【正文】 ................................. 39 參考文獻(xiàn) .................................................. 40 附錄 ...................................................... 41 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 論文背景 隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展 ,基于數(shù)字信號(hào)處理的頻譜分析已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域并且發(fā)揮著重要作用。 所以這個(gè)時(shí)候一個(gè)簡(jiǎn)單的頻譜分析儀就顯得很是簡(jiǎn)單實(shí)用，可以很直觀地觀察信號(hào)頻譜以及對(duì)信 號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)的觀測(cè)。 在本論文中，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。 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。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。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。 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。 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。本課題采用了 TI公司 DSP作為核心處理器件?；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。 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。 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。 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。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。 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。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)。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。 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)。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。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。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。 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。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。 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)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。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。 當(dāng)然，數(shù)字信號(hào)處理也存在一定的缺點(diǎn)。 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。 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。以 TMS320系列為例介紹 DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)。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。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。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。而馮取指令和取數(shù)據(jù)都訪問同一存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)吞吐率低。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?gòu)拇鎯?chǔ)器中讀取指令，節(jié)約了 1個(gè)指令周期的時(shí)間。 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。 TMS320系列處理器的流水線深度從 2～ 6級(jí)不等。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。而第 N2個(gè)指令則正在執(zhí)行。 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。乘 法速度越快， DSP處理器的性能就越高。相比而言， DSP芯片的特征就是有一個(gè)專用的硬件乘法器。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)。在典型的通用微處理器中，每個(gè)抽頭需要 3040個(gè)指令周期，而 TMS32021只需 4條指令。 特殊的 DSP 指令 DSP芯片的另一個(gè)特征是采用特殊的指令。在數(shù)字信號(hào)處理中，延遲操作非常重要，這個(gè)延遲就是由DMOV來實(shí)現(xiàn)。 LTD和 MPY指令可以將 FIR濾波器抽頭計(jì)算從 4條降為 2條。 TMS320系列處理器的指令周期已經(jīng)從第一代的 200ns降低至現(xiàn)在的 20ns以下。 TMS320C2021 概述 TMS320C2021系列 DSP是 TI公司繼第 _二代定點(diǎn) DSP處理器 TMS320C2x和第三代定點(diǎn) DSPTMS320C5x之后出現(xiàn)的一種低價(jià)格、高性能的定點(diǎn) DSP芯片。該產(chǎn)品的主要特點(diǎn)包括一下幾個(gè)方面。 