基于TMS320F2812便携式动态信号分析仪

1 引言
    动态信号分析仪在电子测量领域中称为频域中的“射频万用表”，可见其重要性和宽泛应用。动态信号分析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，需用大量运算时间。而FFT运算可将运算减少到（N/2)log2N次乘法，因此，FFT成为动态信号分析的核心算法。
    这里提出一种基于TMS320F2812的便携式动态信号分析仪设计方案，以数字信号处理为基础，利用数字信号处理器强大的数据处理能力分析所采集的信号，优化动态信号的FFT算法．从而实现对各频率成份和功率谱的计算分析以及失真度的测量，其分析结果在液晶显示器(LCD)上显示。

2 动态信号分析原理
    动态信号分析方法有时域分析法、频域分析法等。其中频域法最适合动态信号分析FFT算法。该系统采用FFT算法．其本质是DFT的快速算法。FFT算法是将长序列DFT根据其对称性和周期性分解为短序列的DFT之和。N点的DFT先分解为2个N/2点的DFT，每个N／2点的DFT又分解为N／4点的DFT。最小变换的点数即所谓FFT的“基数”。因此，基数为2的DFT最小变换是2点DFT(或称蝶形运算)。在基数为2的N点FFT中，设N=2，则总共可分成M级运算，每级中有(N／2)log2N个蝶算，则N点FFT总共有(N／2)log2N个蝶算，1个蝶算只需一个复数乘法对N点FFT需计算(N/2)log2N个复数乘法、(N／2)log2N个复数加法。一般来说，FFT比DFT运算量要小得多,N点的FFT需做(N／2)log2N次乘法运算，而N点DFT需要做／N2次乘法运算，由此看来N点DFT运算量大约是FFT的2N/log2N倍，分析动态信号频率成份，首先以采样频率fs采样N点(N=2M)，经快速傅立叶变换得到其频谱。
    由谱分辨率F=fs／N，如果保持采样点数N不变，提高其分辨率(F减小)，必须降低采样频率，采样频率的降低会引起谱分析范围的减少。如果保持fs不变，为提高频率分辨率，可增加采样点数N，因为NT=Tp,T=fs-1，只有增加对信号的观察时间Tp，才能增加N。Tp和N可以按照的条件选择。

3 系统硬件电路设计
    便携式动态信号分析仪的硬件结构图如图1所示。被检测输入信号经以运算放大器LM358为核心的调理电路后送至TMS320F2812 DSP内部自带的12位A／D转换器采样后，其数字输出信号送至DSP内核处理单元进行FFT处理。经过DSP运算处理后，实现各分量频率值和功率值的计算，信号失真度的计算和周期信号的检测，其分析结果由屏幕式LCD显示。键盘采用键盘查询方式中断处理，实现各种工作模式和显示界面的切换。

3.1 调理电路
    在设计调理电路时，由于要将被采样信号的电压幅度调理到A／D转换器所能接收的范围内并滤除高频噪声信号，因此采用级联方式。其中第一级选择高精度集成运算放大器LM358组成电压跟随器，具有隔离作用；而第二级放大电路实现信号的比例放大和低通滤波，如图2所示。图2中运算放大器LM358构成反向比例放大电路，Ui是经第一级电压跟随器隔离后的电压信号,R1、R3构成反向比例电路，将输入信号按比例缩小4.7倍，C3、R3构成RC低通滤波网络，其电路截止频率f=1/2πR3C3=1/2π×1 kΩ×0.01 μF=15 923 Hz，符合设计要求(其信号频率范围0～10 000 Hz)。引脚7和引脚4分别接一只0.1μF的瓷片电容，用于滤除高频。为了减少失调电流，引脚3接R2(其阻值约为R1和R3的并联电阻)；输出信号U0送至第三级加法电路。第三级加法电路可将信号升高0 V以上，满足A／D转换需求(该系统采用TMS320F2812内部自带A／D转换器)。调理完成后送至DSP进行数字信号处理。

[!--empirenews.page--]

