（机械设计及理论专业论文）基于dsp的液晶材料电特性测试系统软硬件实现.pdf

摘要 摘要 针对目前常用的阻抗灞试仪无法满足液晶动态性能测试的要求，研制了 种基于d s p 技术的液晶特性专用测试系统。 论文首先对液晶材料相关知识、系统性能指标及噪声影响下信号幅值及栩 位的测量原理进行了理论阐述，提出了采用数字信号处理技术与信号频域分析 的设计方案。然后着重阐述了系统软硬件设计与实现。在硬件方面，整体电路 按功能分为凡大模块进行设计。由于要进行大量的数据处理，电路采用公司 的r m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 乍为核心部件，且利用其片上事件捕获单元、快速a 1 ) 转换模块，实现了频率实时测量与数据实时采样。除此之外，还辅以信号源、 放大电路、调理电路、输入输出电路等来满足系统智能他的要求。在软传方丽： 依据硬件电路的功能模块，采用c 语言编写所有程序，完成了键盘扫描、液晶 显示、频率浏量、数据实时采样与处理的任务。另外。鉴于本系统输入信呼频 率实时可调，硬件上采用数字锁相技术难度非常大，我 f 】采用软件同步采样法， 以消除频谱泄漏的影响；采用实输入数据的基2 f f t 算法，以提高系统的实时性。 最后我们对实验数据进行了分析弗采用最小二乘曲面拟合法进行了开路零 点实时跟踪校正，来提高系统的测试精度。测试结果表明：该系统的各项指标 满足设计要求。 关键词：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，基2 快速傅立叶变换。软件同步采样，曲面拟舍 开路零点跟踪 a b s t r a c i a b s t r a c t as p e c i a lm e a s u r i n gs y s t e mf o rl i q u i d c r y s t a lp e r f o r m a n c eb a s e do nd s p t e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e di nv i e wo ft h ef a c tt h a te x i s t i n gi m p e d a n c en l e t e r sc a l l t m e a s u r ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fl i q u i dc r y s t a lm a t e r i a l s ， i nt h et h e s i s ，f i r s t l y , t h ed e s i g ni d e af o rh i g h s p e e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i l i g t e c h n o l o g ya n ds i g n a lf r e q u e n c ya n a l y s i si sp r e s e n t e da c c o r d i n g t or e l a t e dk n o w ! e d g e a b o u tl i q u i dc r y s t a lm a t e r i a l s ，s y s t e mp e r f o r m a n c ei n d e x e sa n dt h em e a s u r i n g t h e o r i e sf o rs i g n a la m p l i t u d ea n dp h a s eu n d e rn o i s ei n f l u e n c e s t h e n ，t h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h es y s t e mi sd i s c u s s e d i nr e s p e c to f h a r d w a r e ，i n t e g r a lc i r c u i ti sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nm o d u l e ah i g h s p e e d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai su s e da st h ec o r e p a r t f o r n l u s s c a l c u l a t i o n b yu s i n gi t sc a p t u r eu n i ta n da d cm o d u l e ，t h es i g n a l r e a l - t i m e f r e q u e n c ya n ds a m p l i n gi sa c h i e v e d b e s i d e s ，s i g n a lg e n e r a t o r , a m p l i f i e r ，a d j n s t i n g c i r c u i t ，i n p u t - o u t p u tc i r c u i ta n d