畢業(yè)設(shè)計（論文）基于TMS320F2808的數(shù)字音頻掃頻儀

1、基于tms320f2808的數(shù)字音頻掃頻儀目錄摘要4引言41系統(tǒng)指標(biāo)52系統(tǒng)方案72.1方案介紹82.2方案分析83系統(tǒng)工作原理83.1信號發(fā)生單元83.1.1pwm模塊簡介93.1.2等面積pwm法93.1.3正弦逼近算法113.1.4掃頻步進(jìn)精度133.2信號接收單元133.3數(shù)據(jù)處理單元143.3.1多次測量求均值算法143.3.2單頻點dct算法163.4控制顯示單元164系統(tǒng)硬件設(shè)計174.1dsp電源模塊184.2adc參考電平模塊194.3信號調(diào)理1204.4信號調(diào)理2204.5sci通信電路214.6帶阻網(wǎng)絡(luò)模塊214.7實際制作電路板圖示225系統(tǒng)軟件設(shè)計235.1總體框圖2

2、35.2初始化235.3中斷245.4控制調(diào)度255.4.1全局流程圖255.4.2dsp各模塊運作流程265.4.3pc機(jī)上串口通信的軟件設(shè)計275.5iqmath庫285.5.1iqmath簡介285.5.2iqmath原理286測試結(jié)果286.1測試場景296.2關(guān)鍵點測試296.3系統(tǒng)實測326.3.1測試流程326.3.2訓(xùn)練結(jié)果326.3.3測試結(jié)果及分析33參考文獻(xiàn)35附錄文檔36圖 1數(shù)字掃頻儀組成框圖5圖 2比較單元和pwm電路產(chǎn)生的非對稱pwm波形(x=1,2,3,4,5,6)9圖 3 pwm模擬正弦波原理圖9圖 4信號在目的信號上的分量隨采樣點變化圖示（）12圖 5 ad

3、c模塊框圖14圖 6 sci模塊框圖17圖 7 dsp電源系統(tǒng)18圖 8 dsp供電圖示18圖 9 adc參考電平設(shè)計19圖 10信號調(diào)理120圖 11信號調(diào)理220圖 12 sci通信電路21圖 13帶阻網(wǎng)絡(luò)22圖 14實際制作電路板22圖 15系統(tǒng)總體框圖23圖 16全局流程圖25圖 17 pwm模塊流程圖26圖 18 adc模塊流程圖 圖 19 sci模塊流程圖27圖 20測試場景圖示29圖 21 pwm波形及濾波后正弦波形30圖 22 帶阻網(wǎng)絡(luò)輸入輸出2khz左右信號30圖 23帶阻網(wǎng)絡(luò)輸入輸出10khz左右信號31圖 24帶阻網(wǎng)絡(luò)輸入輸出20khz左右信號31圖 25兩個低通濾波器理

4、論幅頻特性32圖 26實測訓(xùn)練幅頻特性（5次掃頻）33圖 27帶阻網(wǎng)絡(luò)理想幅頻特性33圖 28示波器實測帶阻網(wǎng)絡(luò)幅頻特性34圖 29本系統(tǒng)實測帶阻網(wǎng)絡(luò)幅頻特性（1次測量）34圖 30本系統(tǒng)實測帶阻網(wǎng)絡(luò)幅頻特性（5次測量）35表 1掃頻儀系統(tǒng)參數(shù)6表 2帶阻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)6表 3陷波器補償算法參數(shù)7 摘要：本設(shè)計采用tms320f2808 dsp芯片，制作了一臺音頻頻率數(shù)字掃頻儀，能夠測量未知網(wǎng)絡(luò)音頻范圍內(nèi)的幅頻特性。該系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)軟件可調(diào)，并可通過算法設(shè)計實現(xiàn)相頻特性的測量，同時小巧靈活，具有實時性強(qiáng)，精度高的特點。用戶可以通過pc機(jī)上友好的用戶界面方便靈活地控制整個系統(tǒng)的工

5、作，查看數(shù)據(jù)及觀察測試曲線。關(guān)鍵詞：數(shù)字掃頻儀，dspdigital audio sweep generator based on tms320f2808 xu lifei wanghuanhuan sun(school of information science and technology, university of science and technology of china)abstract:the digital audio sweep generator is designed with tms320f2808 dsp chip to measure the amplitud

6、e-frequency characteristic of unknown systems. besides, the system can also be developed to measure the phase-frequency characteristic by adjusting the key parameters of software. the sweep generator is able to implement high real-time and precision measurements separated from the simulation environ

7、ment. a friendly gui is designed to control the system and display the results on pc.key words:digital sweep generator，dsp.引言我們選作的題目是“基于c2000的音頻范圍掃頻儀”，題目要求設(shè)計并制作一臺音頻頻率數(shù)字掃頻儀，測量帶阻網(wǎng)絡(luò)幅頻特性。發(fā)揮部分要求為c2000設(shè)計幅頻均衡算法，用以補償陷波器的陷波特性，并分析c2000能否實時處理。本設(shè)計順利完成了該題目的基本要求及發(fā)揮部分。本文介紹掃頻儀的設(shè)計、實現(xiàn)及測試結(jié)果，發(fā)揮部分以附錄文檔的形式給出。我們的小組由三位本科生組

