基于TMS320F2812的数据采集及FFT设计

基于TMS320F2812的数据采集及FFT设计

摘 要

数据采集与处理是计算机应用的一门关键技术，主要研究信息数据的采集、存储和处理。数据采集与处理技术在工业控制系统中应用广泛。离散傅立叶变换是将离散信号分解为幅值分量和频率分量，是数字信号处理领域的工具之一，但是由于其计算量太大，应用受到限制。快速傅立叶变换的出现，使得DFT在实际应用中得到了广泛的应用。由于多数DSP芯片都能在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法，而且提供专门的指令，使得FFT算法在DSP芯片上实现的速度更快。

本文中主要采用TI的32位定点数字信号处理芯片TMS320F2812作为信号采集和处理的核心，通过片上的12位模数转换模块进行数据采集，对采集到的数据进行信号处理。本文给出了数据采集系统硬件的外围调理电路。

在介绍了DSP原理，TMS320F2812芯片资源，以及TMS320的软件集成开发环境(CCS)的基础上，对数据采集模块、采样原理及在TMS320F2812上的FFT实现作了细致的描述和分析。

关键词： 数据采集；数字信号处理器；模数转换器；FFT

I

Design of Data Acquisition System and FFT

Based on TMS320F2812

Abstraet

Data acquisition and processing become an important technology of computer application, which mainly studys the collection,storage and processing of information data.Technique of data acquisition and processing is widely applied in industry control system. Discrete Fourier Transform is one of the main tools in digital signal processing field. But because of its large computational complexity,its application is limited.Afterward,with the appearance of Fast Fourier Transform,DFT is widely used in practical application.Because most chips of DSP can complete a multiplication and an addition in an instruction period,and they can provide the specialized instruction of FFT,it accelerates the speed of the FFT algotithm working on the chip of DSP.

This paper takes the 32 bits fixed-point digital signal processing processor TMS320F2812 of Texa Instrument Company as the core of signal acquisition and processing system.The data acquisition is completed by the 12 bits A/D convertor of TMS320F2812.and then do the signal processing on collected data.This dissertation points out the periphery circuit of data acquisition system

Based on the introductions of DSP principle,chip resources of TMS320F2812 and Code Composer Studio(CCS)of TMS320,the dissertation describes and analyses the acquisition module and sampling theory of data and the achievement of Fast Fourier Transform on TMS320F2812 in great detail.

Keywords : data collection；digital signal processor；A/D converter；FFT；

II

目 录

引 言 .................................................................................................................................. 1 第1章 绪论 .......................................................................................................................... 2 1.1研究现状 .............................................................................................................................. 2 1.2方案比较 ............................................................................................................................ 2 1.3 FFT简介 ............................................................................................................................ 3 第2章 系统总体方案设计 .................................................................................................. 4 2.1系统框图 ............................................................................................................................ 4 2.2系统工作原理 .................................................................................................................... 4 2.3 小结 .................................................................................................................................... 4 第3章 系统硬件设计实现 .................................................................................................. 5 3.1 基于TMS320F2812的数据采集设计 ............................................................................... 5 3.2 TMS320F2812功能模块应用 ............................................................................................. 6 3.3 DSP硬件平台设计 .............................................................................................................. 8

3.3.1 复位电路设计 .......................................................................................................... 8 3.3.2 时钟电路设计 .......................................................................................................... 9 3.3.3 JTAG接口电路设计 ................................................................................................. 9 3.3.4 系统RAM的外扩设计 ......................................................................................... 10 3.4 TMS320F2812A/D模块概述 ............................................................................................ 10 3.5 调理电路设计 .................................................................................................................... 12 3.6 小结 .................................................................................................................................... 13 第4章 TMS320F2812的FFT研究及仿真 .................................................................... 14 4.1 数据采集的程序设计 ........................................................................................................ 14 4.2 FFT的基本原理 ................................................................................................................ 15

4.2.1 DFT的基本原理 ..................................................................................................... 15 4.2.2 频率抽取FFT(DIF) ............................................................................................... 16 4.3 FFT在TMS320F2812上的实现 ...................................................................................... 16 4.4 小结 .................................................................................................................................... 19

结论与展望 .............................................................................................................................. 20 致 谢 .................................................................................................................................. 21 参考文献 .................................................................................................................................. 22 附录A 系统原理图 .............................................................................................................. 24 附录B 引用的外文文献及其译文 ...................................................................................... 26 附录C 主要参考文献的题录及摘要 .................................................................................. 30 附录D 总源程序清单 .......................................................................................................... 32

III

插图清单

图2-1 数据采集示意图 ........................................................................................................... 4 图3-1 典型结构的数据采集系统框图 ................................................................................... 5 图3-2 TMS320F2812芯片引脚图 ......................................................................................... 7 图3-3 上电复位电路图 ........................................................................................................... 8 图3-4 时钟电路图 ................................................................................................................... 9 图3-5 JTAG接口原理图 ........................................................................................................ 9 图3-6 SRAM接口图 ............................................................................................................ 10 图3-7 ADC模块功能图 ....................................................................................................... 11 图3-8 调理电路图 ................................................................................................................. 13 图4-1 主程序流程图 ............................................................................................................. 14 图4-2 WN的对称性和周期性示意图 .................................................................................. 15 图4-3 系统软件仿真采集信号波形图 ................................................................................. 18 图4-4 FFT仿真图 ................................................................................................................. 19

IV

引 言

随着数字信号处理理论和计算机的不断发展，现代工业生产和科学技术研究都需要借助于数字处理方法。进行数字处理的先决条件是将所研究的对象进行数字化，因此数据采集与处理技术日益得到重视。在图像处理、瞬态信号检测、软件无线电等一些领域，更是要求高速度、高精度、高实时性的数据采集与处理技术。现在的高速数据采集处理卡一般采用高性能数字信号处理器(DSP)和高速总线技术的框架结构[1]。

DSP用于完成计算量巨大的实时处理算法，高速总线技术则完成处理结果或者采样数据的快速传输。在单片实现数字采集中，本论文选用了TMS320F2812芯片，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TMS320F2812芯片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TMS320F2812芯片的原因。

本论文作为一个数据采集系统，采用处理速度比较快的TMS320F2812芯片，更好的实现数据的快速处理，在系统设计中，首先有16路数据采集电路对模拟信号进行采集，然后经过调理电路，调理电路主要负责调节输入的16路数据信号的信号电压，使之符合AD转换模块所需要的电压要求范围，这里采用的放大器芯片是ADOP37，它的诸多优点在正文中已经介绍，然后通过AD转换把信号送入DSP进行处理，这就完成了数据的采集。

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第1章 绪论

1.1研究现状

数字信号处理(Digital Signal Processing)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科[2]。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[3]。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。数字信号处理器(Digital Signal Processor)是针对数字信号处理的需求而设计的一种可编程的单片机，是现代电子技术、计算机技术和信号处理技术相结合的产物，有强大的运算功能和高速的数据传输能力，能方便地处理以运算为主的不允许时延的实时信号，在电子信息、通信、软件、无线电、自动控制、仪器仪表、信息家电等高科技领域得到了广泛的应用，并推动了其他各学科的发展和创新。

1．DSP特点介绍数字信号处理器(DSP)为了适应快速数字信号处理、运算的要求，普遍采用了特殊的硬件和软件，具有如下特点：

(1)改进的哈佛(Harvard)结构 (2)专用的硬件乘法器 (3)指令系统的流水线结构 (4)特殊的DSP指令 (5)硬件配置强 (6)多总线结构 (7)多处理单元

2．DSP芯片的选择设计DSP应用系统，选择DSP芯片是非常重要的一个环节。只有选定了DSP芯片才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的DSP应用系统由于应用场合、应用目的等不尽相同，对DSP芯片的选择也是不同的。一般来说，选择DSP芯片时应考虑到如下诸多因素：

(1)DSP芯片的运算速度 (2)DSP芯片价格

(3)DSP芯片片内硬件资源 (4)DSP芯片的开发工具

1.2方案比较

[4]

