基于OMAP-L138平台多通道手持频谱分析仪研究

摘要：针对部分特殊场合对频谱分析仪使用需要多通道、便携等需求，设计了一种通道数最多支持64通道的手持多通道频谱分析仪。该频谱分析仪以美国德州仪器公司推出的DSP+ARM双核CPU芯片OMAP-L138为平台，采用多通道A/D转换器进行数据采集，使用QT开发GUI界面对系统进行控制和数据显示，能实现频谱分析、失真测量、信号采集、多通道数据对比分析等功能。测试結果表明：本设计能完成信号采集及频谱分析功能，并拥有较小的采集频率误差，误差值≤1%。

频谱分析仪作为信号分析领域中应用广泛的测试仪器，其主要功能是测量信号的幅度/频率响应，可以完成频谱分析、失真测量、衰减测量、电子组件增益测量等，是从事电子产品研发、生产、检验的重要工具。目前频谱分析仪主要有两种形式：一种是传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机，输入信号经变频器变频后由低通滤器输出，滤波输出作为垂直分量，频率作为水平分量，在示波器屏幕上绘出坐标图，就是输入信号的频谱图。但是，传统的频谱分析仪有明显的缺点，它只能测量频率的幅度，缺少相位信息，因此属于标量仪器而不是矢量仪器。另一种是基于快速傅里叶变换FFT)的现代频谱分析仪，通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的结果。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样，再经FFT处理后获得频谱分布图。但这种频谱分析仪体积较大、输入通道少，不可同时对多通道信号频谱进行分析比较以及数据进一步处理，满足不了很多特定场合的使用要求。

基于这些，文中提出了一种基于OMAP-L138平台的多通道(最多可达64通道)手持频谱分析仪的设计方案，采用8通道A/D转换器AD7828进行多通道数据采集，使用跨平台的C什应用程序开发软件QT开发基于linux操作系统的GUI界面对系统进行控制和数据显示，能实现频谱分析、失真测量、信号采集、多通道数据对比分析等功能。

1 硬件设计

1.1 系统框架设计

设计采用TI公司推出OMAP-L138芯片为系统主控芯片，包括外围相关外设的搭建，完成信号采集、计算、显示等功能，同时提供参数存储、数据传输等功能，方便PC机对数据进一步处理和分析。OMAP-L138是一款高集成度、低功耗、高性能的双核处理器，OMAP-L138是TI的一款采用ARM和DSP双核架构的低功耗嵌入式处理器，其内部集成了300 MHz的ARM926EJ-S内核及300 MHz的C6748 VLIW DSP核，并提供了丰富的外设接口，其将ARM核和DSP核整合集成在一个芯片内，其稳定性、抗干扰能力将得到很大的提升，同时也突出其体积小、功耗低等特点和优势，非常适合作为对数据处理能力要求高的手持设备的处理核心。

系统总体设计框图如图1所示，OMAP-L138双核心体系中，DSP核依靠强大的数据处理能力主要完成数据采集及数字信号处理等工作;ARM核则负责整个系统的控制、数据显示和交互以及文件传输等功能。ARM外围搭建丰富接口，同时很方便将数据传送至PC机进行进一步数据分析与处理操作。

1.2 多通道数据采集

多通道数据采集原理图如图2所示，信号输入可为拔插式传感器的信号输入(如高保真电容式麦克风)，也可为各种信号输出系统的信号输出(如函数信号发生器)。其中每8路信号经过多路复用器74HC4051选择其中一路信号送入前置放大电路，前置放大电路负责将输入信号放大至AD输入范围，为保证前端放大电路的性能指标，设计采用高频宽带运放AD811芯片，AD811 3dB带宽高达140MHz，并且具有2500V/us的速度。前级放大后信号输入至AD7828芯片的模拟输入通道进行数据转换，AD7828是高速、多通道、8位ADC，具有8路复用模拟输入。半Flash转换技术实现了每通道2.5μs的快速转换速率。其中AD7828和74HC4051通道选择采用DSP地址线控制，时序与DSP读时序兼容，可将对应通道数值采集当成外设地址数据进行操作，简化DSP程序流程，提高DSP利用率。

