数字信号处理课程设计-基于-DSP的频谱分析系统设计

河南理工大学《数字信号处理》课程设计报告题目：基于DSP的频谱分析系统设计学院：电气学院班别：姓名：学号：指导老师：2013年目录1摘要 32概述……………….42．1频谱分析仪开展概述42．2频谱分析仪工作原理………………..42．2．1模拟式频谱分析仪…………..42．2．2数字式频谱分析仪…………..43总体设计 63.0系统结构流程图： 63.1双CPU方案 73.2主从设备接口 83.3软件设计思路 ..94各功能模块设计 104.1硬件设计 104TMS320C5402结构功能： 104电源产生电路设计 104复位电路设计 114Ｄ／Ａ转换设计： 124.1.5电平转换电路的设计： 124时钟电路设计： 134接口电路设计: 164系统电路 174.2频谱分析系统的软件设计： 184软件设计思路： 174采样： 184算法过程： 184FFT频谱分析系统原理图： 19系统程序运行流程图…………..……205实验结果……………………….216总结 25参考文献 261摘要频谱分析是受到广泛应用的一种测试手段。信号采集与处理技术和计算机技术的不断开展，促进了频谱分析仪的普及，它已成为从事电子产品研发、生产、检验的一种常用仪器。目前频谱分析仪正在向高分辨率、大动态范围、高灵敏度、数字显示、以及数字存储和高可靠性的方向开展。本文对频谱分析仪的总体设计方案、硬件电路、软件程序、性能测试等几个方面进行了详细讨论，说明了基于数字式快速傅里叶变换的频谱分析仪的实现原理。对硬件电路的设计，介绍了所采用的主要芯片的特性与使用方法；对软件程序的设计，详细说明了实数FFT算法的程序实现。本文设计了一种基于DSP的频谱分析系统，该系统以TI公司的DSP芯片TMS320VC5402作为数据处理核心，以AT89S52为事务处理核心，组成了具有数据采集、实时数据处理和频谱显示功能的硬件平台，在此根底上应用FFT技术，形成数字化的频谱分析系统。实验结果说明：该系统能对频率在0～32kHz范围内的信号较好地完成频谱分析。关键词：TMS320VC5402AT89S52频谱分析快速傅里叶变换AbstractRealisthespectrumoftheestimatedsignalpowerspectrumiswidelyusedinradar,sonar,communications,geologicalexploration,astronomy,biomedicalengineeringandotherfields.BeforetheadventofDSPchipsinthespectrumanalysismethodistorelyonimplementationofanalogfiltering,digitalsignalprocessingtechnologyforthespectrumanalysisprovidesanewsolution.ThispaperpresentsaDSP-basedspectrumanalysissystem,thesystemtoTI'sDSPchipTMS320VC5402asadataprocessingcoretoAT89S52fortransactionprocessingcore,formedwiththedataacquisition,real-timedataprocessingandspectraldisplayofthehardwareplatform,Onthisbasis,theapplicationofFFTtechniques,theformationofthedigitalspectrumanalysissystem.Theresultsshowthat:thesystemcaninthefrequencyrangeof0~32kHzsignalspectrumanalysisdonebetter.

