【正文】 我們選用了 TMS320F2812控制板，其快速處理速度和能達(dá)到應(yīng)用精度需求是我們選擇使用的主要因素，另外 F2812控制板上集成了多種外設(shè)可方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸也是我們選擇使用 2812的原因。 FFT簡(jiǎn)介 數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式。 近些年來，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，特別是隨著微計(jì)算器和超大規(guī)模電路的飛躍 發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)亦得到了更大的發(fā)展，并且廣泛地應(yīng)用到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)，如雷達(dá)、聲納、通信、語音處理、圖象處理、地震信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)、數(shù)字音頻和視頻設(shè)備、電子鍘量?jī)x器、噪聲控制、電力系統(tǒng)的諧波分析、振動(dòng)分析和故障診斷等方面，取得了突出的成就。 傅立葉變換是一種將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域的變換形式．是聲學(xué)、語音、電信和信號(hào)處理等領(lǐng)域中一種重要的分析工具。離散傅立葉變換 (DFT)是連續(xù)傅立葉變換 (DFT)是連續(xù)傅立葉變換在離散系統(tǒng)中的表示形式。由于 DFT的計(jì)算量很大，因此在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)其應(yīng)用受到很 大的限制。直到 1965年 J． W． Cooty和 J． W． Tukey等學(xué)者提出并完成了 DFT的快速算法 FFT(The Fast Fourier Transform)，使 DFT的運(yùn)輸大大簡(jiǎn)化，運(yùn)算時(shí)間縮短 1～ 2個(gè)數(shù)量級(jí)之多。快速傅立葉變換 (FFT)技術(shù)是數(shù)字信號(hào)處理中的核心技術(shù)，它已廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理的各個(gè)領(lǐng)域。 論文工作介紹 本文中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊用來采集各種傳感器的信號(hào)值、電壓模擬量等等，并對(duì)這些值進(jìn)行 FFT分析。在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)質(zhì)上是一個(gè)實(shí)時(shí)采集與處理系統(tǒng)，除了完成數(shù)據(jù)采集外，還完成對(duì) 數(shù)據(jù)的處理，包括數(shù)據(jù) FFT分析等。 對(duì)于數(shù)據(jù)采集模塊，必須選擇一個(gè)高速的中央處理器，具備實(shí)時(shí)事務(wù)處理能力和數(shù)據(jù)處理能力。能夠高速完成數(shù)字信號(hào)處理算法。本課題采用了 TI公司 DSP作為核心處理器件。 TI公司的各種型號(hào) DSP專為實(shí)時(shí)信號(hào)而設(shè)計(jì)，在其各種型號(hào)的 DSP中， TMS320F28x系列 DSP將實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一個(gè)非常理想的解決方案?；谠撓到y(tǒng)對(duì)于速度，功耗，成本南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 等方面的考慮，本此設(shè)計(jì)采用了 TMS320F28x系列中的 TMS320F2812作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的處理 器件。 TMS320F2812的指令執(zhí)行速度高達(dá) 150MIPS，作為控制器應(yīng)用它具備良好的實(shí)時(shí)控制能力：它的供電電壓為 3． 3V，與單片機(jī)相比，具有更低的控制器功耗；它的指令系統(tǒng)提供了豐富的“乘累加”，“循環(huán)尋址”等指令，這使得實(shí)時(shí)信號(hào)處理中的濾波，頻譜分析，可以方便快速地實(shí)現(xiàn)。 TMS320F2812集成了豐富的片內(nèi)存儲(chǔ)器和控制器外設(shè)，它具備片上 128KB的 Flash存儲(chǔ)器。 TMS320F2812采用兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，具備強(qiáng)大的中斷處理能力，同時(shí)，它具備兩個(gè)事務(wù)管理模塊，能實(shí)時(shí)管理 16個(gè)輸入通道的 A／ D轉(zhuǎn)換器， 4個(gè) 16通道定時(shí)器以及 6個(gè)捕獲單元。 采用 TMS320F2812作為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心處理器件，充分利用 DSP的片上資源?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集過程的高效管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 FFT等運(yùn)算，可以滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各種要求。 論文結(jié)構(gòu)如下： 第二章：對(duì) DSP原理包括 DSP系統(tǒng)、 DSP的選擇、 DSP的發(fā)展等作相關(guān)介紹。 第三章；對(duì)論文中使用的 F2812板及其開發(fā)環(huán)境 CCS作詳細(xì)說明。 第四章：闡述頻譜分析的原理及頻譜分析儀的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)信號(hào)輸入、 A/D 轉(zhuǎn)換、 FFT 變換的實(shí)現(xiàn)作詳細(xì)說明。 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第二章 DSP 原理 DSP 簡(jiǎn)介 數(shù)字信號(hào)處理 (Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱 DSP)是一個(gè)涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。 20世紀(jì) 60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展．在過去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。 數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式。數(shù) 字信號(hào)處理是圍繞著數(shù)字信號(hào)處理的理論、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等幾個(gè)方面發(fā)展起來的。