畢業(yè)論文--傳感器準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)處理方法的研究(含外文翻譯）

1、<p>　　傳感器準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)處理方法的研究</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　頻率是電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)基本參數(shù)，同時(shí)也是一個(gè)非常重要的參數(shù)。穩(wěn)定的時(shí)鐘在高性能電子系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用，直接決定系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。特別是對(duì)于傳感器，輸出信號(hào)中所攜帶的信息是由信號(hào)中的時(shí)間參量頻率表示的，這種頻率即準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，測(cè)頻

2、系統(tǒng)使用時(shí)鐘的提高,測(cè)頻技術(shù)有了相當(dāng)大的發(fā)展，測(cè)頻方法多種多樣，但是精度不盡相同。</p><p>　　DSP數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱DSP)是一門(mén)涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。傳感器數(shù)字信號(hào)處理是利用傳感器對(duì)模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集并把其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)

3、別的電信號(hào)，并利用計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理以達(dá)到計(jì)算機(jī)輔助控制或是計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的目的。</p><p>　　本文從數(shù)據(jù)處理的基本理論出發(fā)，通過(guò)分析±1個(gè)計(jì)數(shù)誤差的來(lái)源，介紹了多周期同步等精度測(cè)頻法，提出以高性能數(shù)字信號(hào)處理器為基礎(chǔ)的硬件實(shí)現(xiàn)框架，并詳細(xì)介紹了硬件實(shí)現(xiàn)的各個(gè)部分以及各個(gè)模塊之間的接口，包括芯片選用、硬件連接和軟件編程。介紹了誤差的來(lái)源及結(jié)果精度分析。</p><p>

4、　　關(guān)鍵詞　準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)；數(shù)字頻率計(jì)；同步等精度；TMS320F2812；</p><p>　　Research On Digital Signal Processing Of Sensor</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Frequency is a basic parameter of electro

5、nics field, meanwhile, it’s a very important parameter. Stable clock is very important in high performance electronics system, determining the system performance directly. With the development of technology of electronic

6、s, the frequency measurement system using higher clock, the frequency measurement technology has very nice development, there are various of methods, but the precisions are not in the same level.</p><p>　　DS

7、P (Digital Signal Processing) is a new subject applied abroad to many areas, it refers to many sciences. Since 60s of 12th century, as the development of computer and information, the technique of Digital Signal Processi

8、ng was born and developed rapidly. Digital signal processing of sensor is a method to process the signal (digital or analog) which captive by sensor and had convert to the digital one, the digital one that can be identif

9、ied by computer. That implemented by computer to come true</p><p>　　In this paper, first discussed the framework and characteristic of data collection and processing system, then based on the instantaneous f

10、requency measurement receivers, as well as to the mode of sampling data formats, the author offers to a project based on high-performance digital signal processor, and explicate the various parts of the hardware and the

11、interface between modules, including chip selection, connecting hardware and software programming. Find out the cause of the error and analyz</p><p>　　Keywords Digital Signal Processing; Digital Frequency M

12、eter; Synchronization Precision;TMS320F2812;</p><p>　　不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p>

13、<p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 頻率計(jì)概述1</p><p>　　1.3 頻率計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.4 DSP微處理器概述3</p><p>　　1.5 傳感器準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)

14、4</p><p>　　1.6 論文研究?jī)?nèi)容4</p><p>　　第2章 DSP頻率測(cè)量方法的研究5</p><p>　　2.1 本章概述5</p><p>　　2.2 常用的數(shù)字頻率測(cè)量方法5</p><p>　　2.2.1 直接測(cè)頻方法5</p><p>　　2.2.2 多周期同

15、步等精度測(cè)頻方法6</p><p>　　2.3 提高頻率測(cè)量精度的方法研究8</p><p>　　2.3.1 采用對(duì)標(biāo)頻信號(hào)計(jì)數(shù)的修正來(lái)提高測(cè)量精度8</p><p>　　2.3.2 相檢式多周期同步測(cè)頻法9</p><p>　　2.4 本章小結(jié)10</p><p>　　第3章 基于DSP芯片的功能模塊電路設(shè)

16、計(jì)11</p><p>　　3.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成11</p><p>　　3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案11</p><p>　　3.3 系統(tǒng)主要硬件的選擇及介紹11</p><p>　　3.3.1 DSP芯片的選擇11</p><p>　　3.3.2 TMS320F2000系列芯片簡(jiǎn)介13</p>

17、<p>　　3.3.3 TMS320F2812的特性13</p><p>　　3.3.4 TMS320F2812 EVA模塊特征14</p><p>　　3.3.5 TMS320F2812AD模塊特征15</p><p>　　3.4 DSP外接電源17</p><p>　　3.4.1 TPS73HD318簡(jiǎn)介18<

18、;/p><p>　　3.4.2 TPS73HD318原理框圖18</p><p>　　3.4.3 TPS73HD318參數(shù)測(cè)量信息18</p><p>　　3.5 DSP外部時(shí)鐘信號(hào)19</p><p>　　3.6 信號(hào)放大電路19</p><p>　　3.6.1 AD8022的主要特性20</p>

19、<p>　　3.6.2 AD8022的典型應(yīng)用21</p><p>　　3.6.3 AD8022的特殊應(yīng)用21</p><p>　　3.6.4 AD8022的誤差調(diào)整21</p><p>　　3.7 單色液晶屏顯示模塊23</p><p>　　3.8 鍵盤(pán)模塊23</p><p>　　3.9 系統(tǒng)

20、硬件連接電路圖24</p><p>　　3.10 本章小結(jié)25</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.1 系統(tǒng)軟件總體流程26</p><p>　　4.2 鍵盤(pán)定時(shí)中斷掃描26</p><p>　　4.3 LCD顯示處理28</p><p>　　4.4

21、 軟件設(shè)計(jì)分析29</p><p>　　4.5 結(jié)果分析29</p><p>　　4.6 本章小結(jié)30</p><p><b>　　結(jié)論31</b></p><p><b>　　致謝32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b>

22、;</p><p><b>　　附錄A35</b></p><p><b>　　附錄B41</b></p><p><b>　　附錄C46</b></p><p>　　千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘

23、記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景</b></p><p>　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)信息傳遞的要求越來(lái)越高，低速度，低分辨率，高傳輸失真的模擬信號(hào)已大大滿足不了人們信號(hào)處理的要求，數(shù)字信號(hào)越來(lái)越多的被人們所需要，相對(duì)與模擬信號(hào)來(lái)

24、說(shuō)，數(shù)字信號(hào)有著無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)噪聲積累；便于加密處理；便于存儲(chǔ)、處理和交換；設(shè)備便于集成化、微型化；便于構(gòu)成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)；占用信道頻帶較寬。怎樣將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并將其無(wú)失真的傳輸便成了數(shù)字技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵[1]。</p><p>　　頻率是電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)基本參數(shù)，同時(shí)也是一個(gè)非常重要的參數(shù)。穩(wěn)定的時(shí)鐘在高性能電子系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用，直接決定系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。特別是對(duì)

