第1章 绪论
1.1研究现状
数字信号处理(Digital Signal Processing)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[2]。20世纪60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[3]。在过去的二十多年时间里，数字信号处理技术已经在通信等领域得到极为广泛的应用。数字信号处理器(Digital Signal Processor)是针对数字信号处理的需求而设计的一种可编程的单片机，是现代电子技术、计算机技术和信号处理技术相结合的产物，有强大的运算功能和高速的数据传输能力，能方便地处理以运算为主的不允许时延的实时信号，在电子信息、通信、软件、无线电、自动控制、仪器仪表、信息家电等高科技领域得到了广泛的应用，并推动了其他各学科的发展和创新。
1．DSP特点介绍数字信号处理器(DSP)为了适应快速数字信号处理、运算的要求，普遍采用了特殊的硬件和软件，具有如下特点：
(1)改进的哈佛(Harvard)结构 (2)专用的硬件乘法器 (3)指令系统的流水线结构 (4)特殊的DSP指令 (5)硬件配置强 (6)多总线结构 (7)多处理单元
2．DSP芯片的选择设计DSP应用系统，选择DSP芯片是非常重要的一个环节。只有选定了DSP芯片才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的DSP应用系统由于应用场合、应用目的等不尽相同，对DSP芯片的选择也是不同的。一般来说，选择DSP芯片时应考虑到如下诸多因素：
(1)DSP芯片的运算速度 (2)DSP芯片价格
(3)DSP芯片片内硬件资源 (4)DSP芯片的开发工具
1.2方案比较
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本文介绍一种基于高性能DSP的高速数据采集处理系统。实现数据采集系统，有很多种方案，下面就几种基本结构进行比较分析。 1.工控板+AD采集卡模式
该系统由机械控制部分控制设备运行，AD卡对数据进行采集，然后由工业级半长型CUP主板进行处理，处理后的数据通过串口上传计算机系统，这种模式是以前产品多采用的方式，采集速度较快，抗干扰能力强，但结构比较复杂，电气成本，维护成本高，自主知识产权低[5]。 2.微处理器十AD模式
微处理器一般采用8位、16位单片机，如51、196等，速度比较慢，适用于对速度要求不高的场合。如采用高端32位嵌入式微处理器，如ARM系列微处理器，则可以大大提
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高其处理速度，也是一种可行的方案，但单片机的对信号的处理方面不如DSP[6]。 3.DSP十AD+FPGA模式
这种模式采用DSP技术进行设计，自主知识产权高，技术先进。目前是市场的主流，工作原理和上一机型类似，但它也存在一些缺点，主要是传统DSP的控制功能、接口功能较弱，需要配合FPGA进行扩展，以至电路复杂、成本相对较高等[7]。 4.带有内部A/D的DSP模式
此种模式采用带有内部AD转换的高速DSP芯片作为系统核心，数据传输接口采用UBS接口，由此设计的系统具有电气结构简单，成本低，采集与处理速度快等优点。
经过比较，本数据采集系统采用带有内部A/D的TMS320F2812-DSP模式这种结构，这是一种结构简单、功能强大、经济实用、多通道高速数据采集处理系统。
1.3 FFT简介
数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式[8]。近些年来，数字信号处理技术得到了迅速的发展，特别是随着微计算器和超大规模电路的飞跃发展，数字信号处理技术亦得到了更大的发展，并且广泛地应用到了国民经济的各行各业，如雷达、声纳、通信、语音处理、图象处理、地震信号处理、生物医学电子学、数字音频和视频设备、电子测量仪器、噪声控制、电力系统的谐波分析、振动分析和故障诊断等方面，取得了突出的成就[9]。
傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，是声学、语音、电信和信号处理等领域中一种重要的分析工具[10]。离散傅立叶变换(DFT)是连续傅立叶变换(DFT)是连续傅立叶变换在离散系统中的表示形式。由于DFT的计算量很大，因此在很长一段时间内其应用受到很大的限制。直到1965年J.W.Coofy等学者提出并完成了DFT的快速算法 FFT[11]。使DFT的运输大大简化，运算时间缩短1-2个数量级之多。快速傅立叶变换(FFT)技术是数字信号处理中的核心技术，它已广泛应用于数字信号处理的各个领域[12]。
该章介绍了DSP的展及特点，对FFT的发展也进行了说明。实现数据采集的方案也有很多种，经过比较，本文数据采集系统设计采用带有内部A/D的TMS320F2812-DSP模式这种结构。
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第2章 系统总体方案设计
2.1系统框图
扩展 DSP JTAG 引脚 PORT JTAG DSP TMS320F2812 总线 50HZ 正弦信号 TPS767D318 IS61LV51216 电源 RAM 调理电路 A/D 图2-1 数据采集示意图
2.2系统工作原理
1．数据采集对象本文的数据采集系统如图2-1所示，采集对象为50Hz左右的正弦波。该正弦信号源由TFG2050-DDS型函数发生器提供。该型号信号发生器能产生40mHz-50MHz的正弦波。
2．数据采集的信号调理如图2-1所示50Hz的正弦信号分成两部分，由于双极性信号不能直接接入TMS320F2812的A/D输入引脚，所以一部分要经过调理电路设计得到0～3V的信号，接入TMS320F2812的AD输入通道ADCH。
3．本文中TMS320F2812的电源设计采用TPS767D318作为POWER供给。选择SN74CBTD3384作为电平转换芯片。
4．本文中的外扩设计采用高速低电压的IS61LV5128-10T芯片作为系统的存储器件。具体设计在3.3.4系统RAM的外扩设计中将详细介绍。
5． FFT在TMS320F2812上的实现，并在集成开发环境CCS下进行软件仿真，进行验证了FFT算法的正确性。 2.3 小结