8、成，第一次獨立設(shè)計pcb電路板、獨立設(shè)計dsp代碼，設(shè)計中遇到諸多困難，但一一克服，受益匪淺。在此向中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)無線網(wǎng)絡(luò)通信實驗室的老師及師兄師姐的大力幫助表示感謝，同時感謝ti工作人員的熱心幫助和樣片的及時提供，由衷地感謝ti公司能夠為我們提供這次鍛煉的機(jī)會。1 系統(tǒng)指標(biāo)本系統(tǒng)設(shè)計基本要求完成數(shù)字音頻掃頻儀，組成框圖如圖 1所示圖 1數(shù)字掃頻儀組成框圖掃頻儀的題目設(shè)計要求： 掃頻信號發(fā)生：1. 不得使用外部dac或dds芯片，只能使用c2000內(nèi)部pwm信號發(fā)生器。2. 掃頻信號頻率范圍2020khz，步進(jìn)小于10hz（1hz時此項滿分）。3. 信號調(diào)理1的輸出幅度應(yīng)在03v；具體峰峰值

9、不限，輸出阻抗為。 幅頻特性測量1. 信號調(diào)理2的輸入電阻為600w。2. 應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)獲取帶阻網(wǎng)絡(luò)在2020khz間的幅頻特性，不得使用硬件真有效值檢測電路。3. 必須使用c2000內(nèi)建adc進(jìn)行設(shè)計。 幅頻特性顯示1. 使用c2000的uart和電腦顯示器通信，設(shè)計顯示界面和簡單界面；或利用模擬示波器。本設(shè)計中的掃頻儀系統(tǒng)： 掃頻信號發(fā)生：1. 采用tms320f2808內(nèi)置pwm模塊產(chǎn)生pwm信號。2. 掃頻信號頻率范圍為20-20khz，步進(jìn)1hz。3. 信號調(diào)理1為26.5khz的低通濾波器，輸出峰峰值為3v，輸出阻抗。 幅頻特性測量1. 信號調(diào)理2輸入電阻為600w。2.

10、采用c2000內(nèi)置adc對信號進(jìn)行采樣，由dsp對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 幅頻特性顯示1. 使用c2000的uart模塊和pc機(jī)通信，將結(jié)果通過9針串口傳送給pc機(jī)，由pc機(jī)顯示器顯示幅頻特性曲線。掃頻儀系統(tǒng)參數(shù)如表 1所示：參數(shù)名稱參數(shù)值可擴(kuò)展性備注掃頻范圍2020khz軟件可調(diào)掃頻周期12.28s軟件可調(diào)多次掃描求均值時，逐級遞增1.39s測量范圍軟件可調(diào)隨著測量周期數(shù)的增加，測量范圍將逐步擴(kuò)大測量精度不可調(diào)隨信噪比的提高而改善，信噪比減小則會惡化掃頻信號峰峰值3v軟件可調(diào)pwm脈沖寬度軟件可調(diào)adc采樣頻率390khz軟件可調(diào)adc采樣精度12位采樣不可調(diào)采樣誤差為步進(jìn)1hz軟件可調(diào)，最小步進(jìn)0

11、.61hz可以通過使用更高精度iq數(shù)據(jù)類型或者采用多個數(shù)據(jù)表示一個變量的方法，進(jìn)一步提高步進(jìn)精度表 1掃頻儀系統(tǒng)參數(shù)帶阻網(wǎng)絡(luò)的題目設(shè)計要求：1. 必須使用有源濾波器。2. 帶阻網(wǎng)絡(luò)的最大衰減10db。3. 帶阻網(wǎng)絡(luò)可拆卸。本設(shè)計中的帶阻網(wǎng)絡(luò)：1. 采用opa363芯片設(shè)計為二階有源帶阻網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為sallen-key結(jié)構(gòu)。2. 帶阻網(wǎng)絡(luò)最大衰減50db。3. 帶阻網(wǎng)絡(luò)為獨立模塊，與掃頻儀通過sma口連接，可拆卸。帶阻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表 2所示：參數(shù)名稱參數(shù)值可擴(kuò)展性備注最大衰減頻率10.9khz簡單更換電阻、電容可調(diào)最大衰減50db不可調(diào)理論值為增益1不可調(diào)q0.5不可調(diào)表 2帶阻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)發(fā)揮部

12、分的題目要求：1. 設(shè)計幅頻均衡算法，用以補償陷波器的陷波特性，均衡結(jié)果2020khz頻率范圍內(nèi)的通帶起伏不大于1.5db。2. 并分析均衡算法的運算量，給出c2000能否實時處理的依據(jù)。本設(shè)計中的發(fā)揮部分：1. 本設(shè)計中對sallen-key結(jié)構(gòu)的陷波器進(jìn)行補償，補償算法參數(shù)如表 3所示。對于該陷波器的零點提出一種破零算法進(jìn)行補償，具體分析見附錄文檔1。陷波器采用sallen-key結(jié)構(gòu)，中心頻率10khz，增益為1，q=0.5，目的函數(shù)為切比雪夫i型濾波器，采樣頻率。參數(shù)名稱參數(shù)值備注切比雪夫i型濾波器階數(shù)6隨參數(shù)變化而變 化均衡系統(tǒng)函數(shù)圖見附錄文檔1均衡離散域函數(shù)c2000能否實時處理見

