本科毕业论文-传感器准数字信号处理方法的研究.doc

xx大学学士学位论文 传感器准数字信号处理方法的研究摘要频率是电子技术领域内的一个基本参数，同时也是一个非常重要的参数。稳定的时钟在高性能电子系统中有着举足轻重的作用，直接决定系统性能的优劣。特别是对于传感器，输出信号中所携带的信息是由信号中的时间参量频率表示的，这种频率即准数字信号。随着电子技术的发展，测频系统使用时钟的提高,测频技术有了相当大的发展，测频方法多种多样，但是精度不尽相同。DSP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。传感器数字信号处理是利用传感器对模拟信号或数字信号进行采集并把其转换成计算机可识别的电信号，并利用计算机对信号进行处理以达到计算机辅助控制或是计算机自动控制的目的。本文从数据处理的基本理论出发，通过分析1个计数误差的来源，介绍了多周期同步等精度测频法，提出以高性能数字信号处理器为基础的硬件实现框架，并详细介绍了硬件实现的各个部分以及各个模块之间的接口，包括芯片选用、硬件连接和软件编程。介绍了误差的来源及结果精度分析。关键词准数字信号；数字频率计；同步等精度；TMS320F2812；Research On Digital Signal Processing Of SensorAbstractFrequency is a basic parameter of electronics field, meanwhile, its a very important parameter. Stable clock is very important in high performance electronics system, determining the system performance directly. With the development of technology of electronics, the frequency measurement system using higher clock, the frequency measurement technology has very nice development, there are various of methods, but the precisions are not in the same level.DSP (Digital Signal Processing) is a new subject applied abroad to many areas, it refers to many sciences. Since 60s of 12th century, as the development of computer and information, the technique of Digital Signal Processing was born and developed rapidly. Digital signal processing of sensor is a method to process the signal (digital or analog) which captive by sensor and had convert to the digital one, the digital one that can be identified by computer. That implemented by computer to come true the Automation.In this paper, first discussed the framework and characteristic of data collection and processing system, then based on the instantaneous frequency measurement receivers, as well as to the mode of sampling data formats, the author offers to a project based on high-performance digital signal processor, and explicate the various parts of the hardware and the interface between modules, including chip selection, connecting hardware and software programming. Find out the cause of the error and analyzing the precision.Keywords Digital Signal Processing; Digital