基于TMS320F2812便携式动态信号分析仪设计

　　1 引言

　　动态信号分析是将时域信号转化为频域进行处理，一般要求使用时窗技术，如快速傅氏变换（FFT）、离散傅氏变换（DFT）等。如果采样点为N，直接DFT运算需要N2次乘法操作，需用大量运算时间。而FFT运算可将运算减少到（N/2）log2N次乘法，因此，FFT成为动态信号分析的算法。

　　基于数字信号处理的动态信号分析系统应用广泛且具有重要作用。这里利用TI公司高性价比的数字信号处理TMS320F2812设计了一种便携式态信号分析仪，该系统信号分析仪可采集动态信号，并处理数据的频域，可直接在LCD上显示信号各分量频率值、功率值、失真度等。通过实验测试，该动态信号分析仪简便直观，只要接收到信号源，即可观察信号的多种指标参数。

　　2 动态信号分析原理

　　动态信号分析仪是应用于声音分析，机械振动分析和控制系统分析等领域的常用电子仪器。动态信号分析方法有时域分析法、频域分析法等。其中频域法适合动态信号分析FFT算法。本系统采用FFT算法。N点的DFT先分解为2个N/2点的DFT，每个N／2点的DFT又分解为N／4点的DFT。变换的点数即所谓FFT的“基数”。在基数为2的N点FFT中，设N=2，则总共可分成M级运算，每级中有（N／2）log2N个蝶算，则N点FFT总共有（N／2）log2N个蝶算，1个蝶算只需一个复数乘法对N点FFT需计算（N/2）log2N个复数乘法、（N／2）log2N个复数加法。一般来说，FFT比DFT运算量要小得多，N点的FFT需做（N／2）log2N次乘法运算，而N点DFT需要做／N2次乘法运算，由此看来N点DFT运算量大约是FFT的2N/log2N倍，分析动态信号频率成份，首先以采样频率fs采样N点（N=2M），经快速傅立叶变换得到其频谱。

　　由谱分辨率F=fs／N，如果保持采样点数N不变，提高其分辨率（F减小），必须降低采样频率，采样频率的降低会引起谱分析范围的减少。如果保持fs不变，为提高频率分辨率，可增加采样点数N，因为NT=Tp,T=fs-1，只有增加对信号的观察时间Tp，才能增加N。Tp和N可以按照的条件选择。

　　3 系统硬件电路设计

　　便携式动态信号分析仪的硬件结构图如图1所示。被检测输入信号经以运算放大器LM358为的调理电路后送至TMS320F2812 DSP内部自带的12位A／D转换器采样后，其数字输出信号送至DSP内核处理单元进行FFT处理。经过DSP运算处理后，实现各分量频率值和功率值的计算，信号失真度的计算和周期信号的检测，其分析结果由屏幕式LCD显示。键盘采用键盘查询方式中断处理，实现各种工作模式和显示界面的切换。

　　3.1 调理电路

　　在设计调理电路时，由于要将被采样信号的电压幅度调理到A／D转换器所能接收的范围内并滤除高频噪声信号，因此采用级联方式。其中级选择高集成运算放大器LM358组成电压跟随器，具有隔离作用；而第二级放大电路实现信号的比例放大和低通滤波，如图2所示。图2中运算放大器LM358构成反向比例放大电路，Ui是经级电压跟随器隔离后的电压信号，R1、R3构成反向比例电路，将输入信号按比例缩小4.7倍，C3、R3构成RC低通滤波网络，其电路截止频率f=1/2πR3C3=1/2π×1 kΩ×0.01 μF=15 923 Hz，符合设计要求（其信号频率范围0～10 000 Hz）。引脚7和引脚4分别接一只0.1μF的瓷片电容，用于滤除高频。为了减少失调电流，引脚3接R2（其阻值约为R1和R3的并联电阻）；输出信号U0送至第三级加法电路。第三级加法电路可将信号升高0 V以上，满足A／D转换需求（该系统采用TMS320F2812内部自带A／D转换器）。调理完成后送至DSP进行数字信号处理。