25、于傳感器，輸出信號(hào)中所攜帶的信息是由信號(hào)中的時(shí)間參量頻率表示的，這種頻率即準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)。能更快更準(zhǔn)確的對(duì)傳感器準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，就能更好的發(fā)揮系統(tǒng)的作用。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中人們關(guān)心的是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的性能。雖然敏感元件本身的特性是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵，但只有與適當(dāng)?shù)慕涌谙嘟Y(jié)合，才能具體體現(xiàn)為合乎要求的測(cè)量系統(tǒng)。隨著敏感元件和接口電路的大批量生產(chǎn)工藝的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)量系統(tǒng)的成本大量降低，而接口電路的重要性

26、也越來(lái)越突出的體現(xiàn)出來(lái)。接口電路已經(jīng)成為整個(gè)信號(hào)獲取與處理鏈條中至關(guān)重要的一環(huán)。換句話說(shuō)，測(cè)量系統(tǒng)的整體性能，不僅取決于敏感元件本身，更重要的是取決于被測(cè)信號(hào)參量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的整個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的品質(zhì)[2]。</p><p>　　測(cè)量系統(tǒng)的集成化，微型化與智能化的程度，依賴于兩個(gè)方面：一是敏感元件本身的小型化乃至微型化水平。二是與傳感器的檢測(cè)及信號(hào)傳輸相適應(yīng)的新型接口電路技術(shù)。隨著數(shù)字電路應(yīng)用越來(lái)越廣泛，傳統(tǒng)的通用

27、數(shù)字集成電路芯片已經(jīng)很難滿足系統(tǒng)功能的要求，而且隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的不斷增加，所需通用集成電路的數(shù)量呈爆炸性增長(zhǎng)，使得電路板的體積迅速膨脹，系統(tǒng)可靠性難以保證。DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其

28、實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色[3]。 </p><p><b>　　頻率計(jì)概述</b></p><p>　　頻率是電子技術(shù)領(lǐng)域永恒的話題，電子技術(shù)領(lǐng)域離不開(kāi)頻率，一旦離開(kāi)頻率電子技術(shù)的發(fā)展是不可想象的，就像現(xiàn)在的人離不開(kāi)電一樣。為了得到性

29、能更好的電子系統(tǒng)，科研人員在不斷地研究著頻率，CPU就是用頻率的高低來(lái)評(píng)價(jià)其性能好壞，速度的高低，可見(jiàn)頻率在電子系統(tǒng)中是多么重要。如何才能知道頻率的數(shù)值呢？當(dāng)然是用頻率計(jì)來(lái)測(cè)量。為了準(zhǔn)確的測(cè)出頻率的多少，人們研究出了很多測(cè)頻率的方法。根據(jù)測(cè)頻工作原理可將頻率測(cè)量方法分成以下幾類(lèi)：</p><p>　　1．是利用電路的某種頻率響應(yīng)特性來(lái)測(cè)量頻率，諧振測(cè)頻法和電橋測(cè)頻法是這類(lèi)測(cè)量方法的典型代表：前者常用于低頻段的測(cè)量

30、，后者主要用于高頻或微波頻段的測(cè)量[4]。諧振法的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重要輕、不要求電源等，目前仍獲得廣泛應(yīng)用。</p><p>　　2．是利用標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測(cè)頻率進(jìn)行比較來(lái)測(cè)量頻率，采用比較法測(cè)量頻率，其準(zhǔn)確度取決于標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度。拍頻法、示波器法以及差頻法等均屬此類(lèi)方法。拍頻法和示波器法主要用于低頻段的測(cè)量，差頻法則用于高頻段的頻率測(cè)量，它的顯著優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試靈敏度高。</p><p>　　以上

31、兩種方法適合于模擬電路中實(shí)現(xiàn)，但是模擬電路沒(méi)有數(shù)字電路穩(wěn)定，因此數(shù)字電路出現(xiàn)后，馬上就出現(xiàn)了數(shù)字頻率計(jì)。目前廣泛使用的計(jì)數(shù)測(cè)頻法則適合于數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。該方法是根據(jù)頻率的定義，記下單位時(shí)間內(nèi)周期信號(hào)的重復(fù)次數(shù)，因此又稱為電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻法。</p><p>　　此數(shù)字電路出現(xiàn)后，馬上就出現(xiàn)了數(shù)字頻率計(jì)。目前廣泛使用的計(jì)數(shù)測(cè)頻法則適合于數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)[5]。該方法是根據(jù)頻率的定義，記下單位時(shí)間內(nèi)周期信號(hào)的重復(fù)次數(shù)，因此又

32、稱為電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻法。</p><p>　　常用數(shù)字頻率測(cè)量方法有M法,T法和M/T法。M法是在給定的閘門(mén)時(shí)間內(nèi),測(cè)量被測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)再進(jìn)行換算得出被測(cè)信號(hào)的頻率,其測(cè)量精度取決于閘門(mén)時(shí)間的準(zhǔn)確度和被測(cè)信號(hào)頻率。當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)將產(chǎn)生較大誤差,除非閘門(mén)時(shí)間取得很大。T法是通過(guò)測(cè)量被測(cè)信號(hào)的周期,然后換算得出被測(cè)信號(hào)的頻率。其測(cè)量精度取決于被測(cè)信號(hào)的周期和計(jì)時(shí)精度,測(cè)信號(hào)頻率較高時(shí),對(duì)計(jì)時(shí)精度的要求就很高。M

33、/T法具有以上2種方法的優(yōu)點(diǎn),當(dāng)他通過(guò)測(cè)量被測(cè)信號(hào)數(shù)個(gè)周期的計(jì)數(shù)次數(shù),然后換算得出被測(cè)信號(hào)的頻率,可兼顧低頻與高頻信號(hào),提高了測(cè)量精度。但是,M法,T法和M/T法都存在±1計(jì)數(shù)誤差問(wèn)題。M法在規(guī)定閘門(mén)時(shí)間內(nèi)存在±1個(gè)被測(cè)信號(hào)的脈沖計(jì)數(shù)誤差,T法或M/T法也存在±1個(gè)字的計(jì)時(shí)誤差。這個(gè)問(wèn)題成為限制測(cè)量精度提高的一個(gè)重要原因。</p><p><b>　　頻率計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀<

34、/b></p><p>　　由于社會(huì)發(fā)展和科技發(fā)展的需要，信息傳輸和處理的要求的提高，對(duì)頻率的測(cè)量精度也提出了更高的要求，需要更高準(zhǔn)確度的時(shí)頻基準(zhǔn)和更精密的測(cè)量技術(shù)。而頻率測(cè)量所能達(dá)到的精度，主要取決于作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源的精度以及所使用的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法。目前，國(guó)內(nèi)外使用的測(cè)頻的方法有很多，有直接測(cè)頻法、內(nèi)插法、游標(biāo)法、時(shí)間—電壓變化法、多周期同步法、頻率倍增法、頻差倍增法以及相位比較法等等。直接測(cè)頻的方法較

35、簡(jiǎn)單，但精度不高。內(nèi)插法和游標(biāo)法都是采用模擬的方法，雖然精度提高了，但是電路設(shè)計(jì)卻很復(fù)雜。時(shí)間—電壓變化法是利用電容的充放電時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，由于經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，速度較慢，且抗干擾能力較弱。多周期</p><p>　　同步法精度較高的一種。為了進(jìn)一步的提高精度，通常采用模擬內(nèi)插法或游標(biāo)法與多周期同步法結(jié)合使用，雖然精度有了進(jìn)一步的提高，但始終未解決±1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差，而且這些方法設(shè)備復(fù)雜，不利于推廣。頻率誤

