采用DSP实现信号高速采集与实时FFT运算

湖南工业职业技术学院电气工程学院 贺力克

湖南工业大学交通工程学院 易吉良

快速傅里叶变换（FFT）采用时间抽取或频率抽取方式大大提高了傅里叶变换的运算效率。但在旋转变压器解码和电能质量分析等应用领域，由于信号采样率很高，同时这些应用中FFT算法的运算量很大，在DSP芯片中很难实现实时处理。本文介绍一种采用TMS320F28335DSP实现高速信号采集并实时进行FFT运算的方法，为基于FFT的大运算量算法的实时应用提供一种解决方案。

1 系统构成

以采用DSP解码的旋转变压器解码系统为例，其系统结构框图如图1所示。从图1可以看出，旋转变压器的三路信号Vc、Vs和Ve通过信号调理电路转换为满足DSP内置AD端口需要的电压信号V1～V3。

图1 旋转变压器解码系统框图

一般上述三路信号的频率为5KHz～10KHz，需要AD的采样频率为50KHz～200KHz。以10KHz信号频率和100KHz采样频率为例，若在分析数据过程中截取10周期数据，则待分析信号的时长为0.1ms。在上述条件下，若要做到实时运算，则芯片要在0.1ms内要处理完数据采样、算法运算和其他数据通信等事务。如果每次数据采样都需要CPU参与，而FFT没有高效算法的情况下，一般的DSP芯片很难做到实时性。TI公司的TMS320F28335DSP芯片设计了直接存储器访问技术（DMA），AD采样的数据直接传送到指定的数据缓冲区，不需要CPU在每个采样周期都参与数据传输，只需在完成一定量的数据采集后，才通过中断通知CPU执行相关操作。另外，该芯片的软件开发资源非常丰富，包括开发环境CCS和资源包controlSUITE，为高数据采样率和大运算量的实时应用提供了支持。

2 TMS320F28335的DMA技术

2.1 DMA工作原理

DMA提供了外设和存储器之间的一种直接硬件传输数据的方式，可以大大减少CPU的开销。为了简要描述DMA的工作原理，以ADC采样结果传输到RAM的过程为例，描述TMS320F28335的DMA如何直接将AD采样的数据传输到指定的RAM中。

图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采样结果寄存器，而目的地址就是存放采样结果的数据缓冲区RAM。DSP传输数据要用到数据总线，而这些总线都是共享的，也就是说只有在传输数据时才能占用。而DMA的传输触发是通过中断实现的，即AD一旦完成了采样就发出中断信号，通知DMA将结果寄存器的数据取走，这时DMA就要占用数据总线，传完数据就会自动释放总线。而当数据缓冲区填满的新的数据后，可以设置DMA发出中断，通知CPU对缓冲区的数据进行处理，这样，CPU只需在DMA中断时才提取数据，节省了大量的CPU时间。

图2 TMS320F28335DMA原理

2.2 DMA软件实现

根据上述DMA原理，使用DMA需要对相关寄存器做设置，在初始化程序中，主要利用如下几个C语言函数：（1）DMACH1AddrConfig( )：该函数用来配置DMA的源地址和目的地址。（2）DMACH1BurstConfig( )：该函数用于配置每帧DMA传输的数据量，以及每次传输源地址和目标地址改变的步长。（3）DMACH1TransferConfig( )：该函数用于配置传输帧数量，以及帧地址步长。（4）DMACH1Wrap-Config( )：该函数用于定义进行循环传输，以及相应的源地址和目的地址与步长。（5）DMACH1ModeConfig( )：这个函数有10个参数需要配置，关系到DMA的中断使能和工作模式等。每个参数的具体含义需结合数据手册中的DMA工作流程加以理解，限于篇幅，不再赘述。

在DMA完成DMACH1TransferConfig( )函数定义的数据帧后，就需要产生中断，执行interrupt void local_DINTCH1_ISR( )中断函数，在该函数中执行FFT等算法程序。

3 快速实现FFT

FFT是很多应用中的算法。在DSP中实现FFT有两种方案，一种是直接根据FFT的定义编写程序；另一种是利用TI的FFT库函数实现。作者对两种方案进行了测试，发现库函数有更高的运算效率，下面主要介绍库函数的应用方法。

3.1 库函数的使用

库函数利用压缩算法实现FFT，使得计算效率得到了很大提高。其实整个库函数除了FFT外，还有求IFFT和求幅值等函数。库函数的源码在controlSUITE目录下可以找到，基本都是采用汇编语言编写。库函数的详细的使用方法可以从TI公司官网下载文档C28x-FPU-LIB-UG.pdf进行了解。这里主要介绍在使用库函数过程中需要注意一些细节，如输入数据是否对齐、处理结果存放在哪些缓冲区等。

使用库函数只要在CCS工程中添加C28x_FPU_Lib.lib库文件和FPU.h头文件，然后就可以直接调用FFT相关函数，包括：（1）CFFT_f32( )：该函数用于计算FFT，注意该函数的参数是复数格式，在DSP中需要用两个单元分别存放实部和虚部，且实部在前，虚部在后。（2）ICFFT_f32( )：该函数用于计算IFFT，其参数要求与CFFT_f32( )一样。（3）abs_SP_CV_2( )：该函数用于求复数的幅值，三个参数分别是存放幅值结果，输入的复数和数据长度。

图3 CCS调试界面

3.2 cmd文件的处理

在使用库函数求FFT时对数据存放的存储单元有特殊要求，即对齐某个地址，这就需要在存储器分配文件*.cmd中对相应数据变量进行说明。*.cmd文件中用到两条分配存储单元，即指令MEMORY和SECTIONS。其中MEMORY用于说明系统中有哪些可用的存储器，而SECTIONS用于将定义的变量分配到可用的存储器中。为了满足FFT库函数的要求，在SECTIONS指令中需要用到如下说明：

该语句的含义是将FFTRAML3s数据段定位到数据空间PAGE1的RAML3存储器中，当然PAGE1和RAML3是在MEMORY指令中定义好的。同时可以注意到，该指令后面还有ALIGN(512)的说明，它是保证FFTRAML3s对齐512个存储单元，对齐的意思是该数据段的起始地址应保证最低的N位为0，N要满足：2N≥512。这样CCS给FFTRAML3s分配的地址最低9位就是0。这样做的目的是满足DSP芯片的高效寻址方式，以使FFT算法快速执行。

4 测试结果

采用TMS320F28335开发板进行测试，系统时钟频率位150MHz，利用DMA技术高速采样，采样频率100kHz。利用库函数计算128点FFT，测得需要机器周期为5926，如图3所示。可以算出做128点的FFT时间为：5926×6.67ns=0.039766ms，而128数据时间为0.128ms，因此，在上述条件下能够实现FFT的实时运算。

综上所述，利用TMS320F28335的DMA技术和FFT库函数，能够实现数据的高频采集和FFT算法的快速运算，满足对信号采集和频谱分析的实时性要求极高的应用场合。