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低频振动信号频谱分析仪嵌入式系统的研究与设计

尚海涛  
【摘要】:频谱分析仪是测试测量领域最常用的仪器之一,它反映时域信号的频率、功率关系。广泛应用于无线通信、军事国防、机械故障探测、振动测量等各个领域。机械振动领域的频谱分析一般都是低频信号,因而低频振动信号频谱分析仪有其特殊性。首先,并不需要射频信号频谱分析的射频前端进行下变频。其次,在频谱分析的结果显示处理上,振动领域有其自己的要求。低频振动信号频谱分析仪作为机械设备频谱测量和设备运行时振动信号的测量仪器,一般都是现场测量,具有便于携带,使用便捷,性能要求高等需求。 本文的研究内容是将ARM和DSP的嵌入式技术应用于低频振动信号频谱分析仪的开发,设计出一款应用于低频振动领域的便携式频谱分析仪,实现单点频率测量,全频谱测量和连续实时频谱测量功能。低频振动信号频谱分析仪采用基于ARM+DSP的双核架构进行设计,ARM作为嵌入式控制模块,负责整个仪器的控制、内外部的通信和人机交互功能。DSP作为数据处理模块,负责整个仪器的算法实现和数据处理。核心部件选用ARM微处理器S3C2410A和DSP数字信号处理器TMS320C6713B,充分利用了S3C2410A的控制优势和TMS320C6713B强大的数据处理能力。 测试结果表明此系统性能优异,满足了在频率测量范围1Hz-10KHz内,频率响应误差小于±5%的要求,而价格却比国外同类产品低很多。整个产品设计的小巧便于携带,适应于现场测量,人机交互功能友好,使用非常方便。 论文首先简要介绍了低频振动频谱分析仪的原理和总体设计方案,其次详细阐述了频谱仪的嵌入式系统(包括ARM控制模块和DSP数据处理模块)的硬件系统设计和软件设计。包括以S3C2410A为核心的ARM控制模块的最小系统设计,扩展电路设计,人机接口设计,嵌入式系统软件设计等。以TMS320C6713B为核心的数据处理模块的最小系统设计,ARM和DSP的HPI通信协议设计,数据处理算法设计等。接着详细分析了用于频谱分析的频谱细化ZoomFFT算法,并进行了仿真和改进,将改进的具有自适应功能的ZoomFFT算法应用到频谱分析仪中。本文最后给出了系统的实现和测试结果。


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