o t h e rc i r c u i t sa r ei n e l u d e dt om a k et h ew h o l es y s t e m s i m p l ea n di n t e l l i g e n t i nr e s p e c to fs o f t w a r e ，t h ep r o g r a mi sa l s od e s i g n e da c c o r d i n g t ot h ef i m c t i o nm o d u l ea n dw r i t t e ni ncl a n g u a g e ，w h i c hr e a l i z e sas e r i e so f m a n a g e m e n tt a s ki n c l u d i n gk e y b o a r ds c a n n i n g ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y i n g ，f r e q u e n c 3 m e a s u r i n g ，d a t as a m p l i n ga n dp r o c e s s i n g m o r e o v e r ，b e c a u s es y s t e mf r e q u e n c yv a r i e s w i t h t i m ea n dp h u s e l o c k e dt e c h n o l ye a n n tb er e a l i z e di nt h eh a r e w a r ed e s i g n s o f t w a r e s y n c h r o n i z a t i o ns a m p l i n g i s a d o p t e d t oe l i m i n a t e s p e c t r u m - l e a k a g e i n f l u e n c e s an e wa l g o r i t h mo fd i t - f f fa i m e da tr e a ll i s ti sp u tf o r w a r dt oi n c r e a s e t h ep e r t b r m a n c eo fs y s t e m a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t a sa r ea n l y s i s e da n dan e wl e a s t s q u a r ef i t t i n g c u r v e df a c ea l g o r i t h mi sa p p l i e dt ot i m e l yo p e n c i r c u i tz e r ot r a c i n g t e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h ei n d e x e so f t h es y s t e ma r es a t i s l y i n g k e yw o r d s ：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，d i t - f f t , s o f t w a r es y n c h r o n i z a t i o ns m n p ! i n g c u r v e d f i c ef i t t i n g o p e n c i r c u i tz e r ot r a c i n g 独创性声明 y 簿嚣馘8 7 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 获得石家庄铁道学院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：雌日期：业 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 f 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：婢导师签名：盐日期：也 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 近年来，随着社会信息蒙韵增加和信息交换的频繁，显示技术及显示器件 已成为人们工作与生活中不可缺少的部分。皱然目前c r t ( c a t h o d er a yt u b e ) 仍 是显示技术中的主流产品，但液晶显示器件独具的低压、微功耗、无辐射特性 必将使其在未来的市场中独树一帜。液晶显示器件的基本材料是液晶，它是在 某温度范围内兼有液体和晶体二者特性的物质，它的任何一项性能和参数都会 影响甚至决定液晶显示器件的性能和参数，有些还会影响液晶显示器件的工艺、 制造i i oj 。在外电场作用，滚晶材料可等效为电阻、电容相并联的阻容器件，其 阻抗值的大小能够反映蹬液晶材料介电性能，所以研究者鬻遽过测试液晶的阻 抗值，以获得液晶材料某些重要特性。