本文介绍一种基于高性能DSP的高速数据采集处理系统。实现数据采集系统，有很多种方案，下面就几种基本结构进行比较分析。 1.工控板+AD采集卡模式

该系统由机械控制部分控制设备运行，AD卡对数据进行采集，然后由工业级半长型CUP主板进行处理，处理后的数据通过串口上传计算机系统，这种模式是以前产品多采用的方式，采集速度较快，抗干扰能力强，但结构比较复杂，电气成本，维护成本高，自主知识产权低[5]。 2.微处理器十AD模式

微处理器一般采用8位、16位单片机，如51、196等，速度比较慢，适用于对速度要求不高的场合。如采用高端32位嵌入式微处理器，如ARM系列微处理器，则可以大大提

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高其处理速度，也是一种可行的方案，但单片机的对信号的处理方面不如DSP[6]。 3.DSP十AD+FPGA模式

这种模式采用DSP技术进行设计，自主知识产权高，技术先进。目前是市场的主流，工作原理和上一机型类似，但它也存在一些缺点，主要是传统DSP的控制功能、接口功能较弱，需要配合FPGA进行扩展，以至电路复杂、成本相对较高等[7]。 4.带有内部A/D的DSP模式

此种模式采用带有内部AD转换的高速DSP芯片作为系统核心，数据传输接口采用UBS接口，由此设计的系统具有电气结构简单，成本低，采集与处理速度快等优点。

经过比较，本数据采集系统采用带有内部A/D的TMS320F2812-DSP模式这种结构，这是一种结构简单、功能强大、经济实用、多通道高速数据采集处理系统。

1.3 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信号形式[8]。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、电子测量仪器、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[9]。

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[10]。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，因此在很长一段时间内其应用受到很大的限制。直到1965年J.W.Coofy等学者提出并完成了DFT的快速算法 FFT[11]。使DFT的运输大大简化，运算时间缩短1-2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[12]。

该章介绍了DSP的展及特点，对FFT的发展也进行了说明。实现数据采集的方案也有很多种，经过比较，本文数据采集系统设计采用带有内部A/D的TMS320F2812-DSP模式这种结构。

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第2章 系统总体方案设计

2.1系统框图

扩展 DSP JTAG 引脚 PORT JTAG DSP TMS320F2812 总线 50HZ 正弦信号 TPS767D318 IS61LV51216 电源 RAM 调理电路 A/D 图2-1 数据采集示意图

2.2系统工作原理

1．数据采集对象本文的数据采集系统如图2-1所示，采集对象为50Hz左右的正弦波。该正弦信号源由TFG2050-DDS型函数发生器提供。该型号信号发生器能产生40mHz-50MHz的正弦波。

2．数据采集的信号调理如图2-1所示50Hz的正弦信号分成两部分，由于双极性信号不能直接接入TMS320F2812的A/D输入引脚，所以一部分要经过调理电路设计得到0～3V的信号，接入TMS320F2812的AD输入通道ADCH。

3．本文中TMS320F2812的电源设计采用TPS767D318作为POWER供给。选择SN74CBTD3384作为电平转换芯片。

4．本文中的外扩设计采用高速低电压的IS61LV5128-10T芯片作为系统的存储器件。具体设计在3.3.4系统RAM的外扩设计中将详细介绍。

5． FFT在TMS320F2812上的实现，并在集成开发环境CCS下进行软件仿真，进行验证了FFT算法的正确性。 2.3 小结

本章主要介绍了系统总体方案设计的整体结构，总的组成框架以及外围模块的简略概述，具体的详细设计将在第3章硬件部分和第4章软件部分阐述。

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第3章系统硬件设计实现

3.1 基于TMS320F2812的数据采集设计

对于一个DSP应用系统，数据采集的重要性是十分显著的。它是DSP与外界连接的桥梁[13]。A/D转换器是采集通道的核心，也是影响数据采集系统速率和精度的主要因素，数据采集系统各器件的定时关系是严格的，以确保系统精度，DSP中的定时电路和逻辑控制电路按照各个器件的工作次序产生时序信号和依据时序信号产生逻辑控制信号[14]。

同传统A/D相比，嵌入式A/D有如下特点：在A/D模块的硬件资源配置好后，用户可用软件指令随时启动A/D采样，并获得A/D转换结果。同传统A/D不同的是，采集功能单元的硬件资源配置还有一部分是通过软件完成的。外界的模拟量通过传感器采集进来后，进入多路模拟选择器，经过采样保持，送到12位的模拟数字转换器，将转换结果经过多路选择开关进入结果寄存器中。来自外界传感器的输入模拟信号经过输入信号调理(信号调理是通过信号经过调理电路来实现的)，多路模拟选择器(MUX)，采样保持放大器(SHA)，进入模拟数字转换器(ADC)转换为计算机可以接受的数字信号[15]。

输入 CPU 输入模拟信号 总线 调理

SHA ADC

MUX 存储

图3-1 典型结构的数据采集系统框图

本文中TMS320F2812芯片上集成了多路模拟选择器(MUX)，采样保持放大器(SHA)，模拟数字转换器(ADC)以及计算机缓冲接口等功能。

1．多路模拟选择器(MUX)数据采集系统往往要对多路模拟量进行采集，在不要求高速采样的场合，一般采用公共的A/D转换器，分时对各路模拟量进行A/D转换，目的是简化电路，降低成本。可以用多路模拟选择开关轮流切换各路模拟量与A/D转换器间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到A/D转换器，从而实现分时转换的目的。一般多路模拟选择开关有个模拟输入端，N个通道选择器，由N个选通信号控制选择其中一个开关闭合，使对应的模拟输入端与多路开关的输出端接通，让该模拟信号通过。有规律地周期性改变N个选通信号，可以按固定的序列周期性闭合各个开关，构成一个周期性分组的分时复用输出信号，由后面的A/D转换器分时复用对各通道模拟信号进行周期性转换。在F2812上有16个多路选择入口，即最多可以对16路信号进行分时复用转换。

2．采样保持器(SHA)A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时间内希望A/D转换器输入端的模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度。这可以用采样

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保持器来实现，采样保持器的加入，大大提高了数据采集系统的采样频率。F2812上拥有2个采样保持器(SHA)。

3．模数转换器(ADC)因为计算机只能处理数据信号，所以需要把模拟信号转换成数字信号，实现这一转换功能的器件是A/D转换器。A/D转换器是采样通道的核心，因此A/D转换器是数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。F2812尽管有多个输入通道和两个排序器，但只有一个模数转换器。A/D转换器是将一个模拟信号变成数字信号的电路，对于输入端模拟信号，A/D转换器首先将输入模拟信号取样，为保证不产生取样过程的失真，取样频率必须满足取样定理的要求，所得取样信号时间上离散而在幅度上连续的信号序列。然后，对这个序列中的每个取样值进行量化，因为数字信号只能表示有限个数值，而取样信号的幅度值是连续的，这就需要将取样信号的幅度值用数字信号所能表示的有限个数值中最接近的一个来表示，这个过程称为量化。然后将已量化的信号用数字信号表示，从而完成模拟信号到数字信号的转换。

从信号理论可知，只要满足采样定理的条件，采样过程并不产生失真，即从采样信号序列可以完全恢复原来的模拟信号。但量化过程则必然产生失真，因为它改变了采样信号序列中各取样值的数值，称这种失真为量化失真或量化误差。量化可分为两种，均匀量化和非均匀量化。均匀量化是把输入信号的取值域按等距离分割的量化。对于均匀量化，如果输入信号的最大幅值确定，则数字信号的位数越多，则字越长，量化失真就越小，数字信号所能分辨的模拟信号的幅度变化就越细，表示该A/D转换器的分辨率越高[16]。若假定输入模拟信号的最大幅度为A，数字信号的字长N，即每个取样值用N个码元(N个比特)表示，则该数字信号可以表示2N个离散值，它能够准确表示的数值之间的间隔可由式2-1表示：

A ??N（2-1） 2-1由于量化所产生的最大的量化误差由式2-2表示： ?A ?=???（2-2）N22(2-1)