3.2 系统控制单元
    系统控制单元采用32位定点数字信号处理器TMS320F2812。该器件采用高性能的静态CMOS技术，主频达150 MHz，使得指令周期缩短6.67 ns，从而提高控制器的实时控制能力。其高性能32位CPU，单周期32x32乘法累加运算操作特性，能够完成64位的数据处理，实现高精度的处理任务。高效的代码转换功能(支持C/C++和汇编)并与TMS320F24x／LF240x程序代码兼容。片内存储器资源包括：片内128 K×16位的Flash，128 K×16位ROM，18 K×16位的SARAM，1 Kxl6位一次可编程的存储器OTP。片上Flash／ROM具有可编程加密特性，便于现场软件升级。TMS320F2812带有128位保护密码，防止非法用户通过JTAG仿真接口查看Flash/OTP/L0/L1的内容，访问外设和装载某些不合法的软件，保证相关数据的安全性。A/D转换器有16个通道，可配置成2个独立的8通道模块，便于服务事件管理器A和事件管理器B。这2个独立的8通道模块可级联成一个16通道的模块。A／D转换器虽具有丰富的输入通道和2个排序器，但只有1个转换器。2个8通道模块自动排序转换，通过多路开关选择任意一个8通道模块。在级联模式下自动排序器作为一个16通道的排序器。每个排序器一旦转换完成，就将所选择通道的值存储在各自的ADCRESULT寄存器中。自动排序允许对同一通道多次转换，允许用户使用过采样算法，相对传统单次采样转换，这将提高结果的精度。
    为了获得规定的A／D转换器精度，须采用正确的线路板布局。为了获得最佳效果，引脚ADCINxx要尽量远离数字信号线，可最大程度地消除数字电路中开关噪声与A／D转换器输入之间的耦合；同时，A／D模块的电源引脚与数字电源之间需采用适当隔离。
3．3 显示模块LCD
    CMl2864-10是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及格128x64全点阵液晶显示器组成，可实现显示图形以及8×4个汉字(16×16点阵)。LCD与DSp的接口电路如图3所示，由于TMS320F2812DSP是低功耗设计，所有的数字输入都与TTL兼容，所有输出都是3.3 V CMOS电平，不能接收5 V输入，而显示模块LCD接口为5 V的输入输出，所以在实际应用时还需电平转换器SN74ALVCl64245。

4 系统软件设计
    系统软件包括主程序，捕获中断服务子程序，T1的周期中断服务子程序、A/D转换中断服务程序，FFT运算子程序和LCD显示子程序。主程序主要完成系统初始化，包括CPU、PIE寄存器、PIE中断向量表、LCD液晶屏，A/D转换器初始化等，以及查询工作模式设定。根据不同的工作模式进入相应的服务子程序，其主程序流程如图4所示。

设置两个断点，当程序执行到断点时，观察接收数据和显示图像。运行到第一个断点处，A/D采样完成，此时可设置图像观察A/D采样的结果(即显示Ad_data1数组)；运行到第二个断点处，FFT变换完成，可设置图像观察FFT变换后没有取模时的结果(即显示ipcb数组)；继续运行程序，停止运行后，程序会停在循环语句处，同样可设置图像观察取模后的结果，即显示mod数组，图5从上至下分别为1 024点的Ad_datal数组，ipcb数组，mod数组的图像显示，其中，横坐标是采样点数．纵坐标是信号幅度。[!--empirenews.page--]

5 结论
    针对频谱分析。设计基于TMS320F2812 DSP动态信号分析仪．并在此基础上采用一系列数据处理措施实现实数的FFT变换。对于动态信号分析，A／D的采样速率决定处理信号的频率为20 kHz以下．在分析频谱前需估计信号频率范围估计，然后调整采样速率保证1 024点能够采样一个以上的周期．同时还要满足香农采样定理。该系统采用TMS320F2812DSP控制，外围电路少，系统稳定，功能强，操作方便，低成本．具有广泛使用价值。