现用的阻抗测试仪虽然操作简便、测试 精度商，但只局限于定频、定匿条件下的测量，无法得到在连续电压和频率变 化情况下材料的响应特性，不能满足液露动态性能测试需要，也无法得材料 在较高电压情况下的特性参数。因此，随着新型液晶材料不断涌现以及其应用 领域的不断扩大，研制一种集实时测量、控制和逶信等功能于体的液晶材料 电特性测试系统，对于推动液晶显示器件的发展其有重要意义。 1 2 国内外发展动态 1 2 1液晶盛示应用技术圈虎外现状 液晶的发现和产生可以追述到1 9 世纪【l ，2 j 。早在1 8 8 8 年奥地利植物学家策 尼茨尔发现了胆甾醇鲍苯甲酸脂和醋酸魔的液晶性。1 8 8 9 年德冒物理学家策曼 将其命名为“液晶”这一学术名称。以后，各国学者对液晶理论、结构、性质 以及应用等诸方面进行了夫薰研究，但并来绘人类带来多少好处。磨到1 9 6 3 年， 美国无线电公司的藏廉斯发现在向列型液晶层上加上愈压会使其变漏浊，1 9 6 8 年，海尔梅耳对此现象进一步研究，并研制成了液晶平板盈示器件，开刨了液 晶显示应用的新纪元。7 0 年代以蠡，液晶显示得到飞速发展，先后实现了液晶 一1 一 第一章绪论 大屏幕显示、液晶彩色显示、激光寻址液晶光阀郓便携式液晶电视1 3 j 。 由于液晶显示技术涉及多学科、高科技以及我国在大规模集成电路发展的 落后，我国在液晶显示应用技术上还不尽人意。我国内地液晶显示技术的基础 和应用性研究从2 0 世纪6 0 年代就已经开始，包括清华大学物理系及化学系、 长春物理所、北京化学所等单位都投入了大量的精力，从事这方面的研究工作。 之后北京大学微电子所、南歼大学、华中理工大学、南京五十五所等单位也相 继介入这方面的研究。这些基础和应用性的研究和开发工作，虽然由于资金投 入较小，没有世界级大的倒新性成果，但在产、韭发展中也发挥了积极的作嗣。 在大学和研究所背景下成立的清华液晶中心、北方液晶中心也是专门从事液晶 显示技术研发的单位，一些大的集团如京东方、上广电、t c l 等企业的研究机 构也在从事这方面的工作。北方液晶中心侧重s t n l c d 液晶器件参数测试仪方 谢的研究和开发工作。清华液晶中心侧重s t n 工程化技术研究，相变液晶、宽 视角等一些个性化的器件开发和导波技术在液晶中的应甩研究，以及模式设计 等一些基础性的研究。南京五十五所则在s t n 、t f t 及b t n 液晶显示器件等方 面开展工作。经过多年来各方努力，我国内她已能生产部分l c d 测试仪器。测 试仪器以高校和研究所为主，如清华大学、长春物理所都开发生产了如液晶盒 厚测量仪、液晶光电参数测试仪等测试设备。专业生产液晶设备的j 家有北京 京城清达、太原二所、深圳虎神、深圳澜正、深圳航通、深堋保全等公司。但 我国内地液晶设备就其规模和水平来看与l c d 器件和相关材料比，仍显得滞 届一些，与日本、韩圈相比，仍有相当的距离1 ”。 1 2 2 数字信号处理技术的发展现状 在本世纪六十年代以前，对信号的处理绝大多数情况是甩模拟方法实现韵， 但直到六十年代，随着计算机和信息学科的飞速发展，数字信号处理技术应用 而生并迅速发展 5 】。数字信号处理就是用数字或符号的序列采表示信号，利用计 算机或专用设备去处理这些序列，提取其中有用的信息。它侧莺于理论分析、 算法确定及软件实现，如快速傅立时变换、卷积、数字滤波等。凡是用数字形 式对信号进行滤波、估值、增强、压缩、识别等都是数字信号处理的研究对象。 与传统的模拟方法相比，数字信号处理有明显的优点，如精度高、灵活性强， 可以实现模拟系统很难达到舶指标和特性。另外，它还具有数字系统的一些共 同优点，如抗干扰强、便于大规模集成等。1 9 6 5 年库利一图基( c o o l e y - - t u k e 3 ) ， 第章绪论 提出的快速傅立叶交换( f f t ) 是数字信号处理学科的开端。快速傅立叶变换方法 和一些高效算法的提出和发耀，促进了专用处理硬件的发展。因为要实现这些 算法，特别是要实时地完成某种算法，就需要有特殊的硬件支持。这就是数字 信号处理器( d s p ) 。 世界上第个d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司宣布的s 2 8 11 ，1 9 7 9 年美国 n t e t 公司发布的商用可编程期间2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑，这两种芯片内 部都没有现代d s p 芯片所必须的单周期芯片。1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的 g p d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。第一个采用c m o s 工艺生产浮 点d s p 芯片的是日本的h i m c h i 公司，它于1 9 8 2 年推出了浮点d s p ：卷片。1 9 8 3 年，f ：；= i 本的f u j i t s u 公司推出的m b 8 7 6 4 ，其指令周期为1 2 0 n s ，且具有双内部 总线，从而处理的吞吐量发生了一个大的飞跃。第一个高性能的浮点d s p 芯片 应是a 1 谴t 公司于1 9 8 4 年推出的d s p 3 2 ，在这么多的d s p 芯片种类巾，最成 功的是美国德克萨斯仪器公司( t e x a si n s t r t t m e n t s ，简称t i ) 的系列产品。