13、附錄文檔1表 3陷波器補償算法參數(shù)2 系統(tǒng)方案本設(shè)計目標(biāo)為采用tms320f2808 dsp芯片設(shè)計數(shù)字音頻掃頻儀。該掃頻儀由4大功能模塊組成，分別為：信號發(fā)生模塊，信號接收模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和控制顯示模塊。2.1 方案介紹信號發(fā)生模塊由dsp芯片內(nèi)置的pwm模塊及外圍低通濾波器組成，發(fā)射2020khz的掃頻信號。信號接收模塊由dsp芯片內(nèi)置的adc模塊及外圍低通濾波器組成。該模塊的低通濾波器對接收到的信號進(jìn)行濾波，去除高頻噪聲，然后由adc模塊對信號進(jìn)行采樣，得到數(shù)字信號。信號處理模塊由dsp對采樣得到的數(shù)字信號進(jìn)行處理，得到系統(tǒng)幅頻特性?？刂坪惋@示模塊由dsp芯片內(nèi)置的sci模塊及pc機(jī)組

14、成。該模塊的pc機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)出控制指令，接收dsp傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并顯示結(jié)果，sci模塊負(fù)責(zé)完成dsp和pc機(jī)之間的通信。2.2 方案分析信號發(fā)生模塊采用dsp芯片內(nèi)置pwm模塊輸出幅值固定，寬度可變的脈沖信號。在系統(tǒng)時鐘為100mhz時，脈沖寬度的最小調(diào)節(jié)單位為。脈沖最大寬度可以設(shè)計為數(shù)量級，即脈沖頻率為數(shù)量級。該頻率，通過外圍低通濾波器可以產(chǎn)生2020khz的掃頻信號。信號接收模塊采用dsp芯片內(nèi)置的adc模塊對接收到的信號進(jìn)行采樣。該模塊采用12bit采樣精度，輸入信號范圍為03v?？梢酝ㄟ^外圍低通濾波器的設(shè)計使得輸入信號范圍滿足要求。該模塊的最高采樣頻率為12.5mhz，采樣精度為12bit，采

15、樣誤差為，完全可以滿足2020khz信號幅頻特性測量的要求。信號處理模塊采用dsp對采樣得到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。c2000系列dsp芯片的cpu運行于4級流水線方式。指令周期近似等于時鐘周期，同時iqmath庫可以大大提高復(fù)雜運算的處理速度。控制和顯示模塊通過dsp內(nèi)置sci模塊與pc機(jī)通信，該通信可以進(jìn)行雙工通信，c2000系列dsp最大傳輸速率高達(dá)12.5m baud。完全可以滿足設(shè)計要求。綜合以上分析，可知系統(tǒng)方案具有可實現(xiàn)性。3 系統(tǒng)工作原理本章主要介紹系統(tǒng)信號發(fā)生單元，信號接收單元，數(shù)據(jù)處理單元，控制顯示單元的總體設(shè)計并分析設(shè)計原理。3.1 信號發(fā)生單元信號發(fā)生單元由dsp內(nèi)置pwm模塊及

16、外圍低通濾波器組成。低通濾波器的設(shè)計將在系統(tǒng)硬件設(shè)計中給出，下面論述pwm模塊的工作原理及信號發(fā)生算法的設(shè)計原理。3.1.1 pwm模塊簡介pwm(pulse width modulation)信號是指周期和幅值固定、寬度可變的脈沖序列。tms320f2808 dsp芯片采用定時器比較匹配的方式輸出幅值固定、寬度可變的脈沖信號，設(shè)計中采用up-count mode，如圖 2所示。圖 2比較單元和pwm電路產(chǎn)生的非對稱pwm波形(x=1,2,3,4,5,6)通用定時器（tbctr）從0開始計數(shù)直到與設(shè)定的比較寄存器的值ca匹配,相應(yīng)的輸出引腳(epwmxa)電平跳變，當(dāng)tbctr計數(shù)增加到與tb

17、prd匹配則發(fā)生第二次電平跳變。3.1.2 等面積pwm法 占空比變化的pwm信號經(jīng)過低通濾波器產(chǎn)生正弦信號如圖所示：圖 3 pwm模擬正弦波原理圖等面積pwm法的基本思想是相同時間間隔內(nèi)的pwm波的面積與調(diào)制波的面積相等，正弦波等面積pwm法的調(diào)制原理為：假定一個周期內(nèi)pwm波的脈沖數(shù)為n，將參考正弦波的整個周期t分為n等分，在第i個區(qū)間正弦波的面積為：公式 1pwm波幅值為e，用單極性調(diào)制，則第i個區(qū)間的面積為：公式 2注：為pwm高電平的寬度， 為pwm的周期，為正弦波的周期，由兩者面積相等，即：，推導(dǎo)可得：公式 3由pwm波調(diào)制得到的正弦波幅度相同，即,又,最終得到：公式 4計數(shù)值ca