Keywords:TMS320VC5402AT89S52FFTspectrumanalysis

2概述近年来，通信技术的开展日新月异，频谱分析是通信技术开展中受到广泛应用的一种测试手段。本章是对频谱分析仪的工作原理、开展状况等进行了总结，并给出了本文中所设计的频谱分析仪的实现方案和软件流程，并对每章的内容安排作了说明。2．1频谱分析仪开展概述频谱分析仪被誉为射频领域的示波器，是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具。频谱分析仪从工作原理上可分为模拟式与数字式两大类。模拟式频谱仪是以模拟滤波器为根底的，也被称为传统频谱分析仪：数字式频谱仪是以数字滤波器或快速傅里叶变换为根底的，也被称为现代频谱分析仪。随着信号处理技术和计算机技术的不断开展，促进了频谱分析仪的快速开展。目前频谱分析仪正在向高分辨率、大动态范围、高灵敏度、数字显示、乃至数字存储和高可靠性的方向开展。国外频谱分析仪技术的开展迅速，高性能的频谱分析仪被不断地推出，并且以频谱分析仪为根底，不断扩展其功能。2009年9月16日，全球领先的测试、测量和监测仪器提供商一泰克公司宣布，新增了RSA6120A频谱分析仪，将RSA6000系列业内领先的强大功能扩展到20GHz，使设计人员能够在整个Ku2．2频谱分析仪工作原理2．2．1模拟式频谱分析仪基于DSP的频谱分析及显示系统设计根据滤波器的实现形式，模拟式频谱分析仪采用的滤波方式有以下几种t并行滤波法：输入信号经放大后送入一组带通滤波器(BPF)，这些滤波器的中心频率是固定的，并按分辨率的要求依次增大，在这些滤波器的输出端分别接有检波器和相应的检测指示仪器。这种方法的优点是各频率分量被实时地同时检测出来，缺点是结构复杂、本钱高。顺序滤波法：原理与并行滤波法相同，通过各路滤波器后电子开关轮流共用检波、放大及显示器，但这样就不能做实时分析。可调滤波法：采用中心频率可调的滤波器，电路得到大大了简化。然而可调滤波器的通带难以做得很窄，其可调范围也难以做得很宽，而且在调谐范围内难以保持恒定不变的滤波特性，因此只适用于窄带频谱分析。扫频外差法是最成功的一种方法。以上三种方法都是通过改变滤波器来得到频谱，而扫频外差法那么是将频谱逐个移进中心频率不变的滤波器。窄带滤波器的中心频率是不变的，被测信号与扫频的本机振荡器混频，将被测信号各频谱分量逐个地移进窄带带通滤波器，然后与扫描锯齿波信号同步地加在示波管上显示出来。2．2．2数字式频谱分析仪实现数字式频谱分析仪主要有两种方法，一种方法是模仿模拟式频谱分析的数字滤波法；另一种方法是快速傅立叶分析法。其中数字滤波法是仿照模拟频谱分析仪，用数字滤波器代替模拟滤波器。在图中，为了数字化，在滤波器的前面参加了取样保持电路和模／数转换器(ADC)；数字滤波器的中心频率可以由控制／时基电路进行调整改变。图2．2.2数字滤波式频谱分析仪的原理数字滤波的主要功能是对数字信号进行过滤处理。由于输入／输出都是数字序列，所以数字滤波实际上是一个对数字序列进行运算50n-r_的过程。与模滤波器相比它具有滤波特性好、可靠性高、体积小、重量轻、便于大规模生产等优点。快速傅里叶分析法是一种软件计算法。当知道被测信号火力的取样值五，那么可以用计算机按快速傅里叶变换的计算方法求出．，力的频谱。现已有专门的FFT计算器，将它与数据采集和显示电路相配合，就可以组成频谱分析仪。在图．3中，低通滤波器、取样电路、A／D转换器和存储器等组成数据采集系统，它将被测信号转换成数字量，送入FFT计算器中按快速傅里叶变换计算方法，计算出被测信号的频谱，并显示在显示器上。图2.2·3快速傅里叶变换频谱分析仪的原理通常采用DSP来完成FFT的频谱分析功能，在速度上明显超过传统的模拟式频谱分析仪，能够进行实时频谱分析。这里实时频谱分析可以对信号进行实时测试，可以在时域、频域、调制域和码域等多域内，同时对信号的指标进行全景式的观察、监测和分析。