1 引言
動態(tài)信號分析儀在電子測量領(lǐng)域中稱為頻域中的“射頻萬用表”,可見其重要性和寬泛應(yīng)用。動態(tài)信號分析是將時域信號轉(zhuǎn)化為頻域進(jìn)行處理,一般要求使用時窗技術(shù),如快速傅氏變換(FFT)、離散傅氏變換(DFT)等。如果采樣點(diǎn)為N,直接DFT運(yùn)算需要N2次乘法操作,需用大量運(yùn)算時間。而FFT運(yùn)算可將運(yùn)算減少到(N/2)log2N次乘法,因此,F(xiàn)FT成為動態(tài)信號分析的核心算法。
這里提出一種基于TMS320F2812的便攜式動態(tài)信號分析儀設(shè)計方案,以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ),利用數(shù)字信號處理器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力分析所采集的信號,優(yōu)化動態(tài)信號的FFT算法.從而實(shí)現(xiàn)對各頻率成份和功率譜的計算分析以及失真度的測量,其分析結(jié)果在液晶顯示器(LCD)上顯示。
2 動態(tài)信號分析原理
動態(tài)信號分析方法有時域分析法、頻域分析法等。其中頻域法最適合動態(tài)信號分析FFT算法。該系統(tǒng)采用FFT算法.其本質(zhì)是DFT的快速算法。FFT算法是將長序列DFT根據(jù)其對稱性和周期性分解為短序列的DFT之和。N點(diǎn)的DFT先分解為2個N/2點(diǎn)的DFT,每個N/2點(diǎn)的DFT又分解為N/4點(diǎn)的DFT。最小變換的點(diǎn)數(shù)即所謂FFT的“基數(shù)”。因此,基數(shù)為2的DFT最小變換是2點(diǎn)DFT(或稱蝶形運(yùn)算)。在基數(shù)為2的N點(diǎn)FFT中,設(shè)N=2,則總共可分成M級運(yùn)算,每級中有(N/2)log2N個蝶算,則N點(diǎn)FFT總共有(N/2)log2N個蝶算,1個蝶算只需一個復(fù)數(shù)乘法對N點(diǎn)FFT需計算(N/2)log2N個復(fù)數(shù)乘法、(N/2)log2N個復(fù)數(shù)加法。一般來說,F(xiàn)FT比DFT運(yùn)算量要小得多,N點(diǎn)的FFT需做(N/2)log2N次乘法運(yùn)算,而N點(diǎn)DFT需要做/N2次乘法運(yùn)算,由此看來N點(diǎn)DFT運(yùn)算量大約是FFT的2N/log2N倍,分析動態(tài)信號頻率成份,首先以采樣頻率fs采樣N點(diǎn)(N=2M),經(jīng)快速傅立葉變換得到其頻譜。
由譜分辨率F=fs/N,如果保持采樣點(diǎn)數(shù)N不變,提高其分辨率(F減小),必須降低采樣頻率,采樣頻率的降低會引起譜分析范圍的減少。如果保持fs不變,為提高頻率分辨率,可增加采樣點(diǎn)數(shù)N,因為NT=Tp,T=fs-1,只有增加對信號的觀察時間Tp,才能增加N。Tp和N可以按照的條件選擇。
3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
便攜式動態(tài)信號分析儀的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。被檢測輸入信號經(jīng)以運(yùn)算放大器LM358為核心的調(diào)理電路后送至TMS320F2812 DSP內(nèi)部自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器采樣后,其數(shù)字輸出信號送至DSP內(nèi)核處理單元進(jìn)行FFT處理。經(jīng)過DSP運(yùn)算處理后,實(shí)現(xiàn)各分量頻率值和功率值的計算,信號失真度的計算和周期信號的檢測,其分析結(jié)果由屏幕式LCD顯示。鍵盤采用鍵盤查詢方式中斷處理,實(shí)現(xiàn)各種工作模式和顯示界面的切換。
3.1 調(diào)理電路
在設(shè)計調(diào)理電路時,由于要將被采樣信號的電壓幅度調(diào)理到A/D轉(zhuǎn)換器所能接收的范圍內(nèi)并濾除高頻噪聲信號,因此采用級聯(lián)方式。其中第一級選擇高精度集成運(yùn)算放大器LM358組成電壓跟隨器,具有隔離作用;而第二級放大電路實(shí)現(xiàn)信號的比例放大和低通濾波,如圖2所示。圖2中運(yùn)算放大器LM358構(gòu)成反向比例放大電路,Ui是經(jīng)第一級電壓跟隨器隔離后的電壓信號,R1、R3構(gòu)成反向比例電路,將輸入信號按比例縮小4.7倍,C3、R3構(gòu)成RC低通濾波網(wǎng)絡(luò),其電路截止頻率f=1/2πR3C3=1/2π×1 kΩ×0.01 μF=15 923 Hz,符合設(shè)計要求(其信號頻率范圍0~10 000 Hz)。引腳7和引腳4分別接一只0.1μF的瓷片電容,用于濾除高頻。為了減少失調(diào)電流,引腳3接R2(其阻值約為R1和R3的并聯(lián)電阻);輸出信號U0送至第三級加法電路。第三級加法電路可將信號升高0 V以上,滿足A/D轉(zhuǎn)換需求(該系統(tǒng)采用TMS320F2812內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換器)。調(diào)理完成后送至DSP進(jìn)行數(shù)字信號處理。
3.2 系統(tǒng)控制單元
