基于DSP的多通道數字化頻譜分析系統的設計

摘要：設計一種多通道信號的頻譜分析系統，介紹系統硬件和軟件設計方案。該系統以TMS320F2812 DSP作為系統數據處理核心，外擴12位精度A/D MAX1304，使用FFT技術對信號頻域進行分析。FFT運算調用TI 公司CCS FFT Library 中的FFT程序模塊，使實現頻譜分析變得容易。頻譜分析的結果可實時顯示并上傳至上位機，實現數字化的頻譜分析。通過實驗和結果的分析，該系統具有通用性好，可靠性高，實時性強，可以實現快速的測量和傳輸。

關鍵詞：DSP；頻譜分析；模數轉換；FFT；FFT Library

中圖分類號：TP393.1 文獻標識碼：A

1引言

頻譜分析主要就是將時域信號轉化為頻域進行處理，一般要求使用時窗技術，如快速傅氏變換（FFT）、離散傅氏變換（DFT）等[1]。利用頻譜分析儀不但能夠快速準確地顯示信號頻譜、提供大的測量動態范圍，而且能夠利用其所具有的各種測試功能對信號頻率、電平、信號頻譜純度及抗干擾特性進行分析。在 DSP 芯片出現之前，頻譜分析的實現是依靠模擬濾波的方法來完成的， 數字器件和計算方法的問世大大改變了頻譜分析技術。數字化頻譜儀屬于非掃描式，是以數字濾波器和快速傅里葉變換為基礎構成[2-3]。

本文設計了一種基于TMS320F2812型DSP的多通道信號頻譜分析系統。該系統以32位定點TMS320F2812型DSP作為數據處理和控制核心[4]，并通過A/D采集、液晶顯示等外圍電路的控制，組成了具有數據采集、實時數據處理和頻譜顯示功能的硬件平臺，在該平臺上實現數字化的頻譜分析系統；使用FFT技術對多種信號的頻譜分析，調用TI 公司提供以TMS320C28x系列芯片為基礎的C28x 快速傅立葉變換庫FFT Library，大大提高代碼的執行效率和系統的實時性。

2系統硬件設計

2.1系統總體設計

系統主要由信號輸入模塊、模數轉換模塊和數據處理顯示模塊三大部分組成，如圖1所示。系統以TMS320F2812芯片為核心，構建DSP最小系統，并在此基礎上外圍擴展信號隔離和濾波電路、A/D采集電路、液晶顯示電路、SCI接口電路等。由 DSP 芯片控制數據采集、處理和傳輸，傳感器信號經過調理電路調理后進入 A/D 芯片進行轉換，轉換后的數據由 DSP 芯片控制讀入并進行實時濾波預處理，將處理后數據的存入 Flash存儲器，并將分析結果通過RS232接口傳送到上位機。

2.2系統實現

2.2.1信號調理電路設計

在設計 A/D 采樣電路時，應在輸入信號前端加一個低通的模擬濾波器，即抗混疊濾波器，其作用就是掉濾除高于 0.5 倍采樣頻率的無用的高頻分量，以減少頻譜混疊。設計中考慮到 MAX1304 的有效輸入電壓范圍為0～+5 V，而傳感器輸出電壓為 0～+0.5 mV，因此選用了高精度運算放大器芯片AD744 A設計了一個 10 倍的運放電路，將測量信號放大到 +5 V 處，以減少 A/D 芯片的采樣誤差，并在運放電路之后根據抗混疊原理設計了一個截止頻率為 1 kHz 有源二階低通濾波器。同時，為防止電壓過高，燒壞 A/D 芯片，在放大濾波電路后追加了一個限幅電路，以保證芯片的安全性。

2.2.2A/D轉換設計

通過綜合考慮采樣精度、轉換時間及采樣通道數等因素，A/D轉換器選用MAXIM公司推出的可編程12位精度串行輸出模數轉換芯片MAX1304。MAX1304具有 8 路模擬通道輸入，能在 1.98μs 內完成 8 個通道的轉換，8 個通道轉換時每通道吞吐率為456 ksps，并可接受數字輸入分別激活每一路通道。MAX1304的電壓輸入為單極性，范圍為 0～+5 V，并具有±6 V 的故障保護，為電路提供了很好的安全屏障。MAX1304的基準電壓具有內部和外部兩種基準模式，時鐘可選擇內部或外部時鐘，使得在設計電路時有了很大的靈活性[4]。圖 2 為A/D轉換模塊電路原理圖，采用內部時鐘和內部電壓基準。MAX1304的另一個優點是數字電源 DVDD 可以接 +2.7 V 至 +5.25 V，而數字端接口的高電平為 （DVDD+0.3） V。所以，當如圖所示 DVDD 接 3 V 時，數字端輸出引腳滿足 3.3 V TTL 電壓標準，可直接與 DSP 芯片的 I/O 口相連，而不需要電壓轉換芯片。

2.2.3其它電路設計

除上述信號調理電路和A/D轉換電路外，還有LCD顯示電路、F2812最小系統、RS232通訊電路等，這些功能模塊已經有經典電路可以參考，在此不再贅述。

3系統軟件設計

3.1軟件設計思路

軟件設計部分主要包含系統初始化、數據采集、FFT分析、結果顯示和上傳，如圖3所示。 DSP 上電初始化后，初始化MAX1304為多通道并行采樣方式，定義 DSP 系統定時器 time0，設置 A/D 采樣頻率為 4 kHz，啟動 A/D 采樣。通過中斷標志位 flag，等待 A/D_eolc引腳信號跳變，當A/D_eolc為0 時，一次采樣轉化結束。DSP 將采樣的數字信號讀到數據緩存A/D_data[i]中。讀取完畢后，判斷緩存區中數據量是否達到所需的數據組數，若否則繼續等待下一次的數據的讀取；若是則暫停啟動A/D采樣的定時器，調用FFT分析函數，并將分析的結果顯示在LCD上，同時通過SCI模塊發送到上位機。

由輸入數據的采樣率為4 kHz可知，圖5的頻率分辨率是4 kHz/128=0.03125 kHz。即兩個點間的間隔是31.25 Hz。兩個峰值點分別出現在第9個和第17個點，即間隔分別是8和16。所以分別有31.25×8=250 Hz和31.25×16 =500 Hz，可見結果完全正確，驗證了本方案的有效性。

5結束語

本文介紹了一種基于 TMS320F2812型DSP的實時信號頻譜分析系統的設計方案，著重闡述了FFT Library函數庫在頻譜分析方面的應用。FFT Library函數庫由于采用匯編語言編寫， 運算速度很快，此函數庫極大提高軟件開發的速度；FFT Library函數庫提供多種不同點數的計算模塊，可根據頻率分辨的要求可靈活選擇FFT計算模塊。本頻譜分析系統已經借助仿真器及 DSP 的集成開發環境調試通過，系統能夠完成數字化的頻譜分析，且滿足實時性的要求，可以實現快速的測量和傳輸，為進一步實現實時數據處理和整個控制系統設計提供了一定的基礎。

參考文獻

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