基于TMS320F2808的信号失真度测量系统设计-王雪辉 等-西华大学-2013-第二届AASRI 计算智能与生物信息学

© 2013 Xuehui Wang.出版社：Elsevier B.V.由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectAASRI Procedia 6（2014）2 - 112013第二届AASRI计算智能与生物信息学基于TMS320F2808的信号失真度测量系统设计王雪辉a *，郝明刚a，刘亮a，刘桂a，王毅a *a西华大学电气与信息工程学院，成都市金牛区，610039摘要以TMS320F2808 DSP芯片为核心，结合信号调理、键盘扫描等外围电路，组成了测量系统的硬件电路。在软件方面，以DSP作为主控制器，实现整个系统的数据采集、控制和管理，利用DSP内部集成的ADC模块实现数据采集，同时利用其内部资源完成FFT算法的实现和优化。现场测试结果表明，该数字信号失真度测量系统实现了设定信号通过测试系统时的时域和频域幅值和频率显示，测量误差小于0.8dB。© 2014作者。出版社：Elsevier B. V.这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所关键词：DSP;数据采集; FFT算法;信号失真1. 介绍在电路分析、生产、维修、测量等领域中，通常以信号源作为激励源。它对所提供的信号质量要求很高，因此，信号失真度的测量就显得尤为重要，通常采用失真度测量仪进行测量，但仪器价格昂贵，携带不便。传统的模拟测试方法对信号失真度的测量已经不能适应当前的发展形势* 王雪慧。联系电话：18782236260。邮箱：blue2008lan@126.com2212-6716 © 2014作者出版社：Elsevier B.诉 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所科学委员会负责的同行评审doi：10.1016/j.aasri.2014.05.002Xuehui Wang等人/ AASRI Procedia 6（2014）23新技术介绍了一种用简单的电子线路测量信号失真度的数字测试方法。该方法具有简单、测试方便、精密度高的特点2. 执行采用实数快速傅里叶变换（RFFT）优化算法设计数字信号失真度测量系统。数字信号失真度测量系统的总体框图如图1所示。给定信号通过测试电路进入模拟通道，经过调理后，信号由DSP内部ADC高速采样。结合FFT算法，利用DSP处理器将采样数据送入LCD显示。Fig. 1.总体系统框图3. 频谱分析通常情况下，输入序列是纯实数，但FFT运算的输入序列是复数，这必须通过人工将虚部替换为零来形成复数序列。但其计算量会增加，计算时间会变长，存储空间会增加，不利于系统的实时处理。鉴于此，我们对原有的实数FFT算法进行了改进，即RFFT优化算法。具体内容如下：若有限序列CKHx（n），n≠0，1，...，2N，将其分解为偶数项g（r）x（2r）和奇数项h（r）x（2r），偶数项作为N点复数有限长序列的实部，奇数项作为N点复数有限长序列的虚部，然后组成这样的序列：y（r）g（r）jh（r），r0，1，.，N1（一）对N点复数个有限长序列进行FFT，可以得到：f04Xuehui Wang等人/ AASRI Procedia 6（2014）22NN1Y（k）y（r）er= 0 j krYR（k），k = 0，1，.，N1（二）从快速傅里叶变换的共轭对称性，我们知道：1Y（k）Y*（Nk）1[Y（k）残疾人（Nk）]j1[Y（k）Y（Nk）]G（k）22RR2IIk0，1，.，N1（三）H（k）j$Y（k）Y*（Nk） [Y（k）Y（Nk）]<j1[Y（Nk）Y（k）]2= 2II2RRk0，1，.，N1（四）由于长度为²N的实数序列×（n）的前半N点FFT是：X（k）<$G（k）<$WkH（k）X R（k）≠jX1（k），k= 0，1，.，N1（五）X（k）的第二半N点FFT为：X（2 N k）X R（2 N k）jX1（2 N k）X R（k）jX1（k），k$0，1，.，N1（六）可用的（3）、（4）类型替换（5）类型：X （k）1[Y（k）（Nk）]<$1cos（k）[Y（k）<$Y（Nk）]R2 RR2NI I（七）1sin（（Nk）]，k0，1，...，N12NR RX（k）<$1[Y（k）<$Y（Nk）]<$1伊萨克岛kY（Nk）]I2 II2cos（N）[R（）R（八）年YkY（Nk）]，k$0，1，... ，N12sin（N）[I（）I公式（1）构成一个N点复序列y（r），由公式（2）得到y（r）的FFT结果Y（k），根据公式（7）、（8），利用Y（k）的实部和虚部得到X（k）的前半部分的实部和虚部，由于FFT谱的对称性，我们只需计算N点X（k）的前半部分的谱[1][2]。Xuehui Wang等人/ AASRI Procedia 6（2014）25与直接计算实数FFT相比，RFFT优化算法减少了近一半的计算量，同时节省了存储空间。