（精密仪器及机械专业论文）基于DSP的数据采集处理及显示系统.pdf

摘要 摘要 仪器的多功能、小型化、便携式发展方向，对数据采集显示技术提出了要求， 而目前市场上的数据采集显示部分大都基于p c ，不利于野外操作。d s p 技术具有 多功能集成、运算速度快、精度高、内存大、体积小等特点，因此可用于仪器中， 对数据进行采集和处理。 在本系统设计中，基于d s p 搭建了硬件系统，并以振弦式传感器的探测信号 为输入对象，对该系统的软硬件进行了测试。所完成的工作有：a d 转换、过采 样、滤波处理、f f t 变换、q u i n n 和r i f e j a n e 算法、液晶显示图形、频谱和测量的 结果。测试结果证明采用该系统对频率测量的精度可以达到千分之一，测量的相 对误差不大于1 。 在基于d s p 的信号处理中，创造性地将基于f f t 变换的q u i n n 和r i f e j a n e 数值 算法结合起来用于频率的估算，利用它们各自优点，分别采用q u i n n 法来判断插 值方向，r i f e j a n e 法计算插值大小，实现了高精度的频率估算。 此外，本论文中又对无刷直流电机的大电流驱动电路进行了设计、搭建和调 试。 关键词：d s p ，数据采集，f f t 变换，q u i n n 和r i f e j a n e 数值算法，频率计算。 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i f u n c t i o n , s m a l la n dp o r t a b l ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f t h ei n s t r u m c n t r e q u i r e st h a tt h ed a t aa c q u i s i t i o na n dd i s p l a yt e c h n o l o g yh a v eb e t t e rp e r f o r m a n c ei n t h ea c r eo fi n s t r u m e n t s of a r ，m o s to ft h ed a t aa c q u i s i t i o na n dd i s p l a yi nt h em a r k e t a r eb a s e do nt h ep c ， i td o s en o tc o n v e n i e n c et of i e l do p e r a t i o n s d s pt e c h n o l o g y ， w i mc h a r a c t e r i s t i c so f m u l t i - f u n c t i o n a li n t e g r a t i o n ，h i g hc o m p u t es p e e da n d p r e c i s i o n ，l a r g em e m o r y ， s m a l ls i z ea n ds oo n ，c a ns o l v et h i sp r o b l e m i nt h i ss y s t e m ，f i r s t ，ah a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nd s pi sc o n s t r u c t e d t h e n ， t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e ma r et e s t e db yi n p u t t i n gt h es i g n a lo ft h e v i b r a t i n gw i r es e n s o r m a i nf i n i s h e dw o r ki n c l u d e ： a dc o n v e r s i o n ， o v e r - s a m p l i n g ，f i l t e r i n g ， f f tt r a n s f o r m ， q u i n na n d 融f e j a n ea l g o r i t h m ， g r a p h i c 、f r e q u e n c ys p e c t r u ma n dt h er e s u l to fm e a s u r i n gd i s p l a y e do nl c d t h e t e s t r c s u l t sp r o v et h a tb yu s i n gt h es y s t e mt h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a n a c h i e v et h o u s a n d t ha n dt h er e l a t i v ee r r o ro fm e a s u r e m e n tw i t h i n1 t h i sp a p e