河北科技大學(xué) 趙 雪 陳國通 馬忠強(qiáng)

基于stm32的頻譜分析儀的設(shè)計(jì)

河北科技大學(xué) 趙 雪 陳國通 馬忠強(qiáng)

提出一種以STM32F407為核心，主要采用FIFO來做高速緩存的方案。高速信號先通過AD采樣，然后先將采樣后的數(shù)據(jù)給FIFO先緩存處理，然后再通過STM32F407進(jìn)行加Blackman預(yù)處理，再做1024個(gè)點(diǎn)FFT進(jìn)行頻譜分析，最后將數(shù)據(jù)顯示在LCD12864上，以便進(jìn)行人機(jī)交互。該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)任意波形信號的頻譜顯示，可以自動尋找各諧波分量的幅值，頻率以及相位并進(jìn)行8位有效數(shù)據(jù)顯示。由于成本較低，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

stm32F407；FFT；頻譜分析；AD采樣

1 引言

近年來，頻譜分析儀在汽車，通信信號處理，工業(yè)制造等各行各業(yè)已成為一種非常有用的工具。一般用示波器觀察一個(gè)信號的波形。幅度、頻率等，但對于復(fù)雜信號的一些信息無法僅通過波形，幅度，頻率獲取。如果由時(shí)域轉(zhuǎn)至頻域，就能觀察到各個(gè)頻率點(diǎn)上的功率幅度大小分布情況。

頻譜分析儀按照原理分為模擬和數(shù)字頻譜分析儀。隨著時(shí)代的發(fā)展，工程應(yīng)用復(fù)雜化，產(chǎn)品更新更快，對于頻譜分析儀的精度要求更高，處理速度要求更快，傳統(tǒng)的模擬頻譜分析儀由于體積龐大，功能單一，價(jià)格昂貴已不適應(yīng)時(shí)代需求，正逐步向數(shù)字頻譜分析儀發(fā)展[1]。目前實(shí)現(xiàn)信號的頻譜分析儀的主要方法有：采用通用數(shù)字信號處理芯片實(shí)現(xiàn)、采用專用DFT/FFT芯片與DSP芯片實(shí)現(xiàn)和采用FPGA實(shí)現(xiàn)[3]。

本文提出一種利用ARM Cortex M4內(nèi)核的STM32作為數(shù)據(jù)處理核心，控制整個(gè)頻譜分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)由前置匹配放大電路，AD采樣電路，高速FIFO緩存電路，以及液晶顯示電路組成。

2 系統(tǒng)方案

2.1 MCU處理器的選擇

本設(shè)計(jì)以ST公司生產(chǎn)的32位的STM32F407為核心DSP處理器件，該芯片具有1MB的Flash閃存空間，196KB的SRAM空間，并且時(shí)鐘頻率達(dá)到了168MHz。程序運(yùn)行于168MHz主頻時(shí)，通過Flash取指令（不是內(nèi)部SRAM），通過Dhrysone測試得到210DMIPS，主要采用ART加速器，可以最大限度的消除Flash存儲器較慢從而限制MCU性能的發(fā)揮，這可以使CPU可以在所有工作頻率下近乎零等待的方式，從Flash中運(yùn)行程序。再就是STM32F407帶有硬件FPU處理單元，這樣可以不用軟件算法實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算，而直接采用硬件來實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算，這樣就減小了編譯器生成的代碼量，并且使用更方便，浮點(diǎn)數(shù)只占用四個(gè)字節(jié)就可以表示的數(shù)據(jù)范圍很大，因此不用擔(dān)心計(jì)算后的數(shù)據(jù)溢出問題,從而進(jìn)一步提高運(yùn)算速度。

2.2 采樣方法的選擇

本設(shè)計(jì)的采樣時(shí)鐘信號選用Linear公司生產(chǎn)的LTC1799提供。LTC1799是一款精準(zhǔn)型振蕩器，使用方便。它以單電源的方式工作在2.7V到5.5V，并提供了軌至軌、占空比為50%的方波輸出。CMOS輸出驅(qū)動器確保了快速上升/下降時(shí)間和軌至軌開關(guān)操作。通過電阻器調(diào)節(jié)設(shè)定頻率，電阻阻值在3kΩ～1MΩ的范圍內(nèi)變化，用以選擇100KHz到33MHz之間的任何一個(gè)頻率。三態(tài)DIV輸入負(fù)責(zé)決定驅(qū)動輸出之前對主時(shí)鐘進(jìn)行1、10或100分頻。

2.3 高速數(shù)據(jù)緩存芯片的選擇

高速數(shù)據(jù)緩存芯片采用FIFO芯片，由IDT公司生產(chǎn)的IDT7205是典型的單向異步FIFO芯片，是一種高速、低功耗的先進(jìn)先出雙端口存儲緩沖器。這種FIFO芯片內(nèi)部的雙端口RAM具有2套數(shù)據(jù)線，分別執(zhí)行輸入和輸出功能，各自獨(dú)立的寫讀指針分別在寫、讀時(shí)鐘的控制下順序地從RAM中寫、讀數(shù)據(jù)。

