一种基于OMAP-L138平台的多通道频谱分析仪设计

摘要：针对部分特殊场合对频谱分析仪使用需要多通道、便携等需求，设计了一种通道数最多支持64通道的手持多通道频谱分析仪。该频谱分析仪以美国德州仪器公司推出的DSP+ARM双核CPU芯片OMAP-L138为平台，采用多通道A/D转换器进行数据采集，使用QT开发GUI界面对系统进行控制和数据显示，能实现频谱分析、失真测量、信号采集、多通道数据对比分析等功能。测试結果表明：本设计能完成信号采集及频谱分析功能，并拥有较小的采集频率误差，误差值≤1%。

频谱分析仪作为信号分析领域中应用广泛的测试仪器，其主要功能是测量信号的幅度/频率响应，可以完成频谱分析、失真测量、衰减测量、电子组件增益测量等，是从事电子产品研发、生产、检验的重要工具。目前频谱分析仪主要有两种形式：一种是传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机，输入信号经变频器变频后由低通滤器输出，滤波输出作为垂直分量，频率作为水平分量，在示波器屏幕上绘出坐标图，就是输入信号的频谱图。但是，传统的频谱分析仪有明显的缺点，它只能测量频率的幅度，缺少相位信息，因此属于标量仪器而不是矢量仪器。另一种是基于快速傅里叶变换FFT)的现代频谱分析仪，通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的结果。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样，再经FFT处理后获得频谱分布图。但这种频谱分析仪体积较大、输入通道少，不可同时对多通道信号频谱进行分析比较以及数据进一步处理，满足不了很多特定场合的使用要求。

基于这些，文中提出了一种基于OMAP-L138平台的多通道(最多可达64通道)手持频谱分析仪的设计方案，采用8通道A/D转换器AD7828进行多通道数据采集，使用跨平台的C什应用程序开发软件QT开发基于linux操作系统的GUI界面对系统进行控制和数据显示，能实现频谱分析、失真测量、信号采集、多通道数据对比分析等功能。

1 硬件设计

1.1 系统框架设计

设计采用TI公司推出OMAP-L138芯片为系统主控芯片，包括外围相关外设的搭建，完成信号采集、计算、显示等功能，同时提供参数存储、数据传输等功能，方便PC机对数据进一步处理和分析。OMAP-L138是一款高集成度、低功耗、高性能的双核处理器，OMAP-L138是TI的一款采用ARM和DSP双核架构的低功耗嵌入式处理器，其内部集成了300 MHz的ARM926EJ-S内核及300 MHz的C6748 VLIW DSP核，并提供了丰富的外设接口，其将ARM核和DSP核整合集成在一个芯片内，其稳定性、抗干扰能力将得到很大的提升，同时也突出其体积小、功耗低等特点和优势，非常适合作为对数据处理能力要求高的手持设备的处理核心。

系统总体设计框图如图1所示，OMAP-L138双核心体系中，DSP核依靠强大的数据处理能力主要完成数据采集及数字信号处理等工作;ARM核则负责整个系统的控制、数据显示和交互以及文件传输等功能。ARM外围搭建丰富接口，同时很方便将数据传送至PC机进行进一步数据分析与处理操作。

1.2 多通道数据采集

多通道数据采集原理图如图2所示，信号输入可为拔插式传感器的信号输入(如高保真电容式麦克风)，也可为各种信号输出系统的信号输出(如函数信号发生器)。其中每8路信号经过多路复用器74HC4051选择其中一路信号送入前置放大电路，前置放大电路负责将输入信号放大至AD输入范围，为保证前端放大电路的性能指标，设计采用高频宽带运放AD811芯片，AD811 3dB带宽高达140MHz，并且具有2500V/us的速度。前级放大后信号输入至AD7828芯片的模拟输入通道进行数据转换，AD7828是高速、多通道、8位ADC，具有8路复用模拟输入。半Flash转换技术实现了每通道2.5μs的快速转换速率。其中AD7828和74HC4051通道选择采用DSP地址线控制，时序与DSP读时序兼容，可将对应通道数值采集当成外设地址数据进行操作，简化DSP程序流程，提高DSP利用率。

1.3 外围接口

系统外围包括Nand Flash、SDRAM、以太网、USB接口、键盘、触摸屏、Jtag接口与实时时钟和晶振。其中Jtag接口与实时时钟和晶振是系统最小系统所必须，Nand Flash和SDRAM用于Arm核的linux操作系统运行的基础，提供文件存储及操作等功能。以太网和USB接口用于手持设备与PC机间通讯，提供数据文件到PC机，以便PC对数据进行进一步处理和分析。键盘和触摸屏用于CUI界面的显示和操作，可完成测量参数设置以及结果显示等功能。

2 软件设计

2.1 程序流程设计

OMAP-L138为ARM+DSP双CPU架构的处理芯片，其内部有128KB的共享内存可作为双方缓存数据，