rc r e a t i v e l yc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fq u i n na n dr i f e - j a n ea l g o r i t h m b a s e do nf f tt oe s t i m a t ef r e q u e n c y t a k i n gt h ea d v a n t a g e so f b o t hm e t h o d s ，t h e p a p e rc o m p u t e sf r e q u e n c yw i t hq u i n nm e t h o dt od e t e r m i n et h ed i r e c t i o no f t h e i n t e r p o l a t i o na n dw i t hr i f e j a n em e t h o dt oc a l c u l a t et h ev a l u eo fi n t e r p o l a t i o n a sa r e s u l t ，h i g h - p r e c i s i o nm e a s u r e m e n tv a l u ei so b t a i n e d i na d d i t i o n ，i nt h i sp a p e rad r i v ec i r c u i tf o rh i g h c u r r e n tb r u s h l e s sd cm o t o ri s d e s i g n e d ， b u i l ta n dt e s t e d k e yw o r d ：d s p ，d a t aa c q u i s i t i o n ， f f tt r a n s f o r m ， q u i n na n dr i f e j a n e a l g o r i t h m ，f r e q u e n c ye s t i m a t i o n i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名： 签字日期：2 咝乏竺 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 导师虢盔驽 签字日期： 第一章引言 第一章引言 1 1 课题研究的背景和意义 随着科技的发展，各个领域都对仪器提出了要求，不仅能高速采集信息，体 积小，重量轻，便于携带，而且还要有良好的入机界面以及具有对信号的实时观 察、分析等功能。 d s p 作为运算、控制处理器以其高速、高精度性能广泛应用于数据采集系统、 图像处理等控制领域。d s p 系统主要特点如下： ( 1 ) 接口方便。d s p 系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是 相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口 要容易得多； ( 2 ) 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中 灵活方便地对软件进行修改和升级； ( 3 ) 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响 较小，可靠性高； ( 4 ) 精度高。1 6 位数字系统可以达到1 0 。的精度： ( 5 ) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系 统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； ( 6 ) 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 在数据显示方面，点阵式液晶显示模块是一种较低价位、具有较高显示功能 的显示器件。其显著特点是性能稳定、工作电压低、功耗低、信息丰富、体积小、 质量小、寿命长、无辐射能进行简单的图形显示等优点，适合应用于不需要太复 杂的图形显示功能的便携式智能仪器仪表、电子设备、移动通讯及家用电器等领 域，成为测量结果和人机对话的重要工具。 将d s p 技术和液晶技术用于数据采集与处理显示可以简化仪表电路，提高仪 表可靠性，降低仪表成本，加快新产品的开发速度。解决许多传统仪表不能或不 易解决的问题，如携带方便，存储空间大，野外操作等。 第一章引言 1 2 数据采集处理与显示的发展现状 以前控制器一般采用单片机，而单片机已从4 位、8 位、1 6 位在向3 2 位发展， 对大多数场合来说已经能满足要求了，因为单片机也有很多优点，如价格比较低 廉、结构简单、接口扩展能力强等。但有个很明显的缺点就是数学运算能力差， 它可以应用在一些对采样信号数学处理较为简单的领域，而一些要求对信号的数 学处理比较复杂的领域来说，单片机就显得力不从心了，譬如对信号进行f f t 运 算、滤波处理、图形显示等。