t i 公 司于1 9 8 2 年成功推出启迪一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品t m s 3 2 0 1 1 、 t m s 3 2 0 c 】o c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之后相继推出了第二代d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 、 t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ，第四代d s p 芯 片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x ，第二代d s p 芯片的 改进型t m s 3 2 0 c 2 x x ，集多个d s p 芯片于一体的高性能d s p 芯片f m s 3 2 0 c 8 x 以及目前速度最快的第六代1 m s 3 2 0 e 6 2 x ，c 6 7 x 等d s p 芯片。t i 将常用的d s i ， 芯片归纳为三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) 、 t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) 、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列 ( t m s 3 2 0 c 6 2 ) 【，c 6 7 x ) 1 6 1 。 经过近2 0 年的飞速发展，目前d s p 芯片的价格越来越低，运算速度和集成 度日益提高，其应用面也从起初的军工、航天等领域，扩展到了今天的通用数 字信号处理、通信、语音、雷像处理、控制、仪器仪表、医学电子、家用电器 等诸多电子行业和滑费类电子产品中。 1 23 阻抗测试仪现状及水平 出于现有阻抗测试仪只局限于测量被测对象在交漉电压为扶特量级、有限 频点情况下的阻抗参数，无法得到电压和频率连续变化情况时液晶材料动态m 抗参数，从而无法分析材料的动态响应特性及其在离电压时的击穿特性与失效 一3 ， 第一章绪论 机理。另外，虽然国内外有多种l c d 测试仪器产品，但用于如上实时液晶阻抗 动态测试的应用系统目前还无厂家生产。 1 3 论文研究的主要内容 ( 1 ) 了解液晶材料的相关知识，并根据频域分析含噪信号幅值与相位的测精 原理，确定系统总体研制方案。 ( 2 ) 熟悉t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 芯片的结构与功能，设计以它为核心的液晶 材料电特性测试系统的硬件电路。 ( 3 ) 熟悉t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 的集成开发环境( c c s ) ，采用模块化方式编写 系统软件。 ( 4 ) 实验数据分析、开路零点实时跟踪校正与系统模拟运行a 第二章系统设计方案 第二章系统设计方案 本系统专为测量液晶材料的电特性而设计，日的是通过测_ 薰液晶材料的动 态阻抗值来获得反映其性能的主要电参数：介电常数、电阻率及其与外加电压 和频率的关系曲线，因此在制定系统方案之前弄清液晶材料的相关知识非常必 要。 2 1 液晶材料梧关知识 2 1 1 液晶分子结构及龟特性 液晶分子一般都是刚性的棒状分子，由于分子头尾、侧面所接的分子集团 不同，使其在长轴和短轴两个方向上具有不同的特性，成为极性分子。由于分 子力学作用，使液晶分子集合在一起，处予自然状态下的分子长轴总是互相平 行，而分子重心则呈自由状态，从宏观上观察，液晶沿分子长轴有序方向和短 轴有序方向上的宏观物理性质出现不同。可见，液晶显示出各向异性是由它细 长的分予结构所决定的。由予液晶的各向异性，以及其弹性系数又很小，燃此 在外场的作用下，分子的摊列极易发生变化。倒如在外电场和外磁场作用下， 液晶的指向矢即会沿外电场和外磁场的方向薰新排列。 如果以s 。表示平行于长轴的介电常数，s 表示垂直于长轴方向的介电常数， 那么长轴方向的介电常数与短轴方向的介电常数之差称为液晶的介电各向异髑： 即s = 占，一占。a 占 o 为p 型液晶，s 0 为r t 型液晶。g 的正负主要国 液晶分子的极化率、永久偶磁矩及液晶分子长轴方向的夹角所决定。s 。和s 取 决于施加电压的频率，在低频时占，一般大于s ，此时a s 为正；高频时s 可能会 小于占，此时s 为负。可见，介电常数是液晶材料的最基本豹电参数，是决定 液晶分子在电场中行为的主要参数。 液晶电阻率是单位横藏西积、单位长度的液晶的电阻，是评价液晶纯攫的 重要指标。由于液晶是各向异性材料，所以其电鼹率也是各向异性的。 一5 第二章系统设计方案 2 。1 2 液晶阻抗的溯试原理 在外电场作用，液晶材料可等效为屯阻、电容相并联的阻容器件，其阻抗 值大小能够反映出液晶材料的电特性，液晶介电常数s 与q 的关系式为： s ：垡( 2 i ) s 式中，d 是盒的间隙，s 是两片基板电极重叠部分面积。 前节分析知占与驱动信号的频率有关，显然液晶阻抗参数也会随信号频率的 变化而变化。