非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度(实际中常常是这样)时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例[17]。因此，量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的信号量噪比。模数转换器的位数是ADC的分辨率，在式(2-3)中，N就代表模数转换器的位数，所以位数越多，量化电平越低，量化信号的每个台阶就越小，这样与模拟信号就更加接近。所以选择高分辨率的模数转换器，可以将量化噪 声减少到可以允许的程度。但从提高精度的角度出发模数转换器的位数与采样频率是相互制约的，所以要根据实际应用选择合适的ADC。

3.2 TMS320F2812功能模块概述

TMS320C2000DSP平台整合了高性能的DSP内核、内部Flash存储器、高精确度模拟外设、数字控制及通信外设等。为用户提供了单芯片实现高性能控制的解决方案，TMS320F2812主要功能模块如下图3-2所示[18]：

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图3-2 TMS320F2812芯片引脚图

(1)Flash内存

C2000产品的内部Flash存储器大小为8～128KB。用户可以应用内部Flash存储器固化应用软件以及产品的升级换代。C2000 DSP提供分区(Sector)的Flash内存，允许改写每个分区，而不清掉整个Flash内存；此外C2000DSP采用密码保护程序代码，以保护用户的程序。

(2)事件管理器(Event Manager)

定时器/比较器模块减少了CPU完成事件定时、采样循环及PWM生成等任务的开销；可编程死区设置；捕捉单元和正交编码电路能够检测元件直接接口；PDP中断为系统提供无条件保护。

(3)模数转换模块(A/D Converter)

10位模拟/数字转换器(C24x)和12位模拟/数字转换器(C28x)；LF240xA最快转换时间为500ns，F2812最快转换时间为80ns；外部模拟/数字转换及事件(EV)触发的模拟转换不需占额外CPU时间；具有双缓冲的结果寄存器，减少中断到取得转换结果所需要的时间；6个模拟输入通道；转换自动排序器可增加通道数目，而不需CPU介入。

(4)CAN模块

完整的CAN控制器，符合CAN2.0B规范；发送、接受标准帧(11位标志符)及扩展

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帧(29位标志符)；C24x有16个信箱，F2810、F2812有32个信箱；0-8位可编程数据长度；提供接收信箱、发送信箱及可配置的发送/接收信箱(信箱0及1)；C28x系列提供低耗电模式，定时邮递(Time Stamping)功能；数字回路自测试模式；可编程通信速率；可编程中断控制。

(5)串行通信接口(Serial Communication Interface，SCI-UART)

异步通信格式(NRZ)；可编程波特率；数据长度1-8位可编程；可编程停止长度1或2位；错误检测：极性错误、过载错误、帧错误、中止错误等；两种唤醒模式：线空闲唤醒及地址位唤醒；半双工或全双工操作；C24x有双缓冲器的接收及发送功能；C28x有16层接受及发送缓冲器；独立的接收/发送中断；独立的接收/发送中断使能位。

(6)串行外围接口(Serial Peripheral Interface，SPI)

1-16位可编程数据长度(F/C240为1-8位)；同步的发送/接收帧；主/从操作模式；支持多处理器通信；SPI时钟极性控制。

(7)C28x的多通道缓冲串行接口(McBSP)

全双工通信；双缓冲发送，三缓冲接收，允许连续数据流；支持128个通道的发送及接受；独立的发送时钟；多通道选择模式使能每个通道的块传输。

3.3 DSP硬件平台设计

DSP硬件平台设计主要包括以下几个部分：复位电路；时钟电路；JTAG接口电路以外扩存储，这几部分的设计主要保证DSP在稳定的环境下工作，充分实现DSP高速处理数据的能力，下面就对这几部分进行详细的介绍。 3.3.1复位电路设计

TMS32F2812的复位分为软件复位和硬件复位两种。软件复位是通过指令方式实现芯片的复位，而硬件复位是通过硬件电路实现复位。在硬件复位中主要有上电复位电路、手动复位电路、自动复位电路等。本系统采用上电复位电路，它是利用RC电路的延迟特性来产生复位所需要的低电平时间。电路如图3-3所示

+3.3VR410KS1DSP-RS#SWC30.1uF

图3-3 上电复位电路图

上电瞬间，由于电容C3上的电压不能突变，是RS仍为低电平，芯片处于复位状态，同时通过电阻R4对电容C3进行充电，充电时间常数由R4和C3的乘积确定。为了使芯片正常初始化，通常应保证RS低电平的时间至少持续3个周期。但是，在上电后，系统的晶体振荡器通常需要几百毫秒的稳定期，一般为100 ～200ms，因此由RC决定

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的复位时间要大于晶体振荡器的稳定期。为了防止复位不完全，RC参数可以选择大一些。

3.3.2 时钟电路设计

为DSP芯片提供的时钟一般有两种方法：一种是使用外部时钟源的时钟信号，另一种方法是利用DSP芯片内部的振荡器构成时钟电路，在芯片X1和X2/CLKIN引脚之间接入一个晶体，用于启动内部振荡器。本系统采用后者，电路如图3-4所示。

X1/XCLKINC124pFY130MHZX2C224pF图3-4 时钟电路图

晶体是晶体谐振器的简称，是一种压电石英晶体器件，具有一个固有的谐振频率，在恰当的激励作用下，以其固有频率振荡。振荡电路是为晶体提供激励和检测的电路。晶振将晶体，振荡器和负载电容集成在一起，其输出直接是一方波时钟信号。

3.3.3 JTAG接口电路设计

JTAG（Joint Test Action Group）接口是TI公司在其DSP中使用的基于边界扫描逻辑的仿真标准。它符合规范IEEE1149.1，能极其方便地提供硬件系统的在线仿真和测试。基于JTAG标准的仿真器给开发者提供了一个不改变目标平台系统结构的开发工具。另外JTAG仿真器还具有体积小、易安装、功能扩充性强和很高的兼容性等特点，使开发者可以随时随地地进行开发和调试。

当仿真头和JTAG目标芯片之间的距离超过6英寸时，仿真信号是要缓冲的。若小于6英寸，不必加缓冲。图3-5为DSP与JTAG接口连接图，其中的EMU0和EMU1信号必须通过上拉电阻连接到电源上，提供少于10us的信号上升时间，上拉电阻可取 4.7KΩ。

U2591137121314TCKTDITDOTMSTRST3.3VVCCTCK_RETTCKTDI4681012GNDNULLGNDGNDGNDTDOTMSTRSTEMU0EMU1EMU0EMU1JTAGR20R194.7K4.7K图3-5 JTAG接口原理图

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3.3V

JTAG仿真大大方便了汇编语言程序的调试，它可实时的访问目标板上CPU的存储、器、寄存器以及I/O口等。调试软件的同时也可以调试硬件，给系统设计者来了很大的方便和灵活性。

3.3.4系统RAM的外扩设计

F2812数字信号处理器采用增强的哈佛总线结构，能够并行访问程序和数据存储空间。内部集成了大量的SRAM、ROM以及Flash等存储器，并且采用统一寻址方式(程序、数据和UO统一寻址)，从而提高了存储空间的利用率，方便程序的开发。除此之外，F2812数字信号处理器还提供外部并行总线扩展接口，有利于开发大规模复杂系统。下面主要介绍F2812存储器寻址空间、外部存储器以及外设扩展接口及其应用。TMs320F2812存储器包括片上存储器和外部存储器接口两个部分[19]。

TMS320F2812与SRAM之间的连接：本系统SRAM采用高速低电压IS61LV5128-10T作为系统的存储器件，它与F2812之间根据管脚对应关系直接连接。

U2IS61LV51216XA15XA14XA13XA12XA11XA10XA9XA8XA7XA16XA17XA6XA5XA4XA3XA2XA1XA0XA18XCS7XWEXRD12345181920212223242526274243442861741A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17NCCEWEOEI/O0I/O1I/O2I/O3I/O4I/O5I/O6I/O7I/O8I/O9I/O10I/O11I/O12I/O13I/O14I/O15LBUBGNDGNDVDDVDD78910131415162930313235363738394012343311XD0XD1XD2XD3XD4XD5XD6XD7XD8XD9XD10XD11XD12XD13XD14XD153.3V 图3-6 SRAM接口图