36、差倍增法可以減小計(jì)數(shù)器的±1個(gè)字的誤差，提高測(cè)量精度。但用這種方法來(lái)提高測(cè)量精度是有限的，因?yàn)槿缫玫降臏y(cè)量精度，就要把被測(cè)頻率倍頻到Hz=5000MHz這無(wú)論是對(duì)倍頻技術(shù)，還是對(duì)目前的計(jì)數(shù)器都是很難實(shí)現(xiàn)的。頻差倍增—多周期法是一種頻差倍增法和差拍法相結(jié)合的測(cè)量方法。這種方法是將被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)經(jīng)經(jīng)頻差倍增使被測(cè)信號(hào)的相位起伏擴(kuò)大，在通過(guò)混頻器獲得差拍信號(hào)，用電子計(jì)數(shù)器在低頻下進(jìn)行多周期測(cè)量，能在較少的倍增次數(shù)和同樣的取樣時(shí)

37、間情況下，得到比測(cè)頻法更高的系統(tǒng)分辨率和測(cè)量精度。但是仍然存在著時(shí)標(biāo)不穩(wěn)而引入的誤差和一定的觸發(fā)誤差。以上只是對(duì)現(xiàn)存的幾種主要的測(cè)頻方法的概述，很顯然從以上的分析中知道：不同的測(cè)頻方法在不同的應(yīng)用條件下是具有一定的優(yōu)勢(shì)的，而在本論文中，主要討論多周期同步測(cè)頻法，本測(cè)頻法主要是消除了被測(cè)信號(hào)的1個(gè)字的誤差，而且在DSP上實(shí)現(xiàn)，具有很大的優(yōu)勢(shì)。</p><p><b>　　DSP微處理器概述</b&g

38、t;</p><p>　　DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的

39、強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。 </p><p>　　DSP芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點(diǎn)： </p><p>　　1．在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； </p><p>　　2．程序和

40、數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)；</p><p>　　3．片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)。</p><p>　　4．具有低開(kāi)銷(xiāo)或無(wú)開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； </p><p>　　5．快速的中斷處理和硬件I/O支持； </p><p>　　6．具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器； </p>

41、<p>　　7．可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；</p><p>　　8．支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。 </p><p><b>　　DSP的優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p>　　1．對(duì)元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部參與影響?。?lt;/p><p>　　2．容易實(shí)現(xiàn)集成；VLSI</p

42、><p>　　3．可以時(shí)分復(fù)用，共享處理器；</p><p>　　4．方便調(diào)整處理器的系數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波；</p><p>　　5．可實(shí)現(xiàn)模擬處理不能實(shí)現(xiàn)的功能：線性相位、多抽樣率處理、</p><p><b>　　級(jí)聯(lián)、易于存儲(chǔ)等；</b></p><p>　　6．可用于頻率非常低的信號(hào)。</

43、p><p><b>　　缺點(diǎn)：</b></p><p><b>　　1．需要模數(shù)轉(zhuǎn)換；</b></p><p>　　2．受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限；</p><p>　　3．?dāng)?shù)字系統(tǒng)由耗電的有源期間構(gòu)成，沒(méi)有無(wú)源設(shè)備可靠。</p><p>　　當(dāng)然，與通用微處理器相比，D

44、SP芯片的其他通用功能相對(duì)較弱些。</p><p>　　傳感器準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)</p><p>　　傳感器準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)是指信號(hào)通過(guò)傳感器并由傳感器輸出準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)形式測(cè)量參量，一般輸出的是頻率信號(hào)，將該頻率信號(hào)通過(guò)數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量出并交由處理器進(jìn)行處理的系統(tǒng)。</p><p>　　在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，頻率測(cè)量是尤為關(guān)鍵的一步，頻率測(cè)量的好壞直接影響到下一步處理器

45、處理的實(shí)現(xiàn)程度。</p><p>　　數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)的好壞的參量有：測(cè)頻范圍；測(cè)量精度以及響應(yīng)特性。</p><p><b>　　論文研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本論文主要研究的內(nèi)容有：介紹頻率計(jì)的意義、發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。介紹常用的測(cè)頻方法、原理。比較其各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。重點(diǎn)引出多周期同步等精度頻率測(cè)量方法，闡述其原理及計(jì)算機(jī)

46、實(shí)現(xiàn)方法。介紹DSP芯片在數(shù)字信號(hào)處理中的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)述其性能及選擇其為本設(shè)計(jì)主芯片的理由。介紹了利用TMS320F2812芯片進(jìn)行多周期同步等精度測(cè)頻法測(cè)頻的硬件設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及軟件流程。分析了誤差及誤差形成的原因，思考了發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)想了改進(jìn)方法。</p><p>　　DSP頻率測(cè)量方法的研究</p><p><b>　　本章概述</b></p><p&

47、gt;　　用于頻率測(cè)量的方法有很多，頻率測(cè)量的準(zhǔn)確度主要取決于所測(cè)量的頻率范圍以及被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)。而測(cè)量所能達(dá)到的精度，不僅僅取決于作為標(biāo)準(zhǔn)使用的頻率源的精度，也取決于所使用的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法。因此，下面介紹幾種常用的頻率測(cè)量方法，分析他們的優(yōu)缺點(diǎn)，從而提出全本文所使用的頻率測(cè)量方法。</p><p>　　常用的數(shù)字頻率測(cè)量方法</p><p><b>　　直接測(cè)頻方法<

48、/b></p><p>　　直接測(cè)頻法是最簡(jiǎn)單的，也是最基本的頻率測(cè)量方法，在測(cè)量過(guò)程中，依據(jù)信號(hào)頻率高低的不同，測(cè)量方法也可以分為兩種：</p><p>　　1．被測(cè)信號(hào)頻率較高時(shí)（M法）</p><p>　　通常選用一個(gè)頻率較低的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)作為閘門(mén)信號(hào)，而將被 測(cè)信號(hào)作為充脈沖，在固定閘門(mén)時(shí)間內(nèi)對(duì)其計(jì)數(shù)。設(shè)閘門(mén)寬度為T(mén)，計(jì)數(shù)值為N，則

49、這種測(cè)量方法的頻率測(cè)量值為： </p><p><b>　?。?—1）</b></p><p>　　測(cè)量誤差主要決定于閘門(mén)時(shí)間T和計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)器計(jì)得的數(shù)的準(zhǔn)確度，因此，總誤差可以采用分項(xiàng)誤差絕對(duì)值線性相加來(lái)表示，即：</p><p><b>　?。?—2）</b></p><p>　　其中，是最大量化

50、誤差的相對(duì)值， </p><p>　　，的產(chǎn)生是由于測(cè)頻時(shí)，閘門(mén)的開(kāi)啟時(shí)刻與計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間關(guān)系不相關(guān)造成的，即在相同的主門(mén)開(kāi)啟時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器所得的數(shù)并不一定相同。當(dāng)主門(mén)開(kāi)啟時(shí)間T接近甚至等于被測(cè)信號(hào)周期Tx的整數(shù)倍時(shí)，量化誤差最大，最大量化誤差為的個(gè)數(shù)。為標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度，在數(shù)值上石英晶體振蕩器所提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度等于閘門(mén)時(shí)間的相對(duì)誤差的準(zhǔn)確度，即：</p><p><b&g