18、，tbprd與,的對應(yīng)關(guān)系為：公式 5由(4)(5)得到：公式 6對應(yīng)的正弦波頻率和采樣點數(shù)以及pwm頻率的關(guān)系為：公式 7結(jié)合公式 8可以得到：公式 9已知,為了獲得20hz到20khz的正弦波，tbprd需要作相應(yīng)的變化，即：公式 103.1.3 正弦逼近算法上述算法針對面積進(jìn)行設(shè)計，在采樣點較多的時候可以很好地逼近理想波形，但是針對面積實際上相當(dāng)于針對均值進(jìn)行設(shè)計，當(dāng)采樣點數(shù)較少的時候，由于大量直流分量的引入，對信號均值造成較大影響，使得所得波形大幅度偏離所要的正弦波。本系統(tǒng)算法采用傅里葉分析，提取脈沖信號中所需信號分量進(jìn)行設(shè)計，并綜合考慮dsp實時處理能力，從幾個可實現(xiàn)算法中，選取最優(yōu)

19、算法使用。為簡化分析，設(shè)所得目的信號，即為f(t)=sin(t)。每個周期采樣點數(shù)為n。則對于信號：公式 11對該信號進(jìn)行傅里葉變換：公式 12即對于信號在目的函數(shù)f(t)=sin(t)上的分量為。上述等面積法中：公式 13設(shè)pwm發(fā)送信號脈沖高度為1，則對于等面積法：公式 14現(xiàn)給出三種簡單實現(xiàn)算法：算法1采用正弦波第i個區(qū)間x軸中央取值對應(yīng)y軸取值作為占空比取值，即：公式 15算法2采用正弦波第i個區(qū)間始端值的y軸取值作為占空比取值，即：公式 16算法3采用正弦波第i個區(qū)間始端及末端的y軸取值的均值作為占空比取值，即：公式 17對信號分別作運算：公式 18并計算隨n的變化，仿真如圖所示：圖

20、 4信號在目的信號上的分量隨采樣點變化圖示（）如圖 4所示，藍(lán)色曲線為等面積法結(jié)果，綠色曲線為算法1結(jié)果，紅色曲線為算法2結(jié)果，黑色曲線為算法3結(jié)果?？梢钥吹剿惴?在隨著采樣點數(shù)的減少時的變化較慢，即對理想信號的逼近最為理想，故設(shè)計中采用正弦逼近算法1進(jìn)行設(shè)計，即：公式 19式中：公式 20其中為脈沖頻率，系統(tǒng)中設(shè)計為125khz，為輸出信號頻率。為提高系統(tǒng)精度，實際設(shè)計中n含有小數(shù)部分。3.1.4 掃頻步進(jìn)精度從公式20可以看出，正弦信號頻率的改變?nèi)Q于采樣點間隔，則頻率的步進(jìn)精度取決于所能達(dá)到的精度。采用iqmath庫函數(shù)實現(xiàn)該數(shù)據(jù)運算，在數(shù)據(jù)格式設(shè)定為iq15的情況下得到的最高步進(jìn)精度為

21、：公式 21即本項目的掃頻信號步進(jìn)精度最高達(dá)0.61hz。更改系統(tǒng)中使用的iq數(shù)據(jù)類型可以對步進(jìn)精度進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于系統(tǒng)中和要進(jìn)行除法運算，故而在float向iq數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換時可以直接映射，即不乘系數(shù)。采用更高精度的q數(shù)據(jù)類型或者對數(shù)據(jù)采用更復(fù)雜的表示形式，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)步進(jìn)精度，如用兩個數(shù)據(jù)，表示一個變量，即將瓶頸數(shù)據(jù)拆分表示。3.2 信號接收單元信號接收單元由dsp內(nèi)置adc模塊及外圍低通濾波器組成，外圍低通濾波器的設(shè)計見系統(tǒng)硬件設(shè)計。tms320f2808內(nèi)置a/d轉(zhuǎn)換單元，是一個12位流水線的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。功能框圖如下：圖 5 adc模塊框圖該單元為12bit采樣精度，輸入信號范圍0

22、3v。系統(tǒng)中設(shè)計為外部參考電平，順序采樣模式，1通道對轉(zhuǎn)換，adcina0結(jié)果放入adcresult0，采樣頻率為390khz。中斷中將該結(jié)果右移4位送給uint16類型數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理。采樣轉(zhuǎn)換值adcresult:公式 223.3 數(shù)據(jù)處理單元該單元負(fù)責(zé)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出系統(tǒng)幅頻特性，算法的精度將對最終的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，下面論述兩種算法，并分析算法的特性，選取最優(yōu)算法進(jìn)行設(shè)計。3.3.1 多次測量求均值算法 操作流程：1. 采用c2000的adc模塊對經(jīng)過調(diào)理電路后到達(dá)輸入引腳的信號進(jìn)行采樣。2. 對采樣得到數(shù)據(jù)中選取各頻點最大值及最小值，計算出各頻點峰峰值。3. 多次測量求平

