基于stm32的頻譜分析儀的設計

河北科技大學 趙 雪 陳國通 馬忠強

基于stm32的頻譜分析儀的設計

河北科技大學 趙 雪 陳國通 馬忠強

提出一種以STM32F407為核心，主要采用FIFO來做高速緩存的方案。高速信號先通過AD采樣，然后先將采樣后的數據給FIFO先緩存處理，然后再通過STM32F407進行加Blackman預處理，再做1024個點FFT進行頻譜分析，最后將數據顯示在LCD12864上，以便進行人機交互。該設計可實現任意波形信號的頻譜顯示，可以自動尋找各諧波分量的幅值，頻率以及相位并進行8位有效數據顯示。由于成本較低，具有一定的應用價值。

stm32F407；FFT；頻譜分析；AD采樣

1 引言

近年來，頻譜分析儀在汽車，通信信號處理，工業制造等各行各業已成為一種非常有用的工具。一般用示波器觀察一個信號的波形。幅度、頻率等，但對于復雜信號的一些信息無法僅通過波形，幅度，頻率獲取。如果由時域轉至頻域，就能觀察到各個頻率點上的功率幅度大小分布情況。

頻譜分析儀按照原理分為模擬和數字頻譜分析儀。隨著時代的發展，工程應用復雜化，產品更新更快，對于頻譜分析儀的精度要求更高，處理速度要求更快，傳統的模擬頻譜分析儀由于體積龐大，功能單一，價格昂貴已不適應時代需求，正逐步向數字頻譜分析儀發展[1]。目前實現信號的頻譜分析儀的主要方法有：采用通用數字信號處理芯片實現、采用專用DFT/FFT芯片與DSP芯片實現和采用FPGA實現[3]。

本文提出一種利用ARM Cortex M4內核的STM32作為數據處理核心，控制整個頻譜分析系統的設計方案。本系統由前置匹配放大電路，AD采樣電路，高速FIFO緩存電路，以及液晶顯示電路組成。

2 系統方案

2.1 MCU處理器的選擇

本設計以ST公司生產的32位的STM32F407為核心DSP處理器件，該芯片具有1MB的Flash閃存空間，196KB的SRAM空間，并且時鐘頻率達到了168MHz。程序運行于168MHz主頻時，通過Flash取指令（不是內部SRAM），通過Dhrysone測試得到210DMIPS，主要采用ART加速器，可以最大限度的消除Flash存儲器較慢從而限制MCU性能的發揮，這可以使CPU可以在所有工作頻率下近乎零等待的方式，從Flash中運行程序。再就是STM32F407帶有硬件FPU處理單元，這樣可以不用軟件算法實現浮點運算，而直接采用硬件來實現浮點運算，這樣就減小了編譯器生成的代碼量，并且使用更方便，浮點數只占用四個字節就可以表示的數據范圍很大，因此不用擔心計算后的數據溢出問題,從而進一步提高運算速度。

2.2 采樣方法的選擇

本設計的采樣時鐘信號選用Linear公司生產的LTC1799提供。LTC1799是一款精準型振蕩器，使用方便。它以單電源的方式工作在2.7V到5.5V，并提供了軌至軌、占空比為50%的方波輸出。CMOS輸出驅動器確保了快速上升/下降時間和軌至軌開關操作。通過電阻器調節設定頻率，電阻阻值在3kΩ～1MΩ的范圍內變化，用以選擇100KHz到33MHz之間的任何一個頻率。三態DIV輸入負責決定驅動輸出之前對主時鐘進行1、10或100分頻。

2.3 高速數據緩存芯片的選擇

高速數據緩存芯片采用FIFO芯片，由IDT公司生產的IDT7205是典型的單向異步FIFO芯片，是一種高速、低功耗的先進先出雙端口存儲緩沖器。這種FIFO芯片內部的雙端口RAM具有2套數據線，分別執行輸入和輸出功能，各自獨立的寫讀指針分別在寫、讀時鐘的控制下順序地從RAM中寫、讀數據。