51、t;　?。?—3）</b></p><p>　　式中負(fù)號(hào)表示由引起的閘門(mén)時(shí)間的誤差為。</p><p>　　通常，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度的要求是根據(jù)所要求的測(cè)頻準(zhǔn)確度而提出來(lái)的。因此，為了使標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差不對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度應(yīng)高于被測(cè)信號(hào)準(zhǔn)確度至少1個(gè)數(shù)量級(jí)[6]。因此，測(cè)量較高的信號(hào)頻率時(shí)，若一定，閘門(mén)時(shí)間T越長(zhǎng)，測(cè)量準(zhǔn)確度越高，當(dāng)T選定后，越高，個(gè)數(shù)字誤差對(duì)測(cè)量

52、結(jié)果影響減小，測(cè)量準(zhǔn)確度越高。</p><p>　　2．被測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)（T法）</p><p>　　通常被測(cè)信號(hào)被選作閘門(mén)信號(hào)，而將頻率較高的標(biāo)頻信號(hào)作為填充脈沖，進(jìn)行計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)值為N，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率為，周期為，則有：</p><p><b>　?。?—4）</b></p><p>　　使用這種方法測(cè)頻的誤差主

53、要是對(duì)標(biāo)頻信號(hào)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的個(gè)數(shù)字誤差，在忽略標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)自身誤差的情況下，測(cè)量精度為：</p><p><b>　?。?—5）</b></p><p>　　由上可知：直接測(cè)頻方法的優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量方便，讀數(shù)直接，在比較寬的頻率范圍內(nèi)能夠獲得較高的測(cè)量精度[7]。它的缺點(diǎn)是：由于被測(cè)信號(hào)個(gè)數(shù)字誤差的存在，難以兼顧低頻和高頻實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量，所以測(cè)量精度較低。</p>

54、<p>　　多周期同步等精度測(cè)頻方法</p><p>　　頻率是周期信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)的重復(fù)次數(shù),電子計(jì)數(shù)器可以對(duì)一個(gè)周期信號(hào)發(fā)生的次數(shù),進(jìn)行計(jì)數(shù)。如果某一信號(hào)在T秒時(shí)間間隔內(nèi)的重復(fù)次數(shù)為N次,則該信號(hào)的頻率f為：</p><p><b>　?。?—6）</b></p><p>　　測(cè)量原理：多周期同步等精度測(cè)頻是在直接測(cè)頻基礎(chǔ)上發(fā)

55、展起來(lái)的，在目前的測(cè)頻系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由硬件控制計(jì)數(shù)的門(mén)閘時(shí)間，當(dāng)預(yù)置門(mén)信號(hào)(即定閘門(mén)信號(hào))為高電平時(shí)，基準(zhǔn)信號(hào)計(jì)數(shù)器和被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)器并不啟動(dòng)，而是等被測(cè)信號(hào)的上升沿來(lái)到時(shí)才同時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)預(yù)置們信號(hào)為低電平時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器并不馬上關(guān)閉，同樣要等到被測(cè)信號(hào)上升沿來(lái)到后再關(guān)閉；于是，實(shí)際閘門(mén)時(shí)間就是被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，從而實(shí)現(xiàn)了閘門(mén)與被測(cè)信號(hào)的同步。它在測(cè)頻時(shí)，閘門(mén)時(shí)間不是固定的，而是被測(cè)信號(hào)的整數(shù)倍，即與被測(cè)信號(hào)保持同步，

56、因此消除了對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)所產(chǎn)生的個(gè)數(shù)字誤差，使測(cè)量精度大為提高，測(cè)量原理框圖如圖2-1所示，測(cè)量原理的波形如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-1 多周期同步測(cè)頻原理框圖</p><p>　　圖2-2 多周期同步測(cè)頻原理波形圖</p><p>　　測(cè)量時(shí)，首先預(yù)置閘門(mén)開(kāi)啟信號(hào)，此時(shí)計(jì)數(shù)器并不計(jì)數(shù)，等被測(cè)信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)，觸發(fā)器輸出計(jì)數(shù)允許信號(hào)（實(shí)際閘門(mén)信號(hào)），

57、計(jì)數(shù)器1對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器2對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)，預(yù)置閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，計(jì)數(shù)器并不立即結(jié)束計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)才停止計(jì)數(shù)，完成測(cè)量過(guò)程。</p><p>　　若計(jì)數(shù)器1對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的計(jì)數(shù)值為，計(jì)數(shù)器2對(duì)被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)值，則被測(cè)信號(hào)頻率為：</p><p><b>　　（2—7）</b></p><p>　　運(yùn)算器對(duì)式（2—7）進(jìn)行運(yùn)算，由顯

58、示器顯示運(yùn)算結(jié)果，即為被測(cè)信號(hào)的頻率值。</p><p><b>　　誤差分析：</b></p><p><b>　　由誤差合成公式有：</b></p><p><b>　?。?—8）</b></p><p>　　在（2—8）中第一項(xiàng)為被測(cè)信號(hào)引起的量化誤差，由于實(shí)際閘門(mén)與被測(cè)

59、信號(hào)同步，所以，即消除了被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)所產(chǎn)生的個(gè)字的量化誤差，由此得到最大相對(duì)誤差為：</p><p><b>　?。?—9）</b></p><p>　　式（2—9）說(shuō)明頻率測(cè)量的相對(duì)誤差與被測(cè)信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)，其大小主要取決于閘門(mén)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率，因而實(shí)現(xiàn)了頻帶內(nèi)等精度、高精度的測(cè)量。當(dāng)合理選擇閘門(mén)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率，既可保證測(cè)量精度，又可提高測(cè)量速度，因此多周期同

60、步測(cè)頻法得到了廣泛的應(yīng)用。而且由（2—9）式可知：閘門(mén)時(shí)間T越長(zhǎng)，時(shí)基頻率越高，分辯率越高，誤差愈小。但是，多周期同步測(cè)頻法還是沒(méi)能夠是時(shí)基信號(hào)與被測(cè)信號(hào)以及閘門(mén)信號(hào)三者同步，從而產(chǎn)生的時(shí)基信號(hào)的±1個(gè)字的量化誤差還沒(méi)有消除。</p><p>　　提高頻率測(cè)量精度的方法研究</p><p>　　在多周期同步測(cè)頻方法中，已經(jīng)消除了被測(cè)信號(hào)的個(gè)字的量化誤差，但是對(duì)標(biāo)頻信號(hào)的個(gè)字的量化

61、誤差還沒(méi)有得到很好的解決。因此，下面在多周期同步測(cè)頻方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析提高測(cè)量精度的基本方法[8]。</p><p>　　采用對(duì)標(biāo)頻信號(hào)計(jì)數(shù)的修正來(lái)提高測(cè)量精度</p><p>　　雙計(jì)數(shù)測(cè)頻方法在多周期同步測(cè)頻的基礎(chǔ)上，提高測(cè)頻的精度。我們可以分別把標(biāo)準(zhǔn)頻率的上升沿和下降沿分別作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，最后的N等于2個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值的算術(shù)平均值。其實(shí)這種方法相當(dāng)于在不改變系統(tǒng)的工作頻率的