另外人们还采用p l c ( 可编程逻辑控制器， p r o g r a m m a b l elo g i cc o n t r o l l e r ) 采集和处理数据，但p l c 也有其缺点：工作速度 较慢，输出对输入的响应有滞后现象；价格比较高；p l c 的软、硬件结构是封闭 的，如专用总线，专用通讯网络协议，i o 模板互相不通用等，这对维修、更换 备件、技术改造等都带来不便，影响了p l c 的发展。 对于采集数据和实时显示，目前比较通用的是在p c 或工控机内安装数据采 集板卡，如a d 卡及4 2 2 、4 8 5 卡。这些数据采集设备存在以下缺陷：安装麻烦； 价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差；在一些电磁 干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。而且由 于计算机体积大，消耗功率大，携带不方便，在没有电的野外等条件下没有办法 使用。 由于一般的数据采集与处理系统存在以上诸多的问题，因此采用d s p 作为运 算和控制器，并采用液晶显示模块对采集结果进行显示、频谱分析是数据采集系 统发展的一个趋势。 世界上第一个单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。这两 种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的upd 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。 在这之后，最成功的d s p 芯片当数美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ， 简称t i ) 的一系列产品。t i 公司在1 9 8 2 年成功推出其第一代d s p 芯片 t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品t m s 3 2 0 1 l 、t m s 3 2 0 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之后相继 推出了第二代d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 、t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ，第四代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x ，第六代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x 等。t i 将常用的d s p 芯 片归纳为三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) 、 t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) 、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列 ( t m s 3 2 0 c 6 2 c 6 7 x ) 。如今，t i 公司的一系y l j b s p 产品已经成为当今世界上最 有影响的d s p 芯片。t i 公司也成为世界上最大的d s p 芯片供应商，其d s p 市场 第一章引言 份额占全世界份额近5 0 。 从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 所需时间已经从2 0 世纪8 0 年代初的4 0 0 n s ( 如t m s 3 2 0 1 0 ) 降低到i o n s 以下( 如t m s 3 2 0 c 5 4 x 、 t m s 3 2 0 c 6 2 x 6 7 x 等) ，处理能力提高了几十倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部 件从1 9 8 0 年的占模片区( d i ea r e a ) 的4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 数量增 加一个数量级以上。从制造工艺来看，1 9 8 0 年采用4um 的n 沟道m o s ( n m o s ) 工艺，而现在则普遍采用亚微米( m i c r o n ) c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从 1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在的2 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活 性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。此外，d s p 芯片的发展使 d s p 系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。