3总体设计设计了一种基于DSP的频谱分析系统，该系统以TI公司的DSP芯片TMS320VC5402作为数据处理核心，以AT89S52为事务处理核心，组成了具有数据采集、实时数据处理和频谱显示功能的硬件平台，在此根底上应用FFT技术，形成数字化的频谱分析系统。3.0系统结构流程图：采用TI公司的DSP芯片TMS320VC5402，还有电源芯片TPS76D318，AD转换TLV1544和DA转换TL7528，电平转换芯片74LVCl6245A等构成的频谱分析系统的硬件结构。结构图如下图：图系统结构图3.1双CPU方案本系统是基于TI公司16位定点数字信号处理芯片TMS320VC5402的频谱分析系统，其硬件系统结构图如下图，它包含DSP和单片机两个子系统，右侧实框为DSP子系统，用来做数据处理，左侧实框为单片机子系统，用来做事务处理。采取这种双CPU方案原因有二：一、TMS320VC5402是具有特殊结构的微处理器，具有一系列和数字信号处理相适应的特点，比方：具有数据总线和程序总线别离的改良型哈佛结构；采用6重流水线结构，可并行处理多条指令；并具有单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集等等；如此这些特点都说明TMS320VC5402具有高速的数据运算能力，是运算密集型的器件；二、单片机强调控制和事务处理功能，是事务密集型的器件。我们正是利用这两种芯片的不同特点。使其扬长避短，各司其职，高效地完成频谱分析的任务。TMS320VC5402子系统作为从设备，完成采样、计算等功能；单片机子系统作为主设备，完成控制和显示。单片机选择的是MCS-51系列的AT89C51。图双CPU结构图3.2主从设备接口主从设备之间要以一定的方式接口，来进行数据通信。本系统采用的是DSP芯片中为了满足DSP与其它的微处理器接口而专门设计的HPI接口(HOSTPORTINTERFACE，主机接口TMS320VC5402的HPI是一个8位(HD0～HD7)的连接DSP与主机设备或主处理器的并行接口，信息在TMS320VC5402与主机间通过TMS320VC5402的片内存储器进行交换，整个片内RAM都可以作为HPI的存储器。HPIA地址存放器只能由主机直接访问，存放当前寻址的存储器的地址；HPlD数据锁存器只能由主机直接访问，存放当前要写入或读出的数据；HPIC控制存放器可以被主机和C5402共同访问。HPI本身的硬件中断逻辑可以完成主从设备之间的握手，主机通过置HPIC中的特定位产生DSP中断，同样DSP通过HINT引脚对主机产生中断HRDY引脚用于自动调节主机访问HPI的速度，使慢速外部主机与DSP能很好地匹配。由于DSP和单片机之间的电平不匹配，故需要进行接口电路的电平转换，如果引脚数量少，可以直接用三极管电阻来转换，本系统中由于涉及到的引脚较多，所以选用PHILIP公司出品的74LVCl6245A芯片来进行电f转换。74LVCl6245A是一个T作电压在2．7伏到3．6伏的双向收发器，可以用做两个八位的或是一个十六位的收发器，它可以接收高达5．5V的高电平，而输出的高电平可以到达3．3V左右，正适合TMS320VC5402与3．3V左右，正适合TMS320VC5402与AT89C51之间的电平转换。本系统TMS320VC5402与AT89C51之间通过74LV1．3A／D转换因为TMS320VC5402内部没有集成A／D，因此在数据采集时需要使用A／D转换芯片。为了充分利用C5402所提供的多通道缓冲串13资源，简化系统设计，本系统使用了，I'I公司的高速串行模数转换芯片TLC320AD50C，该芯片是一种Σ一△型、具有许多优良特性的模拟接口电路芯片，该芯片广泛适用于各种电路，尤其是应用在DSP领域中。TLC320AD50C与TMS320VC5402是以串行外嗣设备接口SPI(serialperipheralinterface)B11同步串行接口方式连接的。