62、情況下讓其達(dá)到2倍頻的效果，以2的時(shí)鐘頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而將測(cè)量精度提高到原來(lái)的兩倍。例如直接用100MHz的作為標(biāo)頻計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，最大計(jì)數(shù)誤差為10ns，而雙沿計(jì)數(shù)的等效時(shí)鐘則為200MHz，計(jì)數(shù)誤差為5ns，同時(shí)，系統(tǒng)的最大工作頻率并沒(méi)有改變。</p><p>　　數(shù)字移相測(cè)頻：這種思想與雙計(jì)數(shù)測(cè)頻具有累似的地方[9]。所謂移相是以一路信號(hào)為參考，另一路信號(hào)的相位相對(duì)于參考信號(hào)超前或滯后的移動(dòng)。原理如圖2-3所示

63、。</p><p>　　圖2-3 移相測(cè)頻原理圖</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過(guò)移相得到clk0、clk1、clk2、clk3，而clk1、clk2、clk3相對(duì)與clk0依次移相90度、180度、270度。四路信號(hào)分別作為計(jì)數(shù)器1、計(jì)數(shù)器2、計(jì)數(shù)器3、計(jì)數(shù)器4的計(jì)數(shù)脈沖，同時(shí)使T1為T(mén)x的整數(shù)倍，并把T1作為所有計(jì)數(shù)器的開(kāi)始信號(hào)，N=（N0+N1+N2+N3）/4。但是由于clk1、c

64、lk2、clk3是的二分頻，所以這種方法對(duì)于提高測(cè)頻精度和雙計(jì)數(shù)測(cè)頻法是等效的，但是電路要復(fù)雜一些。如果采用FPGA內(nèi)部資源來(lái)實(shí)現(xiàn)不分頻情況下的精確移相，則其精確度可以提高4倍?？傊陨蟽煞N方法可以在一定程度上提高頻率測(cè)量的精確度，但是還是很難抑制標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)所產(chǎn)生的±1個(gè)字的量化誤差。西安電子科技大學(xué)周渭發(fā)明了相檢式多周期同步測(cè)頻方法，能夠采用相對(duì)簡(jiǎn)單的技術(shù)在同一閘門(mén)時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確的對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)和待測(cè)頻率信號(hào)的整周期數(shù)進(jìn)行計(jì)

65、數(shù)，從而可獲得很高的測(cè)頻精度。</p><p>　　相檢式多周期同步測(cè)頻法</p><p>　　相檢式多周期同步測(cè)頻法的原理：</p><p>　　當(dāng)被測(cè)頻率量與標(biāo)準(zhǔn)頻率量之間有頻率差時(shí)，兩信號(hào)的相對(duì)相位會(huì)隨時(shí)間周期性變化。采用特定的相位檢測(cè)電路，可以檢測(cè)出被測(cè)頻率信號(hào)相位重合的信息，并產(chǎn)生相應(yīng)的相位重合脈沖，用此脈沖作為實(shí)際計(jì)數(shù)閘門(mén)的開(kāi)門(mén)相關(guān)門(mén)信號(hào)。圖2-4是實(shí)際

66、應(yīng)用該方法的信號(hào)時(shí)序圖。</p><p>　　圖2-4 相檢式多周期同步測(cè)頻發(fā)原理圖</p><p>　　和分別為被測(cè)頻率信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，為預(yù)定閘門(mén)時(shí)間（可以是0.1s,1s,10s），由單片機(jī)系統(tǒng)定時(shí)給定。當(dāng)上升為高電平給出預(yù)開(kāi)門(mén)信號(hào)后，相位檢測(cè)電路開(kāi)始工作，而對(duì)和的計(jì)數(shù)并沒(méi)有真正開(kāi)始，直到隨后和0同時(shí)達(dá)到上升沿或下降沿時(shí)，相位檢測(cè)電路將產(chǎn)生相應(yīng)的相位重合脈沖，用它打開(kāi)真正的計(jì)數(shù)閘門(mén)

67、，兩路計(jì)數(shù)器同時(shí)對(duì)和分別進(jìn)行計(jì)數(shù)；經(jīng)過(guò)預(yù)定閘門(mén)時(shí)間后，單片機(jī)給出預(yù)關(guān)門(mén)信號(hào)，但計(jì)數(shù)并沒(méi)有停止，直到隨后的第一個(gè)相位重合脈沖到來(lái)時(shí)才同時(shí)關(guān)閉兩路計(jì)數(shù)器，這樣，兩計(jì)數(shù)器計(jì)得得分別是被測(cè)頻率信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的整周期數(shù)和。對(duì)于以知得有：</p><p><b>　　（2—10）</b></p><p>　　用此方法測(cè)量頻率，理論上測(cè)量結(jié)果得誤差只取決于相位檢測(cè)電路得相位重合

68、檢測(cè)精度δ（如使用74SXX系列得高速器件可使這個(gè)檢測(cè)精度在時(shí)間軸上滿足δ≤3ns）。但是，實(shí)際上在這種測(cè)量方法中，待測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)得頻率值，頻率差得大小都會(huì)對(duì)實(shí)際閘門(mén)時(shí)間得長(zhǎng)短有影響[10]。例如，當(dāng)待測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率值相等或成整數(shù)倍或分?jǐn)?shù)倍的關(guān)系時(shí)，一旦兩信號(hào)有相位差，就不會(huì)有相位重合的時(shí)刻，兩信號(hào)頻差越小，實(shí)際的閘門(mén)時(shí)間就越長(zhǎng)。另外，待測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率值，頻率差也對(duì)測(cè)量結(jié)果的誤差有影響。分析表明，當(dāng)頻率差不大時(shí)，兩信

69、號(hào)的相位從分離到重合是完全有規(guī)律的按一定的步長(zhǎng)變化的。單片機(jī)給出預(yù)開(kāi)門(mén)信號(hào)到相檢電路檢測(cè)到隨后第一個(gè)相位重合信息并打開(kāi)閘門(mén)的過(guò)程，與單片機(jī)給出預(yù)關(guān)門(mén)信號(hào)到相檢電路檢測(cè)到隨后第一個(gè)相位重合信息并關(guān)閉閘門(mén)的過(guò)程是完全一致的，因此，盡管相檢電路檢測(cè)相位重合的精度為δ，但由于閘門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉是兩信號(hào)相位變化過(guò)程的一致性，這個(gè)δ被最大限度的抵消了，測(cè)量精度就越高。但頻差太小，兩信號(hào)相位重合的頻率也很小，由圖2.4可知，實(shí)際閘門(mén)時(shí)間為T(mén)greal=T

70、g-T1+T2，當(dāng)T2變大時(shí)會(huì)使得實(shí)際得閘門(mén)時(shí)間太長(zhǎng)</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章闡述了用多周期同步等精度法測(cè)量待測(cè)信號(hào)的方法，并闡述了用DSP實(shí)現(xiàn)這種方法的技術(shù)原理，同是也介紹了其他一些較常見(jiàn)的頻率測(cè)量的方法，并簡(jiǎn)單對(duì)比了，從原理上進(jìn)行了精度分析，可行性分析及誤差來(lái)源的預(yù)測(cè)，為后面的硬件方針做了理論闡述。</p>