显然，RFFT优化算法是一种节省计算量的方法，速度提高了近一倍。它是我们设计的核心算法。6Xuehui Wang等人/ AASRI Procedia 6（2014）2UB-+OPA23541104R7111kR？C？10uR7100kRES3TLJ？J1R7100k671R7100k5R7100kJ？J31TL431R7111k4. 硬件设计4.1. 偏置模块利用TL431芯片设计了1.5V直流偏置源，目的是将输入电压提升到ADC的输入范围。偏置模块如图2所示。TL431是一种三端可编程并联稳压二极管，其可编程电压为36V，输出阻抗为0.22欧姆，具有低输出噪声电压。当它正常工作时，在3-pin和2-pin之间有一个反向电流，并在第三个pin处产生一个2.5V的参考电压，我们将通过调节可变电阻R41得到一个1.5V的参考电压[3]。输出参考电压接在集成运算放大器OPA2134设计的电压跟随器上，实现高输入阻抗、低输出阻抗的功能。OPA2134是一款应用于音频领域的运算放大器，具有超低失真、低噪声、单位增益稳定等优点，可采用双电源供电，带宽为8MHz，具有出色的共模抑制能力，并能在较宽的输入电压范围内保持较低的输入偏置电流，使失真最小化[4]。+5vAC6J2CON1图二.偏置模块原理图4.2. ADC驱动器模块ADC驱动模块原理图如图3所示。如果将输入信号直接送入ADC采集，DSP的数字信号会对输入的模拟信号做干扰，甚至使输入信号严重失真。为此，在信号进入集成DSP的ADC之前加入一个电压跟随器，以实现隔离干扰信号的功能。本模块采用集成运算放大器芯片OPA340对电路（ADC电路）进行设计。OPA340是一款采用CMOS工艺的轨到轨放大器，单电源供电，5.5MHz带宽。由于DSP内部集成ADC的电压范围为0~3V，所以我们使用一个电阻分压器将运算放大器的供电电压限制在0 ~ 3V，即运算放大器的输出电压为0 ~ 3V，从而保护了DSP内部集成ADC。23+Xuehui Wang等人/ AASRI Procedia 6（2014）27图三. ADC驱动器模块原理图5. 软件设计数字化信号失真测试系统的软件设计流程图如图4所示。见图4。程控频谱分析仪从图4中我们知道，首先，系统进行扫描，其次，执行动态键盘扫描，然后显示ADC采样和时域的波形，频域部分的采样频率根据LCD显示的时域信号频率进行设置，ADC采样采用前面设置的频率，采样后的数据通过FFT优化算法得到8Xuehui Wang等人/ AASRI Procedia 6（2014）2处理后得到相应的参数，最后将处理后的数据显示在LCD上。5.1. ADC采样模块DSP内部集成的ADC是连接外部模拟信号的桥梁，时钟必须设置在12.5MHz以下，否则ADC转换的数据会不稳定。本文将ADC时钟设置为12. 5MHz，由软件触发，用定时器0. 0MHz控制ADC的采样速率。ADC采集模块频域流程图如图5所示.图五. ADC采集模块频域5.1.1 ADC采样DSP内部集成的ADC为12位，但实际采样数不足10，采样精度很低。为了获得更高的采样精度，需要将数字电源设计和模拟电源设计分开。为了避开数字信号线，我们连接ADCINxx引脚，并使用外部基准电压源。5.1.2 ADC采样在本设计中，ADC的采样频率分为时域和频域。时域采样率设置为：500Hz、1KHz、5KHz、10KHz、50KHz、100KHz、500KHz、1MHz。系统初始工作频率为1KHz，根据图形显示，通过仪器按键调整采样频率。在频域信号分析中，综合考虑频谱分辨率、LCD分辨率、频谱泄漏等因素，最终选取了1024个采样点，采样频率的等级按照采样点的整数倍（或整除度）来设置，这样可以保证采样的通用性Xuehui Wang等人/ AASRI Procedia 6（2014）29周期性地对测试信号进行频谱分析，减少了测试信号的频谱泄漏，得到了较好的频谱波形。具体分类见表1。表1.频域f1/Hz（待测信号3f/Hz（采样频率3决议频率/Hz[10 500310241[50 0， 100 0320482[1 000， 2 000340964[20 00、 40 00381928[4 000、 5 00031024010[5 000， 1 00032048020[10000，2000034096040[20000，4000038192080[4 0000， 500003102400100【50000、150000】819200800由表1可知，本设计的频谱最小分辨率为1Hz，信号带宽为150KHz。5.2. RFFT算法模块本设计使用CCS原始库文件，设置采样点为1024，使用FFT库[6]的具体步骤如下：(a)512-用1024点实数序列组合点复数序列，完成复数序列的逆序运算。(b)512-对点复序列进行加窗（汉宁）处理，然后对512点复序列进行FFT计算。(c)通过分裂和归约，用基2FFT得到1024点实序列的计算结果。（d）频谱的幅值谱由实部的实部和虚部的平方得到。用FFT处理后的序列，然后规定。