基于TMS320F2812便攜式動態信號分析儀設計

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

　　基于數字信號處理的動態信號分析系統應用廣泛且具有重要作用。這里利用TI公司高性價比的數字信號處理TMS320F2812設計了一種便攜式態信號分析儀，該系統信號分析儀可采集動態信號，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。通過實驗測試，該動態信號分析儀簡便直觀，只要接收到信號源，即可觀察信號的多種指標參數。

　　2 動態信號分析原理

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

　　由譜分辨率F=fs／N，如果保持采樣點數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，可增加采樣點數N，因為NT=Tp,T=fs-1，只有增加對信號的觀察時間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

　　便攜式動態信號分析儀的硬件結構圖如圖1所示。被檢測輸入信號經以運算放大器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內核處理單元進行FFT處理。經過DSP運算處理后，實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。鍵盤采用鍵盤查詢方式中斷處理，實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，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低通濾波網絡，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位定點數字信號處理器TMS320F2812。TMS32OF2812是TI公司最新推出的一款32位定點高速DSP芯片，采用8級指令流水線，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時性。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32位通用定時器、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個外圍中斷，并具有McBSP, SPI, SCI和擴展的CAN總線等接口。TMS32OF2812還支持最大1M的外部存貯器擴展。

　　TMS32OF2812支持C/C+十編程語言，其C語言優化器的C編譯效率可達0%，還有虛擬浮點數學函數庫提供支持，可以大大縮短數學運算與控制程序的開發周期。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域川。在對 大 型 工程機械進行狀態監測與故障診斷時首先要對各傳感器的信號進行采集。CAN（co ntorlera eranetwork）總線具有可靠性強、鏈路簡單、支持優先級處理等優點[21，因此我們選擇了基于CAN總線的主/從分布式的測量方式，并開發了基于TMS32OF2812的智能CAN節點，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行數據采集，還可以實現鬧值報警、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CMOS技術，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時控制能力。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，便于現場軟件升級。TMS320F2812帶有128位保護密碼，防止非法用戶通過JTAG仿真接口查看Flash/OTP/L0/L1的內容，訪問外設和裝載某些不合法的軟件，保證相關數據的安全性。A/D轉換器有16個通道，可配置成2個獨立的8通道模塊，便于服務事件管理器A和事件管理器B。這2個獨立的8通道模塊可級聯成一個16通道的模塊。A／D轉換器雖具有豐富的輸入通道和2個排序器，但只有1個轉換器。自動排序允許對同一通道多次轉換，允許用戶使用過采樣算法，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，可最大程度地消除數字電路中開關噪聲與A／D轉換器輸入之間的耦合；同時，A／D模塊的電源引腳與數字電源之間需采用適當隔離。