d s p 芯片的高速发展， 一方面得益于集成电路技术的发展，另一方面也得益于巨大的市场。目前，d s p 芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高。d s p 芯片在信号处理如数字滤波、 自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波 形产生等，通信如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、 多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等，语音如语音编码、语音合 成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等， 图形图像如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人 视觉等众多领域显示应用价值。 本文采用的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片是t i 公司生产的t m s 3 2 0 c 2 0 0 x 平台下的一 种定点d s p 芯片，其主要特点如下： 1 采用高性能的静态c m o s 技术，3 3 v 供电电压，减小了控制系统的功耗； 3 0 m i p s 的执行速度，即指令执行周期缩短为3 3 n s ，具有较强的实时性能。 2 片内由高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，1 5 k 字的数据程序r a m ，5 4 4 字的双口d a r a m ，2 k 字的单口s a r a m 3 两个事件管理模块，e v a 和e v b ，每个时间管理器包括两个1 6 位的通用 计时器，6 个1 6 位的可编程脉宽调制通道。 4 可扩展的外部存储器共1 9 2 k 字，其中：6 4 k 字的程序存储空间，6 4 k 字 的数据存储空间，6 4 k 字的i o 寻址空间。 5 1 0 位的a d 转换器，最小转换时间5 0 0 n s ，可选择有两个事件管理器来触 发两个8 通道的a ，d 排序器或一个级连的1 6 通道排序器。 6 1 6 位串行外设( s p i ) 模块。 7 串行通信接口模块( s c l ) 。 8 p p l 锁相环发生器。 9 共有4 0 个可单独编程的或复用的通用i o 引脚。 第一章引言 1 0 6 个外部中断源。 1 1 八级硬件堆栈。 1 2 j t a g 扫描仿真接口。 由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 具有以上特点能够满足本系统的要求，所以选用2 4 0 7 作 为本系统的核心处理器件。 1 3 本论文的研究内容 采用d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 采集、处理数据，并以此为核心进行了以下 工作： 1 硬件系统搭建； 2 数据采集的实现； 3 对数据进行处理( 如滤波，m 变换，频率计算等) ； 4 将测量结果以数据和图形的形式在l c d 上显示； 5 以振弦式传感器输出信号为测试对象对软硬件系统进行了验证。 6 无刷直流电机驱动电路设计。 本文共分为六个部分：第一章引言，介绍课题研究的背景、目的、意义和 发展现状等；第二章数据采集及显示系统硬件设计；第三章数据处理算法的实现； 第四章软件设计；第五章应用实例；第六章无刷直流电机驱动电路设计；第七章 总结。 4 第二章数据采集及显示系统硬件设计 第二章数据采集及显示系统硬件设计 2 1 数据采集系统总体方案设计 l c d l 2 8 6 4 t p s 7 3 3 q 电源调理卜 o 斗 电压转换转r 1 换6 4 2 4 5 卜 液晶显示 _ 勺 处 理 器 l 外部2 0 m h z 晶 一 暮 g令外部r a m l o o p 叼 ia d 调理h 被测信号 | j t a g 接口i 厶 o q 2 1 数据采集及显示系统整体设计 数据采集及显示系统的整体设计方案如图2 1 所示。待测量信号经过a d 调理 系统转化为适合d s p 系统的电压范围以后，经过a d 转换器转化成为数字信号存 入d s p ，d s p 将采集到的数字信号按照一定的算法进行处理，最后送入液晶屏显 示。 本系统分为硬件设计和软件设计两大块。硬件设计主要包括，电源模块，仿 真接口模块，存储器模块，液晶显示模块，以及a d 采样调理模块等。以下具体 介绍各个子模块的设计及功能，以及设计时应注意的一些问题。 2 2 硬件电路设计 2 2 1 供电电路 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的工作电压是3 3 v ，而目前许多常用外围器件的主要工作 电源通常是5 v ，因此以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心所构成的应用系统必然是一个混 合电压系统。