采用DSP實(shí)現(xiàn)信號(hào)高速采集與實(shí)時(shí)FFT運(yùn)算

湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院 賀力克

湖南工業(yè)大學(xué)交通工程學(xué)院 易吉良

快速傅里葉變換（FFT）采用時(shí)間抽取或頻率抽取方式大大提高了傅里葉變換的運(yùn)算效率。但在旋轉(zhuǎn)變壓器解碼和電能質(zhì)量分析等應(yīng)用領(lǐng)域，由于信號(hào)采樣率很高，同時(shí)這些應(yīng)用中FFT算法的運(yùn)算量很大，在DSP芯片中很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。本文介紹一種采用TMS320F28335DSP實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)采集并實(shí)時(shí)進(jìn)行FFT運(yùn)算的方法，為基于FFT的大運(yùn)算量算法的實(shí)時(shí)應(yīng)用提供一種解決方案。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

以采用DSP解碼的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼系統(tǒng)為例，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。從圖1可以看出，旋轉(zhuǎn)變壓器的三路信號(hào)Vc、Vs和Ve通過信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為滿足DSP內(nèi)置AD端口需要的電壓信號(hào)V1～V3。

圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器解碼系統(tǒng)框圖

一般上述三路信號(hào)的頻率為5KHz～10KHz，需要AD的采樣頻率為50KHz～200KHz。以10KHz信號(hào)頻率和100KHz采樣頻率為例，若在分析數(shù)據(jù)過程中截取10周期數(shù)據(jù)，則待分析信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)為0.1ms。在上述條件下，若要做到實(shí)時(shí)運(yùn)算，則芯片要在0.1ms內(nèi)要處理完數(shù)據(jù)采樣、算法運(yùn)算和其他數(shù)據(jù)通信等事務(wù)。如果每次數(shù)據(jù)采樣都需要CPU參與，而FFT沒有高效算法的情況下，一般的DSP芯片很難做到實(shí)時(shí)性。TI公司的TMS320F28335DSP芯片設(shè)計(jì)了直接存儲(chǔ)器訪問技術(shù)（DMA），AD采樣的數(shù)據(jù)直接傳送到指定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，不需要CPU在每個(gè)采樣周期都參與數(shù)據(jù)傳輸，只需在完成一定量的數(shù)據(jù)采集后，才通過中斷通知CPU執(zhí)行相關(guān)操作。另外，該芯片的軟件開發(fā)資源非常豐富，包括開發(fā)環(huán)境CCS和資源包c(diǎn)ontrolSUITE，為高數(shù)據(jù)采樣率和大運(yùn)算量的實(shí)時(shí)應(yīng)用提供了支持。

2 TMS320F28335的DMA技術(shù)

2.1 DMA工作原理

DMA提供了外設(shè)和存儲(chǔ)器之間的一種直接硬件傳輸數(shù)據(jù)的方式，可以大大減少CPU的開銷。為了簡(jiǎn)要描述DMA的工作原理，以ADC采樣結(jié)果傳輸?shù)絉AM的過程為例，描述TMS320F28335的DMA如何直接將AD采樣的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǖ腞AM中。

圖2中DMA的工作首先要分配好源地址和目的地址，在本例中，源地址就是AD采樣結(jié)果寄存器，而目的地址就是存放采樣結(jié)果的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)RAM。DSP傳輸數(shù)據(jù)要用到數(shù)據(jù)總線，而這些總線都是共享的，也就是說只有在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)才能占用。而DMA的傳輸觸發(fā)是通過中斷實(shí)現(xiàn)的，即AD一旦完成了采樣就發(fā)出中斷信號(hào)，通知DMA將結(jié)果寄存器的數(shù)據(jù)取走，這時(shí)DMA就要占用數(shù)據(jù)總線，傳完數(shù)據(jù)就會(huì)自動(dòng)釋放總線。而當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)填滿的新的數(shù)據(jù)后，可以設(shè)置DMA發(fā)出中斷，通知CPU對(duì)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣，CPU只需在DMA中斷時(shí)才提取數(shù)據(jù)，節(jié)省了大量的CPU時(shí)間。

圖2 TMS320F28335DMA原理

2.2 DMA軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述DMA原理，使用DMA需要對(duì)相關(guān)寄存器做設(shè)置，在初始化程序中，主要利用如下幾個(gè)C語言函數(shù)：（1）DMACH1AddrConfig( )：該函數(shù)用來配置DMA的源地址和目的地址。（2）DMACH1BurstConfig( )：該函數(shù)用于配置每幀DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，以及每次傳輸源地址和目標(biāo)地址改變的步長(zhǎng)。（3）DMACH1TransferConfig( )：該函數(shù)用于配置傳輸幀數(shù)量，以及幀地址步長(zhǎng)。（4）DMACH1Wrap-Config( )：該函數(shù)用于定義進(jìn)行循環(huán)傳輸，以及相應(yīng)的源地址和目的地址與步長(zhǎng)。（5）DMACH1ModeConfig( )：這個(gè)函數(shù)有10個(gè)參數(shù)需要配置，關(guān)系到DMA的中斷使能和工作模式等。每個(gè)參數(shù)的具體含義需結(jié)合數(shù)據(jù)手冊(cè)中的DMA工作流程加以理解，限于篇幅，不再贅述。

