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1、l 南京邮电大学 毕 业 设 计（论 文） 题 目基于 TMS320F2812 的频谱分析仪设计 专 业电子信息科学与技术 学生姓名 班级学号B080202 B08020214 指导教师 指导单位通信与信息工程学院 日期：2011 年 11 月 7 日至 2012 年 6 月 15 日 l 摘 要 随着计算机和微电子技术的飞速发展,基于数字信号处理的频谱分析已经应用到各个 领域并且发挥着重要作用。但是在教学实践过程中,由于频谱分析仪价格昂贵,不能直观 地给学生展示信号的频谱,从而使教学效果受到影响。 所以这个时候一个简单的频谱分 析仪就显得很是简单实用，可以很直观地观察信号频谱以及对信号的各项
2、参数的观测。 可以为数字信号处理的教学实践带来更多的帮助。 在本论文中采用TI的32位数字信号处理芯片TMS320F2812作为信号采集和处理的核心， 通过片上自带的12位模数转换模块进行数据采集。采集后的数据存储在片内存储器中。 数字处理部分主要是进行快速傅立叶变换的分析。再通过片内数模转换单元转换为模拟 信号输出。 全文介绍了DSP原理， TI公司TMS320系列F2812芯片资源，以及TMS320的软件集成开 发环境(CCS)。对频谱分析的实现作了细致的描述和分析对数字信号处理中最经典的应 用快速傅立叶变换(FFT)运算，在定点DSP芯片上的实现做了分析和研究。 关键词：TMS320F2
3、812；DSP；频谱分析；FFT l ABSTRACT Nowadays, computer technique and micro electronic technique have developed rapidly. Spectrum analysis which is based on digital signal processing has been put into use in every field. Because of high cost of spectrum analyzer, it can not intuitively show frequency spectru
4、m for students in practice of teaching. This may influence the teaching effect. At this time, a simple spectrum analyzer will be practical. It may intuitively observe signal frequency spectrum and parameters. It will better help teaching practice in digital signal processing. This article uses the 3
5、2-bit digital signal processing chip- TMS320F2812 of TI to be the core of signal acquisition and signal processing. It processes data acquisition with its included 12 conversion module. The collected data are stored in internal storage. The part of digital handing is mainly to make analysis of fast
6、Fourier transform and then transfer into analog output with analog-to-digital conversion unit. The full text introduces DSP theory, F2812 chip resource of TMS320 series in TI Company and CCS. It makes a detailed description of spectrum analysis. FFT operation is the most classical application in dig
7、ital signal processing. This article also researches and analyzes the enforcement of FFT in DSP chip. Key words：TMS320F2812；DSP；spectrum analyzer；FFT l 目录 第一章 绪论 .- 1 - 1.1 论文背景 .- 1 - 1.2 FFT 简介 .- 1 - 1.3 论文工作介绍 .- 1 - 第二章 DSP 原理- 3 - 2.1 DSP 简介 .- 3 - 2.1.1 DSP 应用系统介绍 .- 3 - 2.2 DSP 芯片的基本结构 .- 5
8、- 2.2.1 哈佛结构 - 5 - 2.2.3 流水线 - 5 - 2.2.3 专用的硬件乘法器 - 6 - 2.2.4 特殊的 DSP 指令 - 6 - 2.2.5 快速的指令周期 - 6 - 2.3 TMS320C2000 概述 .- 6 - 2.4 DSP 芯片的选择 .- 7 - 25 小结 .- 8 - 第三章. F2812 板及其开发环境 CCS - 9 - 3.1 F2812 结构 .- 9 - 3.1.1 F2812 硬件结构 - 9 - 3.1.2 F2812 功能模块 .- 12 - 3.1.3 F2812 系统配置 .- 13 - 3.1.4 中央处理单元（CPU） .
