【文章內(nèi)容簡介】 對輸入信號進行 FFT 運算，有效的節(jié)省了運算時間，達到快速檢測分析音頻信號的效果。能夠測量輸入信號的總功率和各頻率分量的頻率和，測量周期和失真度，輸入信號電壓范圍 (峰峰值 )為0~5V,可測頻率成分范圍 200Hz~10kHz,頻率分辨率達到 20Hz。 一般來說，單片機的控 制能力要強一些，而且其總線位數(shù)少，運行速度慢；而DSP 的運算能力強一些，總線寬度寬，但控制能力要弱一些。這里信號頻譜功率的計算用 FFT 算法對系統(tǒng)的運算速度要求是比較高的。所以本設(shè)計根據(jù) DSP 的這一優(yōu)點，選擇了以 DSP 為核心的方案。根據(jù)課題要求，設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖 。 南昌航空大學學士學位論文 9 信 號 預 處 理 A / D 轉(zhuǎn) 換D S P 核 心 處 理 器T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 ( F F T 運 算 )鍵 盤 顯 示信 號 輸 入 圖 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖 該系統(tǒng)包括音頻的預處理模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，鍵盤和顯示模塊。 ? 音頻信號的預處理模塊主要負責對信號的平滑整形，這里包括阻抗變換，共模 抑制，濾波 等。在信號進入 A/D 前確保信號平整穩(wěn)定，這樣數(shù)據(jù)采樣的準確性才得以肯定。 ? 數(shù)據(jù)采樣在 A/D 轉(zhuǎn)換模塊中實現(xiàn)，這里用到的是 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使得所測量的數(shù)值更精確。 ? 鍵盤模塊主要完成顯示分析結(jié)果的各相關(guān)數(shù)據(jù)的作用， DSP 通過對鍵盤的時時掃描檢測按鍵情況來給出相應的顯示界面。 ? 顯示模塊主要是對分析結(jié)果顯示，起到一個人機 對話 的作用。 其中 A/D 轉(zhuǎn)換電路與 DSP， DSP 與顯示之間用 74LVC245 作為數(shù)據(jù)緩器。具體設(shè)計框圖如圖 。 A/D轉(zhuǎn)換7 4 L V C 2 4 57 4 L V C 2 4 5DSP核心處理器TMS320F28127 4 L V C 2 4 5顯 示 圖 數(shù)據(jù)緩沖圖 南昌航空大學學士學位論文 10 第 4 章 系統(tǒng)芯片介紹 在基于 DSP 的音頻信號分析儀系統(tǒng)中，各個單元要用到不同的芯片：例如，A/D 轉(zhuǎn)換 ADS7805 芯片，信號處理單元 TMS320F2812 芯片，人機接口 液晶模塊。本章將對這些元器件進行詳細的介紹。 DSP 芯片 自從 20 世紀 80 年代初期第一片數(shù)字信號處理芯片 (Digital Signal Proeessors 簡稱 DSP)， DSP 芯片得到了飛速的發(fā)展。在幾十年的時間里， DSP 芯片已經(jīng)在信號處理，通信，雷達，視音頻等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。目前 DSP 芯片的價格越來越低，性價比日益提高，具有巨大的應用潛力。經(jīng)過幾十年的發(fā)展， DSP 器件在高速度、可編程、小型化、低功耗等方面都有了長足的發(fā)展。而且應用范圍也從最初的局限于軍工，航天等軍事領(lǐng)域，擴展到今天的諸多電子行業(yè)及消費類電子產(chǎn)品中。近年來，由于半導體制造工藝的發(fā)展和計算機體系結(jié)構(gòu)等方面的改進， DSP 芯片的功能越來越強大，這使得信號處理研究的重點很大程度上可以放在軟件算法上，而不用像過去那樣需要過多的考慮硬件實現(xiàn)。 DSP 芯片基本結(jié)構(gòu)和特征 可編程 DSP 芯片是一種特殊結(jié)構(gòu)的微處理器 ，為了快速進行數(shù)字信號處理，一般都采用特殊的軟硬件結(jié)構(gòu)。例如 TMS32O 系列 DSP 處理器的基本結(jié)構(gòu)包括 :(1)哈佛結(jié)構(gòu) 。(2)流水線操作 。(3)專用的乘法器 。(4)特殊的 DSP 指令 。(5)快速的指令周期。這些特點，使得 TMS32O 系列 DSP 處理器可以實現(xiàn)快速的 DSP 運算，并使大部分運算 (如乘法 )能在一個周期內(nèi)完成。 TMS320 系列處理器是軟件可編程器件，所以具有通用微處理器的方便靈活的特點。 (1)哈佛結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲 器，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。與兩個存儲器相對應的是系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。由于程序和數(shù)據(jù)存儲在兩個分開的空間愛女中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊。 (2)流水線操作。流水線與哈佛結(jié)構(gòu)有關(guān)。 DSP 廣泛采用流水線，以減少指令執(zhí)行的時間，從而增強了處理器的處理能力。處理器可以并行處理 24 條指令，每條指令處于流水線的不同階段。 (3)專用的硬件乘法器。乘法速度越快， DSP 的性能越高。由于具有專用的應用乘法器，乘法可以在一個周期內(nèi)完成。 南昌航空大學學士學位論文 11 (3)特殊的 DSP 指令。為了更好地滿足數(shù) 字信號處理應用的需要，在 DSP 指令系統(tǒng)中，設(shè)計了一些特殊的 DSP 指令，以完成以資額專門的運算。例如 C54XDSP的 FIRS 指令，專用于 FIR 濾波運算。 (4)快速的指令周期。哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的 DSP指令，再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計，可使 DSP 的指令周期在 100ns 以下。而 C5402芯片的最快運行速度更是可以達到 10OMIPS。這使得 DsP 芯片能夠?qū)崿F(xiàn)許多 DSP應用。 DSP 系統(tǒng)構(gòu)成 一個典型的 DSP 系統(tǒng)如圖 所示。 圖 典型的 DSP 系統(tǒng) 一般輸 入信號首先進行帶限濾波和抽樣，然后進行模 /數(shù) (A/D)變換，將信號變換成數(shù)字比特流。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，對低通模擬信號，為保持信息的不丟失，抽樣頻率必須至少是輸入帶限信號最高頻率的 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， DSP 芯片對輸入的數(shù)字信號進行某種形式的處理，如進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。最后，經(jīng)過處理后的數(shù)字樣值再經(jīng) D/A 變換轉(zhuǎn)換為模擬樣值，之后再進行內(nèi)插和平滑濾波就可得到連續(xù)的模擬波形 DSP 系統(tǒng)的特點 及設(shè)計過程 數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)，因此具有數(shù)字處理的全部特點： （ 1）接口方便。 DSP 系統(tǒng)與其它以現(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，這樣的系統(tǒng)接口以實現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易的多。 （ 2）編程方便。 DSP 系統(tǒng)種的可編程 DSP 芯片可使設(shè)計人員在開發(fā)過程中靈活方便地對軟件進行修改和升級。 （ 3）穩(wěn)定性好。 DSP 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。 （ 4）精度高。 16 位數(shù)字系統(tǒng)可以達到的精度。 （ 5）可重復性好。模擬系統(tǒng) 的性能受元器件參數(shù)性能變化比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本上不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試，調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)。 南昌航空大學學士學位論文 12 （ 6）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。 TMS320F2812 TMS320F281x 處理器 TMS320F281x 系列 DSP(數(shù)字信號處理器 )是 TI 公司最新推出的數(shù)字信號處理器，該系列處理器是基于 TMS320CZxx 內(nèi)核的定點數(shù)字信號處理器。器件上集成了多種先進的外設(shè)，為電機及其他運動控制領(lǐng)域應用的實現(xiàn)提供了良好的平臺。同時代碼和指令與 F24x 系列數(shù) 字信號處理器完全兼容，從而保證了項目或產(chǎn)品設(shè)計的可延續(xù)性。與 F24x 系列數(shù)字信號處理器相比， F28lx 系列數(shù)字信號處理器提高了運算的精度 (32 位 )和系統(tǒng)的處理能力 (達到 150MIPS)。該系列數(shù)字信號處理器還集成了 128KB 的 Flash 存儲器， 4KB 的引導 ROM，數(shù)學運算表以及 ZKB 的 OTPROM，從而大大改善了應用的靈活性。 128 位的密碼保護機制有效地保護了產(chǎn)品的知識產(chǎn)權(quán)。兩個事件管理模塊為電機及功率變換控制提供了良好的控制功能。 16 通道高性能 12 位 ADc 單元提供了兩個采樣保持電路，可以實現(xiàn)雙通道信號同 步采樣。TMS320F2812 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 TMS320F2812 的主要特點 TMS320F28l2 采用高性能的靜態(tài) CMOS 技術(shù) : 主頻達 150MHz(時鐘周期 )。 低功耗設(shè)計 。 Flash 編程電壓為 。 支持 JTAG 邊界掃描接口。 高性能 32 位 CPU: 16x16 位和 32x32 位的乘法累加操作 。 16xl6 位的雙乘法累加器 。 哈佛總線結(jié)構(gòu) 。 快速中斷響應和處理能力 。 統(tǒng)一尋址模式 。 4MB 的程序 /數(shù)據(jù)尋址空間 。 