數(shù)字信號(hào)處理在理論上的發(fā)展推動(dòng)了數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的發(fā)展。反過來，數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用又促進(jìn)了數(shù)字信號(hào)處理理論的提高。而數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)則是理論和應(yīng)用之間的橋梁。 數(shù)字信號(hào)處理是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)的，它所涉及的范圍極其廣泛。例如，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，微積分、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信號(hào)處理的基本工具，與網(wǎng)絡(luò)理論、信號(hào)與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷等也密切相關(guān)。一些新興的學(xué)科，如人工智能、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，都與數(shù)字信號(hào)處理密不可分．可以說，數(shù)字信號(hào)處理是把許多經(jīng)典的理論體系作為自己的理論基礎(chǔ)，同時(shí)又使自己成為一系列新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。 數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法一般有以下幾種： 在通用的計(jì)算機(jī) (如 PC機(jī) )上用軟件 (如 C語言 )實(shí)現(xiàn)； 在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上專用的加速處理機(jī)實(shí)現(xiàn)； 用通用的單片機(jī) (如 MCS5 96系列等 )實(shí)現(xiàn)，這種方法可用于一些不太復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，如數(shù)字控制等； 用通用的可編程 DSP芯片實(shí)現(xiàn)．與單片機(jī)相比， DSP芯片具有更加適合于數(shù)字信號(hào)處理的軟件和硬件資源，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法； 用 專用的 DSP芯片實(shí)現(xiàn)。在一些特殊的場(chǎng)合，要求的信號(hào)處理速度極高，用通用 DSP芯片很難實(shí)現(xiàn)，例如專用于 FFT、數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)等算法的 DSP芯片，這種芯片將相應(yīng)的信號(hào)處理算法在芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)，無需進(jìn)行編程。 在上述幾種方法中，第 1種方法的缺點(diǎn)是速度較慢，一般可用于 DSP算法的模擬與仿真；第 2種和第 5種方法專用性強(qiáng)，應(yīng)用受到很大的限制，第 2種方法也不便于系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行；第 3種方法只適用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的 DSP算法：只有第 4種方法才使數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用打開了新的局面。 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)介紹 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 圖 21所示為一個(gè)典型的 DSP系統(tǒng)。圖中的輸入信號(hào)可以有各種各樣的形式，例如，它可以是麥克風(fēng)輸出的語音信號(hào)或是電話線來的已調(diào)數(shù)據(jù)信號(hào)，也可以是編碼后在數(shù)字鏈路上傳輸或存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的攝像機(jī)圖像信號(hào) 輸入信號(hào)首先進(jìn)行帶限濾波和抽樣，然后進(jìn)行模數(shù) A／ D(Analog to Digital)變換將信號(hào)變換成數(shù)字比特流。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為保證信息不丟失，抽樣頻率至少必須是輸入帶限信號(hào)最高頻率的 2倍。 DSP芯片的輸入是 A/D變換后得到的以抽樣形式表 示的數(shù)字信號(hào)， DSP芯片對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行某種形式的處理，如進(jìn)行一系列的乘累加操作 (MAC)。數(shù)字處理是 DSP的關(guān)鍵，這與其他系統(tǒng) (如電話交換系統(tǒng) )有很大的不同。在交換系統(tǒng)中．處理器的作用是進(jìn)行路由選擇，它并不對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。因此，雖然兩者都是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但兩者的實(shí)時(shí)約束條件卻有很大的不同。最后，經(jīng)過處理后的數(shù)字樣值再經(jīng)數(shù)模 D/A(Digital to Analog )交換轉(zhuǎn)換為模擬樣值，之后再進(jìn)行內(nèi)插和平滑濾波就可得到連續(xù)的模擬波形。 必須指出的是，上面給出的 DSP系統(tǒng)模型是一個(gè)典型模型，但并不是所有 的 DSP系統(tǒng)都必須具有模型中的所有部件。如 DSP芯片輸出信號(hào)可直接通入某通信系統(tǒng)而不必經(jīng)過 D/A和平滑濾波；如語音識(shí)別系統(tǒng)在輸出端并不是連續(xù)的波形，兩是識(shí)別結(jié)果，如數(shù)字、文字等。有些輸入信號(hào)本身就是數(shù)字信號(hào) (如 CD： Compact Disk)，因此就不必進(jìn)行模數(shù)變換了。 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，因此具有數(shù)字處理的全部?jī)?yōu)點(diǎn)： 接口方便。 DSP應(yīng)用系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容的，與這樣的系統(tǒng)接口以實(shí)現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易得多； 編程方便。 DSP應(yīng)用系統(tǒng)中的可編程 DSP芯片可使設(shè)計(jì)人員在開發(fā)過程中靈活方便地對(duì)軟件進(jìn)行修改和升級(jí)； 穩(wěn)定性好。 DSP應(yīng)用系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小，可靠性高； 精度高。 