CN103543334A - 一种基于fft的相位差测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于FFT的相位差测量装置及方法，属于信号处理技术领域，特别适用于相位式激光测距系统等需要高精度测量相位差的场合。其测量装置为由一款处理器芯片及其外围电路构成的硬件电路。其测量方法包括：对两路相同频率的带有相位差的信号进行同步模数转换；由定时器控制采样频率；连续得到的两组模数转换结果通过DMA控制器存入处理器RAM；对上述两组数据进行浮点复数FFT运算，得出信号的数字频谱；计算出上述两组数字频谱中对应信号频率的谱线的相位，相减后得出上述两路模拟信号的相位差。应用本发明提供的相位差测量装置及方法进行相位差测量，其突出的优点是硬件密度低，测相精度高。
Description
技术领域
本发明提供一种基于FFT（快速傅里叶变换）的相位差测量装置及方法，属于信号处理技术领域，特别适用于相位式激光测距系统等需要高精度测量相位差的场合。
背景技术
测量信号相位差的方法通常可分为时域法和频域法。时域法需要将待测信号通过模拟电路调整为方波信号，然后对两路信号进行调整，输出带有相位差信息的具有一定占空比的方波信号，进而用高频测尺信号对其进行填充，通过对填充的高频信号进行计数，最终得出相位差结果。该方法对模拟电路要求较高，需要调理出高质量的方波信号。同时为保证测相精度高于千分之一，选用的测尺频率一般要达到几十兆甚至上百兆，更增加了硬件实现的难度。
相位差测量也可以在频域进行，需要对模拟信号进行模数转换，然后进行时域到频域的转换。由于频谱泄露和栅栏效应等原因，还需进行进一步的频谱校正才能得到较高精度的测相结果，算法较为复杂。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的测相技术存在的缺点，针对类似于相位式激光测距系统所具有的待测信号频率固定且已知的特点，提供的一种基于FFT的相位差测量装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种相位差测量装置，该装置为硬件电路，硬件电路包括处理器芯片和外围电路；
所述的处理器芯片需满足以下条件：内置两个独立的模数转换内核，内置定时器模块，内置DMA（直接内存存取）控制器，内置浮点运算单元，片内RAM（随机存取存储器）不小于50kB，片内Flash（闪存）不小于50kB。
所述外围电路包括电源配置电路、工作模式配置电路、频率源、参考电压配置电路、程序调试及下载电路、两路模拟信号接口和测相结果显示电路。
所述的电源配置电路为处理器芯片提供电源，电源配置电路包含连接于处理器芯片电源引脚与地之间的去耦电容；
所述的工作模式配置电路通过电阻将处理器芯片引脚接至电源或地，将处理器芯片配置为所需工作模式；
所述的频率源为高精度无源晶振；
所述的参考电压配置电路为模数转换提供参考电压以及对参考电压进行滤波降噪处理；
所述的程序调试及下载电路用于处理器程序的在线调试及下载。
所述的两路模拟信号接口接入待测的模拟信号1和模拟信号2；
所述的测相结果显示电路用于显示测相结果。
本发明的一种相位差测量方法，所述方法基于上述装置实现，具体步骤如下：
1）将系统时钟频率源设置为外部高频晶振，通过内部倍频，将系统时钟配置为较高的频率；
2）开启所述两个独立的模数转换内核，配置为同步模式，对两路模拟输入进行严格同步的采样并转换，将采样触发源设置为定时器溢出事件，实现由定时器精确控制采样频率的目的；
3）配置所述定时器模块，设定计数寄存器值，溢出后产生事件，触发模数转换模块进行采样；对系统时钟进行计数，通过设定计数寄存器内的值，控制溢出频率，从而实现精确控制模数转换模块采样频率的目的；设定采样频率为待测信号频率的2的整数次幂倍，使进行基-2-FFT的数据包含待测正弦信号的整数个周期；
4）配置所述DMA控制器，使其连接模数转换结果寄存器和内部RAM，实现将两个模数转换内核得到的结果数据实时直接传送至RAM内提前开辟的数组空间；