在DMA完成DMACH1TransferConfig( )函數(shù)定義的數(shù)據(jù)幀后，就需要產(chǎn)生中斷，執(zhí)行interrupt void local_DINTCH1_ISR( )中斷函數(shù)，在該函數(shù)中執(zhí)行FFT等算法程序。

3 快速實(shí)現(xiàn)FFT

FFT是很多應(yīng)用中的算法。在DSP中實(shí)現(xiàn)FFT有兩種方案，一種是直接根據(jù)FFT的定義編寫程序；另一種是利用TI的FFT庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)。作者對(duì)兩種方案進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)庫函數(shù)有更高的運(yùn)算效率，下面主要介紹庫函數(shù)的應(yīng)用方法。

3.1 庫函數(shù)的使用

庫函數(shù)利用壓縮算法實(shí)現(xiàn)FFT，使得計(jì)算效率得到了很大提高。其實(shí)整個(gè)庫函數(shù)除了FFT外，還有求IFFT和求幅值等函數(shù)。庫函數(shù)的源碼在controlSUITE目錄下可以找到，基本都是采用匯編語言編寫。庫函數(shù)的詳細(xì)的使用方法可以從TI公司官網(wǎng)下載文檔C28x-FPU-LIB-UG.pdf進(jìn)行了解。這里主要介紹在使用庫函數(shù)過程中需要注意一些細(xì)節(jié)，如輸入數(shù)據(jù)是否對(duì)齊、處理結(jié)果存放在哪些緩沖區(qū)等。

使用庫函數(shù)只要在CCS工程中添加C28x_FPU_Lib.lib庫文件和FPU.h頭文件，然后就可以直接調(diào)用FFT相關(guān)函數(shù)，包括：（1）CFFT_f32( )：該函數(shù)用于計(jì)算FFT，注意該函數(shù)的參數(shù)是復(fù)數(shù)格式，在DSP中需要用兩個(gè)單元分別存放實(shí)部和虛部，且實(shí)部在前，虛部在后。（2）ICFFT_f32( )：該函數(shù)用于計(jì)算IFFT，其參數(shù)要求與CFFT_f32( )一樣。（3）abs_SP_CV_2( )：該函數(shù)用于求復(fù)數(shù)的幅值，三個(gè)參數(shù)分別是存放幅值結(jié)果，輸入的復(fù)數(shù)和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

圖3 CCS調(diào)試界面

3.2 cmd文件的處理

在使用庫函數(shù)求FFT時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)存放的存儲(chǔ)單元有特殊要求，即對(duì)齊某個(gè)地址，這就需要在存儲(chǔ)器分配文件*.cmd中對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)變量進(jìn)行說明。*.cmd文件中用到兩條分配存儲(chǔ)單元，即指令MEMORY和SECTIONS。其中MEMORY用于說明系統(tǒng)中有哪些可用的存儲(chǔ)器，而SECTIONS用于將定義的變量分配到可用的存儲(chǔ)器中。為了滿足FFT庫函數(shù)的要求，在SECTIONS指令中需要用到如下說明：

該語句的含義是將FFTRAML3s數(shù)據(jù)段定位到數(shù)據(jù)空間PAGE1的RAML3存儲(chǔ)器中，當(dāng)然PAGE1和RAML3是在MEMORY指令中定義好的。同時(shí)可以注意到，該指令后面還有ALIGN(512)的說明，它是保證FFTRAML3s對(duì)齊512個(gè)存儲(chǔ)單元，對(duì)齊的意思是該數(shù)據(jù)段的起始地址應(yīng)保證最低的N位為0，N要滿足：2N≥512。這樣CCS給FFTRAML3s分配的地址最低9位就是0。這樣做的目的是滿足DSP芯片的高效尋址方式，以使FFT算法快速執(zhí)行。

4 測(cè)試結(jié)果

采用TMS320F28335開發(fā)板進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率位150MHz，利用DMA技術(shù)高速采樣，采樣頻率100kHz。利用庫函數(shù)計(jì)算128點(diǎn)FFT，測(cè)得需要機(jī)器周期為5926，如圖3所示。可以算出做128點(diǎn)的FFT時(shí)間為：5926×6.67ns=0.039766ms，而128數(shù)據(jù)時(shí)間為0.128ms，因此，在上述條件下能夠?qū)崿F(xiàn)FFT的實(shí)時(shí)運(yùn)算。

綜上所述，利用TMS320F28335的DMA技術(shù)和FFT庫函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高頻采集和FFT算法的快速運(yùn)算，滿足對(duì)信號(hào)采集和頻譜分析的實(shí)時(shí)性要求極高的應(yīng)用場(chǎng)合。