3 理論分析與計算

離散傅里葉變換（DFT）：

DFT(離散傅里葉變換)是數字信號分析與處理中的一種重要變換，它可以使數字信號處理在頻域內采用數值運算的方法進行，大大增加了數字信號處理的靈活性，但直接計算DFT的計算量與變換區間長度N的平方成正比，當N較大時，計算量太大，所以在快速傅里葉變換(FFT)出現以前，直接用DFT算法進行譜分析和信號的實時處理是不切實際的[4]。

DFT定義：設x(n)是一個長度為N的有限長數列，定義N點離散傅里葉變換為：

（1）周期性

（2）對稱性

利用DFT的周期性和對稱性可把DFT的計算次數大大減小。

根據以上的結果，就可以計算出：

所對應信號的表達式為：

但是由于所做的點數有限，造成頻譜泄露是必然的。因此并非要計算所有點的幅值，相位以及頻率信息，而只需要計算出各個峰值點的幅值，相位以及頻率即可表示采樣信號各諧波分量的全部信息。

因此算法模塊要實現的功能：保存FFT之后峰值點的實部和虛部，以及峰值點所處的位置這幾組點即可。

4 電路設計

4.1 A/D轉換模塊原理圖

A/D轉換使用的是TI公司生產的8位精度的并行AD轉換器TLC5510A。其電路原理圖如圖4.1所示：

圖4.1 A/D轉換模塊原理圖

4.2 高速緩存模塊原理圖

本設計的高速緩存芯片選用IDT司生產的IDT7205，其存儲深度可以達到8KB。其電路原理圖如圖4.3所示：

圖4.2 高速緩存電路

4.3 液晶顯示模塊原理圖

本設計的液晶模塊采用無字庫LCD12864來顯示，其電路原理圖如圖4.4所示：

圖4.3 LCD12864液晶顯示

5 總結

STM32F407芯片端口雖然可以忍受+5V的電壓，但這不代表其可以識別+5V的高電平，因此在讀+5V的輸入端口電平，需要用電平轉換芯片將+5V轉換成+3.3V的，否則讀出的數據是錯的。但是3.3V屬于高電平，因此其可以驅動+5V工作的數字芯片。

在數字信號處理最重要的就是要驗證數據的準確性和有效性，因此就要使用MATLAB軟件仿真來做數據對比，以判斷STM32F4的計算結果是否準確。

在測試過程中，我們使用被白噪聲污染過的信號經過離散化后的數組，如圖5.1所示，為同一信號256點與1024點FFT之后數據的對比：

圖5.1 同一信號256點與1024點FFT之后數據的對比

由此可知本設計合理，另外，若再設計濾波電路濾除噪聲，實驗結果會更理想。

[1]GANDERTON R.Spectrum analysers today[J].Electronics &power,1978.

[2]LIM H,LEE S.A study on the low-cost digital spectrum analyzer design[C]//Proceedings of 2014 6th International Conference on Electronics,Computer and Artificial Intelligence.Bucharest:IEEE,2014:31-34.

[3]韋炯全.基于FFT的高速電力諧波檢測儀的研制、檢測技術與自動化裝置[D].廣西大學,2011.

[4]萬永革編著.數字信號處理的MATLAB實現(第2版)[M].北京:科學出版社,2012,5.

圖2 紋波及實物圖

5 總結

使用降壓控制器LM5117芯片和CSD18532KCS MOS場效應管作為DC-DC變換的核心器件。在汽車電源12V直流電壓時，輸出直流電壓5V，輸出電壓偏差在100mV之內，輸出電流最大值為3A，具有過流保護功能，整體電路在輸入12V直流電壓時，穩定降壓輸出5V，負載調整率低至0.2%，電壓調整率低至0.199%，效率高達91.57%，紋波低至30mv。此設計能夠將汽車電源進行高效率的轉換，解決智能手機以及車載電子設備供電不足的困惑。

參考文獻

[1]王兆安,劉進軍主編.電力電子技術[M].機械工業出版社,2012,7.

[2]陳永真,孟麗囡.高效開關電源設計與制作[M].中國電力出版社,2008,3.

[3]寧武,曹洪奎,孟麗囡主編.反激式開關電源原理與設計[M].電子工業出版社,2014,7.

[4]采用模擬電流監視器的寬輸入范圍同步降壓控制器[S]. LM5117數據手冊,2015.

陳國通，男，河北科技大學教授，研究方向：數據交換與傳輸。