Frequency Meter; Synchronization Precision;TMS320F2812;不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 频率计概述11.3 频率计发展现状21.4 DSP微处理器概述31.5 传感器准数字信号处理系统41.6 论文研究内容4第2章 DSP频率测量方法的研究52.1 本章概述52.2 常用的数字频率测量方法52.2.1 直接测频方法52.2.2 多周期同步等精度测频方法62.3 提高频率测量精度的方法研究82.3.1 采用对标频信号计数的修正来提高测量精度82.3.2 相检式多周期同步测频法92.4 本章小结10第3章 基于DSP芯片的功能模块电路设计113.1 系统的结构组成113.2 系统总体设计方案113.3 系统主要硬件的选择及介绍113.3.1 DSP芯片的选择113.3.2 TMS320F2000系列芯片简介133.3.3 TMS320F2812的特性133.3.4 TMS320F2812 EVA模块特征143.3.5 TMS320F2812AD模块特征153.4 DSP外接电源173.4.1 TPS73HD318简介183.4.2 TPS73HD318原理框图183.4.3 TPS73HD318参数测量信息183.5 DSP外部时钟信号193.6 信号放大电路193.6.1 AD8022的主要特性203.6.2 AD8022的典型应用213.6.3 AD8022的特殊应用213.6.4 AD8022的误差调整213.7 单色液晶屏显示模块233.8 键盘模块233.9 系统硬件连接电路图243.10 本章小结25第4章 系统软件设计264.1 系统软件总体流程264.2 键盘定时中断扫描264.3 LCD显示处理284.4 软件设计分析294.5 结果分析294.6 本章小结30结论31致谢32参考文献33附录A35附录B41附录C46千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景随着信息技术的发展，人们对信息传递的要求越来越高，低速度，低分辨率，高传输失真的模拟信号已大大满足不了人们信号处理的要求，数字信号越来越多的被人们所需要，相对与模拟信号来说，数字信号有着无法比拟的优势：抗干扰能力强、无噪声积累；便于加密处理；便于存储、处理和交换；设备便于集成化、微型化；便于构成综合数字网和综合业务数字网；占用信道频带较宽。怎样将模拟信号转换为数字信号并将其无失真的传输便成了数字技术发展的关键1。频率是电子技术领域内的一个基本参数，同时也是一个非常重要的参数。稳定的时钟在高性能电子系统中有着举足轻重的作用，直接决定系统性能的优劣。特别是对于传感器，输出信号中所携带的信息是由信号中的时间参量频率表示的，这种频率即准数字信号。能更快更准确的对传感器准数字信号进行处理，就能更好的发挥系统的作用。在实际应用中人们关心的是整个测量系统的性能。虽然敏感元件本身的特性是整个测量系统的关键，但只有与适当的接口相结合，才能具体体现为合乎要求的测量系统。随着敏感元件和接口电路的大批量生产工艺的技术进步，测量系统的成本大量降低，而接口电路的重要性也越来越突出的体现出来。接口电路已经成为整个信号获取与处理链条中至关重要的一环。换句话说，测量系统的整体性能，不仅取决于敏感元件本身，更重要的是取决于被测信号参量转换为数字量的整个信号转换系统的品质2。测量系统的集成化，微型化与智能化的程度，依赖于两个方面：一是敏感元件本身的小型化乃至微型化水平。二是与传感器的检测及信号传输相适应的新型接口电路技术。随着数字电路应用越来越广泛，传统的通用数字集成电路芯片已经很难满足系统功能的要求，而且随着系统复杂程度的不断增加，所需通用集成电路的数量呈爆炸性增长，使得电路板的体积迅速膨胀，系统可靠性难以保证。DSP（digital signal processor）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3。 1.2 频率计概述频率是电子技术领域永恒的话题，电子技术领域离不开频率，一旦离开频率电子技术的发展是不可想象的，就像现在的人离不开电一样。为了得到性能更好的电子系统，科研人员在不断地研究着频率，CPU就是用频率的高低来评价其性能好坏，速度的高低，可见频率在电子系统中是多么重要。如何才能知道频率的数值呢？当然是用频率计来测量。为了准确的测出频率的多少，人们研究出了很多测频率的方法。根据测频工作原理可将频率测量方法分成以下几类：1是利用电路的某种频率响应特性来测量频率，谐振测频法和电桥测频法是这类测量方法的典型代表：前者常用于低频段的测量，后者主要用于高频或微波频段的测量4。谐振法的优点是体积小、重要轻、不要求电源等，目前仍获得广泛应用。2是利用标准频率与被测频率进行比较来测量频率，采用比较法测量频率，其准确度取决于标准频率的准确度。