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基于DSP的多通道信号采集分析系统的研究与应用.pdf

基于DSP的多通道信号采集分析系统的研究与应用

xl46512 2012-05-08 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于DSP的多通道信号采集分析系统的研究与应用pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含武汉理工大学硕士学位论文基于DSP的多通道信号采集分析系统的研究与应用姓名:向文溢申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:沈维聪摘要DSP数符等。

武汉理工大学硕士学位论文基于DSP的多通道信号采集分析系统的研究与应用姓名:向文溢申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:沈维聪摘要DSP数字信号处理(DigitalSignalProcessing简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。世纪年代以来随着计算机和信息技术的飞速发展数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息来处理现实信号的方法这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用而数字信号处理器(DSP)的出现很好的满足了信号采集系统对于核心微控制处理器的要求采用DSP作为信号采集系统的CPU的研究与应用目前也逐渐引起业内重视。而随着微电子制造工艺水平的飞速提高及数据分析理论的进一步完善与成熟国内外在对信号采集系统的高性能研究上取得了很大的成就。采样通道由单通道发展到双通道、多通道采样频率、分辨率、精度逐步提高为分析功能的加强提供了前提条件。因此国内外以DSP作为数据采集系统的采样控制和分析运算的研究与应用正在展开。在上述背景下本文论述了一种基于数字信号处理器(DSP)的信号采集与采集数据处理系统的设计方案并给出了具体的软硬件实现方法。系统使用TI公司的TMSF型号的DSP芯片作为核心处理器实现了六通道信号的A/D采样、采样数据处理、处理结果显示以及系统整体按键控制等功能。本文主要从以下几个方面来论述整个系统的设计方案:确定系统的开发技术路线包括简要的理论基础、处理器和开发板的选型以及系统性能参数的设定等)详细研究了系统理论基础包括频谱分析原理误差分析以及点实序列FFT变换在DSP上的高效实现等)设计了系统硬件电路包括前端输入信号调理电路设计和实现、系统内部硬件资源分配以及液晶接口、键盘接口的实现等)实现系统软件设计包括整个系统程序流程的设计、各个模块应用程序的实现和内核模块的初始化设置等本次的信号采集系统设计方法简便可行可作为廉价的信号采集模块或者稍加改进作为简易数字示波器。关键词:多通道信号采集数字信号处理频谱分析波形显示AbstractDSP(DigitalSignalProcessingreferredasDSP)isadisciplinethatinvolvedinmanyareasofdisciplinesandwidelyusedinmanydisciplines.Sincethethcentury,yearswiththefastdevelopmentofthecomputerandinformationtechnology,thedigitalsignalprocessingtechniquehaveemergedarddevelopedrapidly.DigitalsignalprocessingisakindofmethodthatusesmathematicalskillstoconvertorextractinformationinordertodealwiththerealsignalwhichiSmadeupofsequenceofnumbers.Inthepastyearsormoredigitalsignalprocessinghasbeenappliedintelecommunicationandotherfields.Inthepasttwentyyearsdigitalsignalprocessinghasbeenwidelyusedinthefieldsofcommunications.andwiththeemergenceofthedigitalsignalprocessor(DSP)theDSPmeetsthecorerequirementsofmicro.controlprocessorofthesignalacquisitionsystempeoplepaysmoreattentioninresearchandapplicationsonusingtheDSPasthedataacquisition’SCPUintheindustry.WiththerapidimprovementofmicroelectroniCSmanufacturingandthematureofthetheoryaboutdataanalysispeoplehasmadegreatachievementsintheresearthonighperformancesignalacquisitionsystems.Samplepassagehasdevelopedtothedualchannelsinglechannelandmultichannel.Wilesamplingfrequency.resolutionandaccuracyhasimproveallthatimprovedtheanalysiscapabilities.ThereforeathomeandabroadtheresearchonhowtouseDSPasasampleddatacontrolandanalysisofcomputingondataacquisitionsystemarestartedTiSarticlediscussesakindofDataAcquisitionandProcessingSystemdesign.whichisbasedonDigitalSignalProcessor.Inthepaper,weuseTI’SDSPchipTMSFmodelasacoreprocessortoachievethecontrofsixportsADsamplingthesamplingdataprocessingdisplayofprocessingfunctionsandthecontrollingofthewholesystemofkeysandSOon.Thedesignofthewholesystemisdiscussedinthefollowingaspects:)Confirmthetechnicalpathofsystem’Sempolder,includingthesimplebasisofthetheory,theselectionoftheprocessorandtheboard’Ssamplethesystemperformanceparametersandothersettings.)DiscussesthetheoryofthesystemincludingtheprincipleofspectrumanalysiserroranalysisimplementpointsFFTonDSE)Designthehardwareofthesystemincludingfrontendsignalconditioningcircuitandantisliasingfiltercircuitdesigntheallocationsoftheboard’SresourceaswellasthesettingofLCDinterfaceandtheKeybord.II.lI。mpl.ememtheprogramofthesystemincludingtheprocessesofthewheSy兰em’警designofwho】eprogramprocesseachroodelsprog瑚nimplemen毛thectllngsItilecoremodelsinitials.T、等s:吼emhas孔hievedtheparticularfunctionofDataAcquisitionand蛾essl鼍systenThedesignmethodissimpleandfeasiblewhichc孙eusedaslOW。costdataacquisitionmoduleoraliuleimprovementaSasimpIedigitalKeyw。rds:multip。rtsignalacquisiti。n,DSP,FFT,wayef】胁displayIII独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文使用授权书幻.、鼬本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定即:学校有权保留并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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文并向社会公众提供信息服务。(保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生(签名):向象涩导师(签名):f)j乜i广刍聚日期五/o工加武汉理工大学硕士学位论文第章引言.信号采集系统的基本功能“信号采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为信号采集系统。