在系统上电过程中，如果电源电压还没有稳定，这时d s p 进入工作 第二章数据采集及显示系统硬件设计 状态可能造成不可预知的后果，甚至引起硬件损坏，解决问题的方法是d s p 在上 电过程中处于复位状态。在系统中加入上电复位电路可以保证上电可靠。l f 2 4 0 7 有专门的复位输入引脚( r e s e t ) 为处理器提供了硬件复位的方法，它是一种不 可屏蔽的外部中断，可在任何时候对l f 2 4 0 7 进行复位。 t i 公司的t p s 7 3 3 3 是一种高性能电源转换稳压芯片用于将5 v 转成3 3 v ，适合 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的电源需要。同时t p s 7 3 3 3 具有上电复位和监控功能，上电后 在输出电压达到正常输出电压的的9 5 ，t p s 7 3 3 3 的r e s e t 弓l 脚就保持2 0 0 m s 的低 电平信号。在系统正常运行中，如果电源电压v c c 一旦降到该门限值以下，同样 也会产生一个2 0 0 m s 的低电平脉冲信号。 图2 2 供电电路 图2 2 中f u s e 为自恢复保险丝，7 3 3 3 提供的上电复位信号r sd s p 接至u d s p 的复位引脚上。1 0 u f 和0 1 u f 的电容用于稳压。 2 2 2 时钟振荡电路 d s p 2 4 0 7 的时钟频率决定c p u 运行时序和速度，是一个重要性能指标。有源 晶振不需要芯片的内部振荡器，可以提供高精度的频率基准，信号质量也较无源 晶振要好。为此采用了2 0 m h z 的有源晶振，与x t a l l 和x t a l 2 构成具有感抗特 性的晶体振荡器，二倍频后为系统提供4 0 m h z 时钟频率的内部时钟。如果外部 晶振大小改变，滤波器p l l f 和p l l f 2 之间电阻电容的参数也要匹配。时钟震 荡电路如图2 3 所示。在连接滤波器引脚时应注意以下几个方面： 使用短引线连接引脚到低通滤波器，使导线、芯片和旁路电容形成的环路面 积最小，因为面积越大，电磁干扰越大：同时避免附近具有噪声的导线连接到时 钟模块的引脚上。 6 第二章数据采集及显示系统硬件设计 鼙 jj 磊 譬 图2 3 时钟振荡电路 2 2 3 外扩程序和数据r a m 荔象翁磊 椭们 2 4 0 7 本身有3 2 k 的f l a s h 程序存储器、2 k 的s a r a m ( 可用作数据或程序存 储器) 、5 4 4 字节的d a r a m ( 分为b 0 、b 1 、b 2 三块) 。可以通过p s 、d s 和r d w e 线进行程序和数据存储器的扩展，读写信号f l 习d s p 产生。 地址空间的分配如下： 程序： 0 x 0 0 0 0 0 x 7 f f f 片上f l a s h 空间 0 x 8 0 0 0 0 x 8 7 f f 映射2 k 的s a r a m 0 x 8 8 0 0 0 x f d f f 外部程序存储器 0 x f e 0 0 0 x f e f f 保留( c n f = 1 ) ，外部( c n f = o ) 0 x f f 0 0 0 x f f f f 映射b 0 ( c n f = 1 ) ，夕 、部( c n f = 0 ) 数据： 0 x 0 0 0 0 0 x 0 0 5 f 存储器映射寄存器和保留 0 x 0 0 6 0 0 x 0 0 7 fb 2 0 x 0 0 8 0 0 x 0 0 f f 非法 0 x 0 1 0 0 0 x 0 1 f f 保留 0 x 0 2 0 0 0 x 0 2 f fb 0 0 x 0 3 0 0 0 x 0 3 f fb1 0 x 0 4 0 0 0 x 0 4 f f 保留 7 蝥11厶 第二章数据采集及显示系统硬件设计 0 x 0 5 0 0 0 x 0 7 f f 非法 0 x 0 8 0 0 0 x 0 f f f2 k 的s a r a m 0 x 1 0 0 0 0 x 6 f f f 非法 0 x 7 0 0 0 0 x 7 4 3 f 外设帧1 和2 0 x 7 4 4 0 0 x 7 4 f f 非法 0 x 7 5 0 0 0 x 7 5 3 f 外设帧3 0 x 7 5 4 0 0 x 7 7 e f 非法 0 x 7 7 f 0 0 x 7 7 f 3 代码安全密码 0 x 7 7 f 4 0 x 7 7 f f 保留 0 x 7 8 0 0 o x 7 f f f 非法 0 x 8 0 0 0 0 x f f f f 外部 基于以上空间分配可知：0 x 8 8 0 0 0 x f d f f ( 0 x f f f f ) 为外部程序存储器空间 地址，0 x 8 0 0 0 0 x f f f f 为外部数据存储器空间地址。当用p s 和d s 做为外扩r a m 的选通信号时，具体是访问程序空间还是数据空间，是i 妇d s p 产生相应的p s 、 d s 信号来区分的。 d s p 是由m p m c 引脚来决定是访问内部程序存储器还是外部程序存储器， m p m c = i 访问外部程序存储器空间，m p m c = 0 访问内部程序存储器空间。