基于TMS320F2812便攜式動(dòng)態(tài)信號分析儀設計

　　動(dòng)態(tài)信號分析是將時(shí)域信號轉化為頻域進(jìn)行處理，一般要求使用時(shí)窗技術(shù)，如快速傅氏變換（FFT）、離散傅氏變換（DFT）等。如果采樣點(diǎn)為N，直接DFT運算需要N2次乘法操作，需用大量運算時(shí)間。而FFT運算可將運算減少到（N/2）log2N次乘法，因此，FFT成為動(dòng)態(tài)信號分析的核心算法。

　　基于數字信號處理的動(dòng)態(tài)信號分析系統應用廣泛且具有重要作用。這里利用TI公司高性?xún)r(jià)比的數字信號處理TMS320F2812設計了一種便攜式態(tài)信號分析儀，該系統信號分析儀可采集動(dòng)態(tài)信號，并處理數據的頻域，可直接在LCD上顯示信號各分量頻率值、功率值、失真度等。通過(guò)實(shí)驗測試，該動(dòng)態(tài)信號分析儀簡(jiǎn)便直觀(guān)，只要接收到信號源，即可觀(guān)察信號的多種指標參數。

　　2 動(dòng)態(tài)信號分析原理

　　動(dòng)態(tài)信號分析儀是應用于聲音分析，機械振動(dòng)分析和控制系統分析等領(lǐng)域的常用電子儀器。動(dòng)態(tài)信號分析方法有時(shí)域分析法、頻域分析法等。其中頻域法最適合動(dòng)態(tài)信號分析FFT算法。本系統采用FFT算法。N點(diǎn)的DFT先分解為2個(gè)N/2點(diǎn)的DFT，每個(gè)N／2點(diǎn)的DFT又分解為N／4點(diǎn)的DFT。最小變換的點(diǎn)數即所謂FFT的“基數”。在基數為2的N點(diǎn)FFT中，設N=2，則總共可分成M級運算，每級中有（N／2）log2N個(gè)蝶算，則N點(diǎn)FFT總共有（N／2）log2N個(gè)蝶算，1個(gè)蝶算只需一個(gè)復數乘法對N點(diǎn)FFT需計算（N/2）log2N個(gè)復數乘法、（N／2）log2N個(gè)復數加法。一般來(lái)說(shuō)，FFT比DFT運算量要小得多，N點(diǎn)的FFT需做（N／2）log2N次乘法運算，而N點(diǎn)DFT需要做／N2次乘法運算，由此看來(lái)N點(diǎn)DFT運算量大約是FFT的2N/log2N倍，分析動(dòng)態(tài)信號頻率成份，首先以采樣頻率fs采樣N點(diǎn)（N=2M），經(jīng)快速傅立葉變換得到其頻譜。

　　由譜分辨率F=fs／N，如果保持采樣點(diǎn)數N不變，提高其分辨率（F減?。?，必須降低采樣頻率，采樣頻率的降低會(huì )引起譜分析范圍的減少。如果保持fs不變，為提高頻率分辨率，可增加采樣點(diǎn)數N，因為NT=Tp,T=fs-1，只有增加對信號的觀(guān)察時(shí)間Tp，才能增加N。Tp和N可以按照的條件選擇。

　　3 系統硬件電路設計

　　便攜式動(dòng)態(tài)信號分析儀的硬件結構圖如圖1所示。被檢測輸入信號經(jīng)以運算放大器LM358為核心的調理電路后送至TMS320F2812 DSP內部自帶的12位A／D轉換器采樣后，其數字輸出信號送至DSP內核處理單元進(jìn)行FFT處理。經(jīng)過(guò)DSP運算處理后，實(shí)現各分量頻率值和功率值的計算，信號失真度的計算和周期信號的檢測，其分析結果由屏幕式LCD顯示。鍵盤(pán)采用鍵盤(pán)查詢(xún)方式中斷處理，實(shí)現各種工作模式和顯示界面的切換。