3.4 TMS320F2812A/D模块概述

TMS320F28xADC模块是一个12位带流水线的模数转换器(ADC)，模式转换单元的模拟电路包括前向模拟多路复用开关(MUXs)、采样/保持(S/H)电路、变换内核、电压参考以及其他模拟辅助电路。模式转换单元的数字电路包括可编程转换序列器、结果寄存器、与模拟电路的接口、与芯片外设总线的接口以及同其他片上模块的接口[20]。

模数转换模块ADC有16个通道，可配置为2个独立的8通道模块，分别服务于事件管理器A和B，两个独立的8通道模块也可以级联构成一个16通道模块。尽管在模数转换模块中有多个输入通道和两个排序器，但仅有一个转换器。F2810、F2811、F2812

的ADC模块的功能框图如图3-8所示[21]：

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ADCIN0 ADCIN7 CIN0 ADCIN7 S/K EVA GPIO/XIN T2AD CSOC AD/H-B S S/H-A 系统时钟 高速预定标器 C28X 模拟复用开关 ADCENCLK HSPCLK 结果存储器 12位AD模块 Result Reg0 Result Reg1 : Result Reg7 Result Reg8 排序器1 ADC控制寄存器排序器2 SOC SOOOC 图3-7 ADC模块功能图

两个8通道模块能够自动排序，每个模块可以通过多路选择器(MUX)选择8通道中的任何一个通道。在级联模式下，自动排序器将变成16通道。对于每个通道而言，一旦ADC转换完成，将会把转换结果存储到结果寄存器(ADCRESULT)中。自动排序器允许对同一个通道进行多次采样，用户可以完成过采样算法，这样可以获得更高的采用精度[21]。

ADC模块主要包括以下特点：

1．带内置采样/保持的12位模数转换内核；

2．快速转化时间(运行于25MHz的ADC时钟下为80ns)； 3．同步采样和顺序采样模式；

4．多达16个的模拟输入通道(ADCIN0-ACCIN15)；

5．自动排序能力，在一次转换可处理多达16个的“自动转换”。每个转换操作通过编程来选择16个通道的其中一个；

6．16个结果寄存器(可独立寻址)用来存储转换值；

7．输入模拟电压对应的数字值公式为：数字值=4095×(输入模拟值- ADCLO)/3式中ADCL0为输入模拟电压为0时的输出值； 8．有多个触发源启动ADC转换(SOC)； (1)S/W：软件立即启动

(2)EVA：事件管理器A(在EVA中有多个事件源可启动AD转换) (3)EVB：事件管理器B(在EVB中有多个事件源可启动AD转换)

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(4)外部引脚：ADCSOC引脚 9．模拟输入范围：0～3V；

10．灵活的中断控制机制，允许在每一个或每隔一个转化序列结束(EOS)时产生中断；

11．排序器可工作在“启动/停止”模式，允许多个按时间排序的触发源同步转换；模数转换模块ADC排序器由两个独立的8状态排序器(SEQ1和SEQ2)构成，这两个排序器还可以级联构成一个16状态的排序器(SEQ)。这里的状态是指排序器内能够完成的ADC自动转换通道的个数。单排序器模式(级联构成16状态)，双排序器模式(两个互相独立的8状态)。

3.5 调理电路设计

在系统中，调理电路主要负责调节输入的四路数据信号的信号电压，使之符合接下去信号的AD转换模块的电压要求范围，在0~3Vp-p之间。

同时考虑到实际情况，需采集的信号分交流和直流信号两种，因此系统为了能分别对交流信号或直流信号进行采集与处理，系统采用了一个三端口的跳线，作为直流信号和交流信号的采样转换选择装置，并通过这个跳线将调理后的信号输入到DSP中进行最后的采集和处理[22]。

在系统调理中，选用放大器ADOP37作为系统的调理电路的核心，由它对四路的数据信号进行调理。

在系统中选择ADOP37作为调理电路的放大器的理由是它具有如下这些优点[23]： 1.具有较低的噪声 2.频带宽度较宽

3.是一个高精度的运放 4.是个双极型的运放

5.模拟电压在15～-15V之间，输出的采样信号电压可在0~3V之间功耗较低，只有90mw当输入信号是交流信号时，系统的调理电路自动对其进行调理。图3-6所示，有两个变阻电阻，可对系统的调理放大倍数进行调节，增大或减小，在本系统中调理电路的反相增益0.1-10倍之间。

当输入信号是直流信号时，由于可以通过在数据采集时的整流电路进行调节数据电压的范围，所以可以直接跳过调理，而进入DSP中进行最后的采样处理。所以系统中，直接用一根导线将数据信号接入DSP。

系统调理电路如图3-6所示：

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+15[max]R5C34.7uFAGNDRF-12.2KRF-220KR34.7KC21uFU12R1-220K635OP371R44.7K+3.3AC41uF100C54.7uFC61uFAGNDC114.7uFJP18ACINA0R1-12.2K7AGNDADCINA0321CON32.2KR6C7AGND4.7uFAGNDDCINA0C81uF100C94.7uF4R2-15[min]C101uFAGND 图3-8 调理电路图

此小节只介绍了十六路采集中的一路，其余十五路调理电路与此路调理电路原理一样，具体到各路设计在附录A的原理图中详细画出。

3.6 小结

本采集系统以TMS320F2812芯片为核心构建了数据采集系统平台，本章主要介绍了TMS320F2812上功能模块的简介，在硬件设计上更为细致的逐一对各硬件功能及连接进行介绍。通过硬件的设计和调试实现对输入信号的数据采集，为第4章进行FFT运算提供了正确的数据。

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第4章 TMS320F2812的FFT研究及仿真

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，因此在很长一段时间内其应用受到很大的限制[24]。本文采用的TMS320系列DSP芯片的硬件资源使得FFT的实现更为方便，T本章首先简要介绍数据采集的程序设计，然后分析FFT的基本原理最后是FFT在TMS320F2812上的实现及仿真。

4.1 数据采集的程序设计

运用TMS320F2812片内集成的12位A/D转换器进行数据采集。数集模块按照图3-5的主程序流程顺序，配合调用作者编写的相关子函数，完成信号的采集和传输。

开始 启用ADC,启用通用寄存器 初始化DSP 捕获中断程序 ＳＰ 关中断 比较中断 是 否 产 生 否 初始化AD 初始化串口 启动ADC 设置中断服务程序入口地址 否 否 是 图4-1 主程序流程图

结束 开中断 捕获引脚是否有变化 判断采集是否 完成 AD转换完成中断 清除各种标志位 数据采集模块进行必要的硬件连接之后，对模块加载规定范围内的电压，促使

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DSP芯片开始工作[25]。DSP芯片F2812上电后，主程序首先调用初始化DSP内核的子程序，在该子程序中完成禁止看门狗[15]；设定基于锁相环的时钟模式，使得F2812的主频达到150MHz；通过写高速外围时钟定标寄存器和低速外围时钟定标寄存器，完成系统时钟信号的设定；对外围时钟控制寄存器的第0、3、10位写1，使能各外设模块的时钟。紧接着，主程序禁止CPU中断，对中断使能寄存器IER和中断标志寄存器IFR赋值，清除中断。随着主程序调用一系列的初始化程序，完成了相关功能寄存器的参数设定，如初始化PIE中断程序、初始化PIE中断矢量表程序、初始化外部扩展接口程序、初始化片内A/D程序、初始化时间管理器EVA程序。随后，主程序将A/D中断入口地址、捕获中断入口地址装入PIE中断矢量表中，开中断。