所以常将液晶置于交流外电场中，通过测量液晶在不同频率下的 阻抗值来推导出液晶材料的电特性曲线，从而实现对液晶多种物理、化学现象 的研究。 2 1 3 液晶电阻电挠的计算公式 设液晶两端施加的信号为纯正弦，频率为，则液 晶阻抗测量等效电路如图2 1 所示。其中驴；u 么吼， ，= i z l 9 0 , ，妒= 纯一仍。根据电路基本理论，可推导出液 晶电压、电流的关系式 圈2 - 1 液晶测囊等效电路 j = ( 7 ( + ，2 孵- ) ( 2 - 2 1 从而 ，+ ，2 够广吉( c o s 妒一埘n 纠 进一步化简式( 2 3 ) ，可求得液晶的阻抗参数r l 、c l 分别为 r ：竺 1 + c o s o 22 系统性能指标 c ，= 警 2 - 3 ) ( 2 4 ) 2 5 ) ( 1 ) 信号源要求。输出波形类型为正弦波、方波：输出频率档位为1 0 1 t z 1 0 0 第二章系统设计方案 h z ，1 0 0 h z 1 k h z 输出电压幅值( 峰一峰值) 档位为o 7 0 7 v 、o 7 0 7 v 。 ( 2 ) 测量功能。用户通过简单键盘操作随时变换内部测试信号源的输出波形 类型、频率及输出电压的档位；在每一档位输出频率、电压连续可调；测试信 号源的输出波形类型、输出频率及电压均能实时数字显示：实时计算并显示被 测对象的某一瞬时电阻分璧和电抗分量。 ( 3 ) 测量精度为1 0 级。 2 3 数据处理算法研究 由式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可知，当液晶两端施加的信号为纯正弦时，只要测出待测 液晶电压、电流信号的幅值与相位差，即可计算出液晶在此频率下的阻抗参数。 虽然信号源可产生低失真度的正弦信号，但信号在传输过程中不可避免地会受 电路的温漂、嗓声、干扰的影响，此时若采用时域中的半波积分法来计算其幅 值可能会产生很大的误差。另外，当测试信号为方波时，我 f ：需要测量液晶在 各次谐波下的阻抗参数。鉴于上述原因，本系统从频域出发计算信号各次谐波 的幅值与相位，以提高系统测量的精度和稳定性。 2 3 1 连续傅立叶分析 由数学理论可知，一个非正弦的时间周期函数，可用傅立叶级数表示为 y ( f ) = + ks i n ( k o ) t + i l k ) = + 2 【略c o 文耐) + 圾s i n ( k o p t ) ( 2 6 ) t l t i 那么当液晶电压、电流含有次谐波，且都是周期时间函数，则可用傅，血： i 叶级数表示为 l ? “( ，) = 砜+ 。s i n ( k o d t + 峨) = + 2 溆c o s ( k o j t ) + b s i n ( k o ) t ) 2 7 1 - lj = l lf f ( f ) = 厶+ ks i r t ( k o j t + 3 k ) = c 1 。+ 2 hc o s ( 女捌) + 瓯s i n ( k c o t ) ( 2 _ 8 ) 式中川“2 2 厅玎；哝2 a r c t a n 嚣确，= 2 厅丽 第二二章系统设计方案 一 成= a r c t a j l 粤 以 若七= 1 是基波分量，七是其它值时对应着不同的谐波分量；u k 。饼+ 是次 谐波电压的幅值和初相角：k ，、羼是七次谐波电流的幅值和初相角；u o 、，。是 电压和电流的直流分量。可见，只要求出q 、魂、c 、破，就能求出第女次谐 波的幅值和相位，从而使问题得到解决。 若k 次谐波的频率已知，根据傅立叶级数理论，有 令 旷亭势) c o s ( 冽r 矾= 毒息椰) s i n ( 七耐灿 = 亭照c ，灿 c o = 亭纷棚 l u ( k ) = q 一，吼 【( t ) = o 一、越 根据e 计“= c o s k o o t j s i n k e o t ，得 叭胪亭媛扩4 恤 地) = 亭竣静) e - i a u d ， 式( 2 1 3 ) 恰好是h ( f ) 、f ( f ) 的傅立叶变换公式，由( 2 1 2 ) 式可得 f 2 1 m ( 2 1 1 ) f 2 - 1 2 1 ( 2 一1 3 ) = 螂 州 畿职+ 。一r。一r 第二章系统设计方案 唧：；( 们) + u + ( ) ) 瓯= ；( u ( 七) 一( ，( 七) ) q = ；( ，( 走) + ，( 七) ) d k ：三( ，( ) 一厂( 七) ) 由此可见，确定略、0 、哦的关键在于傅立叶变换的求解。 2 32 离散傅立时分析 f 2 1 4 1 ( 2 15 、 由于计算机只能进行离散的数值计算，必须对连续函数进行离散化。现以 电压信号“( ，) 为例进行分析，对( 2 9 ) 式离散化得 式中，n 为u ( t ) 一个周期内的采样点数。 令 f ( ， 女) = c 一慨 旧e - ，争s ( 等n ) - j s i n ( - 等”) 啦。17 则 吣) 2 专丢“哪” ( 2 。8 ) 式( 2 1 8 ) r 日为可在计算机实现韵信号“) 豹离散傅立叶变换( d f t ) ，且存在如 下关系式 讳讳 r厶守厶 第：章系统设计方案 ”吣m h2 吉( ) _ 矿( 蝴 ( 2 1 9 1 从而求得 卜= 2 如队n 叭拶 卜扣卅叭 ， 2 之 需要说明的是由于采用的d f r r 算法通常只给出了谐波相对于纂波的大小， 故将( 2 1 8 ) 式中的啬常被省略。