因为， 外扩的程序存储器是r a m ( 易失性的) ，所以只能用于仿真，如果用户要脱机运 行，则应把程序烧写到片上f l a s h 空间0 x 0 0 0 0 0 x 7 f f f 。如果用户的程序大于 3 2 k ，内部f l a s h 空间是不够用的，则应扩展外部f l a s h 或者其他非易失性的存 储器。 本系统的程序在3 2 k 以内，用系统自带的f l a s h 可以满足要求，但是r a m 空 间比较小，需要扩展。选用的r a m 型号为c y 7 c 1 0 2 1 ，6 4 k 1 6 b i t 大小。在此 通过与门电路实现逻辑将其共用为程序r a m 和数据r a m 。采用图2 4 电路，该 r a m 的低3 2 k 被定义为数据空间，地址为o x o 0 0 0 0 x 7 f f f ：高3 2 k 被定义为程 序空间，地址为o x 8 0 0 0 一o x f f f f 。 8 第二章数据采集及显示系统硬件设计 熙4a 1 5 i d i $ 型一一1 2 a 1 i 的l _ i a l 32 0 ：a “1 3 菇；a 1 22 1 j匝a12删iol；aii2 4 al!iol；a102 5 a l l i o l j 要= 荽 幻站 一 a 92 l 拶 _as2 ， 1 0 9 j 罂鬈羚s 苎：兰 a 7 107a6 4 3 a 6 l l 0 6 j i a 54 4 竹a 5蒿 v， j a 4 匹li j a a 3 l1 0 1 0 ； j a 匝0 5 m a 0 蒿( er a m6 a o 写擘e 霉硬 v 删c c = 堕二e 箍 vcckd4 1 - 二亘二器拦 n c 矿旦l 谆盛器 2 2 4j t a g 接口电路 箜 l ；： u 1 0 a 图2 4 外扩程序和数据r a m c er a m j t a g 接口提供对d s p 的内部f l a s h 的烧写和仿真通讯。具有j t a g1 2 1 的芯 片有如下j t a g 弓i 脚定义： t c k 一测试时钟输入； t d i 一测试数据输入，数据通过t d i 输入j t a g i ； t d o 测试数据输出，数据通过t d o 从j t a g 口输出； t m s 测试模式选择，t m s 用来设置j t a g 口处于某种特定的测试模式。 可选引脚t r s k 测试复位，输入引脚，低电平有效。j t a g 接口电路如图2 5 所示。 9 一一一一一一一一一一一一一一一 第二章数据采集及显示系统硬件设计 。5 v 一 聊 ii ：7 | l ig j 姿c 3 0 上c 2 5t 1 r 1 3 它0；一l o _ 埘# 扩：，。d 硬 一 “：= 二；1 囝m g i 毒r 4 i v c c 缸， 丁l r 1 0ll 图2 5j t a g 接口电路 2 2 5 液晶显示接口电路 液晶显示模块采用m g l s l 2 8 6 4 液晶显示器。此显示器由控制器t 6 9 6 3 c ，行 驱动器t 6 a 4 0 、列驱动器t 6 a 3 9 及1 2 8 x 6 4 全点阵液晶显示器组成。主要技术参数 和性能是：模块内自带1 0 v 负压，用于l c d 的驱动电压：电压v d d + 5 v ；显示 内容1 2 8 x 6 4 点；全屏幕点阵；1 3 k 0 7 指令：与c p u 接1 2 1 采用8 位总线并行输入输出； 占空比1 6 4 ；工作温度：1 0 + 5 5 度，存储温度2 0 + 7 0 度。 图2 6 液晶显示器控制 1 驱动控制器t 6 9 6 3 c 的特点有： ( 1 ) t 6 9 6 3 c 点阵式液晶图形显示控制器能直接与8 0 系n 8 位微处理器接口； ( 2 ) t 6 9 6 3 c 的字符字体由硬件设置，其字体有5 x 8 、6 x 8 、7 x 8 、8 x 8 等4 种； ( 3 ) 占空比可从1 1 6 n 1 1 2 8 ： ( 4 ) 可对8l ( b 的显示r a m 内存操作，图形和文本可同时进行显示，可选择 o r 、a n d 、e x o r 等方式，以及文本方式下的特征显示，还可实现图形拷贝操 作； 由一 t n - f 。 雕耋= 第二章数据采集及显示系统硬件设计 ( 5 ) 具有c g r o m ，共有1 2 8 个字符，可管理6 4 姬显示缓冲区及字符发生器 c g r a m ，并允许m p u 随时访问显示缓冲区等。 2 、t 6 9 6 3 c 的主要引脚功能如下： d 0 d 7 ：t 6 9 6 3 c 与c p u 接口的数据总线； r d 、w r ：读、写选通信号，低电平有效，均为输入信号； c e ：t 6 9 6 3 c 的片选信号，低电平有效； c d ：通道选择， 1 为指令，o 为数据通道； r e s e t ： 复位信号，可将行、列计算器和显示寄存器清零，以关闭显示； h a l t ：具有r e s e t 的基本功能，还可中止内部时钟振荡器的工作。 3 、内藏t 6 9 6 3 c 控制器的液晶显示器外特性 内藏t 6 9 6 3 c 的液晶显示器已经实现 t 6 9 6 3 c 与行、列驱动器及显示缓冲 区r a m 的接口，同时也已用硬件设置了液晶屏的结构( 单双屏) ，数据传输 方式，显示窗口长度、宽度等。