从严格意义上说信号采集系统应该是用计算机控制的多路信号自动检测或巡回检测并且能够对信号采集后的采样数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息供显示、记录、打印或描绘的系统。总之不论在哪个应用领域中信号的采集与采集到的数据处理越及时工作效率就越高取得的经济效益就越大。信号采集系统的任务具体地说就是传感器从被测对象获取有用信息并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号然后送入计算机进行相应的处理得出所需的数据。同时将计算得到的数据进行显示、储存或打印以便实现对某些物理量的监视其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来进行某些物理量的控制【。信号采集系统一般由信号输入通道、采样数据存储与管理、采样数据处理、采样数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测、采样和信号转换等工作。采样数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来建立相应的数据库并进行管理和调用。采样数据处理就是从采集到的原始数据中删除干扰噪声、无关信息和不必要的信息提取出反映被测对象特征的重要信剧。另外就是对采样数据进行统计分析以便于检索或者把采样数据恢复成原来的物理量形式以可输出的形态在输出设备上输出如打印、显示、绘图等。采样数据输出及显示就是把采样数据以适当的形式进行输出和显示【】o武汉理工大学硕士学位论文.信号采集系统的现状和发展趋势..信号采集系统的现状信号采集与处理一直是生产实践研究与应用领域的一个热点和难点。随着微电子制造工艺水平的飞速提高及数据分析理论的进一步完善与成熟目前国内外在对信号采集系统的高性能研究上取得了很大的成就。就A/D转换的精度、速度和通道数来说采样通道由单通道发展到双通道、多通道采样频率、分辨率、精度逐步提高为分析功能的加强提供了前提条件【。对于信号采集模块通常要求其能对多通道进行并行处理具备较高的实时性并具有一定的数据预处理能力。随着现代检测与控制系统复杂性的提高对信号采集模块也提出了新的要求。在许多控制系统中要求信号采集模块能够对多个信号通道进行实时、高速采集和高精度的数据预处理。传统的信号采集处理系统多以单片机作为微控制处理器但对于高精度、高速度、实时的信号采集和处理系统单片机难以适应高精度信号采集和处理的要求特别对于数字信号处理算法如数字滤波、FFT等实现较为困难。数字信号处理器(DSP)的出现和广泛应用很好的满足了信号采集系统对于核心微控制处理器的要求【】。与传统的冯诺依曼总线结构不同的是DSP采用的是哈佛总线结构特点是程序和数据具有独立的存储空间有着各自独立的程序总线和数据总结可以同时对数据和程序进行寻址并且在指令上实现了多级流水线操作采用特殊的数学运算指令快速实现了乘法累加器等常用的数字处理运算操作DSP比单片机有更快的指令执行速度精度更高这大大提高了数据处理能力适合于实时数字信号处理【。..信号采集系统的发展趋势伴随着高性能微处理器的采用和用户技术要求的不断提高信号采集系统的功能也越来越完善。信号采集系统的发展主要体现在以下几个趋势:首先在专业测控方面基于PC计算机的信号采集系统越来越成熟和智能化。在过去的二十年中开放式架构PC机的处理能力平均每十八个月就增强一倍。为了充分利用处理器速度的发展现代开放式测量平台结合了高速总线接口如PCI和PXI/CompactPCI以便获得性能的进一步提升。计算机的性能提升和由此引起的基于计算机的测量技术的创新正在持续不断地模糊着传统仪武汉理工大学硕士学位论文器和基于计算机的测量仪器之间的界线【】。其次在通用测控方面采用嵌入式微处理器的方案也由早期的采用A/D器件和标准单片机组成应用系统发展到在单芯片上实现完整的数据采集与分析即目前极为热门的SOC(SystemOnChip)。通常在一块芯片上会集成一个可以采样多路模拟信号的~D转换子系统和一个硬CPU核(比如增强型内核)而且其CPU的运算处理速度和性能也较早期的标准CPU内核提高了数倍而且有着极低的功耗。这种单芯片解决方案降低了系统的成本和设计的复杂性。此外为了解决SOC方案中数据处理性能的不足采用DSP作为信号采集系统的CPU的研究与应用目前也逐渐引起业内重视(如TI近年设计的TMSCx系列芯片就是一款较为完整的数据采集与控制单片系统)。但是这类产品目前仅仅处于发展的初级阶段在精度、速度或其它性能指标上并不能很好的满足要求。因此国内外以DSP作为数据采集系统的采样控制和分析运算的研究与应用正在展开【】。.本课题的内容和研究意义..本课题的预期目标及整体规划本课题主要研究一个基于DSP的信号采集与处理系统主要用于存储波形采集数据、显示波形、波形频谱分析等。