5）上述模数转换结果数据进行1024点浮点复数FFT运算前，对其进行预处理，每一次相位测量，模数转换共输出两组1024点的转换结果，为进行复数FFT运算，另外开辟两个2048点的浮点格式的数组，将上述数据分别存入该数组的偶地址，而在其奇地址处存入虚部零；设置复数FFT函数参量，配置为基-2、1024点、正序输出结果；对上述预处理后的数据进行复数FFT运算，结果存入原地址；
6）上述FFT运算结果即待测信号的数字频谱，结合信号频率、采样频率和FFT运算点数，计算出待测信号频率在上述存放数字频谱的数组中的位置，分别从上述两个2048点的数组中提取出该频点谱线的实部和虚部；
7）分别对上述两对实部和虚部进行运算，提取相位信息，即首先由虚部除以实部，再对结果进行反正切运算，得到该频率点上两路信号的相位信息；
8）由于反正切函数值域的限制，根据频谱结果实部和虚部的符号，对上述得到的相位信息进行象限定位，得到待测正弦信号真实的相位信息，进而对两路信号的相位进行相减，最终得到所需要的相位差信息。
9）将相位差信息通过测相结果显示电路进行显示。
有益效果
本发明所述装置基于一款内置所需功能模块的处理器芯片及其少量外围电路实现，硬件密度较低；通过设定采样频率为待测信号频率的2的整数次幂倍，使进行基-2-FFT的数据包含待测正弦信号的整数个周期，避免了频谱泄露和栅栏效应等因素对测相结果的影响，使算法实现简单且精度较高。
附图说明
图1为本发明的一种基于FFT的相位差测量装置电路示意图；
图2为本发明的一种基于FFT的相位差测量方法原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例
待测信号为两路带有相位差的频率为10kHz的正弦信号，用本发明提供的装置及方法进行相位差测量。
如图1所示，一种相位差测量装置，所述装置为：由一款处理器芯片及其外围电路构成的硬件电路。
所述一款处理器芯片型号为STM32F407VG，基于Cortex-M4内核，内置两个独立的模数转换内核，内置定时器模块，内置DMA控制器，内置浮点运算单元，主频达168MHz，单周期DSP指令，片内RAM为112kB，片内Flash为1MB。
所述外围电路包括电源配置电路、工作模式配置电路、频率源、参考电压配置电路、程序调试及下载电路、两路模拟信号接口和测相结果显示电路。
所述的电源配置电路为处理器芯片提供电源，电源配置电路包含连接于处理器芯片电源引脚与地之间的去耦电容；
所述的工作模式配置电路通过电阻将处理器芯片引脚接至电源或地，将处理器芯片配置为所需工作模式；
所述的频率源为高精度无源晶振；
所述的参考电压配置电路为模数转换提供参考电压以及对参考电压进行滤波降噪处理；
所述的程序调试及下载电路用于处理器程序的在线调试及下载。
所述的两路模拟信号接口接入待测的模拟信号1和模拟信号2；
所述的测相结果显示电路为LCD液晶显示电路，用于显示测相结果。
如图2所示，一种相位差测量方法，所述方法基于上述装置实现，具体步骤如下：
1）将系统时钟频率源设置为外部高频晶振，通过内部倍频，将系统时钟配置为168MHz；
2）开启所述两个独立的模数转换内核，配置为同步模式，对两路模拟输入进行严格同步的采样并转换，12bits分辨率，将采样触发源设置为定时器1溢出事件，实现由定时器精确控制采样频率的目的；
3）配置所述定时器模块，设定计数寄存器值为524，即溢出频率为168MHz/524=320kHz，溢出后产生事件，触发模数转换模块进行采样，实现采样频率为320kHz；对10kHz正弦信号进行采样，1024个点包含该信号的32个整周期，从而避免FFT后频谱泄露和栅栏效应等因素对测相结果的影响；
4）配置所述DMA控制器，使能通道0，外设地址为模数转换结果寄存器地址，内存地址为预先定义的数组首地址，方向为从外设到内存，传送32位宽数据1024个，其高16位为ADC1转换结果，低16位为ADC2转换结果；
5）另外开辟两个2048点的浮点格式的数组，将上述数据分别存入该数组的偶地址，而在其奇地址处存入虚部零；设置复数FFT函数参量，配置为基-2、1024点、正序输出结果；对上述预处理后的数据进行复数FFT运算，结果存入原地址；
6）上述FFT运算结果即待测信号的数字频谱，信号频率为10kHz、采样频率为320kHz，FFT运算点数为1024，则FFT的频率分辨率为：320kHz/512=625Hz，而10kHz/625Hz=16，则数字频谱的第17个点即对应待测信号，分别从两个数组中提取出该频点谱线的实部和虚部；