3 理論分析與計(jì)算

離散傅里葉變換（DFT）：

DFT(離散傅里葉變換)是數(shù)字信號分析與處理中的一種重要變換，它可以使數(shù)字信號處理在頻域內(nèi)采用數(shù)值運(yùn)算的方法進(jìn)行，大大增加了數(shù)字信號處理的靈活性，但直接計(jì)算DFT的計(jì)算量與變換區(qū)間長度N的平方成正比，當(dāng)N較大時(shí)，計(jì)算量太大，所以在快速傅里葉變換(FFT)出現(xiàn)以前，直接用DFT算法進(jìn)行譜分析和信號的實(shí)時(shí)處理是不切實(shí)際的[4]。

DFT定義：設(shè)x(n)是一個(gè)長度為N的有限長數(shù)列，定義N點(diǎn)離散傅里葉變換為：

（1）周期性

（2）對稱性

利用DFT的周期性和對稱性可把DFT的計(jì)算次數(shù)大大減小。

根據(jù)以上的結(jié)果，就可以計(jì)算出：

所對應(yīng)信號的表達(dá)式為：

但是由于所做的點(diǎn)數(shù)有限，造成頻譜泄露是必然的。因此并非要計(jì)算所有點(diǎn)的幅值，相位以及頻率信息，而只需要計(jì)算出各個(gè)峰值點(diǎn)的幅值，相位以及頻率即可表示采樣信號各諧波分量的全部信息。

因此算法模塊要實(shí)現(xiàn)的功能：保存FFT之后峰值點(diǎn)的實(shí)部和虛部，以及峰值點(diǎn)所處的位置這幾組點(diǎn)即可。

4 電路設(shè)計(jì)

4.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊原理圖

A/D轉(zhuǎn)換使用的是TI公司生產(chǎn)的8位精度的并行AD轉(zhuǎn)換器TLC5510A。其電路原理圖如圖4.1所示：

圖4.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊原理圖

4.2 高速緩存模塊原理圖

本設(shè)計(jì)的高速緩存芯片選用IDT司生產(chǎn)的IDT7205，其存儲深度可以達(dá)到8KB。其電路原理圖如圖4.3所示：

圖4.2 高速緩存電路

4.3 液晶顯示模塊原理圖

本設(shè)計(jì)的液晶模塊采用無字庫LCD12864來顯示，其電路原理圖如圖4.4所示：

圖4.3 LCD12864液晶顯示

5 總結(jié)

STM32F407芯片端口雖然可以忍受+5V的電壓，但這不代表其可以識別+5V的高電平，因此在讀+5V的輸入端口電平，需要用電平轉(zhuǎn)換芯片將+5V轉(zhuǎn)換成+3.3V的，否則讀出的數(shù)據(jù)是錯(cuò)的。但是3.3V屬于高電平，因此其可以驅(qū)動+5V工作的數(shù)字芯片。

在數(shù)字信號處理最重要的就是要驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性，因此就要使用MATLAB軟件仿真來做數(shù)據(jù)對比，以判斷STM32F4的計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確。

在測試過程中，我們使用被白噪聲污染過的信號經(jīng)過離散化后的數(shù)組，如圖5.1所示，為同一信號256點(diǎn)與1024點(diǎn)FFT之后數(shù)據(jù)的對比：

圖5.1 同一信號256點(diǎn)與1024點(diǎn)FFT之后數(shù)據(jù)的對比

由此可知本設(shè)計(jì)合理，另外，若再設(shè)計(jì)濾波電路濾除噪聲，實(shí)驗(yàn)結(jié)果會更理想。

[1]GANDERTON R.Spectrum analysers today[J].Electronics &power,1978.

[2]LIM H,LEE S.A study on the low-cost digital spectrum analyzer design[C]//Proceedings of 2014 6th International Conference on Electronics,Computer and Artificial Intelligence.Bucharest:IEEE,2014:31-34.

[3]韋炯全.基于FFT的高速電力諧波檢測儀的研制、檢測技術(shù)與自動化裝置[D].廣西大學(xué),2011.

[4]萬永革編著.數(shù)字信號處理的MATLAB實(shí)現(xiàn)(第2版)[M].北京:科學(xué)出版社,2012,5.

圖2 紋波及實(shí)物圖

5 總結(jié)

使用降壓控制器LM5117芯片和CSD18532KCS MOS場效應(yīng)管作為DC-DC變換的核心器件。在汽車電源12V直流電壓時(shí)，輸出直流電壓5V，輸出電壓偏差在100mV之內(nèi)，輸出電流最大值為3A，具有過流保護(hù)功能，整體電路在輸入12V直流電壓時(shí)，穩(wěn)定降壓輸出5V，負(fù)載調(diào)整率低至0.2%，電壓調(diào)整率低至0.199%，效率高達(dá)91.57%，紋波低至30mv。此設(shè)計(jì)能夠?qū)⑵囯娫催M(jìn)行高效率的轉(zhuǎn)換，解決智能手機(jī)以及車載電子設(shè)備供電不足的困惑。

參考文獻(xiàn)

[1]王兆安,劉進(jìn)軍主編.電力電子技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2012,7.

[2]陳永真,孟麗囡.高效開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作[M].中國電力出版社,2008,3.

[3]寧武,曹洪奎,孟麗囡主編.反激式開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社,2014,7.

[4]采用模擬電流監(jiān)視器的寬輸入范圍同步降壓控制器[S]. LM5117數(shù)據(jù)手冊,2015.

陳國通，男，河北科技大學(xué)教授，研究方向：數(shù)據(jù)交換與傳輸。