基于EP7312的嵌入式频谱分析技术

摘    要：本文以ARM EP7312和CS5341为核心设计了音频信号采集系统，研究了嵌入式Linux系统的驱动程序设计和基于多线程、模块化的应用程序设计问题。该系统能够对采集的信号进行FFT变换、存储和显示。

在工程应用中，通过数字采集系统对信号进行采集和显示，可以获取直观的时域波形。但往往人们还需要从时域信息中提取出信号的其它特征，如信号的频域信息。本设计通过数据采集电路对模拟信号进行采集，采用512点的时间抽取基2 FFT算法对采集的数据进行处理，然后在LCD上显示其频谱曲线。系统构建于嵌入式Linux操作系统之上，具有嵌入式设备体积小、成本低、功耗低等特点，可便捷地进行语音采集、显示、处理和声音信号的频谱分析，适用于环境监测及故障诊断等场合。

图1  系统构成图

 图2  多线程程序流程图

图3  信号的时域图和频谱图

数据采集电路设计
本系统由模数转换模块、数据处理和控制模块、显示模块这三部分组成，如图1所示。
模数转换芯片采用的是Cirrus Logic公司推出的24位两通道立体声模数转换芯片CS5341，其输出为串行形式，采样频率从32kHz 到192kHz。它有主从两种工作模式，由主从模式选择开关进行选择。
数据处理和控制模块采用了ARM7系列的嵌入式32位EP7312处理器，主频为74MHz。
在该设计中，模拟信号经过放大电路可放大为原来的1倍、2倍、4倍或10倍，具体可由放大倍数开关控制。放大倍数通过EP7312的通用端口控制LCD上每个刻度代表的电压值。CS5341的工作模式为从模式，在该模式下主时钟、串行数据时钟和通道选择时钟都由EP7312提供，串行数据时钟的频率为通道选择时钟的64倍，主时钟频率为通道选择时钟的256倍。当串行数据时钟处于上升沿时，CS5341输出一位数据。通道选择时钟高电平时左通道有效，低电平时右通道有效。

系统的软件设计
系统的软件设计包括驱动设计和应用设计两部分。
驱动设计
在嵌入式Linux系统中，设备驱动程序隐藏了各种设备的具体细节，维护着设备的正常工作，在用户与设备之间起到了桥梁作用。开发设备驱动程序是开发嵌入式系统的重要工作之一。在该系统中，涉及两个驱动程序：CS5341驱动和LCD驱动。EP7312为LCD的控制提供了良好的支持，驱动程序的具体设计可参照参考文献3。
下面介绍CS5341驱动程序的设计。由于CS5341数据采集速度较快，最高达192kHz。为了与其相匹配，我们采用了快速中断fiq。与普通中断不同，快速中断模式有专用的组合寄存器集,因而大大减少了中断时间。而快速中断的申请需要用到中断处理函数的首地址和末地址，为了得到这两个地址，中断处理函数必须用汇编来编写。因此，该驱动有两个文件构成：主文件cs5341.c和中断文件fiq.s。在此着重说明主文件中的设备初始化函数cs5341init()和中断函数。
int CS5341Init(void)
{
 ..................................
//禁止中断
  INTMR3 = 0x0;
  //设置相关寄存器
  SYSCON3 |= 0x00000008;
  DAI64FS = 0x60B;
  DAIR =0x00220404;
  DAISR =0xFFFFFFFF;
  DAIR |=0x10000;
 ...................................
 //注册设备
rc= register_chrdev (cs5341_major, "CS5341", &CS5341_fops);
 ...................................
 //申请fiq
  fiqhandler_start = &dai_fiq_handler_start;
  fiqhandler_length = &dai_fiq_handler_end - &dai_fiq_handler_start;
  if (claim_fiq(&cs5341_fh))
    {
      printk("cs5341_fh: couldn't claim FIQ.\n");
       return;
     }
    set_fiq_hander(fiqhander_start, fiqhander_length);
    set_fiq_regs(regs);
  ..................................
 return 0;
}
中断处理程序：
.....................................
.text
        .align  2
     .global dai_fiq_handler_start
        .global dai_fiq_handler_end
dai_fiq_handler_start:
//程序首地址
........................................
........................................
dai_fiq_handler_end:
//程序末地址
应用程序设计
该系统的应用程序设计主要包括数据存储、数据处理(FFT)和波形显示。
数据存储
在该模块中，申请两块缓冲区buf和buffer，buf用来存放采集的数据，buffer为临界资源。程序把数据从buf放入临界资源buffer中，设置一个共享锁，实现该模块、数据的处理和显示模块的互斥访问。
数据处理模块
该模块采用FFT算法对采集的数据进行处理。
FFT变换的具体实现如下：
首先进行码位倒置，得到FFT运算所需要的输入序列。然后采用3层循环完成N点FFT(这里N=512)。
第一层循环：“级”作为第一层循环，N点FFT运算共有M级，这里，我们用m作循环变量，。
第二层循环：“组”作为第二层循环，第m级的组数为，用j作循环变量，。
第三层循环：每组里的蝶形单元作为第三层循环，每一组里共有蝶型单元2m个，用i作循环变量，。
分析上面循环可以得出：第三层循环完成2m个蝶形单元计算；第二层循环使第三层循环进行次，因此，当第二层循环完成时，共进行次蝶形单元计算；第一层循环又使第二层循环进行了M次，因此，当第一层循环完成时，共进行了次蝶型单元计算。
波形显示模块
因为要把处理前的数据和经过FFT处理后的数据同时显示在LCD上，所以，把LCD的上半屏分配给未处理的数据，用于显示时域图；下半屏用于显示频谱图。为了把波形显示在特定的区域，需要对数据进行处理。所采集的数据和FFT变换过的数据的范围均为0~0XFF，0对应于LCD上Y轴坐标的120和210，0XFF对应于LCD上Y轴坐标的30和120。因此，用于显示时域图的数据VAL与其在LCD上Y坐标的关系式为：
Y=120-VAL×90/0XFF
用于显示频谱图的数据NUM与其在LCD上Y坐标的关系式为：
Y=210-NUM×90/0XFF
LCD一屏可显示310个数据点，点与点之间用矢量法直线相连。
多任务操作系统下的编程
与传统的单片机系统不同，Linux是一个多任务的嵌入式操作系统。内核允许将一项工作划分为几个相互独立的任务，这样就缩短了整个系统的响应时间，提高了系统性能。
在设计时采用了多线程的编程方式，从而克服了多进程编程中资源占用量多和响应时间慢等缺点。该程序包括三个线程，流程图如图2所示。主线程负责数据的采集和传输，另外两个辅助线程是在主线程的运行过程中产生的，分别完成数据的处理和波形的显示。
当输入信号的频率为0.377kHz (周期为2.65ms)时，该信号的时域波形及频谱曲线如图３所示。从图中可以看出，通过FFT变换，输入信号的频率特性可以较准确地反映出来。

结语
以EP7312处理器和模数转换芯片CS5341为核心构成的数据采集系统，充分运用了它们在音频采集和处理方面的优势，可以对音频数据流进行实时性的采集、变换、存储和显示，具有速度快、采样频率高、体积小和低功耗等特点。以该系统为核心技术开发的产品可应用于医疗、运输、娱乐等行业，具有广泛的应用前景。