经过最初的设计确定了以下基本的技术开发路线:)基于总体功能预期适用性的考虑我们决定用TMSF作为此系统的主处理芯片在此核心芯片的基础上外扩来达到最初目的)考虑到被采集模拟信号的不确定性系统前端必需要有相应的调理电路(加法电路、电平跟随电路、电平移位电路等))要有信号采集的核心模块鉴于DSP内部有自带的A/D采样转换模块且采样分辨率(位)能达到课题的基本需求遂不用外接A/D转换采样芯片:)外部扩展LCD显示屏作为时域波形和频域波形的显示工具【】。以上是此系统的基本硬件模型此系统的软件模型是:前端模拟信号通过调理电路处理后进行A/D采样使得模拟信号变换为数字信号将其抽取部分归一化后作时域波形显示同时数字信号处理器对数字量进行相应处理同样归一化后作频域波形显示。下面是具体的系统结构框图(图.)从中大家可以武汉理工大学硕士学位论文看到粗略的数据量的行走路线也是整个系统设计的基本核心思想。DSPJLI模拟调多通SRAM数据缓存通道理道信内部输入斗电号采数据一CPLD撇lJH液晶显示信号路集处理L按键控制图.信号采集处理系统的原理框图.本课题的研究意义本课题的研究就是针对多路信号采样展开旨在研制出低成本的并具有一定通用性的信号采集分析系统以满足生产中大多数场合信号采集的需要同时希望能往电力参数的测量方向发展能测量三向电流和三向电压的各种特征值并能记录各通道波形使波形重现为电力参数的数据分析提供强有力的数据支持fll】。..体系结构本文第一章主要介绍了信号采集系统的发展现状和发展趋势、课题的研究背景、意义和内容。第二章将主要从硬件的角度介绍此系统的总体设计方案从DSP的内部特征和外部扩展着手使大家能全面了解此系统的运行模式。第三章将主要介绍傅里叶变换算法原理以及在此系统上的实现。第四章将介绍此系统的软件开发环境以及软件开发流程具体到开发过程中所遇到的难点及处理办法。‘.本章小结本章首先介绍了信号采集系统的功能、发展现状和发展趋势然后粗略地阐述了本课题的预期目标、整体规划和研究意义最后给出了本文的组织体系为后续详细地介绍此系统打下了坚实的基础。武汉理工大学硕士学位论文第章系统硬件总体设计任何一个系统都需要有良好的硬件平台作为支柱选择一个好的硬件开发平台并不是说选尽可能高端的芯片也不是说选择的芯片功能越齐全越好。其实选择合适的硬件平台是一项复杂的工作必须从多方面来考虑。不过硬件选择的基本原则是在能满足既定功能要求的条件下硬件平台的价格越低越好选择了一个良好的硬件平台可以为应用软件的开发提供许多便利。.硬件平台的选择原则选择一个好的硬件平台首要解决的是选择一个合适的核心控制芯片基于系统是做多通道的信号采集与处理DSP核心控制芯片是最好的选择。通用DSP芯片适用于普通的数字信号处理而专用DSP芯片是为某些特殊的数字信号处理运算而专门设计的更适合特殊的运算如数字滤波、卷积和FFT等。..DSP芯片的选择本系统的主处理芯片采用TI公司的TMSF它集成了高性能的DSP内核和片内外设于一个芯片内是传统的微控制单元与昂贵的多片外设的一种廉价替代品。TMSF芯片具有如下特剧】:采用高性能的静态CMOS技术:主频达MHZ(时钟周期.ns)低功耗设计。高性能位CPU:哈佛总结结构统一寻址模式MB的程序/数据寻址空间高效的代码转换功能(支持C/C和汇编)。片上存储器:最多达K位的Flash存储器武汉理工大学硕士学位论文最多达K位的ROMKxl位的OTPROML和L:两块Kxl位的单周期访问洲(SARAM)HO:一块Kxl位的单周期访问RAM(SARAM)M和M:两块位的单周期访问RAM(SARAM)。外部存储器扩展接口:最多MB的寻址空间个独立的片选信号。三个位CPU定时器。位模数转换模块:x通道复用输入接口两个采样保持电路单/连续通道转换流水线最快转换周期为ns单通道最快转换周期为ns。先进的仿真调试功能:分析和断点功能硬件支持适时仿真功能。可以看出TMSF完全能满足系统的功能需求而且此芯片有丰富的片内外设性能价格比很高。综上所述本系统决定选择以此芯片为核心模块的硬件平台。..本课题硬件平台的选择根据本课题控制系统的实际需要结合考虑DSP的综合性能评价指标本系统采用开发板之家的Easy开发板此开发板有丰富的内部资源和外部扩展可以完全满足本课题的研究内容。此硬件开发板如下图所示。武汉理上大学硕士学位论文圈.Easy硬件电路开发板选择这一开发板的原因大家可以很清楚的从上图看到课题所需要的六通道A/D采集通道TI公司的TMSF型DSP芯片内部可提供多达通道而且通道全部外接很方便外接信号供采集访真使用而采集的数据可以存在外部扩展RAM中虽然外扩RAM只有K但是作为六通道数据显示缓冲区也已经是绰绰有余同时此硬件电路开发板通过CPLD的总线扩展可以将的液晶显示屏并行连接在总线上这样DSP对液晶屏的读写操作就更加便捷。总之选择这一开发板不仅可以有效减少系统外围接口芯片电路易于数字信号处理的实现而且鉴于接口多样方便扩展从而有利于系统升级以此达到提高系统整体性能和工作效率的目的。本课题硬件电路开发板的相关技术指标DSP处理器TMSF位定点高速数字处理器最高工作频率M片内内置Kxl位FLASH利用烧写插件可以方便的固化用户程序FLASH可加密:武汉理工大学硕士学位论文片内内置K位SRAM扩展K位SRAMISLVAL(起始地址Oxl)扩展K位FLASHSSTVFS(起始地址x)方便用户烧写较大程序提供路位AD输入接口、路加了限流和运放处理输入范围O~V:提供中文图形液晶接口。