7）分别对上述两对实部和虚部进行运算，提取相位信息，即首先由虚部除以实部，再对结果进行反正切运算，得到该频率点上两路信号的相位信息；
8）由于反正切函数值域的限制，根据频谱结果实部和虚部的符号，对上述得到的相位信息进行象限定位，得到待测正弦信号真实的相位信息，进而对两路信号的相位进行相减，最终得到所需要的相位差信息。
9）将相位差信息通过LCD液晶显示电路进行显示。
Claims (9)
1.一种相位差测量装置，其特征在于：该装置为硬件电路，硬件电路包括处理器芯片和外围电路；
所述的处理器芯片需满足以下条件：内置两个独立的模数转换内核，内置定时器模块，内置DMA（直接内存存取）控制器，内置浮点运算单元，片内RAM（随机存取存储器）不小于50kB，片内Flash（闪存）不小于50kB；
所述外围电路包括电源配置电路、工作模式配置电路、频率源、参考电压配置电路、程序调试及下载电路、两路模拟信号接口和测相结果显示电路。
2.根据权利要求1所述的一种相位差测量装置，其特征在于：电源配置电路为处理器芯片提供电源，电源配置电路包含连接于处理器芯片电源引脚与地之间的去耦电容。
3.根据权利要求1所述的一种相位差测量装置，其特征在于：工作模式配置电路通过电阻将处理器芯片引脚接至电源或地，将处理器芯片配置为所需工作模式。
4.根据权利要求1所述的一种相位差测量装置，其特征在于：频率源为高精度无源晶振。
5.根据权利要求1所述的一种相位差测量装置，其特征在于：参考电压配置电路为模数转换提供参考电压以及对参考电压进行滤波降噪处理。
6.根据权利要求1所述的一种相位差测量装置，其特征在于：程序调试及下载电路用于处理器程序的在线调试及下载。
7.根据权利要求1所述的一种相位差测量装置，其特征在于：两路模拟信号接口接入待测的模拟信号1和模拟信号2。
8.根据权利要求1所述的一种相位差测量装置，其特征在于：测相结果显示电路用于显示测相结果。
9.一种利用权利要求1所述的装置进行相位差测量的方法，其特征在于具体步骤如下：
1）将系统时钟频率源设置为外部高频晶振，通过内部倍频，将系统时钟配置为较高的频率；
2）开启所述两个独立的模数转换内核，配置为同步模式，对两路模拟输入进行严格同步的采样并转换，将采样触发源设置为定时器溢出事件，实现由定时器精确控制采样频率的目的；
3）配置所述定时器模块，设定计数寄存器值，溢出后产生事件，触发模数转换模块进行采样；对系统时钟进行计数，通过设定计数寄存器内的值，控制溢出频率，从而实现精确控制模数转换模块采样频率的目的；设定采样频率为待测信号频率的2的整数次幂倍，使进行基-2-FFT的数据包含待测正弦信号的整数个周期；
4）配置所述DMA控制器，使其连接模数转换结果寄存器和内部RAM，实现将两个模数转换内核得到的结果数据实时直接传送至RAM内提前开辟的数组空间；
5）上述模数转换结果数据进行1024点浮点复数FFT运算前，对其进行预处理，每一次相位测量，模数转换共输出两组1024点的转换结果，为进行复数FFT运算，另外开辟两个2048点的浮点格式的数组，将上述数据分别存入该数组的偶地址，而在其奇地址处存入虚部零；设置复数FFT函数参量，配置为基-2、1024点、正序输出结果；对上述预处理后的数据进行复数FFT运算，结果存入原地址；
6）上述FFT运算结果即待测信号的数字频谱，结合信号频率、采样频率和FFT运算点数，计算出待测信号频率在上述存放数字频谱的数组中的位置，分别从上述两个2048点的数组中提取出该频点谱线的实部和虚部；
7）分别对上述两对实部和虚部进行运算，提取相位信息，即首先由虚部除以实部，再对结果进行反正切运算，得到该频率点上两路信号的相位信息；
8）由于反正切函数值域的限制，根据频谱结果实部和虚部的符号，对上述得到的相位信息进行象限定位，得到待测正弦信号真实的相位信息，进而对两路信号的相位进行相减，最终得到所需要的相位差信息；
9）将相位差信息通过测相结果显示电路进行显示。
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