拍频法、示波器法以及差频法等均属此类方法。拍频法和示波器法主要用于低频段的测量，差频法则用于高频段的频率测量，它的显著优点是测试灵敏度高。以上两种方法适合于模拟电路中实现，但是模拟电路没有数字电路稳定，因此数字电路出现后，马上就出现了数字频率计。目前广泛使用的计数测频法则适合于数字电路实现。该方法是根据频率的定义，记下单位时间内周期信号的重复次数，因此又称为电子计数器测频法。此数字电路出现后，马上就出现了数字频率计。目前广泛使用的计数测频法则适合于数字电路实现5。该方法是根据频率的定义，记下单位时间内周期信号的重复次数，因此又称为电子计数器测频法。常用数字频率测量方法有M法,T法和M/T法。M法是在给定的闸门时间内,测量被测信号的脉冲个数再进行换算得出被测信号的频率,其测量精度取决于闸门时间的准确度和被测信号频率。当被测信号频率较低时将产生较大误差,除非闸门时间取得很大。T法是通过测量被测信号的周期,然后换算得出被测信号的频率。其测量精度取决于被测信号的周期和计时精度,测信号频率较高时,对计时精度的要求就很高。M/T法具有以上2种方法的优点,当他通过测量被测信号数个周期的计数次数,然后换算得出被测信号的频率,可兼顾低频与高频信号,提高了测量精度。但是,M法,T法和M/T法都存在1计数误差问题。M法在规定闸门时间内存在1个被测信号的脉冲计数误差,T法或M/T法也存在1个字的计时误差。这个问题成为限制测量精度提高的一个重要原因。1.3 频率计发展现状由于社会发展和科技发展的需要，信息传输和处理的要求的提高，对频率的测量精度也提出了更高的要求，需要更高准确度的时频基准和更精密的测量技术。而频率测量所能达到的精度，主要取决于作为标准频率源的精度以及所使用的测量设备和测量方法。目前，国内外使用的测频的方法有很多，有直接测频法、内插法、游标法、时间电压变化法、多周期同步法、频率倍增法、频差倍增法以及相位比较法等等。直接测频的方法较简单，但精度不高。内插法和游标法都是采用模拟的方法，虽然精度提高了，但是电路设计却很复杂。时间电压变化法是利用电容的充放电时间进行测量，由于经过A/D转换，速度较慢，且抗干扰能力较弱。多周期同步法精度较高的一种。为了进一步的提高精度，通常采用模拟内插法或游标法与多周期同步法结合使用，虽然精度有了进一步的提高，但始终未解决1个字的计数误差，而且这些方法设备复杂，不利于推广。频率误差倍增法可以减小计数器的1个字的误差，提高测量精度。但用这种方法来提高测量精度是有限的，因为如要得到的测量精度，就要把被测频率倍频到Hz=5000MHz这无论是对倍频技术，还是对目前的计数器都是很难实现的。频差倍增多周期法是一种频差倍增法和差拍法相结合的测量方法。这种方法是将被测信号和参考信号经经频差倍增使被测信号的相位起伏扩大，在通过混频器获得差拍信号，用电子计数器在低频下进行多周期测量，能在较少的倍增次数和同样的取样时间情况下，得到比测频法更高的系统分辨率和测量精度。但是仍然存在着时标不稳而引入的误差和一定的触发误差。以上只是对现存的几种主要的测频方法的概述，很显然从以上的分析中知道：不同的测频方法在不同的应用条件下是具有一定的优势的，而在本论文中，主要讨论多周期同步测频法，本测频法主要是消除了被测信号的1个字的误差，而且在DSP上实现，具有很大的优势。1.4 DSP微处理器概述DSP（digital signal processor）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。 DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点： 1在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 2程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；3片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。4具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； 5快速的中断处理和硬件I/O支持； 6具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 7可以并行执行多个操作；8支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 DSP的优点： 1对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部参与影响小；2容易实现集成；VLSI3可以时分复用，共享处理器；4方便调整处理器的系数实现自适应滤波；5可实现模拟处理不能实现的功能：线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等；6可用于频率非常低的信号。