因此在实际用d f t 算法求解吼、q 、c i 时 应将其因子考虑进去。 由以上分析可知，连续周期函数经过筹间隔的采样之后，其采样序列经离 散傅立叶变换( d f t ) 能够求出各次谐波的辐值和相位。 2 3 3 快速傅立叶变换( f f t ) 离散傅立叶变换( d f t ) 是信号处理中最基本、最常用的算法，在信号的频谱 分析、系统的分析、设计与实现中得到了广泛的应用i 7 】，但是诧算法包含有大量 的重复运算，且计算量随采样点的增加面增大，不适于需要高速运行的嵌入 式控制系统的采用。因此为减少d f t 的计算量，缩短运算时闻，引入了快速傅 立叶交换( f f t ) 算法。其基本愚想是把长序列逐次分解成一系列短序列，并充分 利用d f t 计算式中旋转因子蛾”的对称性和周期性，进而求出这些缀序列相应 的d f t ，著进行适当组合，最终达到测除重笈计算，减少乘法运算，提高速度 的目的。f f t 算法很多，本系统根据设计要求( 每个周期采2 5 6 点) ，选用了基2 阡1 、 算法。 2 33 1 萋2 f f t 算法 设n 点输入序列h ) ，n 为偶数，且n = 2 m ( m 为正整数) ，将x ( ) 按奇、 偶分解成两个( n 2 ) 点序弼来计算坦硒，于是 1 0 - 第二：章系统设计方案 x ( t ) = x ( 删嘴” ( 肛o ，1 ，1 ) 月卸 u 一i 毗一 = 羔x ( 2 r ) ( 嚼) “训窆x ( 2 r + 1 ) ( 嚼) “( 2 - 2 1 ) r = 01 = o 式中，严o ，1 ，n 2 l 。 根据峨：b 可2 = e 。臻帅) ，式( 2 2 1 ) 可化为 x ( k ) = g ( 女) + 哎h ( 七) ( 2 - 2 2 ) a ，i”；一1 式中，k = o ，l ，一l ；g ( 女) = x ( 2 ，) 爱；( ) = 艺x ( 2 r + 1 ) 彬奠。 r # 【l 7 r d ) 。 式( 2 2 2 ) 中g ( 螂和俄蛉部是n 2 点序列的d f t ，第一个和式是r ( 2 r ) 的a ，2 点d f 3 ，第二个和式是x ( 2 r + 1 ) 的n 2 点d f t 。虽然式中膏= o “1 一n 1 ，但是 因为g ( 协手口矾玲静是周期为n 1 2 的k 的周期函数，所以每一个和式只需计算k 取 0 至( 5 2 ) 1 之间值的d f t 后，再代入式( 2 2 2 ) 中即得到n 点序列的d l ? i 豫札 将上述推导继续进行，即再把两个3 # 2 点d f t 分成艘个n 4 点d f t ，进而八个 v 7 8 点d f t ，直到n 1 2 个两点的d f f 。每分一次，称为一“缀”运算，当n = 2 ” 时，则有肘级运算，如图2 2 所示。图中n = 8 ，因此m = 3 ，从左至右，依次为 r t l = l 级，m = 2 级，m = 3 级。 心耶、 拥j - i郴，一 孓枷，粤啪， 郴，乡乡叉螂，j ：y 卿， ： ”1 w ： 番2 - 28 点基2 f f t 算涪信号流霭 瑚 琊 郴 批 耶 郴 椰 o 4 2 6 ， 5 3 门 唧 蚴 删 州 姻 蚋 删 第二章系统设计方案 由图2 2 可见：对于n = 2 ”点做基2 f f t 计算时，包含有m = l 0 9 2 n 级蝶式运 算，每级有n 2 个蝶形运算，因此整个运算有( n 2 ) l 0 9 2 n 令蝶形运算构成，总的 复数乘法次数为( n f 2 ) l 0 9 2 n ，复数加法次数n l 0 9 2 n ，而喜接计算d f t 的复数乘 法次数为炉，复数加法为n ( n - 1 ) ，当n 1 时，n 2 ( n 2 ) l 0 9 2 n ，故基2f f t 算 法的运算量比直接算法大大减少。 2 3 3 2 实序列的基2 f f t 算法 由前面分析可知，f f t 算法所处理的数据是复序列，而本系统所采集的电流、 电压数据均是实序列，虽然可以把实序列视为一个虚部为零的复序列进行运算， 但其效率显然不高。若用一个点f f t 同时计算两个点实序歹 的d f f ，一个 做实部，另一个做虚部，计算完后，再把结果转换为实部、虚部序列的变换结 果，将是一种很有效的方法。 设系统实际采集到的电压、电流序列分别为： “( ，t ) 、 f ( ) ，将两序列构 造成复序列 x ( n ) l ， = o ，1 ，2 、( 一1 ) ，即 x ( ”) = ! f ( h ) + j i ( n ) ( 二2 3 ) 对复序列 x ( n ) 傲f f t 变换，则 x ( k ) = u ( 女) + ( ) ( 2 - 2 4 ) 式中，k = o ，l ，2 ，( 一1 ) 从而得 式中，x 。( i ) 、x i ( 女) 分别表示( i ) 的实部和虚部。 进而得 f q = 圭【鼻。( 女) + x 。( 一七) 】 h = j 1 【吲v 叫- x i ( 叫 - 1 2 ( 2 - 2 6 1 嚣 纠 由 肛 m m 盼 脚 ：灯r 砖卜 靠 啪 m 峨 舢 妒扣 一 一 第二章系统设计方案 q = 鱼五( ) + x ，( 一) 】 巩= 争“女) 一妊( 一七) 】 2 3 4 应用d f t 存在的闻题及改进措施 r 2 2 7 ) 由上= 述理论推导可知，采用任一周期信号通过f f t 可计算出各次谐波的幅 值和相位，但这些值与真值是有差别的。