23、均，作為測量最終的峰峰值，計算系統(tǒng)幅頻特性。該算法數(shù)據(jù)處理簡單，易實現(xiàn)，可以得到系統(tǒng)幅頻特性。但單周期掃描精度較低，尤其在待測系統(tǒng)衰減較大時，系統(tǒng)信噪比較低，測量精度大幅度降低。可以通過多次測量求均值的辦法來提高系統(tǒng)信噪比，進(jìn)而提高測量的精度。原理如下：設(shè)為單頻點第次測量得到有用信號分量，為第次測量中的噪聲分量，每次接收信號:公式 23設(shè)，為高斯噪聲，均值為0，方差為，且每次采樣噪聲互不相關(guān)。則為均值為，方差為的高斯信號。均值信號：公式 24則有：公式 25公式 26由于方差為且互不相關(guān)，可得：公式 27將公式 5代入公式 4可得：公式 28即為均值為，方差為的高斯信號?？梢钥吹诫S著n的增大，

24、的均值不變，方差逐漸變小，系統(tǒng)的信噪比逐步改善，測量精度將隨著測量周期數(shù)n的增加而得到提高。3.3.2 單頻點dct算法 操作流程1. 采用c2000的adc模塊對經(jīng)過調(diào)理電路后到達(dá)輸入引腳的信號進(jìn)行采樣。2. 對采樣得到數(shù)據(jù)中選取單頻點dct運算，計算出各頻點頻域值，得到系統(tǒng)幅頻特性。該算法對每個頻點接收信號，由于已知該頻點頻率，進(jìn)行運算：公式 29式中m為該頻點采樣點數(shù)，運算得到該頻點頻域值，則可以通過先訓(xùn)練再測量的方法得出系統(tǒng)的幅頻特性及相頻特性。對于噪聲而言，單頻點dct運算濾除其它頻率的噪聲分量，相當(dāng)于濾波作用，大大削弱噪聲的影響，系統(tǒng)信噪比得到改善，精度得到提高。但是頻譜泄漏將展寬

25、頻譜，在dct處理時，頻譜的周期拓展將對該頻點頻域取值造成影響。可以通過加窗或者增加發(fā)送時間的方法來削弱頻譜泄漏的影響，通過提高采樣頻率削弱頻譜混疊的影響。該算法雖然能得到系統(tǒng)幅頻特性及相頻特性，且硬件電路無需修改。但是存在以下難點：1. adc采樣處理較復(fù)雜，在高實時性要求下，存在處理難度。2. 發(fā)送方與接收方的同步問題，由于路徑延遲，采樣數(shù)據(jù)有可能采到上個頻點的數(shù)據(jù)。在未知系統(tǒng)延遲的情況下需要在頻點切換時插入保護(hù)時隙或者在整個系統(tǒng)啟動測量時，先發(fā)送同步信號，但會加大實時處理的難度。由于單頻點dct處理算法存在實現(xiàn)上的難度，故作為后備方案。而多次測量求均值算法實現(xiàn)簡單并滿足賽事要求，同時隨著

26、測量次數(shù)的增加，系統(tǒng)精度會得到改善，故本系統(tǒng)采用多次測量求均值算法進(jìn)行設(shè)計。3.4 控制顯示單元dsp接收pc機(jī)的控制指令，執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時將處理結(jié)果，通過sci串口傳輸給pc機(jī)。pc機(jī)對收到的結(jié)果進(jìn)行保存，并顯示幅頻特性曲線。sci串口支持全雙工和16級接收發(fā)送fifo緩沖。發(fā)送數(shù)據(jù)存入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器scitxbuf，然后移位到發(fā)送移位寄存器txshf，每次移一位數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)從引腳移位到rxshf，然后再緩沖到scirxbuf。模塊功能框圖如圖6所示：圖 6 sci模塊框圖波特率設(shè)置寄存器允許設(shè)置不同波特率公式 30lspclk為低速時鐘，brr為波特率設(shè)置寄存器數(shù)值。實際設(shè)計中采

27、用的波特率為115.2k baud。4 系統(tǒng)硬件設(shè)計本章主要介紹系統(tǒng)硬件的設(shè)計，給出各模塊的電路結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)，并進(jìn)行簡要的分析。同時，給出實際制作的電路板圖示。4.1 dsp電源模塊圖 7 dsp電源系統(tǒng)供電順序如圖 8所示：圖 8 dsp供電圖示該模塊由tps70351電源芯片提供tms320f2808芯片電壓3.3v及1.8v。利用tps70351自帶上電順序及reset功能，設(shè)計上電順序滿足tms320f2808對上電順序的要求，并為dsp提供reset信號。同時tps70351輸入使能信號設(shè)計為開關(guān)，控制系統(tǒng)整體復(fù)位。4.2 adc參考電平模塊為提高adc采樣的精度，該系統(tǒng)adc模塊