71、<p>　　基于DSP芯片的功能模塊電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成</b></p><p>　　本章闡述了基于DSP芯片的功能模塊電路設(shè)計(jì)，列出了所選擇的硬件及其參數(shù)，并根據(jù)要求設(shè)計(jì)了硬件電路連接圖。如圖 3-1所示。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成</p><p><

72、;b>　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　本系統(tǒng)可以完成頻率、周期和占空比的測(cè)量,設(shè)計(jì)的總體電路由DSP主控電路、計(jì)數(shù)電路、小信號(hào)放大整形電路、串口通信電路、數(shù)碼顯示電路和功能鍵選擇組成。其工作過(guò)程是:根據(jù)功能鍵的判鍵結(jié)果(測(cè)頻率、測(cè)周期還是測(cè)占空比),DSP發(fā)出啟動(dòng)等控制信號(hào)和1S的閘門(mén),完成對(duì)閘門(mén)的同步和在閘門(mén)時(shí)間內(nèi)分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),然后將兩組計(jì)數(shù)值(各32位)

73、分8次送給DSP,DSP完成數(shù)值轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的浮點(diǎn)運(yùn)算,最后將運(yùn)算結(jié)果送8位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。通過(guò)串口通信和上位機(jī)程序,測(cè)量過(guò)程也可以在PC機(jī)控制下完成,并將測(cè)量結(jié)果送到PC中記錄,完成采集功能本嵌入式數(shù)字頻率計(jì)的硬件電路主要包含6個(gè)部分：AD8022運(yùn)算放大器，TPS73HD318電源，CRYSTAL_P外部時(shí)鐘信號(hào)，TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理模塊，單色液晶屏模塊(CM320*240)和4*2矩陣鍵盤(pán)模塊，系統(tǒng)總體框圖如圖3-1所

74、示。</p><p>　　信號(hào)處理過(guò)程：在鍵盤(pán)控制下，TMS320F2812根據(jù)4*2鍵盤(pán)發(fā)出的命令實(shí)時(shí)地將要轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓比較器形成的方波信號(hào)直接輸入捕獲單元的輸入引腳，再通過(guò)軟件濾波將捕獲到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多周期同步測(cè)量算法處理后直接送到單色液晶屏顯示，當(dāng)再次進(jìn)行通道選擇時(shí)，可通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。</p><p>　　系統(tǒng)主要硬件的選擇及介紹</p><p>

75、;<b>　　DSP芯片的選擇</b></p><p>　　DSP芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP是基于可編程超大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)重要技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于通信控制、信號(hào)處理、儀器儀表、醫(yī)療、家電、軍事、工業(yè)檢測(cè)、及消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品。DSP芯片的快速數(shù)據(jù)采集與處理功能以及片上集成的各種功能模DSP的應(yīng)用于各種場(chǎng)合提供了可能。DPS芯片的內(nèi)部采用程序和

76、數(shù)據(jù)分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門(mén)的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DPS指令，可以用來(lái)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。世界上第一個(gè)單片數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片應(yīng)當(dāng)是1978年AMI公司發(fā)布的S2811，1979年美國(guó)Intel公司發(fā)布的商用可編程器件2920是數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片的一個(gè)里程碑，這兩種芯片內(nèi)部都沒(méi)有現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片所必須有的單周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出μPD7720是第一個(gè)

77、具有乘法器的商用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片。在這之后，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。從運(yùn)算速度來(lái)看，MAC（一次乘法和一次加法）時(shí)間已經(jīng)從20世紀(jì)80年代初的400ns（</p><p>　　將DSP技術(shù)應(yīng)用在采集系統(tǒng)中，DSP將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)再送往微機(jī)進(jìn)行記錄、顯示。實(shí)際上它也參與數(shù)據(jù)采集工作，使采集功能大為提高。</

78、p><p>　　在國(guó)內(nèi)，常用的是TI公司生產(chǎn)的TMS320系列的處理器，以下是TMS320系列的基本結(jié)構(gòu)和主要特點(diǎn)[13]：</p><p>　　采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，可同時(shí)訪問(wèn)指</p><p>　　令和數(shù)據(jù)空間，數(shù)據(jù)在程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間進(jìn)行傳輸。</p><p>　　高度的可并行性操作，在一個(gè)指令周期內(nèi)可完

79、成多重操作，一般能夠完</p><p>　　成一次乘法和一次加法。</p><p>　　支持流水處理。在處理器內(nèi)對(duì)每條指令的操作可分為取指令、譯碼、執(zhí)</p><p>　　行等幾個(gè)階段，每個(gè)階段稱為一級(jí)流水。流水處理是指在某一時(shí)刻同時(shí)對(duì)若干條指令進(jìn)行不同階段的處理。TI的TMS32O系列具有四重流水線，既在理想情況下，可以對(duì)四條指令進(jìn)行不同階段的處理，大大提高了程序

80、運(yùn)行的速度。</p><p>　　片內(nèi)含有專門(mén)的硬件乘法器和高性能的運(yùn)算器及累加器，能夠在每秒鐘</p><p>　　內(nèi)處理數(shù)以千萬(wàn)次乃至數(shù)億次定點(diǎn)或浮點(diǎn)運(yùn)算，其處理速度比以往最快的CP處理器還快數(shù)十倍。為滿足數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算，如:FFT、卷積等運(yùn)算的特殊要求，多數(shù)DSP的指令系統(tǒng)中設(shè)置有循環(huán)尋址及位倒序指令和其它特殊指令，使在作這些運(yùn)算時(shí)尋址、排序及計(jì)算速度都大幅度提高，例如有些DPS做

81、1024點(diǎn)復(fù)數(shù)FTF所需要時(shí)間已達(dá)到微秒級(jí)。</p><p>　　新型DSP大多設(shè)置了單獨(dú)的地址總線及其控制器，在基本不影響DSP</p><p>　　處理速度的情況下，作為高速的并行數(shù)據(jù)傳送，其傳送速度可達(dá)到每秒百兆字節(jié)。</p><p>　　豐富的片內(nèi)存儲(chǔ)硬件和靈活的尋址方式為數(shù)據(jù)處理應(yīng)用提供良好條件。</p><p>　　DPS主要面向

82、數(shù)據(jù)處理，對(duì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)和處理速度有很高的要求，同時(shí)又需要大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，并根據(jù)這些應(yīng)用特點(diǎn)，DPS片內(nèi)基本上都有以M、ORM、FLASH等存儲(chǔ)空間，并通過(guò)不同的片內(nèi)總線訪問(wèn)這些空間，因此不存在總線競(jìng)爭(zhēng)和速度匹配問(wèn)題，大大提高了數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的速度。</p><p>　　新型DSP不但具有高速的數(shù)據(jù)處理能力，而且配置了越來(lái)越多的其它</p><p>　　部件，如A/D，比較器、SPI、SCI、P

