图如图2 5 所示。 r 。r 图2 5s d 卡连接电路图 主机通过c m d 线与s d 卡相连接，主机的数据线依次与s d 卡的d a t a 0 d a t a 3 相连接，可以扩展到一个主机几个s d 卡的方式。 2 5 1 外扩s d 卡几种方案的讨论 根据t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 本身硬件方面的特点，具有s p i 和i o 接口，并且本身 还可以充当控制器，外接一个芯片进行s d 卡的扩展。具体设计方案如下。 方案一：由于s d 卡具有s p i 模式，可以利用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 自带的s p i 与 s d 卡进行连接。方案一如图2 - 6 所示。 图2 - 6s d 卡与d s p 的s p i 口相连 l l 武汉理工人学硕十学位论文 本方案中，d s p 的输出口s p i s i m o 与s d 卡的c m d 相连接，作为数据输 入口，d s p 的输入口s p i s o m i 与s d 卡的d a t 0 相连接，作为数据输出口，d s p 的时钟充当s d 卡的时钟，片选线c s 用来片选s d 卡。 应用第一种方案的话，可以将数据通过s p i 接口直接写在s d 卡的扇区，可 以使用w i n h e x 工具查看写入s d 卡扇区中的内容，可以看到十六进制的数据即 a s c i i 码，在工具的边栏也可以看到a s c i i 码对应的数据。 方案- - ：利用i o 口的输入输出来充当s p i 接口，利用i o 接口时序来模拟 s p i 接口的功能。将t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的i o 口直接与s d 卡相连接。方案- o n 图 2 7 所示。 ，j ? 啪篓妻莽鼬螽 一r ，u 月l ， - u led0 l ，枷裟毒一 m l ，删黜i i v c c j v 3 1 2 p a d l 删黑i d 3 r 叫 ， = 。产 1 2 图2 7s d 卡与d s p 的i o 口相连 本方案中，应用d s p 的d 3 接口充当s p i s i m o 与s d 卡的c m d 相连接， 作为数据输入口，应用d s p 的d 1 接口充当s p i s o m i 与s d 卡的d a t 0 相连接， 作为数据输出口，应用d s p 的d 2 接口充当时钟信号作为s d 卡的时钟，应用 d s p 的d 4 接口作为片选线c s 用来片选s d 卡。 应用第二种方案的话，需要利用c p u 的i o 口充当时序电路，在p c 机上 面的读取方式与方案一相同，但是在软件编程的时候比较复杂，同时在软件运 行的时候占用大量的c p u 时间开销。 方案三：可以利用一块文件系统管理工具，利用另一个芯片本身提供的文 件系统对s d 卡进行读写，接口电路和方案一的s p i 模式相同，可以简化程序的 编写。方案如图2 8 所示。 1 2 武汉理- 丁大学硕+ 学位论文 4 。县上 臣浮 洒p a i 叠 = = 三c 1 2 阻g n d u 鼬童 骂南鱼7 。1 51 罂 面蒜州囊甲f0 禺生： ”h 吕旦z 亍嚣 v o c s v 卿一 ，vq卵、 誉乏蛋器2 ，3 ，s d _ c $ l西k i i 踅射# = ；3 3 n 拍：= 一= 了 盟台3 3 n7 蔷i 一】2 p d -c d o a t 31 j 竺委二= j y f 。 潲 j 1 5 a 7 碍 _ 皿：二7 1 赢* c 1 4 1 2 m 嚣恚 h l “罚f g n d t x d 墨二 ；一 一 ；i “c 一 图2 8c h 3 7 6 连接图 本方案中c h 3 7 6 具有专门的s d 卡接口，可以与s d 卡一一对应的连接。 应用第三种技术方案，可以选择c h 3 7 6 芯片进行处理数据，并且可以通过 三种方式连接到d s p 上面，可以节约d s p 的一些接口用来做其他的功能，并且 如果以后想扩展u s b 通讯功能，也方便以后的更新换代。c h 3 7 6 支持三种通讯 接口：8 位并口、s p i 接口或者异步串口。 2 5 2s d 卡外扩方式的选择 作为一款专门的s d 卡文件管理控制芯片，c h 3 7 6 具有很强的功能，在单片 机与s d 卡的应用方面有很好的兼容性。如果能应用在本系统里面能够增加系统 的实用性，并且使编程简单化。但是，由于本身价格相对较贵，在编写程序的 时候与本系统选择的d s p 芯片不能完全兼容，即便能够进行s d 卡的读写也会使 c h 3 7 6 的优点丧失。 