芯片最大的特点是统一循址能通过片选线来访问不同的空间以实现不同的器件操作。以上便是与本课题有关的电路开发板的相关技术指标了解了这些后我们将从信号采集数据的角度来深入了解本课题电路开发板和前端调理电路的硬件电路图及相应技术指标参数【。.具体模块硬件设计本章的前一节我们了解了整个系统的硬件平台以及其相关技术指标虽然整个硬件平台按功能模块划分的话有很多但是实际上用到的硬件模块只有下面几个【】:A/D采集模块、CPLD总线扩展模块、按键及LED控制模块、外部RAM存储模块和LCD显示模块。但是要将这四个模块协调好以至使系统能完成相应的功能一定要对这几个模块的连接方式有一个深入的了解这样在编写软件程序时才能事半功倍。.调理电路与A/D采样前面提到TMSF可以提供路位AD输入接口可配置成个独立的通道模块。但是DSP能接受的外部被采样信号在"'V外部输入电压值不能超出这个范围因此信号进入A/D采样引脚之前必须要加入调理电路使信号的电压值符合DSP的电压值范围。调理电路如图.。武汉理工大学硕士学位论文电手穆经电路图.调理电路下面我将把调理电路按照功能的不同分开解析它们各自的功用总体而言就是将信号的电压调节到"'V以满足DSP内部AD引脚的采样要求。...加法器电路加法器电路采用由运放构成的反相加法器。如图.。加法电罄气r图.加法器电路本电路为由运放构成的反相加法器。由于需要分析的信号频率范围在~KHZ因此运放采用LM高速运放其带宽增益积为KHZ。本电路主武汉理工大学硕士学位论文要用于信号叠加增益为l考虑到信号输出阻抗此处输入电阻选取K反馈电阻亦为K。...电平跟随电路电平跟随电路实际上是通过可变电阻产生一个直流电平然后通过与电平移位电路的输入信号叠加使得输出信号成为单极性信号。电平跟随电路如图.。电孚跟随电...电平移位电路l如图电平跟随电路电平移位电路是采用运放构成的反相加法器其主要作用是将信号与电平跟随电路所产生的直流电平叠加从而使得输出信号成为单极性信号。而且使用两次反相加法器可以还原初始信号的相位最低程度的减少原信号的失真。跑平移位电路芎图.电平移位电路武汉理工大学硕士学位论文...AD转换电路模数转换模块ADC有个通道可配置为个独立的通道模块分别服务于事件管理器A和B两个独立的通道模块也可以级联构成一个通道模块。尽管在模数转换模块中有多个输入通道和两个排序器但仅有一个转换器。两个通道模块能够自动排序每个模块可以通过多路选择器(MUX)选择通道中的任何一个通道。对于每个通道而言一旦ADC转换完成将会把转换结果存储到结果寄存器(ADCI迮SULT)中。自动排序器允许对同一个通道进行多次采样用户可以完成过采样算法这样可以获得更高的采样精度【】。此AD采样模块有多个触发源可以启动ADC转换(SOC)转换的结果可以存放在对应的个结果寄存器当中转换后的数字量可以表示为:数字值=x笪堡塑篁二垒里竺兰Q下面便是此硬件开发板上的AD采样模块电路图。量兰兰兰兰兰主妄妄妄主鲁耋耋熹茎参参荽参蓼荽享参参荽要茎黜季蚕莎莎巧莎”""”"""址C£o二五I)C量jXT五DC叠X卫期X器了Ⅵ矗Ⅵ龇捌X撇^DCKii却)删翻XT:芯捌X黼期X粼翔)c嘲捌X凇Ⅵ埘譬S譬畦图AID转换电路为获得更高精度的模数转换结果正确的PCB板设计是非常重要的。连接一一一一一一嘞憾一~武汉理工大学硕士学位论文到ADCINxx引脚的模拟量输入信号线要尽可能地远离数字电路信号线。为了减少因数字信号的转换产生的耦合干扰需要将ADC模块的电源输入同数字电源隔离开。..时钟振荡电路锁相环(PLL)模块主要用来控制DSP内核的工作频率外部提供一个参考时钟输入经过PLL倍频或分频后提供给DSP内核。TMSF型DSP有位倍频位能够实现.一倍的倍频。下图为本开发板上采用的电路采用的是内部振荡器方式选用的外部晶振为M的电路。Z一|山Z扣寒曼~一oGpX>GSCⅡ图时钟振荡电路N受floo《譬o卜.基。o妨Po卜卫IlI卫|II..外扩RAM和外扩FLASH电路.'t舫!Alo。Dc五l:AlloiSD:芷五}O:D:lODj甜五l。iAm筋}ADA篮D硒二lAl。Dj五:ios冀DS盖l。DlD:五.NAllOV:D::I五i:誓AL:loD::D:jAt五b五l二二jAD:五《D.:^je{j^l’'越越Ⅵ=c职=】CC筠VⅨ司.丁Wtlj匹’bb嚣Dlgz拍OE一Ilnbloi四QLBQo’T}CS筑弼下g图外扩RAM和外扩FLASH电路图.左U是外部扩展RAM选用的型号是ISLVALkbit大小ll。这里用了A"一A共根地址线最大为KD"D共根数据线。片选CS和读写WRRD信号都是由DSP引出来的此扩展RAM主要是用来存储数据。图右U是外扩的FLASH型号为SSTVFkxlbit大小方便烧写较大程序。这里和外扩RAM的区别就是在地址线上面比外扩RAM多了一根所以最大可以达到K片选信号用CS。