9、- 15 - 3.2 CCS 概述以及配置 - 17 - 3.2.1 CCS 概述 - 17 - 3.2.2 CCS 的配置 .- 17 - 3.3 软件开发流程及代码生成工具 - 19 - 3.3.1 软件开发流程 .- 19 - 3.3.2 代码生成工具介绍 .- 20 - 34 小结 .- 21 - 第四章 频谱分析原理及其 DSP 实现 .- 22 - 4.1 A/D 转换模块 .- 22 - 4.1.1 AD 转换器的主要技术指标 - 23 - 4.1.2 模数转换模块的主要特点 - 23 - 4.1.3 自动转换排序器的操作原理 - 25 - 4.1.4 ADC 时钟的预定标 -
10、26 - 4.1.5 A/D 转换 F2812 的实现 .- 27 - 4.2 抗混叠滤波模块 - 28 - 4.3 FFT 变换模块 - 31 - l 4.3.1 FFT 基本原理 .- 31 - 4.3.2 FFT 的定点 DSP 实现 .- 32 - 4.3.3FFT 运行结果 .- 34 - 4.4 频谱分析仪 - 35 - 4.5 小结 - 36 - 结束语 - 37 - 致谢 - 38 - 参考文献 - 39 - 附录 - 40 - l 第一章 绪论 1.1 论文背景 随着计算机和微电子技术的飞速发展,基于数字信号处理的频谱分析已经应用 到各个领域并且发挥着重要作用。但是在教学实践
11、过程中,由于频谱分析仪价格 昂贵,不能直观地给学生展示信号的频谱,从而使教学效果受到影响。 所以这个 时候一个简单的频谱分析仪就显得很是简单实用，可以很直观地观察信号频谱以 及对信号的各项参数的观测。可以为数字信号处理的教学实践带来更多的帮助。 在本论文中，我们选用了TMS320F2812控制板，其快速处理速度和能达到应用 精度需求是我们选择使用的主要因素，另外F2812控制板上集成了多种外设可方 便实现数据传输也是我们选择使用2812的原因。 1.2 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
12、信号形式。 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、电子铡量仪器、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。 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。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
13、时间内其应用受到很大的限制。直到1965年JWCooty和 JWTukey等学者提出并完成了DFT的快速算法FFT(The Fast Fourier Transform)，使DFT的运输大大简化，运算时间缩短12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。 1.3 论文工作介绍 本文中设计数据采集模块用来采集各种传感器的信号值、电压模拟量等等， 并对这些值进行FFT分析。在该系统中，数据采集模块实质上是一个实时采集与 处理系统，除了完成数据采集外，还完成对数据的处理，包括数据FFT分析等。 对于数据采集模块，必须选择一个高速的
14、中央处理器，具备实时事务处理能 力和数据处理能力。能够高速完成数字信号处理算法。本课题采用了TI公司DSP 作为核心处理器件。TI公司的各种型号DSP专为实时信号而设计，在其各种型号 l 的DSP中，TMS320F28x系列DSP将实时信号处理能力和控制器外设功能集于一身， 为本数据采集系统提供了一个非常理想的解决方案。基于该系统对于速度，功耗， 成本等方面的考虑，本此设计采用了TMS320F28x系列中的TMS320F2812作为数据 采集系统的处理器件。 TMS320F2812的指令执行速度高达150MIPS，作为控制器应用它具备良好的实 时控制能力：它的供电电压为33V，与单片机相比，具
15、有更低的控制器功耗； 它的指令系统提供了丰富的“乘累加”，“循环寻址”等指令，这使得实时信号 处理中的滤波，频谱分析，可以方便快速地实现。TMS320F2812集成了丰富的片 内存储器和控制器外设，它具备片上128KB的Flash存储器。TMS320F2812采用两 级中断结构，具备强大的中断处理能力，同时，它具备两个事务管理模块，能实 时管理16个输入通道的AD转换器，4个16通道定时器以及6个捕获单元。 采用TMS320F2812作为本数据采集系统的核心处理器件，充分利用DSP的片上 资源。可以实现对数据采集过程的高效管理，实现对数据进行FFT等运算，可以 满足数据采集系统的各种要求。 论
16、文结构如下： 第二章：对DSP原理包括DSP系统、DSP的选择、DSP的发展等作相关介绍。 第三章；对论文中使用的F2812板及其开发环境CCS作详细说明。 第四章：阐述频谱分析的原理及频谱分析仪的实现方法，对信号输入、A/D 转换、 FFT 变换的实现作详细说明。 l 第二章 DSP 原理 2.1 DSP 简介 数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)是一个涉及许多学科 而又广泛应用于许多领域的新兴学科。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。 数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。 数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来，数字信 号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而
