基于DSP的多通道数字化频谱分析系统的设计

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摘要：设计一种多通道信号的频谱分析系统，介绍系统硬件和软件设计方案。该系统以TMS320F2812 DSP作为系统数据处理核心，外扩12位精度A/D MAX1304，使用FFT技术对信号频域进行分析。FFT运算调用TI 公司CCS FFT Library 中的FFT程序模块，使实现频谱分析变得容易。频谱分析的结果可实时显示并上传至上位机，实现数字化的频谱分析。通过实验和结果的分析，该系统具有通用性好，可靠性高，实时性强，可以实现快速的测量和传输。

关键词：DSP；频谱分析；模数转换；FFT；FFT Library

中图分类号：TP393.1 文献标识码：A

1引言

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[1]。利用频谱分析仪不但能够快速准确地显示信号频谱、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。在 DSP 芯片出现之前，频谱分析的实现是依靠模拟滤波的方法来完成的， 数字器件和计算方法的问世大大改变了频谱分析技术。数字化频谱仪属于非扫描式，是以数字滤波器和快速傅里叶变换为基础构成[2-3]。

本文设计了一种基于TMS320F2812型dsp的多通道信号频谱分析系统。该系统以32位定点TMS320F2812型DSP作为数据处理和控制核心[4]，并通过A/D采集、液晶显示等电路的控制，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；使用FFT技术对多种信号的频谱分析，调用TI 公司提供以TMS320C28x系列芯片为基础的C28x 快速傅立叶变换库FFT Library，大大提高代码的执行效率和系统的实时性。

2系统硬件设计

2.1系统总体设计

系统主要由信号输入模块、模数转换模块和数据处理显示模块三大部分组成，如图1所示。系统以TMS320F2812芯片为核心，构建DSP最小系统，并在此基础上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。由 DSP 芯片控制数据采集、处理和传输，传感器信号经过调理电路调理后进入 A/D 芯片进行转换，转换后的数据由 DSP 芯片控制读入并进行实时滤波预处理，将处理后数据的存入 Flash存储器，并将分析结果通过RS232接口传送到上位机。

2.2系统实现

2.2.1信号调理电路设计

在设计 A/D 采样电路时，应在输入信号前端加一个低通的模拟滤波器，即抗混叠滤波器，其作用就是掉滤除高于 0.5 倍采样频率的无用的高频分量，以减少频谱混叠。设计中考虑到 MAX1304 的有效输入电压范围为0～+5 V，而传感器输出电压为 0～+0.5 mV，因此选用了高精度运算放大器芯片AD744 A设计了一个 10 倍的运放电路，将测量信号放大到 +5 V 处，以减少 A/D 芯片的采样误差，并在运放电路之后根据抗混叠原理设计了一个截止频率为 1 kHz 有源二阶低通滤波器。同时，为防止电压过高，烧坏 A/D 芯片，在放大滤波电路后追加了一个限幅电路，以保证芯片的安全性。

2.2.2A/D转换设计

通过综合考虑采样精度、转换时间及采样通道数等因素，A/D转换器选用MAXIM公司推出的可编程12位精度串行输出模数转换芯片MAX1304。MAX1304具有 8 路模拟通道输入，能在 1.98μs 内完成 8 个通道的转换，8 个通道转换时每通道吞吐率为456 ksps，并可接受数字输入分别激活每一路通道。MAX1304的电压输入为单极性，范围为 0～+5 V，并具有±6 V 的故障保护，为电路提供了很好的安全屏障。MAX1304的基准电压具有内部和外部两种基准模式，时钟可选择内部或外部时钟，使得在设计电路时有了很大的灵活性[4]。图 2 为A/D转换模块电路原理图，采用内部时钟和内部电压基准。MAX1304的另一个优点是数字电源 DVDD 可以接 +2.7 V 至 +5.25 V，而数字端接口的高电平为 （DVDD+0.3） V。所以，当如图所示 DVDD 接 3 V 时，数字端输出引脚满足 3.3 V TTL 电压标准，可直接与 DSP 芯片的 I/O 口相连，而不需要电压转换芯片。

2.2.3其它电路设计

除上述信号调理电路和A/D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。

3系统软件设计

3.1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分析、结果显示和上传，如图3所示。 DSP 上电初始化后，初始化MAX1304为多通道并行采样方式，定义 DSP 系统定时器 time0，设置 A/D 采样频率为 4 kHz，启动 A/D 采样。通过中断标志位 flag，等待 A/D_eolc引脚信号跳变，当A/D_eolc为0 时，一次采样转化结束。DSP 将采样的数字信号读到数据缓存A/D_data[i]中。读取完毕后，判断缓存区中数据量是否达到所需的数据组数，若否则继续等待下一次的数据的读取；若是则暂停启动A/D采样的定时器，调用FFT分析函数，并将分析的结果显示在LCD上，同时通过SCI模块发送到上位机。

由输入数据的采样率为4 kHz可知，图5的频率分辨率是4 kHz/128=0.03125 kHz。即两个点间的间隔是31.25 Hz。两个峰值点分别出现在第9个和第17个点，即间隔分别是8和16。所以分别有31.25×8=250 Hz和31.25×16 =500 Hz，可见结果完全正确，验证了本方案的有效性。

5结束语

本文介绍了一种基于 TMS320F2812型DSP的实时信号频谱分析系统的设计方案，着重阐述了FFT Library函数库在频谱分析方面的应用。FFT Library函数库由于采用汇编语言编写， 运算速度很快，此函数库极大提高软件开发的速度；FFT Library函数库提供多种不同点数的计算模块，可根据频率分辨的要求可灵活选择FFT计算模块。本频谱分析系统已经借助仿真器及 DSP 的集成开发环境调试通过，系统能够完成数字化的频谱分析，且满足实时性的要求，可以实现快速的测量和传输，为进一步实现实时数据处理和整个控制系统设计提供了一定的基础。

参考文献

[1]方勇.基于嵌入式的频谱分析仪的研究与设计[D].西安：西安电子科技大学，2011.

[2]卜红霞，胡永杰，齐炎炎，等.基于DSP的频谱分析系统的设计与实现[J].微计算机信息， 2008， 24（7）： 208-209， 256.

[3]杜治芸，王巍.基于DSP的数据采集和频谱分析系统设计[J].山西电子技术， 2010， （1）：3-4，30.

[4]索亮，基于 DSP 的多通道数据采集与处理系统的设计[D].太原：中北大学，2011.

[5]李全利，刘长亮.CCS上FFT 运算的实现[J].自动化技术与应用，2009，28（2 ）：59 -62.

[6]赵世廉.TMS320X24x DSP 原理及应用开发指南[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007-03.

[7]柴秀英，基于DSP的多通道通用数据采集系统的研制[D].成都：西南交通大学，2010.

[8]王肃伟，杨学友，李雁斌，等，基于DSP的数据采集与处理系统的设计[J].科学技术与工程，2007，7（15）：3943-3945.

[9]孟祥儒，基于DSP的数据采集处理及显示系统[D].合肥：中国科学技术大学，2009.

[10]苏奎峰，吕强，常天庆， TMS320X281x DSP 原理及C 程序开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008-02.