武汉理工大学硕士学位论文.LED灯和按键电路图.LED灯和按键电路按键和LED灯是所有硬件开发板上最基本的控制和显示元素可以说任何电子产品都离不开这两个基本的元素本课题研究在AD通道的选用上在系统的操作流程上都要用到按键和LED灯在这个开发板上这两个基本控制物都是用CPLD外扩在DSP总线上的根据CPLD的程序我们可以知道LED灯的地址和键盘地址分别为:x和x并且对于DSP数据总线而言LED灯的地址是只能写数据而键盘地址是只能读数据的这些都是由CPLD的输入输出引脚以及内部程序所决定的【】。这一点对以后软件程序的编写是相当重要的否则就会出错。..液晶显示系统硬件设计在了解液晶与系统的硬件连接之前我们首先要对液晶屏的用法有一个初步的了解这样才能知道液晶屏应该以怎样的方式连接在DSP上可以使DSP更方便的读写液晶屏的数据使液晶屏能最有效的发挥其显示的功效。...液晶屏的内部硬件结构此系统使用的液晶屏型号是FYDl.B这是一种具有位/位并行、线或线串行多种接口方式内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块其显示分辨率为x内置个点汉字和武汉理工大学硕士学位论文个点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令可构成全中文人机交互图形界面。可以显示x行点阵的汉字也可完成图形显示低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块【】。很显然以位并行的方式连接DSP可以做到最快的读写液晶屏的数据下面给出液晶屏并行连接的引脚功能表。表.液晶屏并行接口功能表【】管脚号管脚名称电平管脚功能描述VSSV电源地VCC.V电源正V对比度(亮度)调整RS=“H”表示DBDB为显示数据RS(CS)H/LRS=“L”表示DB啪B为显示指令数据ⅣW=“H”E=“H”数据被读到DBDBR/W(SlD)H/LRJ/W=“L”E=“HL”DBDB的数据被写到IR或DRE(SCLK)H/L使能信号DBOH/L三态数据线DBlH几三态数据线DBH/L三态数据线DBH/L三态数据线DBH/L三态数据线DBH/L三态数据线DBH/L三态数据线DB肌三态数据线PSBH/LH:位或位并口方式L:串口方式NC空脚瓜ESETH/L复位端低电平有效VOUTLCD驱动电压输出端AVDD背光源正端(V)KVSS背光源负端..。图形LCD驱动电路下面给出此图形LCD与DSP连接的电路图【】结合上面所给的表.就可以知道此图形LCD具体的读写方式也就是怎么来通过DSP操作此液晶屏。武汉理工大学硕士学位论文l缎最SliM.:敝叫莎rr)】莎一毯:融D‘F一图.LCD液晶屏连接电路从上图及表.我们可以知道由于第引脚接在电源和电容之间又因为第脚是低电平有效的复位端显然当电源通电时LCD由于第引脚的低电平而自动复位。而第引脚刚W读写引脚接地这就说明液晶屏只能写数据而不能读。第、、三个引脚联合起来就可以控制DSP对液晶写指令数据或是普通数据而、引脚是连接在DSP的I/O口IOPF和IOPF上的通过表.我们知道当IOPF输出低电平时利用IOPF的下降沿可以向液晶屏写指令数据反之当IOPF输出高电平时利用IOPF的下降沿可以向液晶屏写普通数据仅仅做到这些还不足以向液晶屏写数据因为还不知道液晶屏的地址。地址正是此液晶屏的特殊之处一般的外设都是通过片选来设置地址但此液晶屏是同过并口数据输入来设置的。首先数据输入端DO"'D是连接在CPLD上的对通过CPLD的内部程序只有向x地址写数据时接入CPLD上的DSP低位数据线上的数据才会传给液晶屏上的DO’"''D’。综上所述当IOPF输出低电平时利用IOPF的下降沿给x数据是向液晶屏写指令数据反之当IOPF输出高电平时利用IOPF的下降沿给x数据是向液晶屏写普通数据。下面是第、引脚RS、刚W、引脚的配合功能表。:一:了n垃n“”:”擂拶一‰i々武汉理工大学硕士学位论文表RS、刚W配合决定控制模式RS状态对W状态功能说明低低MPU写指令到指令寄存器(IR)低高读出忙标志(BF)及地址记数器(AC)的状态高低MPU写入数据剑数据暂存器(DR)..一局高MPU从数据暂存器(DR)中读出数据而E引脚第引脚的功能读如下:表.E引脚功能图E状态执行动作结果高一低I/缓冲一DR配合R/W进行写数据或指令高DRq/O缓冲配合R/W进行读数据或指令.低“氏一高无动作.本章小结本章对此课题设计的硬件部分做了整体的规划论述了芯片的选择原则描述了硬件实验板TMSFDSP的相关技术指标以及与课题有关的调理电路的设计、显示系统接口设计等。并讲述了各功能模块的基本操作方法为后绪的软件设计定下了良好的基调。武汉理工大学硕士学位论文第章傅里叶变换FFT原理。频谱分析的提出在迄今为止涉及的测量仪器和测量方法中被测量一直被看做一个随时间变化的量即时间f的函数厂(f)。在相应的图表中作为自变量出现在横坐标上的是时间。这种表达方式对于快速变化的周期信号是不适当的。这里人们首先感兴趣的是什么样的幅值在什么样的频率中出现。与此相对应是将频率表示为横坐标上的自变量而幅值表示为纵坐标。