83、WM、CAN等。</p><p>　　DSP芯片按用途分類(lèi)分為：通用型、專用型兩種，按數(shù)據(jù)格式可分為：浮點(diǎn)型、定點(diǎn)型兩種。</p><p>　　TMS320F2000系列芯片簡(jiǎn)介</p><p>　　傳統(tǒng)的DPS芯片數(shù)據(jù)處理能力非常強(qiáng)大，但它控制能力卻很弱，設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)往往需要添加很多接口電路。TI公司近年推出的TMS320C2000系列改變了這一局面[15]。TMS

84、320C2000系列DSP是TI公司繼第二代定點(diǎn)DSP處理器TMS320CZX和第三代定點(diǎn)DPSTMS320CSX之后出現(xiàn)的一種低價(jià)格、高性能的DPS芯片。它的體系結(jié)構(gòu)專為實(shí)時(shí)控制及實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，所配置的片內(nèi)外設(shè)為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案。其中其通用定時(shí)器、脈寬調(diào)制電路、捕捉器、光電編碼器、A/D轉(zhuǎn)換器、串行通信接口、CAN控制器、看門(mén)狗等片內(nèi)外設(shè)為將DPS應(yīng)用于智能測(cè)控、電機(jī)控制、電力電子技術(shù)等領(lǐng)域提供了豐富的資源。

85、</p><p>　　TMS320F2812的特性</p><p>　　TMS320F2812是TMS320C28x系列芯片中性能最好的一種，最高頻頻率為150MHz，處理速度可達(dá) 150MIPS，指令周期為6.67ns，采用了8級(jí)流水線的工作方式，TMS320F2812芯片中集中了一個(gè)偽雙12位A/D轉(zhuǎn)換器模塊。 CCS(Code Composer Studio)是TI公司推出的為開(kāi)發(fā)T

86、MS320系列DSP軟件的集成環(huán)境(IDE)。CCS工作在Windows操作系統(tǒng)下，類(lèi)似于VC++的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用圖形接口界面，提供有編輯工具和管理工具。它將多種代碼產(chǎn)生工具和匯編器、鏈接器、C/C+十編譯器、建庫(kù)工具等集成在一個(gè)統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，并且CCS具有開(kāi)放式的架構(gòu)，使TI和第三方能通過(guò)無(wú)縫插入附加專用工具擴(kuò)展IDE功能。CCS所集成的代碼調(diào)試工具具各種調(diào)試功能，包括了原TI公司提供的C/C++源代碼調(diào)試器和模擬器所具有的所

87、有功能，能對(duì)TMS320系列DSP進(jìn)行指令級(jí)的仿真和進(jìn)行可視化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。此外還提供了豐富的輸入/輸出庫(kù)-函數(shù)和信號(hào)處理的庫(kù)函數(shù)，極大地方便了TMS320系列DSP軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程。仿真器即擴(kuò)展開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，可用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的集成調(diào)試，是進(jìn)行</p><p>　　TMS320F2812是2000系列中功能最為強(qiáng)大的DSP芯片，它是一種32位DSP，片內(nèi)有128KFLASH、18KSRAM、UART、561/0、12

88、MAD+16路輸入、指令處理速度高達(dá)150MPIS等。此DPS2003年樣片推出，經(jīng)過(guò)了試用期，現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟。國(guó)內(nèi)公司己經(jīng)開(kāi)始陸續(xù)使用，其開(kāi)發(fā)工具完備，購(gòu)買(mǎi)渠道暢通，價(jià)格低廉，是一款非常適合我們需要的控制芯片。下面是TMS320F2812主要特點(diǎn)：</p><p>　　采用高性能的CMOS技術(shù)</p><p>　　150 MHz (6.67ns-Cycle Time)</p>

89、;<p>　　Low- Power (1.8-v Core, 3.3-vI/O) Design</p><p>　　3.3-v Flash Programming Voltage</p><p><b>　　2．片上存儲(chǔ)器：</b></p><p>　　FLASH 128k x 16位</p&g

90、t;<p>　　SARAM 18k x 16位</p><p>　　BOOT ROM 4k x 16位</p><p>　　OTP ROM 1k x 16位</p><p>　　可擴(kuò)展的片外1M存儲(chǔ)器接口</p><p><b>　　片上外設(shè)：&

91、lt;/b></p><p>　　PWM 12路</p><p>　　QEP 6通道</p><p>　　ADC2XS通道，12位，80ns轉(zhuǎn)換時(shí)間，0一V3輸入量程</p><p>　　SCI異步串口2通道</p><p>　　MCBPS同步

92、串口l通道</p><p><b>　　CANI通道</b></p><p>　　SP[同步串口1通道</p><p><b>　　A/D</b></p><p>　　片內(nèi):16通道，12位分辨率</p><p><b>　　工作環(huán)境：</b></

93、p><p>　　A：-40度到85度</p><p>　　S：-40度到125度</p><p>　　TMS320F2812 EVA模塊特征</p><p>　　TMS320F2812提供兩個(gè)事件管理器EVA和EVB模塊，用于運(yùn)動(dòng)控制和電機(jī)控制。每個(gè)事件管理器模塊都含有：</p><p>　　1．兩個(gè)16位通用可編程定時(shí)器

94、</p><p>　　2．二個(gè)全比較單元和與之對(duì)應(yīng)的PWM電路</p><p>　　3．三個(gè)捕獲單元CAP</p><p>　　4．正交編碼脈沖QEP電路</p><p><b>　　5．中斷邏輯</b></p><p>　　TMS320F2812AD模塊特征</p><p&g

95、t;　　本系統(tǒng)AD轉(zhuǎn)換采用TMS32OF2812內(nèi)部ADC模塊，此模塊是一個(gè)12位、具有流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙采樣保持器(S/H)，可多路選擇16通道輸入，快速轉(zhuǎn)換時(shí)間運(yùn)行在25MHz、或12.SM，輸入電壓范圍0--3V，單次轉(zhuǎn)換時(shí)間200ns，流水線轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換時(shí)間60ns，A優(yōu)模塊有兩個(gè)獨(dú)立的排序器，可以工作在雙排序器模式和級(jí)聯(lián)排序模式。</p><p>　　1．下圖是ADC結(jié)構(gòu)框圖，圖中的ADCN

96、I0到ADCIN15為16個(gè)模擬輸入引腳，經(jīng)排序器排序，由多路選擇器選擇出要轉(zhuǎn)換的通道，送入AD/轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果存在結(jié)果寄存器RESULTn中。如圖 3-4所示。</p><p>　　圖3-4 TMS320F2812 ADC結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2．級(jí)連排序器模式A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序圖</p><p>　　級(jí)連排序器模式A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序圖如圖 3-5所示

97、。</p><p>　　圖 3-5 級(jí)連排序器模式A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序圖</p><p>　　在級(jí)連模式下，16通道轉(zhuǎn)換總時(shí)間為：</p><p>　　T=17*Tadcclk+18*(1+ACQPS)*Tadcclk</p><p>　　表3-1 為不同時(shí)鐘時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間：</p><p>　　3．雙排序器模式A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序

98、圖</p><p>　　雙排序器模式A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序圖如圖 3-6所示。</p><p>　　圖3-6 雙排序器模式A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序圖</p><p>　　在雙排序模式下，16通道轉(zhuǎn)換總時(shí)間為：</p><p>　　T=9*2*Tadcclk+9*(1+ACQPS)*Tadcclk</p><p>　　表3-2 為不同時(shí)鐘