缺点：1需要模数转换；2受采样频率的限制，处理频率范围有限；3数字系统由耗电的有源期间构成，没有无源设备可靠。当然，与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。1.5 传感器准数字信号处理系统传感器准数字信号处理系统是指信号通过传感器并由传感器输出准数字信号形式测量参量，一般输出的是频率信号，将该频率信号通过数字频率计测量出并交由处理器进行处理的系统。在系统实现的过程中，频率测量是尤为关键的一步，频率测量的好坏直接影响到下一步处理器处理的实现程度。数字频率计设计的好坏的参量有：测频范围；测量精度以及响应特性。1.6 论文研究内容本论文主要研究的内容有：介绍频率计的意义、发展现状及发展趋势。介绍常用的测频方法、原理。比较其各自的优缺点及适用范围。重点引出多周期同步等精度频率测量方法，阐述其原理及计算机实现方法。介绍DSP芯片在数字信号处理中的优势，简述其性能及选择其为本设计主芯片的理由。介绍了利用TMS320F2812芯片进行多周期同步等精度测频法测频的硬件设计、实现及软件流程。分析了误差及误差形成的原因，思考了发展趋势，设想了改进方法。第2章 DSP频率测量方法的研究2.1 本章概述用于频率测量的方法有很多，频率测量的准确度主要取决于所测量的频率范围以及被测对象的特点。而测量所能达到的精度，不仅仅取决于作为标准使用的频率源的精度，也取决于所使用的测量设备和测量方法。因此，下面介绍几种常用的频率测量方法，分析他们的优缺点，从而提出全本文所使用的频率测量方法。2.2 常用的数字频率测量方法2.2.1 直接测频方法直接测频法是最简单的，也是最基本的频率测量方法，在测量过程中，依据信号频率高低的不同，测量方法也可以分为两种：1被测信号频率较高时（M法）通常选用一个频率较低的标准频率信号作为闸门信号，而将被 测信号作为充脉冲，在固定闸门时间内对其计数。设闸门宽度为T，计数值为N，则这种测量方法的频率测量值为： （21）测量误差主要决定于闸门时间T和计数和计数器计得的数的准确度，因此，总误差可以采用分项误差绝对值线性相加来表示，即： （22）其中，是最大量化误差的相对值， ，的产生是由于测频时，闸门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系不相关造成的，即在相同的主门开启时间内，计数器所得的数并不一定相同。当主门开启时间T接近甚至等于被测信号周期Tx的整数倍时，量化误差最大，最大量化误差为的个数。为标准频率的准确度，在数值上石英晶体振荡器所提供的标准频率的准确度等于闸门时间的相对误差的准确度，即： （23）式中负号表示由引起的闸门时间的误差为。通常，对标准频率的准确度的要求是根据所要求的测频准确度而提出来的。因此，为了使标准频率误差不对测量结果产生影响，标准频率的准确度应高于被测信号准确度至少1个数量级6。因此，测量较高的信号频率时，若一定，闸门时间T越长，测量准确度越高，当T选定后，越高，个数字误差对测量结果影响减小，测量准确度越高。2被测信号频率较低时（T法）通常被测信号被选作闸门信号，而将频率较高的标频信号作为填充脉冲，进行计数，设计数值为N，标准频率信号的频率为，周期为，则有： （24）使用这种方法测频的误差主要是对标频信号计数产生的个数字误差，在忽略标准频率信号自身误差的情况下，测量精度为： （25）由上可知：直接测频方法的优点是：测量方便，读数直接，在比较宽的频率范围内能够获得较高的测量精度7。它的缺点是：由于被测信号个数字误差的存在，难以兼顾低频和高频实现等精度测量，所以测量精度较低。2.2.2 多周期同步等精度测频方法频率是周期信号在单位时间内的重复次数,电子计数器可以对一个周期信号发生的次数,进行计数。如果某一信号在T秒时间间隔内的重复次数为N次,则该信号的频率f为： （26）测量原理：多周期同步等精度测频是在直接测频基础上发展起来的，在目前的测频系统中得到了越来越广泛的应用。由硬件控制计数的门闸时间，当预置门信号(即定闸门信号)为高电平时，基准信号计数器和被测信号计数器并不启动，而是等被测信号的上升沿来到时才同时开始计数；当预置们信号为低电平时，两个计数器并不马上关闭，同样要等到被测信号上升沿来到后再关闭；于是，实际闸门时间就是被测信号周期的整数倍，从而实现了闸门与被测信号的同步。它在测频时，闸门时间不是固定的，而是被测信号的整数倍，即与被测信号保持同步，因此消除了对被测信号计数所产生的个数字误差，使测量精度大为提高，测量原理框图如图2-1所示，测量原理的波形如图2-2所示。 图2-1 多周期同步测频原理框图图2-2 多周期同步测频原理波形图测量时，首先预置闸门开启信号，此时计数器并不计数，等被测信号上升沿到来时，触发器输出计数允许信号（实际闸门信号），计数器1对标准信号计数，计数器2对被测信号计数，预置闸门关闭时，计数器并不立即结束计数，而是等到被测信号上升沿到来时才停止计数，完成测量过程。