傅里叶变换使从时域到频域的转换成为可能。为了进行傅里叶变换要对感兴趣的信号进行一定时间观察和采样。采样序列将被存储然后从采样序列数据中算出频谱。相反的变换也是可能的从频谱出发可以算出时间数据序列。如果重复进行傅里叶变换就能将幅值随时间的变化表示出来。.连续时间信号的傅里叶变换(FTC)首先回忆连续时间信号的傅里叶变换FTC。系统理论指明如何通过时限函数f(t)的傅里叶变换得到频谱F(jco)。相反地可以通过逆傅里叶变换从频F(jco)得到时域函数f(t)t】鼍F(jco)=If(t)e.。td(.)f(t)去』刑咖归叼。(.)频谱函数F(ja))是一个具有实部和虚部、亦即具有幅值和相位的复函数。通常只计算与/缈或厂有关的幅值F(jco)并将其作为幅值谱给出。武汉理工大学硕士学位论文.离散时间信号的傅里叶变换(FTD)..从连续时间信号过渡到离散时间信号为了能在计算机中进一步处理传感器输出的连续时间信号被采样和量化亦即在时间上和数值上被离散。所以这里所处理的是离散时间信号的傅里叶变换。这里从连续时间信号的傅里叶变换FTC出发并不直接导出重要的离散傅里叶变换DFT而是首先讨论离散时间信号的傅里叶变换FTD。我们在时间点乙=玎L对信号厂(f)进行采样其中刀从一oO经N变到oo。£表示采样间隔。采样值仅仅存在于离散时间点nL处。原本的连续变量f现在变成了离散的刀疋。如果进行傅里叶变换由于仅能用离散值进行计算所以公式(.)中的r通过门£来代替f(t)通过f(nT。)来代替(.)e吖删通过e吖圳来代替。此外公式(.)中的积分要用高度为f(nTo)、宽度为£的矩形之和来近似少o)乙厂(以瓦)(.)一州=一按照通常的做法公式(.)右侧出现的采样间隔Ta并不进入傅里叶变换的定义。这样仿效公式(.)用公式符号吃(/缈)表示的FTD可定义为阎民(/缈)=f(nT。)e咖L(.)=厂(玎瓦)cos搠艺j厂(刀瓦)sin绷瓦n=nE.ao..连续时间信号变换和离散时间信号变换之间的区别如果把用于离散信号傅里叶变换的算法公式(.)和用于连续信号的傅里武汉理工大学硕士学位论文叶变换的公式(.)进行比较则频谱函数有下面两点不同。a)离散信号的傅里叶变换FTD是一个周期函数它以采样频率为周期重复。在公式(.)中出现的指数函数以万为周期:沙石=喝埘=砂尕删劢(.)相应地有吒(缈)=%【(缈等)(.)』口频谱以国=zr/To或以f=玩周期重复其中Z是一个任意整数础。频率范围一詈詈被称为基本间隔。一方面一个周期时间函数有一个离散』口』d的频谱(傅里叶级数)而与此同时通过采样形式的离散时间函数的频谱是周期的。b)离散信号的傅里叶变换FTD只有乘上采样间隔£后才与连续信号的傅里叶变换FTC在大小与单位上相等。举例来说设f(t)描述一个电压过程相应地具有单位V那么公式(.)中的FTC由于对时间积分就具有单位VS也就是具有单位V/Hz。在公式(.)的FTD中用和来代替积分少了与时间的相乘。所以FTD的幅值只具有测量值的单位。根据公式(.)为了在数值上与单位上和公式(.)中的FTC相对应FTD应与采样间隔£相乘F(jco)=To民(jco)(.)如果满足采样定理位于基本间隔内的离散信号的频谱与连续信号频谱相同。..采样定理从FTD的这种周期出发可以推导出对采样频率的要求。为了避免错误不允许FTD重复的频谱相互重叠。当信号最高频率L小于采样频率‘的一半时就可以实现这一点L<‰<兰等武汉理工大学硕士学位论文这就是采样定理。采样频率必须大于信号包含的最高频率的两倍。.采样时限信号的离散傅里叶变换(DFT)..离散的频谱函数在有了前面这些准备性的考虑之后现在应该从FTD过渡到离散傅里叶变换DFT了。实践中如果实行“数字信号分析”的话实际总是指的DFT。应该首先就时限信号来解释离散傅里叶变换。新的一步在于现在公式(.)中仅对有限个函数进行累加。累加的范围不再从一o。到o。而仅是门<N。我们去掉了<和N时的函数值现在位于公式(.)右侧的和式中的只有门Nl一共Ⅳ个不同的信息所以频谱函数也只可以在Ⅳ个不同的离散频率点处计算出来。频率不再是连续的变量这样可从FTD的算法中得出DFT的算法方法是将公式(.)用离散频率kAco和有界的累加限来表述。这里使用Fa(jkAco)作为公式标记【】:D刀:F。(jkAco)=f(nT。)e啦”L(.)时间函数中可资利用的数据Ⅳ越多总的测量时间T=刀疋越长频谱分辨率Aco或矽就越高。两个相邻频率值之间的间距鲈亦即分辨能力与测量时间成反比厂:上。Ⅳ瓦国:旦NT。每条谱线都由一个实部和一个虚部组成。由个Ⅳ实的采样值确定N/个离散频率的幅值和相位。这些离散频率位于/=和f=五/之间的区域内。相应的结果在五/到工之间重复。在f=和f=L/之间的范围内可以画出下列频率点的Ⅳ条谱线kAf吒袁其中k=N(.)武汉理T大学硕士学位论文k(o略是七其中妊..川J由此可以得到DFT常用表述方式Fd(jkA缈)=岛(.’瓦r七)=萎NIm瓦矿m堋毛N一Fd(jkAco)=f(nTo)e吖蒯Ⅳn=Of.)(.)(.)