　　3.2 系统控制单元

　　系统控制单元采用32位定点数字信号处理器TMS320F2812。TMS32OF2812是TI公司推出的一款32位定点高速DSP芯片，采用8级指令流水线，单周期32 x 32位MAC功能，速度每秒钟可执行1.50亿条指令（150MIPS），保证了控制和信号处理的快速性和实时性。另外IMS32OF2812片上还集成了丰富的外部资源，包括16路12位ADC,16路PWM输出、3个32位通用定时器、128k的16位Flash存贮器、18kRAM存贮器，外围中断扩展模块（PIE）可支持45个外围中断，并具有McBSP, SPI, SCI和扩展的CAN总线等接口。TMS32OF2812还支持1M的外部存贮器扩展。

　　TMS32OF2812支持C/C+十编程语言，其C语言优化器的C编译效率可达0%，还有虚拟浮点数学函数库提供支持，可以大大缩短数学运算与控制程序的开发周期。TMS32OF2812非常适用于电机控制、电源设计、智能传感器设计等应用领域川。在对 大 型 工程机械进行状态监测与故障诊断时首先要对各传感器的信号进行采集。CAN（co ntorlera eranetwork）总线具有可靠性强、链路简单、支持优先级处理等优点[21，因此我们选择了基于CAN总线的主/从分布式的测量方式，并开发了基于TMS32OF2812的智能CAN节点，它具有10路模拟量输人，4路数字量输人，不仅可以根据中心处理主机的命令进行数据采集，还可以实现闹值报警、数字滤波、m 变换等功能，可以大大减轻中心处理主机的运算负荷。

　　TMS32OF2812采用高性能的静态CMOS技术，主频达150 MHz，使得指令周期缩短6.67 ns，从而提高控制器的实时控制能力。片内存储器资源包括：片内128 K×16位的Flash，128 K×16位ROM，18 K×16位的SARAM，1 Kxl6位可编程的存储器OTP。片上Flash／ROM具有可编程加密特性，便于现场软件升级。TMS320F2812带有128位保护密码，防止非法用户通过JTAG仿真接口查看Flash/OTP/L0/L1的内容，访问外设和装载某些不合法的软件，保证相关数据的安全性。A/D转换器有16个通道，可配置成2个独立的8通道模块，便于服务事件管理器A和事件管理器B。这2个独立的8通道模块可级联成一个16通道的模块。A／D转换器虽具有丰富的输入通道和2个排序器，但只有1个转换器。自动排序允许对同一通道多次转换，允许用户使用过采样算法，相对传统单次采样转换，这将提高结果的。

　　为了获得规定的A／D转换器，须采用正确的线路板布局。为了获得效果，引脚ADCINxx要尽量远离数字信号线，可地消除数字电路中开关噪声与A／D转换器输入之间的耦合；同时，A／D模块的电源引脚与数字电源之间需采用适当隔离。

　　3.3 显示模块LCD

　　CMl2864-10是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及格128x64全点阵液晶显示器组成，可实现显示图形以及8×4个汉字（16×16点阵）。LCD与DSP的接口电路如图3所示，由于TMS320F2812DSP是低功耗设计，所有的数字输入都与TTL兼容，所有输出都是3.3 V CMOS电平，不能接收5 V输入，而显示模块LCD接口为5 V的输入输出，所以在实际应用时还需电平转换器SN74ALVCl64245。

　　4 系统软件设计

　　系统软件包括主程序，捕获中断服务子程序，T1的周期中断服务子程序、A/D转换中断服务程序，FFT运算子程序和LCD显示子程序。主程序主要完成系统初始化，包括CPU、PIE寄存器、PIE中断向量表、LCD液晶屏，A/D转换器初始化等，以及查询工作模式设定。根据不同的工作模式进入相应的服务子程序，其主程序流程如图4所示。

　　设置两个断点，当程序执行到断点时，观察接收数据和显示图像。运行到个断点处，A/D采样完成，此时可设置图像观察A/D采样的结果；运行到第二个断点处，FFT变换完成，可设置图像观察FFT变换后没有取模时的结果；继续运行程序，停止运行后，程序会停在循环语句处，同样可设置图像观察取模后的结果，即显示mod数组，图5从上至下分别为1 024点的Ad_datal数组，ipcb数组，mod数组的图像显示，其中，横坐标是采样点数。纵坐标是信号幅度。

　　5 结论

　　本文针对频谱分析设计了基于TMS320F2812 DSP动态信号分析仪。在分析频谱前需估计信号频率范围估计，然后调整采样速率保证1 024点能够采样一个以上的周期。同时还要满足香农采样定理。该系统采用TMS320F2812DSP控制，外围电路少，系统稳定，功能强，操作方便，低成本。具有广泛使用价值。