1.3 外围接口

系统外围包括Nand Flash、SDRAM、以太网、USB接口、键盘、触摸屏、Jtag接口与实时时钟和晶振。其中Jtag接口与实时时钟和晶振是系统最小系统所必须，Nand Flash和SDRAM用于Arm核的linux操作系统运行的基础，提供文件存储及操作等功能。以太网和USB接口用于手持设备与PC机间通讯，提供数据文件到PC机，以便PC对数据进行进一步处理和分析。键盘和触摸屏用于CUI界面的显示和操作，可完成测量参数设置以及结果显示等功能。

2 软件设计

2.1 程序流程设计

OMAP-L138为ARM+DSP双CPU架构的处理芯片，其内部有128KB的共享内存可作为双方缓存数据，但是并没有在这两个核中增加用于个核之间的通信机相互控制的指令，两个核之间的通信只能依靠其间的中断系统，其间中断共计7个，Arm有5个DSP中断时间，DSP有两个ARM中断。其中ARM和DSP只用系统控制模块中的INRGEN寄存器相互中断。当双核需要进行数据通信时，首先把数据放在双方可以访问的共享内存中，然后给对方一个中断信号。对方接收到中断信号后渎取共享内存中的数据后进行相应操作。

如图3所示为双核程序流程控制图，ARM系统启动后，将使用DSP Link的Proc函数启动DSP核，DSP核被唤醒后等待ARM系统发送的中断信号。ARM子系统通过界面上参数的配置对所需要运行参数的修改，配置完成后ARM子系统对共享内存中的数据进行更新，更新完成后向DSP发出中断指令，DSP接收到指令后从共享内存中读取所需要运行的参数，然后对信号进行采集，采集完成后按照处理参数对数据进行计算和处理，处理完成后将结果数据更新至共享空间，然后通过DSP Link向ARM发出中断，ARM接收到中断后读取共享内存中的数值，然后将结果更新至界面以及Nand Flash存储空间，等待用户对数据进行分析等操作。

2.2 界面设计

ARM内核运行操作系统为Linux2.6.32.2，界面采用QT进行开发设计，QT是一个跨平台的C++应用程序开发框架。广泛用于开发CUI程序。其良好封装机制使得QT的模块化程度非常高，可重用性较好，方便用户使用。界面运行截图如图4所示，其中包括文件操作、参数设置、运行测试及对比分析界面。文件操作界面主要包括对历史记录数据调用、历史测试参数调用、跨平台间文本传输等功能;参数设置主要对各个通道是否开启、采样参数、处理算法、结果显式方式等进行设置;运行测试界面主要根据设置参数进行数据采集及结果显示;对比分析界面主要对多通道数据进行对比及进一步分析，得出各个通道信号对比之后的分析结果。

3 实验测试

为测定系统可行性，本系统对CH1-CH4通道进行音频信号采集，信号输入端连接高保真电容麦克风，信号源采用4个音频信号发生器同时发出频率分别为1kHz、5 kHz、10kHz、15kHz的音频信号，各通道采用频率均设置为44.1k，采用FFT算法对其进行频谱分析，得出各通道采集结果图如图5所示。实验数据结果对比如表1所示。由实验结果可知，其中能对声音信号输入进行频谱分析，并将频谱成分以柱状图形式描绘，其中能提取信号范围内频率成分最大的频率分量，并将结果显示出来。

由表1可知，得出的结果误差较小，在1%以内。

4 结论

以OMAP-L138为核心的手持多通道频谱分析仪，可以实现多路实时稳定的数据采集和处理分析，依靠其便携及多通道同时处理分析的特性和QT开发的上位机界面良好的交互功能及文件存储功能，该频谱分析仪能灵活应用到各种场合，具有很强的实用性。