Ⅳ一lⅣ一=厂(甩瓦)cos(砌/Ⅳ)一/厂(船瓦)sin(砌/Ⅳ)n=n=在上式的右边有Ⅳ个采样值。可以预先给定一个k值然后计算出尬国处的谱函数。一个“Ⅳ点的DFT”可以给出N/个独立频率点的幅值和相位。要得到频谱函数的一个函数值需要进行N次乘法和N次加法运算。前面提到的FTD的特点对DFT同样有效。这些特点是:a)以采样频率为周期重复b)只有乘上采样间隔后才等于FTC在实践中信号的最高频率是通过A/D转换器之前的低通滤波器亦即抗混叠滤波器的极限频率确定的。这种滤波器的幅值曲线在极限频率外侧并不是垂直地变为零而是以一定的坡度趋于零。基于这个理由采样频率应该大于极限频率的两倍。所以经常将采样频率选为高于信号最高频率的"'倍。如果采样定理得到遵循谱函数就不会因重叠而变形。但采样定理并没有就单个频谱部分相互间能做多好的区分做出断言。对于这个“谱分辨率”起决定作用的不是采样频率.疋而是总的测量时间砚。..从DFT到FFT的演变FFT是DFT的高效运算方法。DFT的重要应用是频谱分析因为DFT本来是时域与频域内周期离散函数。若直接计算DFT则计算量非常大尤其当序列长度很大时。而FFT算法的提出可以大大减少计算次数实际上FFT就是利用DFT的周期性和对称性将DFT分解成相继小的DFT计算(即省去DFT计算中很多重复的计算)。实际应用中常使用就是DFT的快速算法一快速傅里叶变换(FFT)。快速傅里叶变换算法有基算法、基算法等还有按时间抽取(DIT)武汉理工大学硕士学位论文和按频率抽取(DIF)的算法。这些算法都很复杂在此不再陈述。.点FFT在TMSF定点DSP上的实现..程序流程FFT的计算量比傅里叶变换的计算量减少了但是FFT要做到大点数实时运算对于普通的单片机来说还是一件比较困难的事。一方面FFT需要对原始自然序列进行码位倒序排列另一方面蝶形运算是复数运算需要多次查表相乘运算才能实现。DSP控制器就是针对这些需求而设计的专用芯片:具有专为FFT算法而设计的反序间接寻址可实现增/减或增/减一个变址量的间接寻址方式为各种查表运算提供方便能在一个指令周期完成乘和累加操作提高了乘法运算的速度。TMSF定点DSP是一款专为工业控制、电机控制和数字信号处理等用途而设计的DSP具备单周期乘加指令具有FFT反序间接寻址功能最高运行速度为MIPS。一般计算N点实数FFT时简单的把N点实数数据当作N点虚部为的复数数据来处理直接计算N点复数FFT。这样不仅浪费了DSP片内资源还影响了计算的实时性尤其是点数比较大时这种影响更加明显。为了提高实数FFT的计算效率利用FFT计算的特点把N点实数数据打包成N/点复数数据通过计算N/点复数FFT来获得N点实数FFT这样可以把FFT的计算速度提高近一倍。实数FFT的计算流程为【j:)把点实数数据打包成为点复数数据并完成复数数据的位反转操作)计算点基.复数FFT)劈分还原计算获得点实数FFT结果)计算幅值的平方获得频谱的幅度谱。..具体函数介绍函数声明:voidrFFT(float*data,intn)函数功能:点实序列FFT程序。入口参数:data长度为N的一维数组是入口也是出口武汉理工大学硕士学位论文rl是FFT运算点数。函数说明:长度为n的实型一维数组经过FFT变换后将其前n/个值的实部和虚部存储在原序列中其存储顺序为:Ire(O)re()...re(n/)im(r.)...im()其中实序列im()=。函数声明:voidsort(float*roodfloat*countin)函数功能:排序算法。.入口参数:mod待排序序列countin排序完成后原序列编号序列函数说明:本函数主要用于对求模后的序列中前个数据进行从大到小的排序同时将排序编号存入该序列的后个中。函数声明:voidrAmplitude(void)函数功能:求幅度谱对FFT运算结果求幅度谱。.本章小结本章主要是对不同的信号的傅里叶变换原理进行了研究给出了从连续时间信号的傅里叶变换(FTC)到离散时间信号的傅里叶变换(FDT)然后过渡到时限信号的离散傅里叶变换(DFT)最后演变为实际DSP运用的快速傅里叶变换(FFT)这一过程的具体分析最后给出了相关函数的使用方法简单的表明了个点实序列FFT在TMSF上的具体实现过程为整个系统实现频谱分析提供了理论依据。武汉理工大学硕士学位论文第章系统软件总体设计.软件开发平台CCS集成开发环境介绍..CCS开发环境介绍CCS(CodeComposerStudio、代码调试器是一种针对标准TMS调试接口设计的集成开发环境IDE(IntegratedDevelopmentEnvironment)它采用Windows风格界面提供有环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具极大地方便了DSP程序的设计与开发【】。CCS有两种工作模式【:软件仿真器模式可以脱离DSP芯片在PC机上模拟DSP的指令集和工作机制主要用于前期算法实现和调试硬件在线编程模式可以实时运行在DSP芯片上与硬件开发板

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