99、時(shí)的16通道轉(zhuǎn)換總時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間：</p><p><b>　　DSP外接電源</b></p><p>　　TMS320F2812由外部電源供電采用雙路輸出低壓降（LDO）穩(wěn)壓器TPS73HD318。管腳及電路連接圖如圖 3-7所示。</p><p>　　圖3-7 穩(wěn)壓器TPS73HD318</p><p>　　TPS73

100、HD318簡(jiǎn)介</p><p>　　TPS73HD3XX系列穩(wěn)壓器用緊湊的封裝提供了低壓差電壓和雙輸出。主要供DSP應(yīng)用，這些器件可用于任何混合輸出電壓調(diào)節(jié)器的應(yīng)用與支持多達(dá)七百五十毫安。低靜態(tài)電流和非常低壓降保證最大功率使用電池供電的應(yīng)用。德州儀器Power PADTSSOP封裝允許使用這些設(shè)備與任何電壓/電流組合范圍內(nèi)的上市規(guī)格不熱的問(wèn)題，提供適當(dāng)?shù)脑O(shè)備安裝程序得到遵守。單獨(dú)投入讓設(shè)計(jì)師來(lái)配置所需的權(quán)力來(lái)源。

101、雙有源低復(fù)位信號(hào)允許重置核心邏輯和I / O分開(kāi)。遙感/反饋終端管制的負(fù)荷。那個(gè)TPS73HD3xx有28引腳PowerPAD TSSOP封裝。他們運(yùn)行的自由空氣溫度范圍-40°C至125°C。</p><p>　　TPS73HD318原理框圖</p><p>　　TPS73HD318原理框圖如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 TPS

102、73HD318原理框圖</p><p>　　TPS73HD318參數(shù)測(cè)量信息</p><p>　　TPS73HD318測(cè)試電路如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9 TPS73HD318測(cè)試電路</p><p>　　TPS73HD318電壓波形如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10 TPS73HD3

103、18電壓波形</p><p><b>　　DSP外部時(shí)鐘信號(hào)</b></p><p>　　由于多周期同步等精度測(cè)頻法中，測(cè)量精度很大程度上取決于標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率，即標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率越高越好，所以對(duì)TMS320F2812采取外界時(shí)鐘信號(hào)的方式，可以提高測(cè)量精度。外部時(shí)鐘信號(hào)如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11外界晶振CRYSTAL_P&

104、lt;/p><p><b>　　信號(hào)放大電路</b></p><p>　　AD8022集成數(shù)據(jù)采集放大器可以在環(huán)境惡劣的工作條件下進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)采集。它線性好，并具有高共模抑制比、低電壓漂移和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，適用于大多數(shù)12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。AD8022通常用于電阻傳感器(電熱調(diào)節(jié)器、應(yīng)變儀等)構(gòu)成的橋式傳感器放大器以及過(guò)程控制、儀器儀表、信息處理和醫(yī)療儀器等方面。<

105、/p><p>　　AD8022的主要特性</p><p>　　AD8022可以提供高精度的信號(hào)調(diào)理，它的輸出失調(diào)電壓漂移小于1V／℃ ，輸入失調(diào)電壓漂移低于2V／℃，共模抑制比高于80dB(在G=1000時(shí)為ll0dB)，G=l時(shí)的最大非線性增益為0．001％ ，典型輸入阻抗為。AD8022使用了自動(dòng)激光調(diào)整的薄膜電阻，因而公差小、損耗低、體積小、性能可靠。同時(shí)，AD8022還具有單片電路和標(biāo)

106、準(zhǔn)組件放大器的最好特性，是一種高性價(jià)比的放大器。為適應(yīng)不同的精確度要求和工作溫度范圍，AD8022提供有三種級(jí)別。其中A和B為工業(yè)級(jí)，可用于-25～ +85℃ 。S為軍事級(jí)，用于-55～ +125℃AD8022可以提供四種漂移選擇。輸出失調(diào)電壓的最大漂移隨著增益的增加而增加。失調(diào)電流漂移所引起的電壓誤差等于失調(diào)電流漂移和不對(duì)稱源電阻的乘積。另外，AD8022的非線性增益將隨關(guān)閉環(huán)增益的降低而增加。AD8022放大器的共模抑制比的測(cè)量環(huán)境

107、條件為±10V，使用阻值為的不對(duì)稱電阻。在低增益情況下，共模抑制比主要取決于薄膜電阻的穩(wěn)定性，但由于增益帶寬的影響AD8022在60Hz以下頻率時(shí)相對(duì)比較恒定。但在有限的帶寬中，AD8022的相移將隨著直流共模抑制比的升高而增</p><p>　　圖3-12 D8022運(yùn)算放大器</p><p>　　AD8022作為前端模擬處理。AD8022是一款性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、具有低噪聲和

108、低失真特性的高性能8引腳雙運(yùn)算放大器。其內(nèi)部電路輸入級(jí)是NPN差分對(duì)，與之對(duì)應(yīng)的后面驅(qū)動(dòng)是PNP對(duì)，輸出緩沖級(jí)是工作在A類(lèi)的放大的射頻跟隨器。當(dāng)閉環(huán)增益提高時(shí)，AD8022可驅(qū)動(dòng)更大的容性負(fù)載，輸出不會(huì)產(chǎn)生震蕩。本系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)方式實(shí)現(xiàn)電壓比較器，可以將-15V—+15V的外界模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)電壓求和電路輸出0V—3V的模擬信號(hào)(即圖3中的引腳3處)，為抑制共模抑制比將其輸入到同相端，而在反相端輸入+1.5V的比較電平，這樣，在輸出端即引腳

109、6處可得到占空比為50%的方波，其中電容C5起抑制高頻噪聲的作用。</p><p>　　AD8022的典型應(yīng)用</p><p>　　圖3-13是AD8022應(yīng)用于橋型放大電路時(shí)的典型電路圖。該電路可在低電壓、高阻抗、大噪聲的環(huán)境中獲得最佳性能。當(dāng)然，這需要正確的屏蔽和接地。在圖3-11電路中，信號(hào)地和AD8022直接連接，從而形成了輸入放大器的偏置電流回路。用戶在設(shè)計(jì)時(shí)，可以像圖3-13所

110、給電路那樣直接連接，也可以通過(guò)小于1M的電阻間接連接。為了降低噪音，輸入管腳和增益電阻應(yīng)被屏蔽。利用自舉電路可實(shí)現(xiàn)無(wú)源數(shù)據(jù)的保護(hù)以改善交流共模抑制比。這種方法可減小差分相移，同時(shí)也可抑制系統(tǒng)帶寬的下降。利用圖3-13這種平衡設(shè)計(jì)不需使用外部旁路電容就可以獲得較理想的性能。但如果信號(hào)源被置于遠(yuǎn)處(10英尺或更遠(yuǎn))或者攜帶超過(guò)幾千毫伏的噪音時(shí)，就需要使用旁路電容來(lái)獲得更好的性能。參考端和補(bǔ)償端可以對(duì)遠(yuǎn)距離負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償，也可用于調(diào)整共模抑制比