基于TMS320F2812便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)

　　動(dòng)態(tài)信號(hào)分析是將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)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(yùn)算需要N2次乘法操作，需用大量運(yùn)算時(shí)間。而FFT運(yùn)算可將運(yùn)算減少到（N/2）log2N次乘法，因此，F(xiàn)FT成為動(dòng)態(tài)信號(hào)分析的核心算法。

　　基于數(shù)字信號(hào)處理的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)應(yīng)用廣泛且具有重要作用。這里利用TI公司高性價(jià)比的數(shù)字信號(hào)處理TMS320F2812設(shè)計(jì)了一種便攜式態(tài)信號(hào)分析儀，該系統(tǒng)信號(hào)分析儀可采集動(dòng)態(tài)信號(hào)，并處理數(shù)據(jù)的頻域，可直接在LCD上顯示信號(hào)各分量頻率值、功率值、失真度等。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀簡便直觀，只要接收到信號(hào)源，即可觀察信號(hào)的多種指標(biāo)參數(shù)。

　　2 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析原理

　　動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀是應(yīng)用于聲音分析，機(jī)械振動(dòng)分析和控制系統(tǒng)分析等領(lǐng)域的常用電子儀器。動(dòng)態(tài)信號(hào)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(hào)分析FFT算法。本系統(tǒng)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(shù)即所謂FFT的“基數(shù)”。在基數(shù)為2的N點(diǎn)FFT中，設(shè)N=2，則總共可分成M級(jí)運(yùn)算，每級(jí)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(fù)數(shù)乘法對(duì)N點(diǎn)FFT需計(jì)算（N/2）log2N個(gè)復(fù)數(shù)乘法、（N／2）log2N個(gè)復(fù)數(shù)加法。一般來說，F(xiàn)FT比DFT運(yùn)算量要小得多，N點(diǎn)的FFT需做（N／2）log2N次乘法運(yùn)算，而N點(diǎn)DFT需要做／N2次乘法運(yùn)算，由此看來N點(diǎn)DFT運(yùn)算量大約是FFT的2N/log2N倍，分析動(dòng)態(tài)信號(hào)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(shù)N不變，提高其分辨率（F減小），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(shù)N，因?yàn)镹T=Tp,T=fs-1，只有增加對(duì)信號(hào)的觀察時(shí)間Tp，才能增加N。Tp和N可以按照的條件選擇。

　　3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。被檢測(cè)輸入信號(hào)經(jīng)以運(yùn)算放大器LM358為核心的調(diào)理電路后送至TMS320F2812 DSP內(nèi)部自帶的12位A／D轉(zhuǎn)換器采樣后，其數(shù)字輸出信號(hào)送至DSP內(nèi)核處理單元進(jìn)行FFT處理。經(jīng)過DSP運(yùn)算處理后，實(shí)現(xiàn)各分量頻率值和功率值的計(jì)算，信號(hào)失真度的計(jì)算和周期信號(hào)的檢測(cè)，其分析結(jié)果由屏幕式LCD顯示。鍵盤采用鍵盤查詢方式中斷處理，實(shí)現(xiàn)各種工作模式和顯示界面的切換。

　　3.1 調(diào)理電路

　　在設(shè)計(jì)調(diào)理電路時(shí)，由于要將被采樣信號(hào)的電壓幅度調(diào)理到A／D轉(zhuǎn)換器所能接收的范圍內(nèi)并濾除高頻噪聲信號(hào)，因此采用級(jí)聯(lián)方式。其中第一級(jí)選擇高精度集成運(yùn)算放大器LM358組成電壓跟隨器，具有隔離作用；而第二級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的比例放大和低通濾波，如圖2所示。圖2中運(yùn)算放大器LM358構(gòu)成反向比例放大電路，Ui是經(jīng)第一級(jí)電壓跟隨器隔離后的電壓信號(hào)，R1、R3構(gòu)成反向比例電路，將輸入信號(hào)按比例縮小4.7倍，C3、R3構(gòu)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(shè)計(jì)要求（其信號(hào)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(diào)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(hào)U0送至第三級(jí)加法電路。第三級(jí)加法電路可將信號(hào)升高0 V以上，滿足A／D轉(zhuǎn)換需求（該系統(tǒng)采用TMS320F2812內(nèi)部自帶A／D轉(zhuǎn)換器）。調(diào)理完成后送至DSP進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。

　　3.2 系統(tǒng)控制單元

　　系統(tǒng)控制單元采用32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)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(jí)指令流水線，單周期32 x 32位MAC功能，最高速度每秒鐘可執(zhí)行1.50億條指令（150MIPS），保證了控制和信號(hào)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(kuò)展模塊（PIE）可支持45個(gè)外圍中斷，并具有McBSP, SPI, SCI和擴(kuò)展的CAN總線等接口。TMS32OF2812還支持最大1M的外部存貯器擴(kuò)展。

　　TMS32OF2812支持C/C+十編程語言，其C語言優(yōu)化器的C編譯效率可達(dá)0%，還有虛擬浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫提供支持，可以大大縮短數(shù)學(xué)運(yùn)算與控制程序的開發(fā)周期。TMS32OF2812非常適用于電機(jī)控制、電源設(shè)計(jì)、智能傳感器設(shè)計(jì)等應(yīng)用領(lǐng)域川。在對(duì) 大 型 工程機(jī)械進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷時(shí)首先要對(duì)各傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集。CAN（co ntorlera eranetwork）總線具有可靠性強(qiáng)、鏈路簡單、支持優(yōu)先級(jí)處理等優(yōu)點(diǎn)[21，因此我們選擇了基于CAN總線的主/從分布式的測(cè)量方式，并開發(fā)了基于TMS32OF2812的智能CAN節(jié)點(diǎn)，它具有10路模擬量輸人，4路數(shù)字量輸人，不僅可以根據(jù)中心處理主機(jī)的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還可以實(shí)現(xiàn)鬧值報(bào)警、數(shù)字濾波、m 變換等功能，可以大大減輕中心處理主機(jī)的運(yùn)算負(fù)荷。

　　TMS32OF2812采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻達(dá)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(nèi)存儲(chǔ)器資源包括：片內(nèi)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(chǔ)器OTP。片上Flash／ROM具有可編程加密特性，便于現(xiàn)場(chǎng)軟件升級(jí)。TMS320F2812帶有128位保護(hù)密碼，防止非法用戶通過JTAG仿真接口查看Flash/OTP/L0/L1的內(nèi)容，訪問外設(shè)和裝載某些不合法的軟件，保證相關(guān)數(shù)據(jù)的安全性。A/D轉(zhuǎn)換器有16個(gè)通道，可配置成2個(gè)獨(dú)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(dú)立的8通道模塊可級(jí)聯(lián)成一個(gè)16通道的模塊。A／D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。自動(dòng)排序允許對(duì)同一通道多次轉(zhuǎn)換，允許用戶使用過采樣算法，相對(duì)傳統(tǒng)單次采樣轉(zhuǎn)換，這將提高結(jié)果的精度。

　　為了獲得規(guī)定的A／D轉(zhuǎn)換器精度，須采用正確的線路板布局。為了獲得最佳效果，引腳ADCINxx要盡量遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)線，可最大程度地消除數(shù)字電路中開關(guān)噪聲與A／D轉(zhuǎn)換器輸入之間的耦合；同時(shí)，A／D模塊的電源引腳與數(shù)字電源之間需采用適當(dāng)隔離。