4.2 FFT的基本原理 4.2.1 DFT的基本原理

DFT是连续傅立叶变换的离散形式。模拟信号x (t)的连续傅立叶变换(或 称为频谱)可表示为：

? ?jwt(4?1) -?x (t)经抽样后变为x( nT),T为抽样周期。离散信号x (nT)的傅立叶变换可以表示为： 1N ?(4?2)nk X(k)?x(n)wN,k?0,1,...,N?1

n?0

式中，WN?e?j2?/N称为蝶形因子。式(4-2)为N点的DFT。由上式可见，计算所有

X(?)=??(t)edt?X(k)约需要N2次乘法和N2次加法，运算量很大。根据WN蝶形因子的对称性和周期性：

对称性： kN?kW?W周期性： NNkk?N/2 WN??WN

图4-1是N=8时蝶形因子的对称性和周期性。

412w8?w8(4?4)(4?3)614w?w8w?w858138715w8?w808w8?w8

图4-2 WN的对称性和周期性示意图

210w8?w8311w8?w819w8?w8

FFT是DFT的一种快速算法，其基本思想在于将长序列的DFT分解为2个短序列

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的DFT。这些序列的DFT可以组合就得到原来的DFT[26]。如N(为偶数)点的DFT先分解为2个N/2点的DFT序列，那么计算N点DFT就只需要N/2点的DFT所需的乘法次数。每个N/2点的DFT又可以分解为N/4点的DFT，从而又使乘法的计算量减少一半。上述方法可以反复使用。最小变换的点数即所谓的“基数”(radix)。基数为2的FFT算法最小变换(或称蝶形)是2点DFT。一般地，对N点FFT，对应于N个输入样值，有N个频域样值与之对应。

4.2.2 频率抽取FFT(DIF)

另一种FFT算法是按频率抽取算法(Decimation-In-Frequency，DIF)FFT，在FFT分级过程中的每一级都要将输出的频域序列分成较小序列来处理，即在每一级都要对输出序列进行抽取[16]。频率抽取FFT算法的特点是每一级处理都是在时域里把输入序列依次按奇、偶一分为二分成较短的序列，还有一种算法是在频域里把序列分解为奇、偶的形式来进行计算，这就是所谓的频率抽取FFT算法。

4.3 FFT在TMS320F2812上的实现

FFT变换是非常流行的一种频域分析方法，它利用蝶形因子的旋转性和周期性的特点，大大减少了运算量，提高了DFT的计算效率[17]。DSP在实现FFT方面具有自身的优势：一方面，针对FFT变换中需要对原始顺序进行码位倒序排列，DSP控制器专门设计了反序间接寻址；另一方面，FFT变换需要进行的蝶形运算，需要指令系统能满足查表以及短时间内的累加相乘的需要，而DSP的间接寻址方法可以实现增(减)1或增(减)一个变址量，并且能在一个周期内完成乘和累加，这些都满足了FFT的运算需求。

FFT的库函数实现

在各个系列的DSP专门设计有可以被C语言直接调用的傅立叶变换的内联库函数，针对C28系列的DSP的FFTLibrary函数库(sprc081)在TI的官方网站可以下载到。该函数库安装后含有复数FFT和实数FFT两种汇编程序和源文件和库文件。利用该库函数可以加快软件开发速度。实际计算时，TI公司为了加快实数FFT，巧妙地使用了压缩算法：对2N点的数做N点复数FFT，最后再劈分还原，得到实数2N点实数FFT计算的真正结果[27]。

RFFT的计算流程：

(1)将fft.lib库文件添加到工程项目中，并包含相应的头文件，在头文件中有关于FFT的一些结构及功能函数的声明。

(2)定义一个结构体RFFT32_fft=RFFT32_128P_DEFAULTS。该结构体为RFFT32类型。

(3)定义一个长整型数据长度为128的数组long DATA[128]用来存放数据，注意这里原始数据和经过FFT运算后的数据是放在同一数组里的，所以在进行FFT运算时要注意数据的保护问题。

(4)将采样后存放在数组中的复数序列进行位反序。 (5)进行FFT运算。

基于C28x的模块包括以下四个部：

(1)把2N 个实数包装成N个复数并且通过位反序方式使N个复数按“混序” 排列。 (2)N点基-2复数FFT运算。 (3)分离函数运算。

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(4)复值平方运算。 FFT实现主要代码： void mian(void)

{fft.ipcbptr=ipcb;//cal()函数处理数据的起始位置

fft.magptr=ipcb;//mag()函数后放置幅值平方数据的起始位置 fft.init();//复制旋转因子TF for(i=0;i<128;i++) {

ipcb[i]=array[i]; }

FFTR_brev(ipcb,ipcb,N);//位倒序处理

fft.calc(&fft);//调用64点复数FFT计算，输入数据是Q31格式 fft.split(&fft);//劈分64点复数结果，得复数128点FFT计算的真 fft.mag(&fft);//得到幅值平方，输出的数据是Q30格式

3．FFT的C语言实现使用标准C语言实现的时间抽取FFT编写过程如下： (l)首先定义一个复数结构 struct compx(double real,imag); (2)定义一个输入数据序列

struct compx s[129];//定义N+1为数组长度，是为了以后运算从 环参数的变化。45 (3)定义两个复数相乘

struct compx EE(struct compx bl,struct compx b2) {

struct compx b3;

b3.real=b1.real-bl.imag*b2.imag; b3.real=b1.real-bl.imag*b2.imag; return(b3); }

(4)定义位反函数 void displace(viod); {…… nv2=N/2;

for(i=1;i

if(i

while(k

(5)定义FFT变换的函数 void FFT(void) {

for(l=1;l<=m;l++)

{le=power(2,l);lei=le/2;Pi=3.1415926;v.real=1.0;v.imag=0.0; w.real=cos(Pi/lei);w.imag=-sin(Pi/lei); for(j=l;j<=lei;j++) {

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for(i=j;i<=n;i=i+le)

{ip=i+lei;t=EE(xin[ip],v):xin[ip].real=xin[i].real-t.real;

xin[ip].image=xin[i].image-t.image;xin[i].real=xin[i].real+t.real; xin[i].image=xin[i].image+t.image;} v=EE(v,w); } } }

(6)由主函数完成文件的输入输出及其他函数的调用，上面的C语言程序是对FFT实现。

为验证FFT算法的正确性利用第4章采集到的50Hz左右的正弦信号的数据，并利用集成开发环境CCS进行FFT运算，并验证FFT算法是否正确，进行FFT计算后看是否在相应的点上出现峰值。

图4-3 系统软件仿真采集信号波形图

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图4-4 FFT仿真图

4.4 小结

本章阐述了FFT算法的基本原理，给出了FFT算法导出的详细过程，对基-2FFT算法进行了理论研究最后，利用第4章所采集到的50Hz左右的正弦信号，在集成开发环境CCS下进行软件仿真，仿真结果验证了FFT算法的正确性。

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结论与展望

本课题经过几个月的努力，取得了阶段性的进展，但是还有不少问题需要继续努力。本论文是基于TMS320F2812的数据采集及FFT设计，主要完成对信号调理电路、模数转换电路、DSP、外扩RAM等系统的设计，以及最后硬件原理图的生产。在设计过程中，还要完成对一些附加电路的设计，比如复位电路、时钟电路、JTAG接口电路等。其中复位电路采用按键复位，操作方便，且具备上电复位的优点；时钟电路采用外部晶体提供时钟频率，稳定性强，性价比高；JTAG电路是个标准的仿真接口，操作方便。

本论文作为一个数据采集系统，采用处理速度比较快的TMS320F2812芯片，更好的实现数据的快速处理，在系统设计中，首先有16路数据采集电路对模拟信号进行采集，然后经过调理电路，调理电路主要负责调节输入的16路数据信号的信号电压，使之符合接下去信号的AD转换模块的电压要求范围，这里采用的放大器芯片是ADOP37，它的诸多优点在正文中已经介绍，然后通过AD转换把信号送入DSP进行处理，这就完成了数据的采集。

本论文采用TI的32位DSP芯片TMS320F2812作为信号采集和处理的核心，通过片上12位A/D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。本设计的完成可以应用于学校实验室的实验以及简单的生活上的数据采集和处理。

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致 谢

在论文即将完毕之时，首先感谢我的导师周鹏老师，在他的悉心指导下，从论文的选题、论文系统设计、到最终定稿都没有离开周老师的无私帮助，在这几个月里，周老师不仅传授我理论方面的知识，更是在生活中给予很大的关心，在此谨向周老师表以崇高的敬意和由衷的感谢。

