基于DSP的数据采集和频谱分析系统设计_杜治芸

山西电子技术　

文章编号:167424578(2010)0120003202

应用实践　

基于DSP的数据采集和频谱分析系统设计

杜治芸,王　巍

(重庆邮电大学光电工程学院,重庆400065)

摘　要:设计了一种实时信号频谱分析系统,该系统以TMS320F2812DSP作为系统数据处理核心,外扩14位高精度ADC,用FFT技术对信号频域进行分析。频谱分析的结果可实时显示并上传至上位机。通过对内部RAM的分块使用、在RAM中运行程序、利用中断实现任务调度等措施对软件进行优化设计,系统的实时性能良好。

关键词:频谱分析;DSP;FFT中图分类号:TN409　　文献标识码:A

,,之后通过AD转换,转变成数字信号,在DSP中进行信号分析。由于

TMS320F2812具有外部总线和大量的GPIO,所以可以很方

0　引言

,为通信、雷达、遥控。利、提供大的测量动态范围,而且能够利用其所具有的各种测试功能对信号频率、电平、信号频谱纯度及抗干扰特性进行分析。

频谱分析主要就是将时域信号转化为频域进行处理,一般要求使用时窗技术,如快速傅氏变换(FFT)、离散傅氏变换(DFT)等。如果采样点为N,直接DFT运算需要N2次乘法操作,需要大量的运算时间。20世纪60年代,Coolley和

Tuckey提出了FFT,可以将运算减少到(N/2)log2N次乘法,

便的直接利用总线扩展AD和LCD显示,且由于其强大的处理能力,能够实时完成信号的采集、分析、结果显示、数据上传等功能。

1.2　信号前向处理电路设计

信号的前向处理主要进行了隔离和低通滤波。隔离采用精密隔离放大器ISO124来实现,它通过封装在器件内部的2pF的隔离电容来实现输入级和输出级信号的隔离。它防止了可能损害信号的不同地电位之间的环路电流的干扰存在,阻止了可使信号受损的噪声通过信号的传播,将每个信号分离到一个干净的信号子系统。由ISO124输出的隔离后的信号带有大量的高频信号,所以在进行AD采样前要对信号进行模拟滤波。模拟滤波采用连续时间滤波器

MAX274来完成。1.3　AD转换设计

F2812内部带有12位的AD转换模块,考虑到信号采集

因此FFT成为频谱分析的核心算法[123]。

本文设计了一种基于DSP的数据采集和频谱分析系

[4]统。该系统以TI公司的定点DSP芯片TMS320F2812作为

数据处理和控制核心,利用该系统完成频谱分析FFT算法及优化,并通过AD、LCD等外围电路的控制,组成了具有数据采集、实时数据处理和频谱显示功能的硬件平台,在该平台上实现数字化的频谱分析系统。

1　频谱分析系统硬件设计

本装置是以TMS320F2812芯片为核心,构建DSP最小系统,在此基础上外围扩展信号隔离和滤波电路、A/D采集电路、液晶显示电路、SCI接口电路等,实现对信号的幅值分析,相位分析,频率分析,并将分析的结果通过RS232接口传送到上位机。

1.1　硬件方案

系统的硬件实现方案如图1所示

:

和分析的精度,本系统外扩了14位的AD转换芯片MAX1320。其独立的采样/保持(T/H)电路为每一通道提供了同时采样,可以保持输入信号间的相对相位信息。

1.4　其它电路设计

除上述信号调理电路和AD转换电路外,还有LCD显示电路、F2812最小系统、RS232通讯电路等,这些功能模块已经有经典电路可以参考,在此不再赘述。

2　频谱分析系统软件设计

2.1　软件设计思路

软件设计部分主要包含系统初始化、数据采集、FFT信号分析、结果显示和上传。系统上电,进入main()函数后,首先进行系统的初始化,包括系统时钟初始化、外设中断向

图1　硬件实现结构图

量表初始化、GPIO初始化、外部扩展总线XINTF初始化、SCI

收稿日期:2009-09-22

作者简介:杜治芸(19862),女,湖北人,硕士研究生,主要从事数字信号处理的FPGA实现方向的研究。

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316),所以通过合理分配内部RAM空间,可以将所有的代码都在运行前搬移到内部RAM中,提高系统的性能。具体的做法如下:

(1)CMD文件的编写

F2812的存储空间分配为:M0SARAM(1k316),地址

初始化、定时器初始化、片外AD初始化、LCD初始化等,初始化完成后,启动定时器,使能中断,接着进入主循环,系统开始正常运转。定时器的中断响应函数会以4kHz的频率,启动AD转换;在AD转换结束信号的中断响应函数中,会读取AD采样的结果并存储在缓冲区中;在主循环中,如果已经采集完成一次FFT变换所需的512点数据,则暂停启动

AD采样的定时器,调用FFT分析函数,并将分析的结果显

范围0x000040～0x0003FF;M1SARAM(1k316),地址范围0x000400～0x0007FF;L0SARAM(4k316),地址范围

0x008000～0x008FFF;L1SARAM(4k316),地址范围0x009000～0x009FFF;H0SARAM(8k316),地址范围0x3F8000～0x3F9FFF。

(2)代码搬移的实现

示在LCD上,同时通过SCI模块发送到上位机。

2.2　FFT算法实现

快速傅立叶变换(FFT)是计算N点离散傅立叶变换

(DFT)的高效算法,FFT算法分为时间抽取FFT(DIT)和频

率抽取FFT(DIF),本设计采用了DIT。DIT是将N点的输入序列x(n)按照偶数和奇数分解为偶序列和奇序列,因此,x(n)的N点FFT可表示为:

N/2-1

/2-1

FLASH中复制到

:DSP内核上电

0x3F7FF6处开始执行引m),在引导代码中进行代码搬移。由于代码搬移的时间可能会比较长,所以要先将看门狗禁止。接下来,在将待搬移段的存储地址、运行地址和大小赋给相应的寄存器之后,利用汇编语句“RPT”就可以实现代码搬移了。在代码搬移到RAM后,调用语句“LB_c_int00”,程序将建立

C语言运行环境(CEnvironment),进入main函数开始执行

X(k)=

n=0

k

6

x()N/2nkk

nx(+)W/(1)

k

N

Y)NZ(k).

X(k+N/2)=Y(k)-WZ(k).

几步实现:

K的范围为0～N/2-1,k=N/2～N-1的X(k)表示为:

(2)

实数FFT模块使用按时间抽取基22算法。具体分以下

(1)对输入的N点序列按照序列的奇偶性质分为两个

用户程序,至此,所有的代码搬移工作全部完成。

3　系统运行结果及分析

在现场环境中,通过仿真器与设备PCB板相连接,在

CCS环境中可以查看采集到的波形以及经过FFT变换后的

长度为N/2的序列,然后组成一个长度为N/2的复数序列,对长度为N/2的复数序列进行位倒序操作;

(2)对位倒序后的N/2点复数序列加窗(可根据需要

波形,如图2所示

。

选择);

(3)进行N/2点基22复数FFT计算;

(4)调用分割函数,计算得出N/2+1个复数输出;(5)计算幅度平方(可根据需要选择)。

需要注意的是,TI提供的FFT函数库对变量的存储位置有特殊的要求,且直接利用了指针去访问存储区域,这也就要求对存储区的分配格外重要,否则在做FFT运算的过程中数据被破坏,出现意想不到的结果[5]。在本设计中,将

mag变量分配到了L0SARAM的起始地址0x8000,并为其分

(a)

原始数据波形图

配了1024316bit的存储空间,将ipcb分配到了接下来的

0x8400地址空间。2.3　提高软件性能的措施

TMS320F2812的优点之一就是拥有片内FLASH,而不

需要外扩FLASH去存储代码。但是,这导致的缺点就是在访问FLASH的过程中,由于FLASH的响应速度无法比拟内部总线的速度,需要插入等待周期,这也就降低了代码执行速度。在该频谱分析系统中,DSP在做FFT运算时,会多次读取FLASH中的数据和代码,FLASH的读取会降低系统的运算速度。而F2812的内部RAM拥有“零等待时间”的性能,所以可以考虑将执行频率比较高的代码段在系统初始化时搬运到内部RAM中来运行。而在本系统中,由于程序段和数据段的大小总和未超过F2812内部RAM的大小(18k