由于时间的仓促，本设计选择的d s p 芯片与c h 3 7 6 的兼容问题没有得到根 本的解决。所以本设计选择了方案一进行s d 卡的数据存储，相比方案二能够简 化软件的编程，提高了速度，并且能够解放d s p 的数据口；相比方案三能够节 约成本，并且不必担心因为兼容性的问题使数据出错，美中不足的是增加了一 些软件方面的编程。 i仔一坼一盯一体一憎一加一劲一卫一”一。一。一，一一 一器舞罐坐竺憋胁 武汉理丁火学硕十学位论文 2 6 日历时钟模块 作为波形的记忆功能装置，能够添加上时间同历模块，则可以使记录的数 据存在实际意义，可以结合键盘来实现同期和时i 日j 的显示和设置。本设计采用 p c f 8 5 8 3 来实现实时时钟电路l i 纠。 p c f 8 5 8 3 是飞利浦公司生产的带，2 c 总线低功耗、多功能的c m o s 型实时 时钟集成芯片。它具有日历时钟、计时、可编程定时中断功能，并提供2 5 6 字 节低功耗静态r a m 。当作为同历时钟器件使用时配置有电池供电，可以作为 r a m 的保护电源，故2 5 6 字节的r a m 可以视为非易失性r a m 。由于 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部没有，2 c 总线接口，本设计借用d s p 的g p i o 引脚来模拟时 序，实现了串行同历时钟与d s p 的连接。它需要一个后备电源，由于d s p 所需 要的的数字电源为3 3 v ，不适合使用镍镉电池( 3 6 v ) ，故采用了一个法拉电容 作后备电源，容量为0 2 2 f t l 6 j 。实现的电路图如图2 - 9 所示。 图2 - 9 时钟电路的接口电路 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的g p i o a 0 引脚和p c f 8 5 8 3 的s c l 引脚相连；g p i o a l 引脚 与s d a 相连，s c l 为2 c 总线的时钟线，s d a 为，2 c 总线的数据线。g p i o a 0 和 g p i o a l 引脚配置成为i o 方式，并连接上拉电阻。当日历时钟收到数据后，通 过，2 c 的数据线拉为低电平来应答接收。 1 4 武汉理i ：人学硕十学何论文 2 7 连续时间信号谱分析原理 2 7 1 连续时间信号的采样及信号的，恢复 采样是对模拟信号x ( ，) 进行分析的第一步，使之成为时域离散信号x ( 疗正) 。 在数字信号处理系统中，一个非常重要得选择就是采样频率f ，它决定了采样 信号的质量和数量：如果f 太小，会使模拟信号的某些信息丢失，如果将这样 的信号恢复成原来的信号时出现失真，影响数据处理精度；f 太大，会使数据 量加大，从而浪费大量的存储单元。 通过采样模拟信号得到数字信号是否包含了原模拟信号的全部信息，是否从 采样信号中恢复出原信号，主要取决于采样率f 。当采样率疋过低时，各次谐 波频谱必然互相重叠，重叠部分的频率成分的幅值与原信号不同，所以不能分 开和恢复这些信号，会出现混叠现象。如果原信号不是带限信号，或者采样频 率太低，混叠现象必然存在i l 。 根据采样定理：若带限连续信号x ( ，) 是有限带宽信号，其频谱的最高频率 为7 ：，对x ( f ) 采样时，应该保证采样频率 z 2 z ( 2 - 3 ) 那么采样信号x ( n t 。) 保留了x ( ，) 的全部信息，即可由采样信号x ( n t ，) 完全恢复出 z ( ，) 信号，不会产生混叠现象。只要采样频率高于信号最高频率的两倍，整个连 续信号就可以用它的采样值来代表，采样信号通过理想低通滤波器之后，可以 唯一恢复出原来的信号，即得到了全部的信息【l 引。 本系统在这里采样的是三相电的数据，我国的工业电网的频率是5 0 h z ，根 据奈奎斯特( n y q u i s t ) 采样定理，采样频率必须要大于l o o h z 。但是，工业电 网的频率带有多次谐波，要通过采样得到真实的波形的话，必须将采样频率加 大，这样，本系统采用了2 0 k h z 的采样频率。 2 7 2 在t m s 3 2 0 f 2 8 x 定点d s p 上实现2 0 4 8 点f f t 离散傅立叶变换，即d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ) 是数字信号分析与 原理，如图形、语音及图像等领域的重要变换工具，直接计算d f t 的计算量与 变换区间长度n 的平方成正比。当n 比较大的时候，因为计算量太大，直接用 武汉理i ：人学硕十学何论文 d f t 算法进行谱分析和信号的实时处理是不可能实现的。快速傅里叶变换，即 f f t ( f a