若计数器1对标准信号的计数值为，计数器2对被测信号的计数值，则被测信号频率为： （27）运算器对式（27）进行运算，由显示器显示运算结果，即为被测信号的频率值。误差分析：由误差合成公式有： （28）在（28）中第一项为被测信号引起的量化误差，由于实际闸门与被测信号同步，所以，即消除了被测信号计数所产生的个字的量化误差，由此得到最大相对误差为： （29）式（29）说明频率测量的相对误差与被测信号的频率无关，其大小主要取决于闸门时间和标准信号频率，因而实现了频带内等精度、高精度的测量。当合理选择闸门时间和标准信号频率，既可保证测量精度，又可提高测量速度，因此多周期同步测频法得到了广泛的应用。而且由（29）式可知：闸门时间T越长，时基频率越高，分辩率越高，误差愈小。但是，多周期同步测频法还是没能够是时基信号与被测信号以及闸门信号三者同步，从而产生的时基信号的1个字的量化误差还没有消除。2.3 提高频率测量精度的方法研究在多周期同步测频方法中，已经消除了被测信号的个字的量化误差，但是对标频信号的个字的量化误差还没有得到很好的解决。因此，下面在多周期同步测频方法的基础上，进一步分析提高测量精度的基本方法8。2.3.1 采用对标频信号计数的修正来提高测量精度双计数测频方法在多周期同步测频的基础上，提高测频的精度。我们可以分别把标准频率的上升沿和下降沿分别作为计数器的计数脉冲，最后的N等于2个计数器计数值的算术平均值。其实这种方法相当于在不改变系统的工作频率的情况下让其达到2倍频的效果，以2的时钟频率进行计数，从而将测量精度提高到原来的两倍。例如直接用100MHz的作为标频计数脉冲时，最大计数误差为10ns，而双沿计数的等效时钟则为200MHz，计数误差为5ns，同时，系统的最大工作频率并没有改变。数字移相测频：这种思想与双计数测频具有累似的地方9。所谓移相是以一路信号为参考，另一路信号的相位相对于参考信号超前或滞后的移动。原理如图2-3所示。图2-3 移相测频原理图标准频率经过移相得到clk0、clk1、clk2、clk3，而clk1、clk2、clk3相对与clk0依次移相90度、180度、270度。四路信号分别作为计数器1、计数器2、计数器3、计数器4的计数脉冲，同时使T1为Tx的整数倍，并把T1作为所有计数器的开始信号，N=（N0+N1+N2+N3）/4。但是由于clk1、clk2、clk3是的二分频，所以这种方法对于提高测频精度和双计数测频法是等效的，但是电路要复杂一些。如果采用FPGA内部资源来实现不分频情况下的精确移相，则其精确度可以提高4倍。总之，以上两种方法可以在一定程度上提高频率测量的精确度，但是还是很难抑制标准频率信号所产生的1个字的量化误差。西安电子科技大学周渭发明了相检式多周期同步测频方法，能够采用相对简单的技术在同一闸门时间内准确的对标准频率信号和待测频率信号的整周期数进行计数，从而可获得很高的测频精度。2.3.2 相检式多周期同步测频法相检式多周期同步测频法的原理：当被测频率量与标准频率量之间有频率差时，两信号的相对相位会随时间周期性变化。采用特定的相位检测电路，可以检测出被测频率信号相位重合的信息，并产生相应的相位重合脉冲，用此脉冲作为实际计数闸门的开门相关门信号。图2-4是实际应用该方法的信号时序图。图2-4 相检式多周期同步测频发原理图和分别为被测频率信号和标准频率信号，为预定闸门时间（可以是0.1s,1s,10s），由单片机系统定时给定。当上升为高电平给出预开门信号后，相位检测电路开始工作，而对和的计数并没有真正开始，直到随后和0同时达到上升沿或下降沿时，相位检测电路将产生相应的相位重合脉冲，用它打开真正的计数闸门，两路计数器同时对和分别进行计数；经过预定闸门时间后，单片机给出预关门信号，但计数并没有停止，直到随后的第一个相位重合脉冲到来时才同时关闭两路计数器，这样，两计数器计得得分别是被测频率信号与标准频率信号的整周期数和。对于以知得有： （210）用此方法测量频率，理论上测量结果得误差只取决于相位检测电路得相位重合检测精度（如使用74SXX系列得高速器件可使这个检测精度在时间轴上满足3ns）。但是，实际上在这种测量方法中，待测信号和标准信号得频率值，频率差得大小都会对实际闸门时间得长短有影响10。例如，当待测信号和标准信号的频率值相等或成整数倍或分数倍的关系时，一旦两信号有相位差，就不会有相位重合的时刻，两信号频差越小，实际的闸门时间就越长。另外，待测信号和标准信号的频率值，频率差也对测量结果的误差有影响。分析表明，当频率差不大时，两信号的相位从分离到重合是完全有规律的按一定的步长变化的。单片机给出预开门信号到相检电路检测到随后第一个相位重合信息并打开闸门的过程，与单片机给出预关门信号到相检电路检测到随后第一个相位重合信息并关闭闸门的过程是完全一致的，因此，尽管相检电路检测相位重合的精度为，但由于闸门开启和关闭是两信号相位变化过程的一致性，这个被最大限度的抵消了，测量精度就越高。