FFT库包含CFFT32模块，它提供了128，512，1024点FFT计算模块，同时将所有使用的变量和函数定义到CFFT32模块中，使FFT的接口简单，便于调用FFT[7]。CFFT32的模块结构为：typedef结构{long *ipcbptr;long *tfptr;int size;int nrstage;long *magptr;long *winptr;long peakmag;int peakfrq;10Xuehui Wang等人/ AASRI Procedia 6（2014）2int ratio;void（*init）（void*）; void（*izero）（void *）; void（*calc）（void *）;void（*mag）（void *）; void（*win）（void *）;} CFFT 32;FFT模块初始化程序为：VoidFFT_config（void）{fft.ipcbptr=ipcb;fft.magptr=ipcb;//结果存储在相同的区域fft.init（fft）;}FFT计算模块程序如下：voidCompute_FFT（void）{RFFT32_brev（ipcb，ipcb，N）;//比特反向fft.calc（fft）;//RFFT计算fft.split（fft）;//拆分和缩减fft.mag（fft）;}计算得到的信号幅值格式为Q30数据，将计算得到的信号幅值除以2的30次方后转换为十进制值即为信号的真实幅值，而信号的真实频率也是通过对信号频率进一步处理得到的。我们可以通过以下公式计算得到信号的真实频率。frealnfnfsampleN（九）其中n是谱线上的数，f是采样频率，N是采样数。6. 系统测试为了测试测量系统的性能，我们需要采取以下步骤：首先，根据表1，通过ADC在所有频带范围内对测试信号进行采样。其次，采用RFFT算法对采样数据进行处理。最后，对试验结果进行了统计。图6是系统的现场测试图，表2是具体测试结果。Xuehui Wang等人/ AASRI Procedia 6（2014）211见图6。试验系统表2.带宽上测试信号幅度的测量/Hz（测试信号3的频率/V（测试信号3的输入/V（测试信号3的测量值/dB（误差量）[10 50031约0.980-0.175[50 0， 100 031约0.980-0.175[1 000， 2 00031约0.980-0.175[20 00、 40 0031约0.980-0.175[4 000、 5 00031约0.980-0.175[5 000， 1 00031约0.980-0.175[10000，2000031范围0.990~0.960-0.087~-0.355[20000，4000031范围0.980~0.960-0.175~-0.355[4 0000， 5000031范围0.990~0.920-0.087~-0.724【50000、150000】1范围0.940~0.925-0.537~-0.677从表2的测试结果可知，本设计计算的信号幅度在10 Hz ~ 150 KHz频率范围内比较稳定，最大误差为-0.724dB。该设计在整个带宽范围内平坦性较好，当测量信号幅度在40 ~ 150 KHz之间时误差较大，波动较为明显。从测试信号的频谱图中可以看到信号的频谱泄漏，由于本设计采用了合理的采样点和频率设置，理论上可以对一般信号进行周期性采样，尽量避免泄漏现象。通过对40 KHz ~ 150KHz测试频率范围内的数据分析，发现测试信号幅值的误差主要来源于设计的系统误差。12Xuehui Wang等人/ AASRI Procedia 6（2014）27. 结论利用本文提出的信号失真度测量方法，设计并开发了基于优化FFT算法的信号失真度测量系统，通过现场测试，结果表明该方法是一种可行的测量方法。在一定程度上对抑制频谱泄漏现象取得了显著的效果，提高了测量的准确度。同时，采用该方法研制的信号失真度测量仪具有制作简单、成本低、便于携带等优点，解决了工程应用中现场测试不便的现状。该方法具有良好的实际应用前景。确认西华大学创新基金会（ycjj2 013 613引用[1] 吴晓春。实序列FFT的算法及应用[J]：自动化仪表，2010，151（5）：81- 82.参考书：[2] 基于DSP的实FFT设计与实现[J]：动力学与控制学报，2005，6，3（2），50 -53.[3] 刘翠，熊文军，郑文旭。基于TMS320F2812的复频率信号频率计数器[D]：（TI竞赛论文）.合肥：合肥工业大学，2010.[4] 高性能音频运算放大器（OPA2134）。[5]单电子-SUPPL Y，RAIL-至RAIL，OPERATIONA LAMPLIFIERS（OPA 3 40）[6] 武汉中显科技有限公司TFT Serial of Bus Color LCD用户手册。[7] 殷勇，欧广军，关荣锋。DSP集成开发环境CCS指南[M]。北京：北京航空航天大学出版社，2003。[8] 程培青。数字信号处理教程[M].北京：清华大学出版社，2007.[9] 孙黎明. 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