28、采用外部參考電平，電路圖如圖 9所示：圖 9 adc參考電平設(shè)計該模塊采用tps70302提供adc參考電平。adcrefin連接dsp adc模塊參考電平輸入引腳。參考電壓：公式 31r1為100k滑阻，r2為100k固定電阻，輸出電壓adcrefin的范圍為1.2242.448v，本系統(tǒng)采用2.048v作為adc參考輸入電平。為確保adc輸入電平的穩(wěn)定性，輸出在旁路電容濾波后，用電感通直流阻交流，之后再次用及旁路電容實現(xiàn)濾波。在dsp的adcref引腳處同時放置及旁路電容，實現(xiàn)adc參考輸入電平的穩(wěn)定性。小電容靠近輸入引腳，快速充放電功能可以快速平和adc參考輸入電平的快速波動，大電容靠近

29、小電容，在小電容由于存儲電荷不足無法平和電平波動時，由大電容提供進(jìn)一步緩沖，之后再由電源芯片提供驅(qū)動，來保證adc參考輸入電平的穩(wěn)定性。4.3 信號調(diào)理1 圖 10信號調(diào)理1該模塊采用opa363芯片設(shè)計二階有源低通濾波器。dsppwmout為dsp pwm引腳輸出矩形信號，sinout為低通后得到的正弦信號。系統(tǒng)函數(shù)：公式 32轉(zhuǎn)折頻率為：增益：q值：輸出阻抗：tms320f2808輸出占空比變化的pwm信號，經(jīng)過26.5khz低通濾波器輸出0-3v掃頻信號。4.4 信號調(diào)理2 圖 11信號調(diào)理2該模塊采用opa363芯片設(shè)計二階有源低通濾波器。siinin為經(jīng)過待測網(wǎng)絡(luò)之后的信號，dspa

30、dcin為經(jīng)過調(diào)理之后的信號，連接dsp adc信號輸入引腳。系統(tǒng)函數(shù)：公式 33轉(zhuǎn)折頻率為：增益：q值：輸入阻抗：經(jīng)過待測網(wǎng)絡(luò)的信號經(jīng)過26.5khz低通濾波器之后輸入tms320f2808的adcina0引腳進(jìn)行ad采樣處理。4.5 sci通信電路圖 12 sci通信電路該模塊采用tms320f2808的sci模塊，通過9芯標(biāo)準(zhǔn)rs-232口與pc機(jī)進(jìn)行串行通訊，最高傳輸速率6.25mb/s。scitxd連接dsp輸出數(shù)據(jù)引腳，scirxd連接dsp輸入數(shù)據(jù)引腳。4.6 帶阻網(wǎng)絡(luò)模塊帶阻網(wǎng)絡(luò)采用sallen_key 電路結(jié)構(gòu)，并采用opa363有源運放，設(shè)計二階有源帶阻網(wǎng)絡(luò)。結(jié)構(gòu)如下：圖

31、13帶阻網(wǎng)絡(luò)bein為帶阻(band elimination)網(wǎng)絡(luò)輸入引腳，接信號調(diào)理1電路sinout引腳，beout為帶阻網(wǎng)絡(luò)輸出引腳，接信號調(diào)理2電路sinin引腳。系統(tǒng)函數(shù)：公式 34陷波中心頻率：中心頻率衰減：增益：q值：4.7 實際制作電路板圖示圖 14實際制作電路板圖 14所示為實際制作完成的電路板，上面比較大的電路板為掃頻儀電路板，包括一塊tms320f2808芯片，一塊max232芯片，一塊tps70351穩(wěn)壓芯片，一塊tps70302穩(wěn)壓芯片，一個20mhz的晶振，兩個opa363芯片構(gòu)成的兩個低通濾波器及一個9針母頭串口接口和一個14針jtag燒寫口；下面比較小的電路板為

32、帶阻網(wǎng)絡(luò)電路板，包括一塊tps70302穩(wěn)壓芯片及一塊opa363芯片構(gòu)成的帶阻濾波器。5 系統(tǒng)軟件設(shè)計本章主要介紹dsp及pc機(jī)上的軟件設(shè)計，描述系統(tǒng)的具體工作流程及各模塊的參數(shù)設(shè)置。5.1 總體框圖工程分為兩部分，一部分是dsp，另一部分是pc程序。dsp系統(tǒng)中的設(shè)計用到三大模塊，pwm發(fā)送波形，adc采樣，sci數(shù)據(jù)傳輸；pc端程序控制dsp開始和停止掃頻，及對dsp掃頻數(shù)據(jù)的處理顯示。 圖 15系統(tǒng)總體框圖5.2 初始化dsp的初始化模塊負(fù)責(zé)f2808各模塊的初始化，包括系統(tǒng)初始化，gpio初始化，pwm模塊，sci模塊，adc模塊的初始化等。系統(tǒng)初始化使用20m外部晶振提供時鐘信號，