TLC320AD50CT作在主机模式(M／S=0，提供SCLK(数据移位时钟)和rs(帧同步脉冲)。TMS320VC5402工作于SPI方式的从机模式。通过存放器设置，将TMS320C5402的FSX、FSR、CLKR、CLKX配置为外部输人，TLC320AD50C的SCLK配置为内部产生。这样数据接收，发送帧同步信号、移位时钟信号均由TLC320AD50C产生。串行口的接收，发送过程受TLC320AD50C的控制。TLC320AD50C芯片的采样频率可以通过串口编程来得到，采样率fs=MCLK／(128*N)或MCLK／(512+N)淇中N为控制存放器4巾的4-6位所没，MCLK为输入主时钟)，这就使得采样频率方便可调。在电源方面TLC320AD50C可以Cl6245A可以根据DSP的电源特性选择3．3V或5V的数字电压，以实现管脚的直接连接。本系统中，TLC320AD50C与TMS320VC5402的McBSP多通道缓冲串口相连，连接图如图3.2所示。图3.2串口接线图3.3软件设计思路软件设计局部主要包含系统初始化，ＡＤ采集，ＦＦＴ变换，FFT信号分析，ＤＡ转换，结构显示和上传。系统上电，进入main〔〕函数后首先进行系统的初始化，包括系统时钟初始化，外设中断向量表初始化等等。4各功能模块设计4.1硬件设计4.1.1TMS320C5402结构功能：TMS320C5402是TI公司推出的新一代16位定点DSP产品,它采用修正的哈佛结构,片内集成8条总线(1条程序存储器总线、3条数据存储器总线和4条地址总线)、在片存储器和在片复用设。速度由30～532MIPS不等.TMS320C5402主要特点:·1个40位的算术逻辑单元,2个40位的累加器,2个40位的专用加法器,1个17×17的并行乘法器,1个40位的桶形移位器。8个辅助存放器和1个软件栈。·内部集成Viterbi加速器,用于提高Viterbi编译码的速度。·可工作在三种低功耗方式(IDLE1、I2DLE2、IDLE3)。1192KWORD寻址空间(64KW程序空间、64KW数据空间、64KWI/O空间),某些型号的程序空间可扩展到8MWORD。·片内存储区可灵活配置为程序/数据存储器。·多种复用外设;McBSP、HPI、GPIOTDM、DMA、Timer、PLL。·双电源供电,提供PGE和BGA两种形式的封装。TMS320VC5402,最高频率100MHz,性价比高。它含4K×16bit片内ROM、16K×16bit片内DARAM、6个DMA通道、2个McBSP、2个Timer,外部程序空间可扩展到1M×16bit。对于片外数据空间一般建议选用高速SRAM,尽量减少DSP的等待周期。用户程序一般在上电时从外部ROM加载到片内RAM区运行。程序存储器FlashRom:256K×16；一片数据存储器SRAM:64K×16一片；可编程逻辑器件CPLD:一片。4电源产生电路设计由于TMS320VC5402核电压为1.8V，端口电压为3.3V，外围器件为5V，其它器件的提供电压在3.3V.TI公司的电源TPS76D318是一个双输出电压为别离电源，可以由5V产生3.3V和1.8V的电压输出，最大输出电流为1A，可以满足要求。该器件具有快速瞬态响应和超低85uA典型静态电流，热关断保护的每一个调节，有个28引脚。电路连接图4如下。图4电源芯片电路4复位电路设计系统上电时可自动复位，但是为了防止系统受到外界干扰或电源波动时出现死机现象，还专门加了外部RESET，主要使用了两个施密特触发器74ＬＳ１４。电路连接图如下。图复位电路4Ｄ／Ａ转换设计：因为C5402内部没有A／D转换功能，因此在数据采集时需要使用A／D转换芯片。为了充分利用C5402所提供的多通缓冲串口资源，我们采用TI公司生产的CMOS型10b模数芯片TLV1544。其内部采用开关电容逐次近似来得到模数转换结果。芯片有4路模拟信号输入通道,通过芯片内部参数设置选择不同通道输入,进行A/D转换输出。