这是因为应用d f t 使数据截短会出现 频率混叠、襁栏效应和泄漏现象。 ( 1 ) 混叠现象。由奈查斯特定理可知，只有当采样频率( 大予信号的最高频 率f 两倍时，即疋 2 c 才能防止混叠即一”，否则f f t 运算将出现频域混叠现 象，形成频谱失真，使之不能反映原来的信号。因此，在工程应用中，般把f 取得商一些，但也不宣过高，函为采样频率过高，则一定的时闻墨采样点数过 多，造成对计算机存储量的需要过大和计算时问太长。通常，疋取为( 4 1 0 l ，。 ( 2 ) 信号截断与频谱泄漏。在实际中遇到的序列x ( n 1 ，其长度往往是很长， 甚至是无限长的。采用f f 3 对其进行谱分析时，必须将它截断成长度为的有 限长序列，相当于将序列乘以个窗函数w ( 珂) 。时域中x ( ，2 ) x 纾名( ”l ，频域中, v 肖( 8 l 与暇，p 4 l 相卷积。根据频域卷积定理，结果是以实际频率值为中心， 以窗函数频谱波形的形状向两侧扩散，产生“频谱泄漏”，由于信号频谱中各谱 线之问相互影响，频谱泄漏会使铡量结果僚离实际值，同时在谱线两侧其它频 点处出现一些幅值较小的假谱，严重时强信号谱的旁瓣可能淹灭弱信号的主谱 线，或者把强信号谱的旁瓣误认为另一信号的谱线，因此必须进行抑制。 产生泄漏现象的根本原因是采样频率与信号频率不同步，造成周期采样信 号的相位在始端和终端的相位不连续。为了抑制频谱泄漏，是通过窗函数加 权使确限长度的输入信号周期延拓后在边界上尽量减少不连续程度。二是同步 采样，使采样频率与信号频率严格同步。其中对数据加窗能有效地克服泄漏误 差造成的幅值估计误差，但对相位估计误差无直观的改善；同步采样通过使采 样频率和信号频率的严格同步来消除频谱泄漏误差，特j ； 楚相位估计误差。 ( 3 ) 栅栏效应。n 点f f t 是在频域区闯f 0 ，2 羽上对信号的频谱进行点等间 隔采样，得到个离散点x ( k 1 ，且它们只限制为基频的整倍数，而不可能将频 谱视为一连续函数。这就好像在栅栏的边通过缝隙看另一边的景象样，只 第二章系统设计方案 能在离散点的地方看到真实的景象，其余部分频谱成分被遮拦，所以称之为栅 栏效应。为了减少栅栏效应，可以采用原序列尾部补零或增加序列长度的方法， 从而在保持原来频谱形式不变的情况下，使谱线交密，也就使频域采样点增加， 原来漏掉的某些频谱分量就有可能被检测出来。 2 4 系统设计方案 液晶电特性测试系统设计包括硬件与软件两部分，且均采用模块化的设计 方案，即根据系统功能，把硬件和软件分成若干模块，分别进行设计和调试， 然后两者联调。系统原理框图如图2 3 所示。首先由信号发生器产生波形类型、 频率均可调的波形信号，经幅值电位器送入低失真高压功放电路，以产生电压 幅度连续可调的液磊测试信号。然后测试信号施舾在待测液晶两端，液晶 乜压 信号经分压、放大后路送入1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数据采集模块进行电压信号采 样，另一路做为测频输入信号送入浏频电路进行实时频率测量，间祥被测波晶 的电流信号经转换电路及信号放大后送入t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 数据采集模块进行电 流信号采样。电压、电流采样数据在定时中断服务程序中被送入数据缓冲区， 直至采够一个整周期后，1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ac p u 对所采电压、电流数字序列进行 处理，得到电压、电流及硒者的相位差，并进一步计算出液晶的阻抗值，在l c d 上实时显示。 图2 - 3 液霸电特性潮试聚镜蘸理框图 另外，为了更好地达到系统性能指标，我们在软件方丽采取了系列措施： 应用算术平均滤波法用于信号频率实时测量，以消除外界随机干扰信号的影响， 提高频率测量的精度；鉴予本系统输入信号频率实时可凋，硬件上采用数字锁 1 4 第二章系统设计方案 相技术难度非常大，采用软件同步采样法，保证了信号的整周期采样，以消除 频谱泄漏的影响；为了避免混叠现象及减少栅栏效应，我们设计采样速率为基 频的2 5 6 倍；采用实输入数据的基2 f f t 算法，通过对一个点f f t 运算同时 计算出两个点实序列( 电压、电流) 的各次谐波参数，以缩短系统运算的时矧， 更好地满足系统实时性的要求。 第三章系统硬件 殳计 第三章系统硬件设计 根据图2 3 所示的液晶电特性测试系统原理图及模块化设计恩想，系统整体 硬件电路具体按功能可分为：c p u 模块；输入输出模块；待测液晶驱动信号发 生电路：待测液晶电压、电流响应信号调理电路、测频电路、数据采集模块、 串行通信接口、电源模块。下面对各功能模块的实现电路进行详细介绍。 3 1c p u 模块 该模块是整个测试系统的核心，它负贲数据的采集、计算、处理、存储等 功能，另外，还负责各功能模块的控制与切换。主要芯片采用美国7 i i 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 。 