但频差太小，两信号相位重合的频率也很小，由图2.4可知，实际闸门时间为Tgreal=Tg-T1+T2，当T2变大时会使得实际得闸门时间太长从而过多得偏离预设闸门时间。在参考文献中11，通过一定的试验得出了以下的结论：在采用相检式多周期同步法测频，应考虑到被测信号频率与标准信号频率的频差关系对测量精度的影响。标准频率一定，被测频率与标准频率的频差越小，测量时相应的实际闸门时间会越长；而频差太大，考虑相检电路的分辨率后，被测信号和标准信号之间的相位重合脉冲的产生就无规律可循。无法利用两次相位重合脉冲产生时相同的重合到分离的规律抵消相检电路的检测误差，不能达到这种方法的最高测量精度12。2.4 本章小结本章阐述了用多周期同步等精度法测量待测信号的方法，并阐述了用DSP实现这种方法的技术原理，同是也介绍了其他一些较常见的频率测量的方法，并简单对比了，从原理上进行了精度分析，可行性分析及误差来源的预测，为后面的硬件方针做了理论阐述。第3章 基于DSP芯片的功能模块电路设计3.1 系统的结构组成本章阐述了基于DSP芯片的功能模块电路设计，列出了所选择的硬件及其参数，并根据要求设计了硬件电路连接图。如图 3-1所示。 图3-1 系统结构组成3.2 系统总体设计方案本系统可以完成频率、周期和占空比的测量,设计的总体电路由DSP主控电路、计数电路、小信号放大整形电路、串口通信电路、数码显示电路和功能键选择组成。其工作过程是:根据功能键的判键结果(测频率、测周期还是测占空比),DSP发出启动等控制信号和1S的闸门,完成对闸门的同步和在闸门时间内分别对标准信号和被测信号进行计数,然后将两组计数值(各32位)分8次送给DSP,DSP完成数值转换和相应的浮点运算,最后将运算结果送8位数码管动态显示。通过串口通信和上位机程序,测量过程也可以在PC机控制下完成,并将测量结果送到PC中记录,完成采集功能本嵌入式数字频率计的硬件电路主要包含6个部分：AD8022运算放大器，TPS73HD318电源，CRYSTAL_P外部时钟信号，TMS320F2812数字信号处理模块，单色液晶屏模块(CM320*240)和4*2矩阵键盘模块，系统总体框图如图3-1所示。信号处理过程：在键盘控制下，TMS320F2812根据4*2键盘发出的命令实时地将要转换的模拟信号经过电压比较器形成的方波信号直接输入捕获单元的输入引脚，再通过软件滤波将捕获到的数据经过多周期同步测量算法处理后直接送到单色液晶屏显示，当再次进行通道选择时，可通过键盘进行实时调整。3.3 系统主要硬件的选择及介绍3.3.1 DSP芯片的选择DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP是基于可编程超大规模集成电路和计算机技术发展起来的一门重要技术，可广泛应用于通信控制、信号处理、仪器仪表、医疗、家电、军事、工业检测、及消费类产品。DSP芯片的快速数据采集与处理功能以及片上集成的各种功能模DSP的应用于各种场合提供了可能。DPS芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DPS指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。世界上第一个单片数字信号处理器（DSP）芯片应当是1978年AMI公司发布的S2811，1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是数字信号处理器（DSP）芯片的一个里程碑，这两种芯片内部都没有现代数字信号处理器（DSP）芯片所必须有的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出PD7720是第一个具有乘法器的商用数字信号处理器（DSP）芯片。在这之后，数字信号处理器（DSP）芯片设计与制造技术得到了突飞猛进的发展，其应用也越来越广泛。从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从20世纪80年代初的400ns（如TMS32010）降低到10ns以下（如TMS320C54X、TMS320C62X/67X等），处理能力提高了几十倍。数字信号处理器（DSP）芯片内部关键的乘法器部件从1980年的占模片区（Die Area）的40%左右下降到5%以下，片内RAM数量增加一个数量级以上。从制造工艺来看，1980年采用4m的N沟道MOS（NMOS）工艺，而现在则普遍采用亚微米（Micron）CMOS工艺。数字信号处理器（DSP）芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的500个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。此外，数字信号处理器（DSP）芯片的发展使DSP系统的成本、体积和功耗都有很大程度的下降。