基于EP7312的嵌入式頻譜分析技術

摘    要：本文以ARM EP7312和CS5341為核心設計了音頻信號采集系統，研究了嵌入式Linux系統的驅動程序設計和基于多線程、模塊化的應用程序設計問題。該系統能夠對采集的信號進行FFT變換、存儲和顯示。
關鍵詞：EP7312；CS5341；數據采集系統；頻譜分析；多線程

在工程應用中，通過數字采集系統對信號進行采集和顯示，可以獲取直觀的時域波形。但往往人們還需要從時域信息中提取出信號的其它特征，如信號的頻域信息。本設計通過數據采集電路對模擬信號進行采集，采用512點的時間抽取基2 FFT算法對采集的數據進行處理，然后在LCD上顯示其頻譜曲線。系統構建于嵌入式Linux操作系統之上，具有嵌入式設備體積小、成本低、功耗低等特點，可便捷地進行語音采集、顯示、處理和聲音信號的頻譜分析，適用于環境監測及故障診斷等場合。

圖1  系統構成圖

 圖2  多線程程序流程圖

圖3  信號的時域圖和頻譜圖

數據采集電路設計
本系統由模數轉換模塊、數據處理和控制模塊、顯示模塊這三部分組成，如圖1所示。
模數轉換芯片采用的是Cirrus Logic公司推出的24位兩通道立體聲模數轉換芯片CS5341，其輸出為串行形式，采樣頻率從32kHz 到192kHz。它有主從兩種工作模式，由主從模式選擇開關進行選擇。
數據處理和控制模塊采用了ARM7系列的嵌入式32位EP7312處理器，主頻為74MHz。
在該設計中，模擬信號經過放大電路可放大為原來的1倍、2倍、4倍或10倍，具體可由放大倍數開關控制。放大倍數通過EP7312的通用端口控制LCD上每個刻度代表的電壓值。CS5341的工作模式為從模式，在該模式下主時鐘、串行數據時鐘和通道選擇時鐘都由EP7312提供，串行數據時鐘的頻率為通道選擇時鐘的64倍，主時鐘頻率為通道選擇時鐘的256倍。當串行數據時鐘處于上升沿時，CS5341輸出一位數據。通道選擇時鐘高電平時左通道有效，低電平時右通道有效。

系統的軟件設計
系統的軟件設計包括驅動設計和應用設計兩部分。
驅動設計
在嵌入式Linux系統中，設備驅動程序隱藏了各種設備的具體細節，維護著設備的正常工作，在用戶與設備之間起到了橋梁作用。開發設備驅動程序是開發嵌入式系統的重要工作之一。在該系統中，涉及兩個驅動程序：CS5341驅動和LCD驅動。EP7312為LCD的控制提供了良好的支持，驅動程序的具體設計可參照參考文獻3。
下面介紹CS5341驅動程序的設計。由于CS5341數據采集速度較快，最高達192kHz。為了與其相匹配，我們采用了快速中斷fiq。與普通中斷不同，快速中斷模式有專用的組合寄存器集,因而大大減少了中斷時間。而快速中斷的申請需要用到中斷處理函數的首地址和末地址，為了得到這兩個地址，中斷處理函數必須用匯編來編寫。因此，該驅動有兩個文件構成：主文件cs5341.c和中斷文件fiq.s。在此著重說明主文件中的設備初始化函數cs5341init()和中斷函數。
int CS5341Init(void)
{
 ..................................
//禁止中斷
  INTMR3 = 0x0;
  //設置相關寄存器
  SYSCON3 |= 0x00000008;
  DAI64FS = 0x60B;
  DAIR =0x00220404;
  DAISR =0xFFFFFFFF;
  DAIR |=0x10000;
 ...................................
 //注冊設備
rc= register_chrdev (cs5341_major, "CS5341", &CS5341_fops);
 ...................................
 //申請fiq
  fiqhandler_start = &dai_fiq_handler_start;
  fiqhandler_length = &dai_fiq_handler_end - &dai_fiq_handler_start;
  if (claim_fiq(&cs5341_fh))
    {
      printk("cs5341_fh: couldn't claim FIQ.n");
       return;
     }
    set_fiq_hander(fiqhander_start, fiqhander_length);
    set_fiq_regs(regs);
  ..................................
 return 0;
}
中斷處理程序：
.....................................
.text
        .align  2
     .global dai_fiq_handler_start
        .global dai_fiq_handler_end
dai_fiq_handler_start:
//程序首地址
........................................
........................................
dai_fiq_handler_end:
//程序末地址
應用程序設計
該系統的應用程序設計主要包括數據存儲、數據處理(FFT)和波形顯示。
數據存儲
在該模塊中，申請兩塊緩沖區buf和buffer，buf用來存放采集的數據，buffer為臨界資源。程序把數據從buf放入臨界資源buffer中，設置一個共享鎖，實現該模塊、數據的處理和顯示模塊的互斥訪問。
數據處理模塊
該模塊采用FFT算法對采集的數據進行處理。
FFT變換的具體實現如下：
首先進行碼位倒置，得到FFT運算所需要的輸入序列。然后采用3層循環完成N點FFT(這里N=512)。
第一層循環：“級”作為第一層循環，N點FFT運算共有M級，這里，我們用m作循環變量，。
第二層循環：“組”作為第二層循環，第m級的組數為，用j作循環變量，。
第三層循環：每組里的蝶形單元作為第三層循環，每一組里共有蝶型單元2m個，用i作循環變量，。
分析上面循環可以得出：第三層循環完成2m個蝶形單元計算；第二層循環使第三層循環進行次，因此，當第二層循環完成時，共進行次蝶形單元計算；第一層循環又使第二層循環進行了M次，因此，當第一層循環完成時，共進行了次蝶型單元計算。
波形顯示模塊
因為要把處理前的數據和經過FFT處理后的數據同時顯示在LCD上，所以，把LCD的上半屏分配給未處理的數據，用于顯示時域圖；下半屏用于顯示頻譜圖。為了把波形顯示在特定的區域，需要對數據進行處理。所采集的數據和FFT變換過的數據的范圍均為0~0XFF，0對應于LCD上Y軸坐標的120和210，0XFF對應于LCD上Y軸坐標的30和120。因此，用于顯示時域圖的數據VAL與其在LCD上Y坐標的關系式為：
Y=120-VAL