感谢大学四年中，所有代课老师对我的教育、关心。 感谢我的家人对我无私的帮助、关心。

感谢安徽工程大学机电学院06级的同学们在生活、学习上的关心和帮助。 感谢所有关心、帮助过的我的朋友们、同学们和老师们。

作者：

2010年 6月16日

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冷祁：基于TMS320F2812的数据采集及FFT设计

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冷祁：基于TMS320F2812的数据采集及FFT设计

附录A 系统原理图

1.8V

3.3VDSP-RS#X1/XCLKINX2XWEXRD7776119134160676623375675100112128143154193238525870788699105113120129142153316481114145691715982844251161X1/XCLKINX2XCLKOUTTESTSELXRSTEST1TEST2VDDVDDVDDVDDVDDVDDVDDVDDVDDVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVDDIOVDDIOVDDIOVDDIOVDDIOVDD3VFLXMP/MCXHOLDXHOLDAXWEXRDXR/WXREADYADCINA7ADCINA6ADCINA5ADCINA1467ADCINA1368ADCINA1269ADCINA1170ADCINA1071172ADCINB7173ADCINB6174ADCINB5ADCINB4ADCINB39ADCINB28ADCINB17ADCINB06ADCREFP5ADCREFM431211061164ADCLO123117551165ADCINA7ADCINA6ADCINA5ADCINA4ADCINA3ADCINA2ADCINA1ADCINA0ADCINB7ADCINB6ADCINB5ADCINB4ADCINB3ADCINB2ADCINB1ADCINB0C6TRIPC5TRIPC4TRIPC3TRIPC2TRIP636262411123122117T2PWM_T2CMP116T1PWM_T1CMP109107106104102727160595755539190140MDRAMFSDXAMRA20C1TRIPTPCLKEINA1CA3_QP1CAP2_QEP2D2IRT2PCWAM_TCMPT1_QEAP1PT1PWM_TCPMKEINB2CATPCL6_QP1CAP5_QEP4TD4ICMRP3BPT4PCWAM_TP4_QET3PWM_T3CMPADCREFPAETADDCRCBGSEREXFINCREFMAVSSREFBGAVDDREFBGSXCIPLRXXF_LDDBISSCITXDBADCLOVSSA1VSSA2VDDA1VDDA2VVVVSS1DDAIODD1SSAIOR144K741166163162FSMMCLKXRAAMCLKXACANRXACCIANTXSRXDAASCITXDASPISTEA22292625288924K9AGNDR15TDOTRST3.3VSCIRXDASCITXDA1761127131TDITCK136EMU1EMU0146137135126504948474645TMSTDOTDITCKEMU1EMU0TRSTPWM12TMSPWM11PWM10PWM9PWM8PWM7SPISTEA87157SPISPICIMLKIASASPICLKIAAS1PIS55OMXNMI_ICNSTO1C3SPISIMOAIN2_AXDTX4CTTRIP/EVBOSOSPISIMAC35T3CTRIP_PDPINTT2CTVXABISOOC34XRIINP/ET1_T1CTRIP_PDPINTA41450011511498379115110XA[0]XA[1]XA[2]XA[3]XA[4]XA[5]XA[6]XA[7]XA[8]XA[9]XA[10]XA[11]XA[12]XA[13]XA[14]XA[15]XA[16]XA[17]XA[18]XD[0]XD[1]XD[2]XD[3]XD[4]XD[5]XD[6]XD[7]XD[8]XD[9]XD[10]XD[11]XD[12]XD[13]XD[14]XD[15]XZCS6AND7XZCS0AND1XZCS2PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM6+5V5643111210TMS320F281210uF10uFC4+U118438085103108111118121125130132138141139148152156158212427303336395465687374969713914713344889293949598101PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM6XCS74K74K7R124K7R11XA0XA1XA2XA3XA4XA5XA6XA7XA8XA9XA10XA11XA12XA13XA14XA15XA16XA17XA18XD0XD1XD2XD3XD4XD5XD6XD7XD8XD9XD10XD11XD12XD13XD14XD15R13PMW[1..6]0.1uFC5+XD[0..15]1RESET1IN1IN1GEN1ND1OUT1FB/NC1OUT28232425XA[0..18]100kR5100kR6CVDDX1/XCLKINX2C224pF3.3VY130MHZC124pFC50.1uFC72RESET10uF10uFVCCC110.1uFC12C132IN2IN2EN2GND2OUT2OUT22++DSP-RS#171819912718314NCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNC+3.3VR410K151620212627C30.1uFDVDDSWS1U1410uFTPS767D318(POWER)10uFC8C9++0.1uFC10GND- 24 -

ACINB0ADAD1OESCITXDASCIRXDA1OE1A11A21A31A41A52OE2A12A22A32A42A5XSCITXDAXSCIRXDAGNDXSPISIMOAXSPISIMIAXSPICLKAXSPISTEA10HEADERSN74CBTD3384Vcc1B11B21B31B41B5GND2B12B22B32B42B52OESPISIMOASPISIMIASPICLKASPISTEA21222324HEAD2E5R 172X6227282930安徽工程科技学院毕业设计（论文）

134781113141718212224256910121516192023PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM6T1PWM_T1CMPT2PWM_T2CMP791113151719313312345678910DCINB0ACINB1DCINB1ACINB2DCINB2B3B3B4B4DCINB7CINCINCINCINJ13.3VACINB5DCINB5ACINB6DCINB6XASPISCINIMB7OA3.3VJ1JP2+15[max]AGNDJP3JP412-15[min]AGND12+3.3AAGND12CON218012141618203213534246J2AGNDACINA0A0A1A1A2A2A3A3A4A4A5A5A6A6ACINA7DCINA7U2CINCINCINCINCINCINCINCINCIN5678910XD11XD12XD13XD14XD15XD012343.3VCINCINCINCINDDDDDDDDDDDADADADADADAD5V3.3V5VCC21222324HEAD2E5R 172X6227281801214161820303234246J1XSPISTEAXSPISIMIAWRGUNBDGNDI/O6I/O7I/O8I/I/OO190I/O11I/O12I/O13I/O14I/O15VDDVDDI/O0I/O1I/O2I/O3I/O4I/O5AT25010AAGNDR5+15[max]100C34.7uFAGNDC41uFJTAGR20A11A12A13CEWEOENCA0A1A2A3A4A54.7KR194.7K678910AAAAAAAAA141516173.3V234158192021222324252627424344281674111514131211XA10XA9XA8XA167XAXA1721018C54.7uFAGNDXCS7C61uFADCINA[0..7]ADCINA0ADCINA1ADCINA2ADCINA3ADCINA4ADCINA5ADCINA6ADCINA7ADCINB0ADCINB1ADCINB2ADCINB3ADCINB4ADCINB5ADCINB6ADCINB7ADCREFPADCREFMADCLOJ324681012141618202224262830323436384013579111315171921232527293133353739C140.1uFXA6XA5XA4XA3XWEXRDAAAAAAAAAC15+3.3A3.3VXXXXXXXXX0.1uFRF-12.2KRF-220K8C160.1uFR34.7KC18C21uF0.1uFC114.7uFC190.1uF1.8V7C20U1216R43R22.2KR6C74.7uFAGNDAGNDC81uF100C94.7uFAGND5OP374.7KJP1AGNDADCINA0321CON3ADCINB[0..7]ACINA02.2KR1-220KR1-10.1uFC22C210.1uF0.1uFC230.1uFC240.1uFC2540.1uF-15[min]C260.1uFC101uFHEADER 20X2AGNDC270.1uFC280.1uFDCINA0

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791113151719293133135U2IS61LV512161234CSSOWRGNDVCCHOLSCKSI87HOL6XSPICLKA54681012GNDNULLGNDGNDGNDTCK_RETTCKTDITDOTMSTRSTEMU0EMU191137121314TCKTDITDOTMSXXXX8910131415162930XXXXXX3132353637383940123433117TRSTEMU0EMU1LB冷祁：基于TMS320F2812的数据采集及FFT设计

附录B 引用的外文文献及其译文

原文

Data acquisition and Proeessing systems are used widely in many fields. The main work of the system is transforming the voltage paramter of outside analog signals to Digital data based on A/D convertor，include saving the result for after analyze and dispose . Technique of data acquisition is widely applied in industry control system. In produetion engineering，applying data acquisition device can implement acquisition. Surveillance and records of proeessing Parameters of field production，and offer information and meansforim proving quality of products and reducing cost.