将DSP技术应用在采集系统中，DSP将模数转换后的数据信号进行数据处理，处理后的数据再送往微机进行记录、显示。实际上它也参与数据采集工作，使采集功能大为提高。在国内，常用的是TI公司生产的TMS320系列的处理器，以下是TMS320系列的基本结构和主要特点13：1 采用改进的哈佛结构，具有独立的程序总线和数据总线，可同时访问指令和数据空间，数据在程序存储器和数据存储器之间进行传输。2 高度的可并行性操作，在一个指令周期内可完成多重操作，一般能够完成一次乘法和一次加法。3 支持流水处理。在处理器内对每条指令的操作可分为取指令、译码、执行等几个阶段，每个阶段称为一级流水。流水处理是指在某一时刻同时对若干条指令进行不同阶段的处理。TI的TMS32O系列具有四重流水线，既在理想情况下，可以对四条指令进行不同阶段的处理，大大提高了程序运行的速度。4 片内含有专门的硬件乘法器和高性能的运算器及累加器，能够在每秒钟内处理数以千万次乃至数亿次定点或浮点运算，其处理速度比以往最快的CP处理器还快数十倍。为满足数字信号处理运算，如:FFT、卷积等运算的特殊要求，多数DSP的指令系统中设置有循环寻址及位倒序指令和其它特殊指令，使在作这些运算时寻址、排序及计算速度都大幅度提高，例如有些DPS做1024点复数FTF所需要时间已达到微秒级。5 新型DSP大多设置了单独的地址总线及其控制器，在基本不影响DSP处理速度的情况下，作为高速的并行数据传送，其传送速度可达到每秒百兆字节。6 丰富的片内存储硬件和灵活的寻址方式为数据处理应用提供良好条件。DPS主要面向数据处理，对数据访问和处理速度有很高的要求，同时又需要大量的数据存储空间，并根据这些应用特点，DPS片内基本上都有以M、ORM、FLASH等存储空间，并通过不同的片内总线访问这些空间，因此不存在总线竞争和速度匹配问题，大大提高了数据读写的速度。7 新型DSP不但具有高速的数据处理能力，而且配置了越来越多的其它部件，如A/D，比较器、SPI、SCI、PWM、CAN等。DSP芯片按用途分类分为：通用型、专用型两种，按数据格式可分为：浮点型、定点型两种。3.3.2 TMS320F2000系列芯片简介传统的DPS芯片数据处理能力非常强大，但它控制能力却很弱，设计产品时往往需要添加很多接口电路。TI公司近年推出的TMS320C2000系列改变了这一局面15。TMS320C2000系列DSP是TI公司继第二代定点DSP处理器TMS320CZX和第三代定点DPSTMS320CSX之后出现的一种低价格、高性能的DPS芯片。它的体系结构专为实时控制及实时信号处理而设计，所配置的片内外设为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。其中其通用定时器、脉宽调制电路、捕捉器、光电编码器、A/D转换器、串行通信接口、CAN控制器、看门狗等片内外设为将DPS应用于智能测控、电机控制、电力电子技术等领域提供了丰富的资源。3.3.3 TMS320F2812的特性TMS320F2812是TMS320C28x系列芯片中性能最好的一种，最高频频率为150MHz，处理速度可达 150MIPS，指令周期为6.67ns，采用了8级流水线的工作方式，TMS320F2812芯片中集中了一个伪双12位A/D转换器模块。 CCS(Code Composer Studio)是TI公司推出的为开发TMS320系列DSP软件的集成环境(IDE)。CCS工作在Windows操作系统下，类似于VC+的集成开发环境，采用图形接口界面，提供有编辑工具和管理工具。它将多种代码产生工具和汇编器、链接器、C/C+十编译器、建库工具等集成在一个统一的开发平台中，并且CCS具有开放式的架构，使TI和第三方能通过无缝插入附加专用工具扩展IDE功能。CCS所集成的代码调试工具具各种调试功能，包括了原TI公司提供的C/C+源代码调试器和模拟器所具有的所有功能，能对TMS320系列DSP进行指令级的仿真和进行可视化的实时数据分析。此外还提供了丰富的输入/输出库-函数和信号处理的库函数，极大地方便了TMS320系列DSP软件的开发过程。仿真器即扩展开发系统，可用来进行系统级的集成调试，是进行DSP芯片软硬件开发的最佳工具。本课题是基于TI公司的32位定点TMS320F2812芯片、与之相对应的 C2000CCS集成开发平台以及闻亭公司的TDS510仿真器完成数据采集、采集数据的滤波和FFT系统的设计。TMS320F2812是2000系列中功能最为强大的DSP芯片，它是一种32位DSP，片内有128KFLASH、18KSRAM、UART、561/0、12MAD+16路输入、指令处理速度高达150MPIS等。此DPS2003年样片推出，经过了试用期，现在已经非常成熟。国内公司己经开始陆续使用，其开发工具完备，购买渠道畅通，价格低廉，是一款非常适合我们需要的控制芯片。