外形尺寸：7 8 * 7 0 * 1 2 m m ( 长宽厚) ，定位尺寸： 6 8 0 掌6 5 m m ，视域尺寸：6 2 0 * 4 4 0m m ，点距离：0 6 * 0 4 4 m m ，点大小： 0 5 4 * 0 3 8 m m ，控制器：t 6 9 6 3 c 。 d s p 数据接口与l c d 数据接口之间使用三态总线收发器7 4 l v c l 6 4 2 4 5 进 行总线电平转换；管脚d i r 置“1 ”时，3 3 v 电平的数据a 经电平转换后，变成了 5 v 电平的数据b ，与l c d 控制器准备接收的数据相匹配。读信号和写信号与d s p 直接相连，始终处于可读写状态。c d 采用i o p e 5 口控制。当 p e d a t d i r = p e d a t d i r l0 x 2 0 2 0 时，写代码；当p e d a t d i 肛p e d a t d i rlo x 2 0 0 0 ； p e d a t d i i p p e d a t d i r & 0 x f f d f 时，写数据；片选c s 通过d s p 的a 1 5 与俗信号 组合逻辑控制。通过调节可调电阻r 2 来调节液晶显示器的对比度。1 2 v 由外部 提供。为了提高l c d 的抗干扰能力，设计l c d 模块的接口时，在v s s 并i v d d 之 间接0 1 u f 和l o u f 的电容提高电源输入的稳定性；另外工作电源与背光电源分开 布线，因为l c d 模块的工作电流很小，为几毫安，但其背光部分所需要的电流 远大于其工作电流。 第二章数据采集及显示系统硬件设计 图2 7 液晶显示接口电路 2 2 6a d 调理电路 d s p 内置1 6 通道l o 位a d c ，在本实验中用到通道0 。d s p 能接受的a d 信号在 0 - 3 3 v 。在实验中，没有单独采用基准电源，直接使用的系统的3 3 v 。 l q 徊l 镦西l 图2 8a d 调理电路 在此引出的两路a d 信号电压范围可以在0 - - 5 v ，进行了电阻分压使之不超 过3 3 v 。在输入d s p 之前，采用了电压跟随器。 2 3 本章小结 本章主要介绍了数据采集处理及显示系统的总体方案和各个组成部分的设 计，并完成了硬件搭建，为后面编程和测试提供了平台。 1 2 第三章数据处理算法的实现 第三章数据处理算法 由于通常时域信号较为复杂，缺乏直观性，将时域信号转换到频率域分析， 具有直观、简洁，可快速获取信号参数等优点，而快速傅立叶变换是将信号从时 域变换到频域的一种重要手段。 多数d s p 芯片都能在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法，而且提供专 门的f f t 指令( 如实现f f t 所必须的比特反转等) ，使得f f t 算法在d s p 芯片上实现 的速度更快。 3 1f f t 算法原理 f f t 是离散傅立叶变换( d f t ) 的一种快速算法，其本质在于把长序列的d f t 运算适当的分解为短序列的d f t 计算，以大大减少计算量，缩短运算时间。 如果将n 点输入序列x ( n ) ，按照偶数和奇数分为偶序列和奇序列，则可以 将n 点f f t 改写为 = x ( 2 r ) w ：成+ 噼x ( 2 ，+ 1 ) 啄膻 ( 3 - 1 ) r 霉or = o 2 开 其中k ：o ，l 一1 ，= o ，l n 1 2 1 ，孵= p 吖万嫱在复数乘法中起一个旋转 的作用，称为旋转因子( j 为虚数单位) 。根据周期性蝶呔= 喋：和对称性 嘭士譬= 一吩，对于尼= o ，1 n 2 1 ，上式可写为 等- l譬一 x ( 毙) = x ( 2 r ) w 茹k + 蝶x ( 2 r + 1 ) w f f = 墨( 是) + 孵t ( 七) r = o 2 r = o 2 笪一l笪一】 x ( 七+ 婺) ：窆x ( 2 r 孵一嗡芝x 似+ l 孵：墨( 七) 一蝶x ：( 岔) ( 3 2 ) 厶 r = o 2 r t o 2 由此看出一个n 点的d f t 运算可以分解为2 n 2 点的d f t 运算。其实质可以 归结为从2 个复数a ，b 求得复数a + b 噼和a b 噼。 在f f t 运算中输入的实际上是原始数据的反序，即以比特反转，因为当f f t 批 “打 略d +r1 、lx 一脚 + 睹 略 r2x 胁脚 = 后x 第三章数据处理算法的实现 运算在d s p 上实现时，要考虑软硬件的结合，输入的次序是一个重要的问题。对 于输入序列长度n = 2 m 时，输入次序有m 1 次变化，第一次按将从0 至i j n 1 的n 个序 号按照奇数、偶数分成两组；第二次是将这两组分别按照0 到n 2 1 序号的偶数奇 数再分成两组，不断的进行，直到第m 1 次将分别按照0 ，1 ，2 ，3 次序的偶数、 奇数再分成两组。如将0 至l j n 1 这n 个数改用二进制表示为以一以_ 2 d , d o ，第一次 变更次序后为吒一：丸- 3 d , d o d _ l ，其序号正好是将原来的二进制数的最高位移到 最末位之后。 