33、采用pll使能模式將cpu時鐘配置為100mhz，禁止watchdog, 使能pwm,adc,sci時鐘。并配置了高速外設(shè)時鐘和低速外設(shè)時鐘的預(yù)定標(biāo)器，其中高速外設(shè)時鐘的預(yù)定標(biāo)器設(shè)置成除以2模式，低速外設(shè)時鐘設(shè)置成除以4模式。gpio初始化模塊中，所用的i/o口根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和連接將其配置為外設(shè)功能，其中g(shù)pio28, gpio29配置為sci發(fā)送和接收，gpio0和gpio1配置為epwm1a，epwm1b。pie模塊初始化包括中斷控制寄存器和中斷向量表的初始化。pwm工作時鐘為系統(tǒng)時鐘100m，脈沖寬度8us，正弦信號的幅值03v。ad采樣時鐘是系統(tǒng)時鐘256分頻后得到，390khz，

34、12bit采樣，采樣范圍03v。sci幀格式設(shè)置為1個停止位，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位。波特率115200，使能fifo； 5.3 中斷f2808的中斷系統(tǒng)分為三個級別，即外設(shè)中斷，pie中斷，cpu中斷。pie中斷是對中斷系統(tǒng)的擴(kuò)展，將96個外設(shè)中斷分成12組，每組8個，復(fù)用一個cpu中斷，從而映射到12個可用cpu中斷上。要使能特定外設(shè)中斷，需要使能本身模塊的中斷，pie級的中斷，以及全局的cpu中斷。pwm中斷：pwm模塊的配置觸發(fā)硬件電路產(chǎn)生正弦波形，利用中斷來改變設(shè)置，實現(xiàn)不同頻率波形的產(chǎn)生，從20hz到20khz，控制單個頻率的掃頻周期，并及時將ad采樣結(jié)果通過sci串口傳輸給pc

35、；ad中斷：對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，觸發(fā)ad中斷，將采樣數(shù)據(jù)處理，取得單個頻點的峰峰值，放入緩存；sci接收中斷：實現(xiàn)pc對dsp的控制，包括開始掃頻，掃頻周期，停止等。5.4 控制調(diào)度5.4.1 全局流程圖圖 16全局流程圖dsp系統(tǒng)及各模塊初始化完成，使能sci接收中斷，等待pc上位機(jī)發(fā)出控制指令。pc發(fā)出開始掃頻命令，sci接收到后使能pwm中斷和ad中斷（先前不使能），并初始化一系列變量，數(shù)組，為掃頻做準(zhǔn)備。掃頻過程中，若pc發(fā)出停止命令，禁止pwm中斷和ad中斷，停止掃頻。掃頻開始后，進(jìn)入中斷等待狀態(tài)。pwm中斷控制硬件電路發(fā)送20-20khz的變頻正弦信號，ad采樣每個頻點的數(shù)據(jù)，

36、用比較法求出最大值和最小值，在pwm中斷函數(shù)中，每發(fā)完一個頻點的波形，就將ad比較出的最值相減，計算出峰峰值，放入sci的發(fā)送buff，通過串口發(fā)送給pc。pc接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并顯示。5.4.2 dsp各模塊運作流程5.4.2.1 pwm模塊流程圖 17 pwm模塊流程圖初始化完成并收到開始掃頻信號后，pwm模塊開始工作當(dāng)pwm的計數(shù)器到達(dá)cmpa寄存器的值，進(jìn)入中斷。將下一次的cmpa的值寫入寄存器。對已發(fā)送脈沖進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)前頻點除以pwm脈沖速率即得上界值。當(dāng)計數(shù)達(dá)到上界值時，表示當(dāng)前頻點已掃描完成。將ad求得的峰峰值通過sci發(fā)送到pc上，并將計數(shù)變量清零，計算新的頻點的上

37、界值。頻點從20到20khz，步進(jìn)1hz，當(dāng)頻點到達(dá)20k時，一次完整掃頻結(jié)束，禁止pwm和ad中斷，不再發(fā)送掃頻信號，等待pc機(jī)的命令。當(dāng)pc再次發(fā)出掃頻命令后，開始新一輪的掃頻。sc通信波特率是115200，一個頻點的峰峰值用16bit表示，則7khz以上頻率的信號會出現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋現(xiàn)象，要通過增加發(fā)送周期來延時。5.4.2.2 adc和sci模塊流程圖 18 adc模塊流程圖圖 19 sci模塊流程圖初始化后sci接收中斷使能，等待pc發(fā)出控制命令。接收到命令后進(jìn)入中斷。判斷是命令類型，執(zhí)行相應(yīng)操作。sci接收到開始命令會使能ad中斷，ad采樣數(shù)據(jù)得以處理。sci接收到停止命令會禁止ad中斷

38、。5.4.3 pc機(jī)上串口通信的軟件設(shè)計5.4.3.1 簡介實現(xiàn)微機(jī)和dsp之間的數(shù)據(jù)交換，可以利用功能強(qiáng)大的vc+6.0開發(fā)環(huán)境及active x控件來實現(xiàn)串行通信。應(yīng)用vc+開發(fā)串行通信目前通常有如下兩種方法：一是利用windows api通信函數(shù)；二是使用microsoft visual c+的通信控件（mscomm）；第一種使用面較廣，但由于比較復(fù)雜，專業(yè)化程度較高，使用較困難；第二種方法較簡單，只需要對串口進(jìn)行簡單配置，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后就會觸發(fā)接收事件。發(fā)送數(shù)據(jù)通過內(nèi)置函數(shù)實現(xiàn)。本設(shè)計采用第二種方案，用mscomm控件實現(xiàn)串口通訊。串口的數(shù)據(jù)幀格式統(tǒng)一采用1個停止位，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶

39、校驗位的格式，波特率115200。5.4.3.2 設(shè)計思路pc上對dsp的控制有“開始掃頻”，“停止掃頻”。這種控制通過發(fā)送約定的數(shù)據(jù)到dsp上即可完成。對于dsp發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，每收到兩幀(16bit數(shù)據(jù)，一個完整峰峰值）觸發(fā)接收事件，將接收到的數(shù)據(jù)放入緩存。要測量帶阻網(wǎng)絡(luò)的特性，先要對信道進(jìn)行訓(xùn)練，所以設(shè)置了訓(xùn)練功能。在不接入帶阻網(wǎng)絡(luò)時掃描信道，記錄下信道數(shù)據(jù)，為測量帶阻網(wǎng)絡(luò)做準(zhǔn)備。測量帶阻網(wǎng)絡(luò)特性時，將記錄下的數(shù)據(jù)除以信道的數(shù)據(jù)，然后畫出幅頻特性圖。支持對信道和網(wǎng)絡(luò)多次掃頻，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，完善測量，減小誤差。5.5 iqmath庫5.5.1 iqmath簡介iqmath庫可以用來在

40、定點數(shù)字信號處理器上實現(xiàn)精確的浮點運算，使用這些庫函數(shù)可以方便用戶采用c/c+編寫浮點處理程序，對于要求高實時和高精度的系統(tǒng)尤其有用。iqmath主要由4部分組成：iqmath頭文件iqmath.h，iqmath包含所有庫函數(shù)和數(shù)據(jù)表的目標(biāo)庫文件iqmath.lib，鏈接文件iqmath.cmd，iqmath調(diào)試的gel文件iqmath.gel。5.5.2 iqmath原理對字長為32位的dsp芯片而言，它處理的就是32位字長的一個數(shù)值，如何區(qū)分整數(shù)和小數(shù)由程序決定，程序必須確定一個數(shù)的小數(shù)點處于16位中的哪一位，這就是數(shù)的定標(biāo)。通過設(shè)定小數(shù)點的不同位置，32位字長的數(shù)值就可以表示不同大小和不

41、同精度的小數(shù)。iqmath庫函數(shù)的運算就是建立在這種定標(biāo)基礎(chǔ)上，通過設(shè)定用于標(biāo)定小數(shù)點位置的q值，就可以將所有的數(shù)據(jù)的算術(shù)運算轉(zhuǎn)化為定點算術(shù)運算，從而大大提高運算速度。如設(shè)定global_q值為15，及iq15格式，則所有的int、float等其他類型的數(shù)據(jù)在用iqmath庫表示時都回自動乘以215已轉(zhuǎn)化成long型數(shù)據(jù)存儲，調(diào)用iqmath庫函數(shù)即可實現(xiàn)iq格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行定點算術(shù)運算。在需要的時候，可以通過移位將iq格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成int、float等類型數(shù)據(jù)。6 測試結(jié)果本章主要介紹系統(tǒng)的測量過程及測試結(jié)果，并對測試結(jié)果進(jìn)行分析。系統(tǒng)測試包括對系統(tǒng)關(guān)鍵點的測試及系統(tǒng)實際工作的測試。6.1

42、測試場景實際測試場景如下圖所示：圖 20測試場景圖示如圖 20所示為系統(tǒng)測試場景，儀器包括：1. 一臺760zi型號的4通道示波器，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)關(guān)鍵點信號進(jìn)行測量。2. 一臺xj-1731l5a型號的電源，負(fù)責(zé)為掃頻儀及帶阻網(wǎng)絡(luò)提供5v供電。3. 一臺pc機(jī)，負(fù)責(zé)通過xds560型號的燒寫器向dsp燒寫代碼，并在測試過程中通過9針串口向dsp發(fā)出控制指令同時接收adc處理之后的數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)并在顯示器上顯示系統(tǒng)幅頻特性曲線。6.2 關(guān)鍵點測試pwm波形及濾波后得出的正弦波：圖 21 pwm波形及濾波后正弦波形如圖21所示為pwm脈沖信號，及濾波后得到的正弦信號。脈沖最大寬度為8us，通過占空比的變化及濾波作用產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦信號。帶阻網(wǎng)絡(luò)輸入波形及輸出波形：圖 22 帶阻網(wǎng)絡(luò)輸入輸出2khz左右信號圖 23帶阻網(wǎng)絡(luò)輸入輸出10khz左右信號圖 24帶阻網(wǎng)絡(luò)輸入輸出20khz左右信號如圖22，23，24所示為帶阻網(wǎng)絡(luò)輸入輸出2khz、10khz、20khz左右掃頻信號，可以看到，在2khz及20khz左右，帶阻網(wǎng)絡(luò)衰減較小，在10khz左右，帶阻網(wǎng)絡(luò)衰減較大，與設(shè)計的帶阻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性相符。同時由于pwm脈沖信號頻率為125khz，隨著