Data acquisition and processing become an important technology of computer application,which mainly studys the collection,storage and processing of information data.Technique of data acquisition and processing is widely applied in industry control system.Discrete Fourier Transform is one of the main tools in digital signal processing field.But because of its large computational complexity,its application is limited.Afterward,with the appearance of Fast Fourier Transform,DFT is widely used in practical application.Because most chips of DSP can complete a multiplication and an addition in an instruction period,and they can provide the specialized instruction of FFT,it accelerates the speed of the FFT algotithm working on the chip of DSP.

The dissertation takes the 32 bits fixed-point digital signal processing processor TMS320F2812 of Texa Instrument Company as the core of signal acquisition and processing system.The data acquisition is completed by the 12 bits A/D convertor of TMS320F2812.and then do the signal processing on collected data.This dissertation points out the periphery circuit of data acquisition system.It compiles the procedures related to data acquisition system including main program of sampling,procedure of capture interrupt,program of ADC conversion sign-off interrupt,procedure of frequency measurement with the use of capture units and so on.

Based on the introductions of DSP principle, chip resources of TMS320F2812 and Code Composer Studio (CCS) of TMS320, the dissertation describes and analyses the acquisition module and sampling theory of data and the achievement of Fast Fourier Transform on TMS320F2812 in great detail. It also works on the application in data acquisition system of FFT which is the most classical application in digital signal processing.

The ADC module has 16 channels, configurable as two independent 8-channel modules to service event managers A and B. The two independent 8-channel modules can be cascaded to form a 16-channel module. Although there are multiple input channels and two sequencers, there is only one converter in the ADC module. Figure 1?1 shows the block diagram of the F2810, F2811, and F2812 ADC module. The two 8-channel modules have the capability to autosequence a series of conversions, each module has the choice of selecting any one of the respective eight channels available through an analog MUX. In the cascaded mode, the autosequencer functions as a single 16-channel sequencer. On each sequencer, once the conversion is complete, the selected channel value is stored in its respective ADCRESULT

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register. Autosequencing allows the system to convert the same channel multiple times, allowing the user to perform oversampling algorithms. This gives increased resolution over traditional single-sampled conversion results. Functions of the ADC module include:

1．12-bit ADC core with built-in dual sample-and-hold (S/H) 2. Simultaneous sampling or sequential sampling modes 3. Analog input: 0 V to 3 V

4. Fast conversion time runs at 25 MHz, ADC clock, or 12.5 MSPS 5. 16-channel, multiplexed inputs

6. Autosequencing capability provides up to 16 “autoconversions” in a single session. Each conversion can be programmed to select any 1 of 16 input channels

7. Sequencer can be operated as two independent 8-state sequencers or as one large 16-state sequencer (i.e., two cascaded 8-state sequencers)

8. Sixteen result registers (individually addressable) to store conversion Values

9. Multiple triggers as sources for the start-of-conversion (SOC) sequence S/W ? software immediate start

EVA ? Event manager A (multiple event sources within EVA) EVB ? Event manager B (multiple event sources within EVB) External pin

10. Flexible interrupt control allows interrupt request on every end-of-sequence (EOS) or every other EOS

11. Sequencer can operate in “start/stop” mode, allowing multiple “time-sequenced triggers” to synchronize conversions

12. EVA and EVB triggers can operate independently in dual-sequencer mode

13. Sample-and-hold (S/H) acquisition time window has separate prescale control

14. Sequencer override mode enhancement is available only in the F2810/F2811/F2812 silicon after revision B.

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冷祁：基于TMS320F2812的数据采集及FFT设计

译文

数据采集及处理系统在众多领域有着广泛的应用，其主要功能是把外界模拟信号的电压参量经过A/D转换器，转换成数字量，并把转换结果存储以便分析处理。数据采集技术在工业控制系统中应用广泛。数据采集设备可实现对生产现场的各种参数进行采集监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。

数据采集与处理是计算机应用的一门关键技术，主要研究信息数据的采集、存储和处理。数据采集与处理技术在工业控制系统中应用广泛。离散傅立叶变换是将离散信号分解为幅值分量和频率分量，是数字信号处理领域的工具之一，但是由于其计算量太大，应用受到限制。快速傅立叶变换的出现，使得DFT在实际应用中得到了广泛的应用。由于多数DSP芯片都能在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法，而且提供专门的指令，使得FFT算法在DSP芯片上实现的速度更快。

本文中主要采用TI的32位定点数字信号处理芯片TMS320F2812作为信号采集和处理的核心，通过片上的12位模数转换模块进行数据采集，对采集到的数据进行信号处理。本文给出了数据采集系统硬件的外围调理电路。编写了数据采集系统相关的程序，包括采样主程序、捕获中断程序、ADC转换完成中断程序和利用捕获单元测量频率的程序等。

在介绍了 DSP 原理，TMS320F2812 芯片资源，以及 TMS320 的软件集成开发环境(CCS)的基础上，对数据采集模块、采样原理及在 TMS320F2812上的 FFT 实现作了细致的描述和分析。

ADC模块有16个通道，可配置为两个独立的8通道模块以便为事件管理器服务。两个独立的8通道模块可以级联组成一个16通道模块。虽然有多个输入通道和两个序列器，但在ADC模块中只有一个转换器。

两个8通道模块具有对一系列转换和自动化序列化的能力，通过模拟多路复用器，每个模块都可以选择可用的8通道中的任何一个通道。在级联的模式下，自动序列化发生器可作为一个单一的16通道序列发生器。在每个序列发生器上，一旦转换结束，已经选择的通道值就保存在各个通道的结果寄存器ADCRESULT中。

自动序列化允许系统对同一通道转换多次，允许用户执行过采样算法。这较传统的单一采样转换结果增加了更多的解决方案。

ADC模块的功能包括：

1. 12位ADC核，内置双采样-保持器（S/H）。 2. 序列采样模式或者并发采样模式。 3. 模拟输入：0V-3V。

4. 快速转换时间运行在25MHZ，ADC时钟或12.5MSPS。 5. 16通道，多路选择输入。 6. 自动序列化，在单一时间段内最大能提供16个自动A/D转换。每个转换可编程对16个输入通道中的任何一个进行选择。

7. 序列发生器可按两个独立的8个状态序列发生器或一个16状态的序列发生器来运行。

8. 16个转换结果寄存器（分别设定地址）保存转换数值。 9. 多触发源启动序列转换(SOC)包括：

EVA---事件管理器A（EVA内有多个事件源）

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EVB---事件管理器B(EVB有多个事件源) 外部引脚

10. 灵活的中断控制，允许中断请求出现在每一个序列结束，或其他每一个序列结束。

11. 序列发生器可以运行在“启动/停止”模式下，可以独立运行。

12. EVA和EVB触发器在双序列发生器模式（dual-sequencer）下也可以独立运行。 13. 采样-保持（S/H）的采集时间窗口可以分别预先设定控制。 14. 增强型序列超越模式（Sequencer override mode）仅在F2810/2812修订B后可用。

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冷祁：基于TMS320F2812的数据采集及FFT设计

附录C 主要参考文献的题录及摘要

[1]张卫宁.TMS320C28X系列DSP的CPU与外设（上）[M] ．北京：清华大学出版社，2004：3-8

【摘要】目前，国内对DSP的研究和应用正在从科技转入产品和市场运作，TMS320C28系列是当今世界上最先进的32位定点DSP芯片。它不但运行速度高，处理功能强大，并且具有丰富的片内外围设备，便于接口和模块化设计，本书翻译了美国TI公司的12篇最新资料，详细的介绍了TMS320C28X系列DSP的总体结构、CPU内核、寻址方式等；同时还介绍了硬件设计和软件编程的有关内容。 【关键字】DSP；外围设备；CPU

[2] 季小林，高晓蓉．基于TMS320F2812的数据采集系统[J]．微计算机信息，Microcomputer Information，2007，（23）：13-17