TMS320VC5402是TI公司生产的具有很高性价比的定点DSP。他有2个多通道缓冲串口(McBSP),设计中使用McBSP0完成配置TLV1544以及接收转换好的数字信号。接口原理图如下图。图TLV155接口原理图TLV1544的INVCLK,CSTART接高电平,输入/输出时钟不翻转且采样/转换考试控制功能不使用。TMS320VC5402的XF引脚提供TLV1544的片选信号。TLV1544的EOC触发DSP的外部0中断,转换结束通过中断接收转换好的数据。TLV1544与TMS320VC5402通过串行口连接,此时,A／D转换芯片作为从设备,DSP提供帧同步和输入/输出时钟信号。4.1.5电平转换电路的设计：主机接口(HPI)是TMS320C5402定部具有的一种接口部件，主要用于DSP芯片与其它总线或CPU进行通信。HPI接口通过控制存放器(HPIC)、地址存放器(HPIA)、数据所存器(HPI内存块实现与主机通信。其主要特点有：接口所需外围硬件芯片很少；HPI单元允许芯片直接利用一个或两个数据选通信号、一个独立或复用的数据总线接到为控制单元MCU上；主机和DSP芯片可独立地对HPI接口操作；主机和DSP芯片握手可通过终端方式来完成。主机还可以通过HPI接口装载DSP应用程序、接受DSP运行结果或诊断DSP运行状态。HPI为DSP芯片的接口开发提供了一种极为方便的途径。DSP芯片中的HPl分为HPI一8和HPI一16针对具有8位和16位数据线的单片机。每一种又分为标准型和增强型。其区别在于标准型只可以访问固定的地址空间，而增强型可以访问整个DSP的片内存储器。由于TMS320VC540和AT89S52单片机之间的电平不匹配，故需要进行接口电路的电平转换，如果引脚数量少，可以直接用三极管电阻来转换，本系统中由于涉及到的引脚较多，所以选用PHILIP公司出品的74LVCl6245A芯片来进行电平转换。74LVCl6245A是一个工作电压在2.7伏到3．6伏的双向收发器，可以用做两个八位的或是一个十六位的收发器，它可以接收高达5．5V的高电平，而输出的高电平可以到达3．3V左右，正适合TMS320VC540与AT89S52之间的电平转换。电路接线如下图。图74LVCl6245A与AT89S52的接口电路4.1.6时钟电路设计：时钟是一个系统的核心，时钟信号的好坏直接决定了系统的稳定性，TMS320VC5402提供了内部和外部两种方式的时钟发生模式。芯片的主频为80MHz，如果直接用外频输入，使得外部频率高，电路复杂，实现较困难。使用内部PLL，外部时钟频率只需要10～20MHz，设计电路简单。TMS320VC5402时钟引脚为X1和X2／CLKIN，图3-9为DSP系统的时钟电路图，是无源晶振连接方式。对于晶振频率大小的选定，DSP没有特别的要求。因为DSP内部设计有锁相环(PLL)电路，使用外部连接时钟时，外部时钟源频率可以选择得比拟低以降低噪声。对没有使用PLL的情况，CPU时钟频率是晶振频率或外部时钟频率的一半。在通常的操作中，时钟模式不能由时钟模式引脚重新配置。在IDLE3模式中，CLKOUT设置为高电平以后，时钟模式可以重新配置。每个器件的时钟模式要么是选择1模式，要么是选择2模式。DSP有一组引脚CLKMDl-q2LKMD3，可以用来调整DSP工作频率的上下，用软件设置PLL系数，即可获得所需频率。时钟模式设置如下表所示。本文DSP系统采用软件可编程PLL，特点是有高度的灵活性，它包括一个用来提供各种时钟乘数因子的时钟标定器、直接开放和禁止PLL的功能和一个PLL锁存定时器，该锁存定时器可以延迟器件PLL时钟模式的切换，直到锁存操作完成为止。带有内部的软件可编程PLL的器件可以设置为以下两种时钟模式：①PLL(倍频)模式：输入时钟(CI．K矾)乘以31个可能的因子中的一个因子，这些因子的取值范围是0．25～15，它们可以通过PLL电路获得。②DIV(分频器)模式：输入时钟(CLKIN)除以2或4。