16位數(shù)字系統(tǒng)可以達(dá)到 10級(jí)的精度； 可重復(fù)性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化的影響比較大，而數(shù)輸入 抗混疊濾波 A/D DSP芯片 D/A 平滑濾波 輸出 圖 21 典型 DSP 系統(tǒng)框圖 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 字系統(tǒng)基本不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于鍘試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)； 集成方便。 DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。 當(dāng)然，數(shù)字信號(hào)處理也存在一定的缺點(diǎn)。例如，對(duì)于簡(jiǎn)單的信號(hào)處理任務(wù)，如與模擬交換線的電話 接口，若采用 DSP則使成本增加。 DSP系統(tǒng)中的高速時(shí)鐘可能帶來高頻干擾和電磁泄漏等問題，而且 DSP系統(tǒng)消耗的功率也較大。此外， DSP技術(shù)更新的速度快，對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)要求高，開發(fā)和調(diào)試工具還有待完善。 雖然 DSP系統(tǒng)存在著一些缺點(diǎn)，但其突出的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使之在通信、語音、圖像、雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)控制，儀器儀表等許多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。 DSP 芯片的基本結(jié)構(gòu) 為了快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算， DSP芯片一般都采用特殊的軟硬件結(jié)構(gòu)。以 TMS320系列為例介紹 DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)。 TMS320系列 DSP芯片 的基本結(jié)構(gòu)包括： (1)哈佛結(jié)構(gòu)； (2)流水線操作； (3)專用的硬件乘法器； (4)特殊的 DSP指令； (5)快速的指令周期。這些特點(diǎn)使得 TMS320系列 DSP芯片可以實(shí)現(xiàn)快速的 DSP運(yùn)算，并使大部分運(yùn)算 (例如乘法 )能夠在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。由于 TMS320系列 DSP芯片是軟件可編程器件，因此具有通用微處理器具有的方便靈活的特點(diǎn)。下而分別介紹這些特點(diǎn)是如何在 TMS320系列 DSP芯片中應(yīng)用并使得芯片的功能得加強(qiáng)的。 哈佛結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮諾曼結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 在不同的存儲(chǔ)空間中，目口程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。而馮諾曼結(jié)構(gòu)則是將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中，統(tǒng)一編址，依靠指令計(jì)數(shù)器提供的地址來區(qū)分是指令、數(shù)據(jù)還是地址。取指令和取數(shù)據(jù)都訪問同一存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)吞吐率低。 在哈佛結(jié)構(gòu)中，由于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在兩個(gè)分開的空間中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高運(yùn)行速度和靈活性， TMS320系列 DSP芯片在基本哈佛結(jié) 構(gòu)的基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，一是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲(chǔ)器中，并被算術(shù)運(yùn)算指令直接使用，增強(qiáng)了芯片的靈活性；二是指令存儲(chǔ)在高速緩沖器 (Cache)中，當(dāng)執(zhí)行此指令時(shí)，不需要再從存儲(chǔ)器中讀取指令，節(jié)約了 1個(gè)指令周期的時(shí)間。如TMS320C30具有 64個(gè)字的 Cache。 流水線 與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)， DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行時(shí)間。從而增強(qiáng)了處理器的處理能力。 TMS320系列處理器的流水線深度從 2～ 6級(jí)不等。第 — 代采用南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 TMS320處理器采用 2級(jí)流水線，第二代采用 3級(jí)流水線，第三代采用 4級(jí)流水線，而TMS320C54則采用 6級(jí)流水線。采用流水線操作，處理器可以并行處理多條指令，每條指令處于流水線上的不同階段。 在三級(jí)流水線操作中，取指、譯碼和執(zhí)行操作可以獨(dú)立地處理，這可使指令執(zhí)行能完全重疊。在每個(gè)指令周期內(nèi)，三個(gè)不同的指令處于激活狀態(tài)，每個(gè)指令處于不同的階段。例如．在第 N個(gè)指令取指時(shí)，前一個(gè)指令即第 N1個(gè)指令正在譯碼。而第 N2個(gè)指令則正在執(zhí)行。一般來說，流水線對(duì)用戶是透明的。 專用的硬件乘法器 在一般形式的 FIR濾波器中，乘法是 DSP的重要組成部分。對(duì)每個(gè)濾波器抽頭，必須做一次乘法和一次加法。乘 法速度越快， DSP處理器的性能就越高。在通用的微處理器中，乘法指令是由一系列加法來實(shí)現(xiàn)的，故需許多個(gè)指令周期來完成。相比而言， DSP芯片的特征就是有一個(gè)專用的硬件乘法器。在 TMS320系列中，由于具有專用的硬件乘法器，乘法可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。從最早的 TMS32021實(shí)現(xiàn)FIR的每個(gè)抽頭算法可以看出，濾波器每個(gè)抽頭需要一條乘法指令 MPY： LT ；裝乘數(shù)到 T寄存器 DMOV ；在存儲(chǔ)器中移動(dòng)數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)延遲 MPY ：相乘 APAC ；將乘法結(jié)果加到 ACC中 其他三條指令用來將乘數(shù)裝入到乘法器電路 (LT)、 移動(dòng)數(shù)據(jù) (DMOV)以及將乘法結(jié)果 (存在乘積寄存器 P中 )加到 ACC中 (APAC)。因此，若采用 256抽頭的 FIR濾波器，這四條指令必須重復(fù)執(zhí)行 256次，且 256次乘法必須在一個(gè)抽樣間隔