高效的代碼轉(zhuǎn)換功能 (支持 C/C+和匯編 )。 與 TMS320F24x/F240x 系列數(shù)字信號處理器代碼兼容。 片上存儲器 : 最多達 128Kx16 位 (F2812)的 Flash 存儲器 。 南昌航空大學學士學位論文 13 最多達 128Kx16 位的 ROM。 圖 TMS320F2812 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) IKxl6 位的 OTPROM。 L0 和 L1:兩塊 4Kx16 位的單周期訪問 RAM(SARAM)。 H0:一塊 8Kx16 位的單周期訪問 RAM(SARAM)。 M0 和 M:兩塊 lx16 位的單周期訪問 RAM(SARAM)。 引導 (BOOT)ROM: 帶有軟件啟動模式 。 數(shù)學運算表； 外部存儲器擴展接口 (F2812): 最多 IMB 的尋址空間 。 南昌航空大學學士學位論文 14 可編程等待周期 。 可編程讀 /寫選擇時序 。 3 個獨立的片選信號。 時鐘和系統(tǒng)控制 : 支持動態(tài)改變鎖相環(huán)的倍頻系數(shù) 。 片上振蕩器 。 看門狗定時模塊； 三個外部中斷； 外設(shè)中斷擴展模塊 (PIE)支持 45 個外設(shè)中斷； 三個 32 位 CPU 定時器； 128 位保護密碼 : 保護 Flash/OTP/ROM 和 L0/LISARAM 中的代碼 。 防止系統(tǒng)固件被盜?。? 電機控制外設(shè)，兩個與 F240xA 兼容的事件管理器模塊，每一個管理器模塊包括 : 兩個 16 位的通用目的定時器 。 8 通道 16 位的 PWM。 不對稱、對稱或四個空間矢量 PWM 波形發(fā)生器 。 死區(qū)產(chǎn)生和配置單元 。 外部可屏蔽功率或驅(qū)動保護中斷 。 三個完全比較單元 。 三個捕捉單元，捕捉外部事件 。 正交脈沖編碼電路 。 同步模數(shù)轉(zhuǎn)換單元； 串口通信外設(shè) : 串行外設(shè)接口 (SPI)。 兩個 UART 接口模塊 (SCI)。 增強的 接口模塊 。 多通道緩沖串口 (MeBSp)。 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 : 2x8 通道復用輸入接口 。 兩個采樣保持電路 。 南昌航空大學學士學位論文 15 單 /連續(xù)通道轉(zhuǎn)換 。 流水線最快轉(zhuǎn)換周期為 60ns，單通道最快轉(zhuǎn)換周期為 200ns。 可以使用兩個事件管理器順序觸發(fā) 8 對模數(shù)轉(zhuǎn)換 。 高達 56 個可配置通用目的 I/O 引腳 。 先進的仿真調(diào)試功能 : 分析和斷點功能 。 硬件支持適時仿真功能。 低功耗模式和省電模式 : 支持 IDLE， STANDBY， HALT 模式 。 禁止外設(shè)獨立時鐘。 176 引腳 LQFP 封裝 。 ADS7805 芯片 隨著計算機應用的普及 ,A/D 轉(zhuǎn)換成為微機控制中一個不可缺少的重要環(huán)節(jié)。在某些應用場合 ,使用者對采樣精度的要求很高 ,12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器已不能滿足要求。 16位 A/D 轉(zhuǎn)換器應用得最多的是串行輸出 A/D 轉(zhuǎn)換器 ,但串 行輸出 A/D 轉(zhuǎn)換器與并行總線接口麻煩 ,讀數(shù)慢 ,在一些對采樣頻率要求很高的場合不適用。相比之下 ,并行輸出的 A/D 芯片則更有優(yōu)勢。美國 ADI 公司出品的 16 位 A/D 芯片 ADS7805 可適用于這樣的應用場合 ,它具有如下突出特點： (1)自帶采樣 /保持器 ,方便對交流信號的采樣。 (2)連續(xù)兩次采樣之間只需間隔 10μ s,最高采樣頻率可達 100kHz。 (3)轉(zhuǎn)換結(jié)果全 16 位并行輸出 ,具有三態(tài)緩沖功能 ,與 16 位數(shù)據(jù)總線接口方便。同時 ,可由 BYTE 信號線動態(tài)控制輸出數(shù)據(jù)高低八位的位置 (如圖 ),這樣與 8 位數(shù)據(jù)總線接口時 ,可分兩次讀出 16 位數(shù)據(jù) ,極大方便了使用者。 (4)提供177。 10V 的輸入范圍 ,與工業(yè)標準兼容。 (5)單 +5V 電源供電 ,可方便地用于單片機、微機系統(tǒng) ,而不需另加電源。 南昌航空大學學士學位論文 16 圖 BYTE 信號線動態(tài)控制輸出數(shù)據(jù) ADS7805 芯片共有 28 個管腳，其引腳圖如圖 所示。 圖 芯片管腳圖 （ 1 號腳）：模擬信號輸入端，輸入電壓范圍為 AGND1（ 2 號腳）：模擬地 REF（ 3 號腳）：參考輸入 /輸出腳，通常接 鉭電容至地 CAP（ 4 號腳）：參考電容引腳，接 鉭電容至地 AGND2（ 5 號腳）：模擬地 D15D8（ 613 號腳）：輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的一個字節(jié)，當 BYTE=0，輸出結(jié)果的高字節(jié)，當 BYTE=1，輸出結(jié)果的低字節(jié) DGND（ 14 號腳）：數(shù)字地 D7D0（ 1522 號腳）：輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的一個字節(jié)，當 BYTE=1，輸出結(jié)果的高字節(jié)，南昌航空