　　3.1 調理電路

　　在設計調理電路時(shí)，由于要將被采樣信號的電壓幅度調理到A／D轉換器所能接收的范圍內并濾除高頻噪聲信號，因此采用級聯(lián)方式。其中第一級選擇高精度集成運算放大器LM358組成電壓跟隨器，具有隔離作用；而第二級放大電路實(shí)現信號的比例放大和低通濾波，如圖2所示。圖2中運算放大器LM358構成反向比例放大電路，Ui是經(jīng)第一級電壓跟隨器隔離后的電壓信號，R1、R3構成反向比例電路，將輸入信號按比例縮小4.7倍，C3、R3構成RC低通濾波網(wǎng)絡(luò )，其電路截止頻率f=1/2πR3C3=1/2π×1 kΩ×0.01μF=15 923 Hz，符合設計要求（其信號頻率范圍0～10 000 Hz）。引腳7和引腳4分別接一只0.1μF的瓷片電容，用于濾除高頻。為了減少失調電流，引腳3接R2（其阻值約為R1和R3的并聯(lián)電阻）；輸出信號U0送至第三級加法電路。第三級加法電路可將信號升高0 V以上，滿(mǎn)足A／D轉換需求（該系統采用TMS320F2812內部自帶A／D轉換器）。調理完成后送至DSP進(jìn)行數字信號處理。

　　3.2 系統控制單元

　　系統控制單元采用32位定點(diǎn)數字信號處理器TMS320F2812。TMS32OF2812是TI公司最新推出的一款32位定點(diǎn)高速DSP芯片，采用8級指令流水線(xiàn)，單周期32 x 32位MAC功能，最高速度每秒鐘可執行1.50億條指令（150MIPS），保證了控制和信號處理的快速性和實(shí)時(shí)性。另外IMS32OF2812片上還集成了豐富的外部資源，包括16路12位ADC,16路PWM輸出、3個(gè)32位通用定時(shí)器、128k的16位Flash存貯器、18kRAM存貯器，外圍中斷擴展模塊（PIE）可支持45個(gè)外圍中斷，并具有McBSP, SPI, SCI和擴展的CAN總線(xiàn)等接口。TMS32OF2812還支持最大1M的外部存貯器擴展。

　　TMS32OF2812支持C/C+十編程語(yǔ)言，其C語(yǔ)言?xún)?yōu)化器的C編譯效率可達0%，還有虛擬浮點(diǎn)數學(xué)函數庫提供支持，可以大大縮短數學(xué)運算與控制程序的開(kāi)發(fā)周期。TMS32OF2812非常適用于電機控制、電源設計、智能傳感器設計等應用領(lǐng)域川。在對 大 型 工程機械進(jìn)行狀態(tài)監測與故障診斷時(shí)首先要對各傳感器的信號進(jìn)行采集。CAN（co ntorlera eranetwork）總線(xiàn)具有可靠性強、鏈路簡(jiǎn)單、支持優(yōu)先級處理等優(yōu)點(diǎn)[21，因此我們選擇了基于CAN總線(xiàn)的主/從分布式的測量方式，并開(kāi)發(fā)了基于TMS32OF2812的智能CAN節點(diǎn)，它具有10路模擬量輸人，4路數字量輸人，不僅可以根據中心處理主機的命令進(jìn)行數據采集，還可以實(shí)現鬧值報警、數字濾波、m 變換等功能，可以大大減輕中心處理主機的運算負荷。

　　TMS32OF2812采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻達150 MHz，使得指令周期縮短6.67 ns，從而提高控制器的實(shí)時(shí)控制能力。片內存儲器資源包括：片內128 K×16位的Flash，128 K×16位ROM，18 K×16位的SARAM，1 Kxl6位一次可編程的存儲器OTP。片上Flash／ROM具有可編程加密特性，便于現場(chǎng)軟件升級。TMS320F2812帶有128位保護密碼，防止非法用戶(hù)通過(guò)JTAG仿真接口查看Flash/OTP/L0/L1的內容，訪(fǎng)問(wèn)外設和裝載某些不合法的軟件，保證相關(guān)數據的安全性。A/D轉換器有16個(gè)通道，可配置成2個(gè)獨立的8通道模塊，便于服務(wù)事件管理器A和事件管理器B。這2個(gè)獨立的8通道模塊可級聯(lián)成一個(gè)16通道的模塊。A／D轉換器雖具有豐富的輸入通道和2個(gè)排序器，但只有1個(gè)轉換器。自動(dòng)排序允許對同一通道多次轉換，允許用戶(hù)使用過(guò)采樣算法，相對傳統單次采樣轉換，這將提高結果的精度。

　　為了獲得規定的A／D轉換器精度，須采用正確的線(xiàn)路板布局。為了獲得最佳效果，引腳ADCINxx要盡量遠離數字信號線(xiàn)，可最大程度地消除數字電路中開(kāi)關(guān)噪聲與A／D轉換器輸入之間的耦合；同時(shí)，A／D模塊的電源引腳與數字電源之間需采用適當隔離。