系統(tǒng)控制單元采用32位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器TMS320F2812。該器件采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù),主頻達(dá)150 MHz,使得指令周期縮短6.67 ns,從而提高控制器的實(shí)時控制能力。其高性能32位CPU,單周期32x32乘法累加運(yùn)算操作特性,能夠完成64位的數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)高精度的處理任務(wù)。高效的代碼轉(zhuǎn)換功能(支持C/C++和匯編)并與TMS320F24x/LF240x程序代碼兼容。片內(nèi)存儲器資源包括:片內(nèi)128 K×16位的Flash,128 K×16位ROM,18 K×16位的SARAM,1 Kxl6位一次可編程的存儲器OTP。片上Flash/ROM具有可編程加密特性,便于現(xiàn)場軟件升級。TMS320F2812帶有128位保護(hù)密碼,防止非法用戶通過JTAG仿真接口查看Flash/OTP/L0/L1的內(nèi)容,訪問外設(shè)和裝載某些不合法的軟件,保證相關(guān)數(shù)據(jù)的安全性。A/D轉(zhuǎn)換器有16個通道,可配置成2個獨(dú)立的8通道模塊,便于服務(wù)事件管理器A和事件管理器B。這2個獨(dú)立的8通道模塊可級聯(lián)成一個16通道的模塊。A/D轉(zhuǎn)換器雖具有豐富的輸入通道和2個排序器,但只有1個轉(zhuǎn)換器。2個8通道模塊自動排序轉(zhuǎn)換,通過多路開關(guān)選擇任意一個8通道模塊。在級聯(lián)模式下自動排序器作為一個16通道的排序器。每個排序器一旦轉(zhuǎn)換完成,就將所選擇通道的值存儲在各自的ADCRESULT寄存器中。自動排序允許對同一通道多次轉(zhuǎn)換,允許用戶使用過采樣算法,相對傳統(tǒng)單次采樣轉(zhuǎn)換,這將提高結(jié)果的精度。
為了獲得規(guī)定的A/D轉(zhuǎn)換器精度,須采用正確的線路板布局。為了獲得最佳效果,引腳ADCINxx要盡量遠(yuǎn)離數(shù)字信號線,可最大程度地消除數(shù)字電路中開關(guān)噪聲與A/D轉(zhuǎn)換器輸入之間的耦合;同時,A/D模塊的電源引腳與數(shù)字電源之間需采用適當(dāng)隔離。
3.3 顯示模塊LCD
CMl2864-10是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及格128x64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成,可實(shí)現(xiàn)顯示圖形以及8×4個漢字(16×16點(diǎn)陣)。LCD與DSp的接口電路如圖3所示,由于TMS320F2812DSP是低功耗設(shè)計,所有的數(shù)字輸入都與TTL兼容,所有輸出都是3.3 V CMOS電平,不能接收5 V輸入,而顯示模塊LCD接口為5 V的輸入輸出,所以在實(shí)際應(yīng)用時還需電平轉(zhuǎn)換器SN74ALVCl64245。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件包括主程序,捕獲中斷服務(wù)子程序,T1的周期中斷服務(wù)子程序、A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序,F(xiàn)FT運(yùn)算子程序和LCD顯示子程序。主程序主要完成系統(tǒng)初始化,包括CPU、PIE寄存器、PIE中斷向量表、LCD液晶屏,A/D轉(zhuǎn)換器初始化等,以及查詢工作模式設(shè)定。根據(jù)不同的工作模式進(jìn)入相應(yīng)的服務(wù)子程序,其主程序流程如圖4所示。
設(shè)置兩個斷點(diǎn),當(dāng)程序執(zhí)行到斷點(diǎn)時,觀察接收數(shù)據(jù)和顯示圖像。運(yùn)行到第一個斷點(diǎn)處,A/D采樣完成,此時可設(shè)置圖像觀察A/D采樣的結(jié)果(即顯示Ad_data1數(shù)組);運(yùn)行到第二個斷點(diǎn)處,F(xiàn)FT變換完成,可設(shè)置圖像觀察FFT變換后沒有取模時的結(jié)果(即顯示ipcb數(shù)組);繼續(xù)運(yùn)行程序,停止運(yùn)行后,程序會停在循環(huán)語句處,同樣可設(shè)置圖像觀察取模后的結(jié)果,即顯示mod數(shù)組,圖5從上至下分別為1 024點(diǎn)的Ad_datal數(shù)組,ipcb數(shù)組,mod數(shù)組的圖像顯示,其中,橫坐標(biāo)是采樣點(diǎn)數(shù).縱坐標(biāo)是信號幅度。
5 結(jié)論
針對頻譜分析。設(shè)計基于TMS320F2812 DSP動態(tài)信號分析儀.并在此基礎(chǔ)上采用一系列數(shù)據(jù)處理措施實(shí)現(xiàn)實(shí)數(shù)的FFT變換。對于動態(tài)信號分析,A/D的采樣速率決定處理信號的頻率為20 kHz以下.在分析頻譜前需估計信號頻率范圍估計,然后調(diào)整采樣速率保證1 024點(diǎn)能夠采樣一個以上的周期.同時還要滿足香農(nóng)采樣定理。該系統(tǒng)采用TMS320F2812DSP控制,外圍電路少,系統(tǒng)穩(wěn)定,功能強(qiáng),操作方便,低成本.具有廣泛使用價值。