本章主要介绍了系统总体方案设计的整体结构，总的组成框架以及外围模块的简略概述，具体的详细设计将在第3章硬件部分和第4章软件部分阐述。
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第3章系统硬件设计实现
3.1 基于TMS320F2812的数据采集设计
对于一个DSP应用系统，数据采集的重要性是十分显著的。它是DSP与外界连接的桥梁[13]。A/D转换器是采集通道的核心，也是影响数据采集系统速率和精度的主要因素，数据采集系统各器件的定时关系是严格的，以确保系统精度，DSP中的定时电路和逻辑控制电路按照各个器件的工作次序产生时序信号和依据时序信号产生逻辑控制信号[14]。
同传统A/D相比，嵌入式A/D有如下特点：在A/D模块的硬件资源配置好后，用户可用软件指令随时启动A/D采样，并获得A/D转换结果。同传统A/D不同的是，采集功能单元的硬件资源配置还有一部分是通过软件完成的。外界的模拟量通过传感器采集进来后，进入多路模拟选择器，经过采样保持，送到12位的模拟数字转换器，将转换结果经过多路选择开关进入结果寄存器中。来自外界传感器的输入模拟信号经过输入信号调理(信号调理是通过信号经过调理电路来实现的)，多路模拟选择器(MUX)，采样保持放大器(SHA)，进入模拟数字转换器(ADC)转换为计算机可以接受的数字信号[15]。
输入 CPU 输入模拟信号 总线 调理
SHA ADC
MUX 存储
图3-1 典型结构的数据采集系统框图
本文中TMS320F2812芯片上集成了多路模拟选择器(MUX)，采样保持放大器(SHA)，模拟数字转换器(ADC)以及计算机缓冲接口等功能。
1．多路模拟选择器(MUX)数据采集系统往往要对多路模拟量进行采集，在不要求高速采样的场合，一般采用公共的A/D转换器，分时对各路模拟量进行A/D转换，目的是简化电路，降低成本。可以用多路模拟选择开关轮流切换各路模拟量与A/D转换器间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到A/D转换器，从而实现分时转换的目的。一般多路模拟选择开关有个模拟输入端，N个通道选择器，由N个选通信号控制选择其中一个开关闭合，使对应的模拟输入端与多路开关的输出端接通，让该模拟信号通过。有规律地周期性改变N个选通信号，可以按固定的序列周期性闭合各个开关，构成一个周期性分组的分时复用输出信号，由后面的A/D转换器分时复用对各通道模拟信号进行周期性转换。在F2812上有16个多路选择入口，即最多可以对16路信号进行分时复用转换。
2．采样保持器(SHA)A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时间内希望A/D转换器输入端的模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度。这可以用采样
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保持器来实现，采样保持器的加入，大大提高了数据采集系统的采样频率。F2812上拥有2个采样保持器(SHA)。
3．模数转换器(ADC)因为计算机只能处理数据信号，所以需要把模拟信号转换成数字信号，实现这一转换功能的器件是A/D转换器。A/D转换器是采样通道的核心，因此A/D转换器是数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。F2812尽管有多个输入通道和两个排序器，但只有一个模数转换器。A/D转换器是将一个模拟信号变成数字信号的电路，对于输入端模拟信号，A/D转换器首先将输入模拟信号取样，为保证不产生取样过程的失真，取样频率必须满足取样定理的要求，所得取样信号时间上离散而在幅度上连续的信号序列。然后，对这个序列中的每个取样值进行量化，因为数字信号只能表示有限个数值，而取样信号的幅度值是连续的，这就需要将取样信号的幅度值用数字信号所能表示的有限个数值中最接近的一个来表示，这个过程称为量化。然后将已量化的信号用数字信号表示，从而完成模拟信号到数字信号的转换。
从信号理论可知，只要满足采样定理的条件，采样过程并不产生失真，即从采样信号序列可以完全恢复原来的模拟信号。但量化过程则必然产生失真，因为它改变了采样信号序列中各取样值的数值，称这种失真为量化失真或量化误差。量化可分为两种，均匀量化和非均匀量化。均匀量化是把输入信号的取值域按等距离分割的量化。对于均匀量化，如果输入信号的最大幅值确定，则数字信号的位数越多，则字越长，量化失真就越小，数字信号所能分辨的模拟信号的幅度变化就越细，表示该A/D转换器的分辨率越高[16]。若假定输入模拟信号的最大幅度为A，数字信号的字长N，即每个取样值用N个码元(N个比特)表示，则该数字信号可以表示2N个离散值，它能够准确表示的数值之间的间隔可由式2-1表示：
A ??N（2-1） 2-1由于量化所产生的最大的量化误差由式2-2表示： ?A ?=???（2-2）N22(2-1)
非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度(实际中常常是这样)时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例[17]。因此，量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的信号量噪比。模数转换器的位数是ADC的分辨率，在式(2-3)中，N就代表模数转换器的位数，所以位数越多，量化电平越低，量化信号的每个台阶就越小，这样与模拟信号就更加接近。所以选择高分辨率的模数转换器，可以将量化噪 声减少到可以允许的程度。但从提高精度的角度出发模数转换器的位数与采样频率是相互制约的，所以要根据实际应用选择合适的ADC。
3.2 TMS320F2812功能模块概述
TMS320C2000DSP平台整合了高性能的DSP内核、内部Flash存储器、高精确度模拟外设、数字控制及通信外设等。为用户提供了单芯片实现高性能控制的解决方案，TMS320F2812主要功能模块如下图3-2所示[18]：
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