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(b)经FFT变换后的波形图

图2　现场测试波形图

从图中可以看出,采集到的信号频谱图中出现了3个尖峰,分别位于10,30和100处,说明信号中主要有3种频率

(下转第30页)

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[1]　洪炳荣.基于视觉的足球机器人系统[J].计算机应用

2G内存,测得目标定位速度为12ms/帧～23ms/帧,跟踪过

程中平均定位速度为13ms,剩余20秒左右供自主式移动机器人进行运动决策,基本能满足动态跟踪要求。

研究,2001,18(1):1-3.

[2]　王耀南,李树涛,毛建旭.计算机图像处理与识别技术

[M].北京:高等教育出版社,2001.

[3]　郭国栋,马颂德.彩色图像分割[J].中国图像图形学

5　结论

本文在自主式移动机器人识别与跟踪过程中,采用了一种色度HS向量阈值的颜色判定方法,结合动态窗口和螺旋扫描方法,有效地提高了系统的运行速度;并通过优化目标识别与跟踪过程、干扰排除等方法提高了系统的鲁棒性。本系统也可以推广到其他领域。

参考文献

报,1998,3(11):918-921.

[4]　何斌,马天予,王运坚,等.VisualC++数字图像处理

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[5]　王磊,陈卫东.面向自主机器人的实时彩色视觉系统

[J].上海交通大学学报,2003(11):1645-1648.

TheFastRecognitionandTrackinggonColor

Ma(CollegeofMUofAeronauticsand

AJ210000,China)

Abstract:Inbyonomousmobilerobot,thevisualsystemismainlytocompletetargetrecognitionandtracking.Toimprovereal2timeandaccuracyoftargetrecognitionandtrackingisthekeytoensuretherobottocompletethetrackingprogress.AkindofvectorialjudgementalgorithmbasedoncolorchromaticityHsispresentedinthisarticle,usingthisalgorithmandcombingwithdynamicwindowandspiralscanningmethod,thereal2timeandaccuracyoftargetrecognitionandtrackingiseffectivelyimproved.

Keywords:targetrecognition;dynamicwindow;spiralscanmethod(上接第4页)

统的设计与实现[J].微计算机信息,2008,24(7):208

-209,256.

[2]　刘锋.频谱分析仪中DSP结构分析[J].中山大学研究

成份,分别为100Hz,300Hz,1000Hz,且各个频率分量的幅值比例关系也可以清楚的看出。

4　结论

本系统的特点在于充分利用了TMS320F2812强大的运算性能和丰富的外设、接口,且通过将内部“零等待”RAM分块用作数据存储区和程序存储区、在RAM中运行程序、使用中断来实现任务调度等软件上的优化,提高了系统的性能。但本系统也有一些不足的地方需要改进,频率分辨度有待提高;FFT算法还可以进一步优化等。

参考文献

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[5]　TexasInstrumentsInc.

Guide,2002.

FFTLibraryModuleuser’sTMS320F2812DataMenual,

TheDesignandImplementofDataAcquisitionandSpectrumAnalysisSystemBasedonDSP

DuZhi2yun,WangWei

(CollegeofElectronicsEngineering,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

Abstract:Inthispaperareal2timespectrumanalysissystemispresented,inwhichTMS320F2812DSPisusedasthedatapro2cessingcoreandtheextended142bithigh2precisionADCisusedforsignalacquisitionandFastFourierTransform(FFT)forfrequency2domaindataprocessing.TheresultsofspectrumanalysiscanbedisplayedinLCDanduploadtouppercomputer.AndthenFFTalgo2rithmisoptimizedbytakensoftwaremeanssuchastheuseofsub2blockintheRAMandinterruptionsinPCswhichachievesthetaskschedules.Thesystemhasgoodreal2timeperformance.

Keywords:signalspectrumanalysis;DSP;FFT

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/a4h1.html