下面是TMS320F2812主要特点：1 采用高性能的CMOS技术150 MHz (6.67ns-Cycle Time)Low- Power (1.8-v Core, 3.3-vI/O) Design3.3-v Flash Programming Voltage2片上存储器：FLASH 128k x 16位SARAM 18k x 16位BOOT ROM 4k x 16位OTP ROM 1k x 16位3 可扩展的片外1M存储器接口4 片上外设：PWM 12路QEP 6通道ADC2XS通道，12位，80ns转换时间，0一V3输入量程SCI异步串口2通道MCBPS同步串口l通道CANI通道SP同步串口1通道5 A/D 片内:16通道，12位分辨率6 工作环境：A：-40度到85度S：-40度到125度3.3.4 TMS320F2812 EVA模块特征TMS320F2812提供两个事件管理器EVA和EVB模块，用于运动控制和电机控制。每个事件管理器模块都含有：1两个16位通用可编程定时器2二个全比较单元和与之对应的PWM电路3三个捕获单元CAP4正交编码脉冲QEP电路5中断逻辑3.3.5 TMS320F2812AD模块特征本系统AD转换采用TMS32OF2812内部ADC模块，此模块是一个12位、具有流水线结构的模数转换器，内置双采样保持器(S/H)，可多路选择16通道输入，快速转换时间运行在25MHz、或12.SM，输入电压范围0-3V，单次转换时间200ns，流水线转换方式转换时间60ns，A优模块有两个独立的排序器，可以工作在双排序器模式和级联排序模式。1下图是ADC结构框图，图中的ADCNI0到ADCIN15为16个模拟输入引脚，经排序器排序，由多路选择器选择出要转换的通道，送入AD/转换部分进行转换，转换结果存在结果寄存器RESULTn中。如图 3-4所示。图3-4 TMS320F2812 ADC结构框图2级连排序器模式A/D转换时序图级连排序器模式A/D转换时序图如图 3-5所示。图 3-5 级连排序器模式A/D转换时序图在级连模式下，16通道转换总时间为：T=17*Tadcclk+18*(1+ACQPS)*Tadcclk表3-1 为不同时钟时的转换时间：ACQPSNumber OfTadcclkPeriodsTIMusADcclk:25MHzTIMusADcclk:12.5MHzTIMusADcclk:6.25MHz0331.42.85.63603.567.1214.247816.4412.5525.76101339.3218.8437.281511512.224.448.83双排序器模式A/D转换时序图双排序器模式A/D转换时序图如图 3-6所示。图3-6 双排序器模式A/D转换时序图在双排序模式下，16通道转换总时间为：T=9*2*Tadcclk+9*(1+ACQPS)*Tadcclk表3-2 为不同时钟时的16通道转换总时间转换时间：ACQPSNumber OfTadcclkPeriodsTIMusADcclk:25MHzTIMusADcclk:12.5MHzTIMusADcclk:6.25MHz0271.082.164.323542.164.328.647905.0410.0814.4101269.3218.8420.16151626.4812.9625.823.4 DSP外接电源TMS320F2812由外部电源供电采用双路输出低压降（LDO）稳压器TPS73HD318。管脚及电路连接图如图 3-7所示。图3-7 稳压器TPS73HD3183.4.1 TPS73HD318简介TPS73HD3XX系列稳压器用紧凑的封装提供了低压差电压和双输出。主要供DSP应用，这些器件可用于任何混合输出电压调节器的应用与支持多达七百五十毫安。低静态电流和非常低压降保证最大功率使用电池供电的应用。德州仪器Power PADTSSOP封装允许使用这些设备与任何电压/电流组合范围内的上市规格不热的问题，提供适当的设备安装程序得到遵守。单独投入让设计师来配置所需的权力来源。双有源低复位信号允许重置核心逻辑和I / O分开。遥感/反馈终端管制的负荷。那个TPS73HD3xx有28引脚PowerPAD TSSOP封装。他们运行的自由空气温度范围-40C至125C。3.4.2 TPS73HD318原理框图TPS73HD318原理框图如图3-8所示。图3-8 TPS73HD318原理框图3.4.3 TPS73HD318参数测量信息TPS73HD318测试电路如图3-9所示。图3-9 TPS73HD318测试电路TPS73HD318电压波形如图3-10所示。图3-10 TPS73HD318电压波形3.5 DSP外部时钟信号由于多周期同步等精度测频法中，测量精度很大程度上取决于标准信号的频率，即标准信号的频率越高越好，所以对TMS320F2812采取外界时钟信号的方式，可以提高测量精度。外部时钟信号如图3-11所示。图3-11外界晶振CRYSTAL_P3.6 信号放大电路AD8022集成数据采集放大器可以在环境恶劣的工作条件下进行高精度的数据采集。它线性好，并具有高共模抑制