兼容性： TMS320C2021系列所有 DSP芯片的源代碼完全兼容，同時(shí) TMS320C2021系列產(chǎn)品與 1MS320C5x系產(chǎn)品向上兼容，即 C5x是 C2021的超集，因此為 TMS320C2021編寫的代碼升級(jí)后可在 TMS320C5x上運(yùn)行。 LF240x片內(nèi)有高達(dá) 32K字的 Flash程序存儲(chǔ)器。 片內(nèi)資源配置： TMS320C2021系列 DSP芯片資源配置比較靈活。區(qū)別僅在于各自的片內(nèi)存儲(chǔ)器配置和片內(nèi)外設(shè)。 應(yīng)用： TMS320C2021系列 DSP的體系結(jié)構(gòu)專為實(shí)時(shí)控制及實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，所配置的片內(nèi)外設(shè)為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案。 DSP 芯片的選擇 設(shè)計(jì) DSP應(yīng)用系統(tǒng)，選擇 DSP芯片是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)?？偟膩碚f， DSP芯片的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際 的應(yīng)用系統(tǒng)需要而確定。 : 運(yùn)算速度是 DSP芯片的一個(gè)最重要的性能指標(biāo)，也是選擇 DSP芯片時(shí)所需要考慮的一個(gè)主要因素?！? (1)指令周期：印執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間，通常以 ns(納秒 )為單位。大部分 DSP芯片可在一個(gè)指令周期內(nèi)完 成一次乘法和加法操作，如 TMS320VC5402100的 MAC時(shí)問就是 10ns。由于 FFT運(yùn)算涉及的運(yùn)算在數(shù)字信號(hào)處理中很有代表性，因此 FFT運(yùn)算時(shí)間常作為衡量 DSP芯片運(yùn)算能力的一個(gè)指標(biāo)。如 TMS320VC5402100的處理能力為 100MIPS，即每秒可執(zhí)行 l億條指令。如 TMS320VC40的運(yùn)算能力為 275MOPS。如 TMS320C31在主頻為 40MHz時(shí)的處理能力為 40 MFLOPS。如 TMS320C80的處理能力為 2 BOPS。如果采用價(jià)格昂貴的 DSP芯片，即使性能再高，其應(yīng)用范圍也會(huì)受到一定的限制，尤其是民用產(chǎn)品。當(dāng)然，由于 DSP芯片發(fā)展迅速， DSP芯片的價(jià)格往往下降較快，因此在開發(fā)階段選用某種價(jià)格稍貴的 DSP芯片，等到系統(tǒng)開發(fā) 完畢，其價(jià)格可能經(jīng)下降一半甚至更多。即使是同一系列的 DSP芯片 (如11的 TMS320C54x系列 )，系列中不同 DSP芯片也具有不同的內(nèi)部硬件資源，可以適應(yīng)不同的需要。浮點(diǎn)芯片的字長(zhǎng)一般為 32位，累加器為 40位 。如果沒有開發(fā)工具的支持，想要開發(fā)一個(gè)復(fù)雜的 DSP系統(tǒng)幾乎是不可能的。所以，在選擇 DSP芯片的同時(shí)必須注意其開發(fā)工具的支持情況，包括軟件和硬件的開發(fā)工具。如便攜式的 DSP設(shè)備、手持設(shè)備、野外應(yīng)用的 DSP設(shè)備等都對(duì)功耗有特殊的要求。 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 2． 5 小結(jié) 本章主要介紹了 DSP 原理，介紹的內(nèi)容包括 DSP 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì) TMS3202021 系列作了引入性介紹，為下面介紹 F2812 的資源及實(shí)際應(yīng)用做準(zhǔn)備。該芯片兼容 TMS320F2407 指令系統(tǒng)，最高可在 150MHz 主頻下工作，并帶有 18K*16 位 0 等待周期片上 ARAM 和 128K*16 位片上 FLASH（存取時(shí)間 36ns） TMS320F2812 采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有密碼保護(hù)機(jī)制，可進(jìn)行雙 16*16 位乘加和 32*32 位乘加操作，因而可兼顧控制和快速運(yùn)算的雙重功能。另外，該器件還有 3 獨(dú)立的 32 位 CPU定時(shí)器，以及多達(dá) 56個(gè)獨(dú)立編程的 GPIO 引腳，可外擴(kuò)大于 1M*16 位程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 （ 2） JTAG 邊界掃描（ Boundary Scan）支持 （ 3） 高性能的 32位中央處理器 哈佛總線結(jié)構(gòu)（ Harvard Bus Architecture）； 16位 *16 位和 32位 *32 位乘且累加操作； 強(qiáng)大的操作能力； 迅速的中斷響應(yīng)和處理； 統(tǒng)一的寄存器編程模式； 可達(dá) 4兆字的數(shù)據(jù)地址； 可達(dá) 4兆字的線性程序地址； 代碼高效（用 C/C++或匯編語言）； 與 TMS320F24X/LF240x 處理器的源代碼兼容； （ 4） 片內(nèi)寄存器 8K*16 位的 Flash 存儲(chǔ)器； 1K*16 位的 OTP 型只讀存儲(chǔ)器； L0和 L1：兩塊 4K*16 位的單口隨即存儲(chǔ)器（ SARAM）； 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 H0：一塊 8K*16 位的單口隨機(jī)存儲(chǔ)器； M0和 M1：兩塊 1K*16 位的單口隨機(jī)存儲(chǔ)器。 （ 6） 外部寄存器接口 有多達(dá) 1MB 的存儲(chǔ)器可編程等待狀態(tài)數(shù)； 可編程讀 /寫選通計(jì)數(shù)器（ Strobe Timing）； 三個(gè)獨(dú)立的片選端。 （ 8） 三個(gè)外部中斷 （ 9） 外部中斷擴(kuò)展（ PIE）模塊 可支持 96 個(gè)外部中斷； 當(dāng)前僅使用了 45個(gè)外部中斷。 （ 11） 3個(gè) 32位的 CPU 定時(shí)器 （ 12） 電動(dòng)機(jī)控制外圍設(shè)備 兩個(gè)事件管理器（ EVA、 EVB）； 與 F240 兼容的器件。 （ 14） 12位 ADC， 16 通道 2*8 通道的輸入多路選擇器； 兩個(gè)采樣保持器； 單個(gè)的轉(zhuǎn)換時(shí)間： 200ns； 單路轉(zhuǎn)換時(shí) 間： 60ns。 （ 17） 開發(fā)