时间抽取型f f t 算法的第一部分是数据按二进制反序重排，因为反序的反序 就是自己本身了。对于用二进制表示的数以一。以一：盔磊，称d o d , 吒一：死q 为其 反序，也就是平常说的比特反转。 3 2 滤波方法选择 a d 转换时可能引入多种噪声干扰，如热噪声、电源电压变化、参考电压变 化、采样时钟抖动引起的相位噪声以及由量化误差引起的量化噪声。在这里采用 了基于过采样技术的算术平均滤波法以滤除噪声。 方法如下：连续取n 个采样值进行算术平均运算。n 值较大时：信号平滑度 较高，但灵敏度较低；n 值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高，因此n 的 取值要折中考虑。该法优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这 样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。该法缺点： 对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费r a m 。 过采样是指对信号采样k 次，得到一组样本，然后对这k 个样本累计求和并对 这些样本求均值，从而得到一个采样结果。通过过采样，可以增加信噪比，信噪 比表达式如下： s n r j 。 d b 】1 0 l o g l o ( 后) ( 3 - 3 ) 实验中一次a d 采样转换周期约1 5 3us ，n 取3 ，过采样处理后的周期t 为 4 5 9 u s 。 3 3 频率算法 在所有的物理量中，由于时间的基准精度很高，所以时间和频率的测量具有 最高的精度和稳定度，通常在测试计量技术中，尽可能的把不同的量值转换成频 率或时间量进行测量。 利用电子计数法进行测量的方法有直接频率测量、等精度频率测量等，其中 1 4 第三章数据处理算法的实现 直接频率测量的测量速度快、精度较高，而且可适合不同频率的测量，但是在相 同闸门时间直接频率测量的相对误差大。等精度频率测量的方法可以克服这个问 题，它可以使频率测量在整个频段内测量的相对误差相同，即测量的误差只与闸 门时间及标准频率有关，但其本质上并没有提高测量的精度。基于离散傅立叶变 换的频率估计方法，由于充分利用d s p 快速计算的优势，降低了运算量，可以提 高测量精度，弥补等精度频率测量中的不足。 在基于f f t 的频率测量中存在的问题有：由于f f t 得到的是离散频谱，若信 号观测时间为t ，则谱线间隔为a f = 1 t ，因此，直接利用f f t 频谱最大值对 应的频率估计正弦信号的频率精度受观测时间长度的限制，其误差范围为 + a f 2 。增加观测时间，不但因f f t 点数太多带来实现上的困难，而且在条件 受限场合不可能随意增加观测时间。 为了突破频率估计精度受到f f t 频率分辨率的限制，有采用频率细化的方 法，但增加了计算量。还有利用三个系数实部构造插值多项式的测频方法，该法 计算量较少，但其在信号真实频谱峰值和离散频谱峰值相差较大时测频性能下 降。这是由于当信号频率不是f f t 的频率分辨率厂的整数倍时，f f t 的“栅栏” 效应引起频谱泄漏，此时信号的实际频率位于f f t 主瓣内两条最大谱线之间， 为此有采用借助第二谱线与最大谱线的幅度比值估计信号的实际频率在两条谱 线之间的位置，这就是基于f f t 幅度比值的频率插值方法即黜f e j a n e 法。 为了抑制旁瓣，通常在f f t 之前对采样数据进行加窗处理，加窗使主瓣变 宽，主瓣之内出现三条以上谱线，能量重心法就是利用了主瓣内的多条谱线来提 高频率估计精度。 不加窗情况下，当信号实际频率接近f f t 最大谱线对应的频率时，由于确 定第二大谱线容易发生错误从而造成频率插值方向错误， 因此限制了利用f f t 幅度比值进行频率插值的精度。由于f f t 幅度最大处的相位与信号的实际频率 和f f t 幅度最大谱线对应的频率之间的偏差有关，并且通常信号的初相未知， 因此不能直接利用f f t 幅度最大谱线的相位估计频率。利用q u i n n 频率算法及 f f t 主瓣内第二大值与最大值之比的实部代替幅值之比，可以消除插值方向的 错误造成的频率估计误差。 综上所述，在基于f f t 的各种频率计算中，q u i n n 频率算法可以判断插值方 向，r i f e j a n e 法可以精确定位频率值，为了提供频率测量精度和稳定性，本文提 出将两种方法接合使用。以下为这两种方法的介绍。 3 3 1q u i n n 频率算法 q u i n n 法利用f f t 主瓣内次大谱线与最大谱线f f t 系数复数值之比的实部 进行频率插值。 第三章数据处理算法的实现 q u i n n 法测量频率原理如下：设输入的原始信号为 爿l = u + p c o s ( w t + 矿) + q ，f = 0 ，l ，t 一1 ( 3 4 ) 其中甜为直流分量，夕幅值，痧初始相位，q 随机噪声，w 为被测信号圆 频率，t 为总采样点数。 其f o u r i e r 变换为 5 = r 4 + t p e x p ( i ) e