当使用DIV模式时，所有的模拟局部，包括PLL电路，都被禁止以使功耗降到最低。复位操作之后，时钟模式即由CI，KⅧ1~CLKMD3引脚的值来确定。这三个引脚所对应的模式由下表给出：复位时设置的时钟方式时钟电路如下列图，采用16MHz无源晶振：图DSP时钟电路原理图JTAG接口电路设计:JTAG是基于IEEE1149.1标准的一种边界扫描测试方式。TI公司为其大多数的DSPs产品都提供了JTAG端口支持,5402也不例外。结合配套的仿真软件,可访问DSPs的所有资源,包括片内存放器及所有的存储器,从而提供了一个实时的硬件仿真与调试环境,便于开发人员进行系统软件调试。除上述电路接口外,要使系统板正常地工作,还必须配置跳线和接插座等局部。其中:电源模块接出一个插座,以便于外部电压输入;音频编解码局部需安装话筒和扬声器;USB芯片要连接到USB接口插件,以实现与主机的交互。实用起见,所有这些插件均设置在电路板边界局部。最后,对于系统中一些难以事先决定的设置引脚附近,放置上位/下拉电阻,为以后的电路更改或扩展提供方便.通过JTAG接口，可以对C5402芯片内部的所有结构进行访问，电路接线如下图。图JTAG接口电路4系统电路频谱分析系统电路接线如下图。图系统电路Pcb图4.2频谱分析系统的软件设计：4软件设计思路：软件设计局部主要包含系统初始化，ＡＤ采集，ＦＦＴ变换，FFT信号分析，ＤＡ转换，结构显示和上传。系统上电，进入main〔〕函数后首先进行系统的初始化，包括系统时钟初始化，外设中断向量表初始化等等。4AD采样：开始时，ＣＳ为高电平〔芯片处于非激活状态〕，ＤＡＴＡＮ和Ｉ／ＯＣＬＫ无效，ＤＡＴＡＯＵＴ处于高阻态。当串行口使ＣＳ变低〔激活〕，芯片开始工作，Ｉ／ＯＣＬＫ和ＤＡＴＡＮ能使ＤＡＴＡＯＵＴ不再处于高阻态。ＤＳＰ通过Ｉ／ＯＣＬＫ引脚提供输入／输出时钟序列，当由ＤＳＰ提供的帧同步脉冲到来后，芯片从ＤＡＴＡＮ接收４ｂ通道选择地址，同时从ＤＡＴＡＯＵＴ送出的前一次转换的结果，由ＤＳＰ串行接收。Ｉ／ＯＣＬＫ接收ＤＳＰ送出的输入序列长为１０到１６个时钟周期。前４个有效时钟周期，将从ＤＡＴＡＮ输入的４ｂ输入数据存放器，选择所需要的模拟通道。接下来的６个时钟周期提供模拟输入采样的控制时间。模拟输入的采样在前１０个Ｉ／Ｏ时钟序列后停止。第１０个时钟沿〔确切的Ｉ／Ｏ时钟边缘，即上升沿或下降沿，取决于操作的模式选择〕将ＥＯＣ变低，转换开始。TLV1544的最高采样率可以到达３ＭＨｚ．由于采集的数据要进行存储要花费一定ＣＰＵ时间，所以采样率一般要控制在１Ｍ左右，采样点数为５１２点，采样时间为５１２／１Ｍ＝５１２ｎｓ，ＦＦＴ变换大概需要２１ｎｓ的时间，比样本积累时间小的多，非常接近实时性，对信号要求不能大于３２０ＫＨｚ对频率低的信号可以由软件控制，降低采样率，保证５１２点采样一个周期．4FFT算法过程：FFT算法很多，但在定点ＤＳＰ上实现需要考虑具体的一些问题．首先要确定采样点数，ＦＦＴ的点数与频谱分辨率有直接关系，采样率为ｆｓ的Ｎ点ＦＦＴ频率分辨间隔为２ｆｓ／Ｎ，频谱宽度从０到ｆｓ／２．频率分辨间隔越小，频率分辨率越高，对于周期信号，如果Ｎ点恰好包含一个或整数个周期，那么信号频谱上将在对应频点上出现尖峰，否那么谱上没有正好与信号频率对应的频点，此频点能量将分散到相邻的频点上，实际的信号包含多种频率成分，样点不可能正好是这些分量周期的整数倍，在Ｎ较小时，两个频率相近的分量可能在频谱上无法分辨，而提高分辨率，增大Ｎ值，将使ＦＦＴ运算量增加，综合考虑实时性和分辨率，选取了Ｎ等于５１２点．当Ｎ值确定后，提高采样率将缩短采样时间，降低频率分辨率，得不到低频分量的信息，因此需要根据信号的频率范围调整采样时间，可以在ＡＤ采样程序中设置采样率在测试间采样率定为１ｋ．4FFT频谱分析系统原理图：图FFT频谱分析系统原理图4系统程序运行流程图：图系统程序运行流程图在现场环境中，通过仿真器与设备PCB板相连接，在CCS环境