【摘要】为了满足对数据采集系统体积、功耗以及可靠性等方面提出的较高要求，设计一种基于TMS320F2812的实时数据采集系统，该系统通过事件管理器、串口通信、外接AD等片内外设，实现对模拟信号进行实时采集和记录。在关键部分给出了具体的源程序，为DSP2812的其他应用提供了参考。 【关键字】数据采集系统；DSP2812串行通信。

[3] 张凤江，王兴松．基于TMS320F2812和USB的数据采集系统的设计[J]．机械工程与自动化，2007，(02)：8-12

【摘要】介绍了基于DSP芯片和USB总线技术的多通道数据采集系统的设计。重点描述了系统的实现方法及软、硬件的构成,并对其各部分的功能作了简要分析。 【关键字】数据采集系统设计；DSP与USB的总线接口。

[4] 李红，唐明新，袁爱进，乔毅．TMS320F2812定点DSP芯片的．cmd文件配置[J].仪器仪表用户，2004，(05)：2-6

【摘要】本文针对在TMS320F2812定点DSP芯片的开发仿真过程中遇到的链接器对编译器生成的代码与数据分配问题．从存储器空间分布着手详细介绍并举例说明．cmd文件的分配方法。

【关键字】编译器；存储器；cmd文件

[5] 李同彩，陈计信．基于TMS320F2812的数据采集及处理系统[J]．世界电子元器件，2006，(4)：4-7

【摘要】本系统采用TI 的DSP 芯片TMS320F2812 作为信号采集和处理的核心,通过片上自带的12位ADC进行采集。采集后的数据暂时存储在片内存储器中,通过串行异步通信接口SCI 传输到微机,微机将以文件形式存储采样数据。数字处理部分主要是进行简单的窄带滤波。考虑到采样器件可能和微机有较远距离（但< 1200m）,在SCI和微机间采用了RS-422传输协议。 【关键字】数据采集；存储采样数据 [6] 王伟，金新民，童亦斌．TMS320F2812在感应电动机直接转矩控制中的应用[J]．电气应用，2006，(02)：15-16

【摘要】基于开关表格的直接转矩控制（ST-DTC）采用定子磁场定向，直接在定子坐标系下计算磁链和转矩，采用滞环比较产生PWM信号，对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。与矢量控制技术相比，它的控制思想新颖，信号处理的物理概念明确，无需复杂的旋转坐标变换，对电动机参数的鲁棒性强。在对ST-DTC技术进行原理性介绍的基础上，提出以TMS320F2812为核心的实验控制系统，最后通

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过实验验证了ST-DTC技术具有优良的静动态性能。

【关键字】TMS320F2812；ST-DTC技术；直接转矩控制。

[7] 苏奎峰，吕强，耿庆锋，陈圣俭著．TMS320原理与开发[M]．北京：电子工业出版社，2005

【摘要】本书讲述了TMS320F2812芯片的基本特点、硬件结构、内部功能模块的基本原理等内容，并在结合应用实例的基础上详细阐述了各功能模块的应用。同时专门针对电机控制领域的应用，详细介绍了基于TMS320F2812数字信号处理器的永磁同步电机控制系统的原理与实现。

【关键字】TMS320F2812基本特点；各功能模块介绍

[8] 张雄伟，陈亮．DSP 集成开发与应用实例[M]．北京：电子工业出版社，2002 【摘要】全面系统地介绍了DSP芯片的基本原理、开发和应用。首先介绍了广泛应用的DSP芯片的基本结构和特征，以及定点和浮点DSP处理中的一些关键问题；其次介绍了目前应用最广的TI DSP芯片中的TMS320C5000系列及其硬件结构、汇编指令和寻址方式；然后介绍了基于C和汇编语言的开发方法、能过三个应用系统介绍了定点和浮点DSP芯片的开发过程，较为详细介绍了DSP系统的软硬件设计方法，通过三个应用系统介绍了定点和浮点DSP芯片的开发过程，并介绍了数字滤波器和FFT等常用数字信号处理算法的DSP实现。

【关键字】DSP芯片基本原理；DSP芯片的开发

[9]黎东涛 一种基于语音识别SAC调试的JTAG接口设计[J]. 扬州大学学报 2005：1-2

【摘要】在JTAG (joint test action group)工业标准的基础上,采用了一种基于语音识别SoC(System onChip)调试的JTAG接口设计.该设计以求用最少的硬件开销,最简单灵活的方式,支持寄存器查看和设置、IP核程序流跟踪、代码覆盖率检查、代码分析、IP核扫描测试等功能.该设计已经应用于以OpenRISC为核心的语音识别SoC设计平台上。 【关键字】JTAG； TAP；边界扫描；扫描链

[10]苏奎峰, 吕强, 耿庆锋, 等. TM S320F2812 原理与开发[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005：17-23

【摘要】本书详细介绍了TI公司新款DSP芯片TMS320F2812，它作为嵌入式系统控制器，该芯片速度为150MIPS，比普通单片机快几十到一百倍，并且集成了高速模/数转换等诸多外设，具有极高的性价比，以此芯片作为系统主控单元，性能参数及对外围电路的设计要求，完成了电路设计及调试工作。具有广泛的应用前景。针对DSP的特性，实现了系统与计算机的高速数据传输。 【关键字】TMS320F2812；控制单元；接口

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附录D 总源程序清单

#include \

float a1[16]; unsigned int a2=0; float adclo=0.0;

// Prototype statements for functions found within this file. interrupt void ad(void);

void main(void) {

InitSysCtrl();

DINT;

IER = 0x0000; IFR = 0x0000;

InitPieCtrl();

InitPieVectTable();

EALLOW; // This is needed to write to EALLOW protected registers PieVectTable.ADCINT=&ad;

EDIS; // This is needed to disable write to EALLOW protected registers

InitAdc();

// Enable INT14 which is connected to CPU-Timer 2: IER |= M_INT1; //KickDog();

// Enable global Interrupts and higher priority real-time debug events:

EINT; // Enable Global interrupt INTM

ERTM; // Enable Global realtime interrupt DBGM while(AdcRegs.ADC_ST_FLAG.bit.SEQ1_BSY==0) { AdcRegs.ADCTRL2.bit.SOC_SEQ1=1;

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}

for(;;) { KickDog(); } }

interrupt void ad(void) {

IFR=0x0000;

// PieCtrl.PIEIFR1.all = 0; PieCtrl.PIEACK.all=0xffff; a2++;

a1[0]=((float)AdcRegs.RESULT0)*3.0/65520.0+adclo; a1[1]=((float)AdcRegs.RESULT1)*3.0/65520.0+adclo; a1[2]=((float)AdcRegs.RESULT2)*3.0/65520.0+adclo; a1[3]=((float)AdcRegs.RESULT3)*3.0/65520.0+adclo; a1[4]=((float)AdcRegs.RESULT4)*3.0/65520.0+adclo; a1[5]=((float)AdcRegs.RESULT5)*3.0/65520.0+adclo; a1[6]=((float)AdcRegs.RESULT6)*3.0/65520.0+adclo; a1[7]=((float)AdcRegs.RESULT7)*3.0/65520.0+adclo; a1[8]=((float)AdcRegs.RESULT8)*3.0/65520.0+adclo; a1[9]=((float)AdcRegs.RESULT9)*3.0/65520.0+adclo; a1[10]=((float)AdcRegs.RESULT10)*3.0/65520.0+adclo; a1[11]=((float)AdcRegs.RESULT11)*3.0/65520.0+adclo; a1[12]=((float)AdcRegs.RESULT12)*3.0/65520.0+adclo; a1[13]=((float)AdcRegs.RESULT13)*3.0/65520.0+adclo; a1[14]=((float)AdcRegs.RESULT14)*3.0/65520.0+adclo; a1[15]=((float)AdcRegs.RESULT15)*3.0/65520.0+adclo; AdcRegs.ADC_ST_FLAG.bit.INT_SEQ1_CLR=1; AdcRegs.ADCTRL2.bit.SOC_SEQ1=1; EINT; }

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/d7b6.html