3 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 介绍 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 是美国r i 公司为实时信号处理丽设计的新代定点 数字处理器产品，它将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统 应用提供了一个理想的解决方案。 311 1 芯片的基本结构 作为高性能数字信号处理器，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片的基本结构包括f 6 1 ： ( 1 ) 哈佛结构。啥佛结构是不同于传统的冯诺依曼( v o nn e u m a n n ) 结构的并 行体系结构。其主要的特点是将程序和数据存储在不同韵存储空间中，即程序 存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访 闲。与之对应系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从丽使数据的吞吐 量提高了一倍。 ( 2 ) 流水线。与哈佛结构相关，d s p 芯片支持流水线操作，以减少指令的执 行时间，从而增强了处理器韵处理能力。处理器可以并行处理2 4 条指令，每 条指令处于流水线的不同阶段，使取指、译码和执行等操作可重叠执行。 ( 3 ) 专用的硬件乘法器。逯用处理器是靠一系列加法来实现乘法运算，丽d s p 1 6 第三章系统硬件设计 芯片则采用专用的硬件乘法器，使运算速度大大提高，乘法运算可在一个指令 周期内完成。 ( 4 ) 特殊的d s p 指令。 ( 5 ) 快速的指令周期。 3 1 1 2 芯片的蓁本特性 ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电匿降为3 3 v ，减小了控制器的 功耗。 ( 2 ) 4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ( 4 0 m h z ) ，从而保证了控制 器的实时控制能力。 ( 3 1 基于7 f m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 核，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 代 码和t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 ( 4 ) 片内高达3 2 k 字的f l a s t t 程序存储器，高达2 5 k 字的数据程序r a m ， 5 4 4 字的双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) ；可扩展的外部存 储器总共1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储器空间；6 4 k 字的数据存储器空间；6 4 k 字i 0 空间。 ( 5 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：2 个1 6 位的通用定瞳器、 8 个1 6 位的脉宽调制( p w m l 通道、3 个捕获单元。 ( 6 ) 看门狗定时器模块( w d t ) 。 ( 7 ) 1 0 位a d c 转换器，最小转换时闻为5 0 0 n s ，可选择由诱个事件管理器来 触发两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入a m 转换器。 f 8 ) 控制器局域网络( c a n ) 模块。 ( 9 ) 串行通信接n ( s o ) 模块；1 6 位串行外设接口( s p l ) 模块：基于锬相环( p u ，) 的时钟发生器。 ( 1 0 ) 高达4 1 个可单独编程或复用输入输出引脚( g p r o ) 。 ( 1 1 ) 5 个外部中断处理。 ( 1 2 1 电源管理，具有3 种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗l ：作 模式。 3 1 13 芯片的缩构框图 i m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片的结构框图如图3 一l 所示。 第三章系统硬件设计 d ( 15 - 0 a r i5 0 d a t a r a mb o o t r o m p m g r a mf l a s h i e v e n tm a n a g e rae v e n tm a n a g e lb 2 5 kw o r d s2 5 6w o r d s3 2 k w o r d s 2 f i m e r s2t i m e s t十 5c o m p a r e s 5c o m p a l e s 8 p w mo u t p u t s8 p w mo u t n u t s t， d e a db a n dl o 豇c d e a db a n dl o z i c p m g r a n l ，d a t a f i ob u s e s