并行fft频谱分析仪设计.docx
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并行fft频谱分析仪设计
并行fft频谱分析仪设计
小组成员：
孔峰3007204154
王云飞3007204163
张然3007204173
组号：
4c-2
07级电子信息工程2班
一、设计目标
本组旨在实现fft在51单片机上的并行运算。
虽然现在频谱分析仪一般基于快速傅里叶变换（即fft），大大减少了运算量，提高了运算速度，但仍显很慢。
N点fft需要进行N2/2次复数乘法和N2/2次复数加法运算，而每次复数运算又有特定的复数函数实现，运算量相当可观。
于是本组决定此系统由4个运算器并行进行运算，令有一个控制器控制如对扩展存储器存取等动作实现，旨在节省运算时间，提高效率。
二、完成情况简述
本组对于此命题并没有完全完成，软件设计，仿真等均基本完成，但结果并不尽如人意。
首先，由于89c52片内存储空间的限制，没有按照原定计划做1024点，即每个片子256点的fft。
由于为实现并行运算，不能对变量用“即取即用”，而需每次单片机对外部存储器读取时，读足所需256点8位原始数据，和128点复数w值，w值实部虚部各8位，这显然已经超出了片内256B变量定义空间限制，因此转而做256点，即每个片子64点。
其次，由于硬件情况限制和时间仓促，在硬件上，没有完成原定5个最小系统电路的焊接，只焊接了两个最小系统，即一个控制器，一个运算器用来模拟结果，单个运算器内64个点的运算结果尚且正常，然终究看不到最终4个运算器结合的效果。
最后，本组成功得通过电路和软件结合的手段，解决了四个运算器对于外部扩展存储器的轮流存取、fft核心算法、数据存取与运算同时进行、片内存储和扩展存储统一编址等关键问题，颇有获益。
三、系统总体描述和系统框图
运算器1
89c52
FFT频谱分析仪系统框图
控制器
89c52
Pc
输出电路
ADC
外存储器
6264
运算器4
89c52
运算器3
89c52
运算器2
89c52
系统框图如上所示，由五个51单片机最小系统组成，其中四个用于fft的具体运算，一个用于控制。
控制器两个专门输出端接于运算器1的两个中断管脚，运算器1的两个输出端接于运算器2的两个中断管脚，以此类推，最终运算器4的输出端接到控制器的某个输入端，作为反馈信号，当某一动作完成时通知控制器。
四、调试流程
系统运行流程大致如下图所示：
五、遇到的问题及解决方法
1.每一步蝶形所需数据不同，若每一层蝶形运算都重新取值的话则大大浪费时间。
解决：
若使用“先倒序后计算”方法，则前4步蝶形是单独一个片内64点本身的运算，后两步则才需要其他几个片子的运算结果。
所以为解决每一步存取浪费时间的问题，在前4步中，用各自的倒序代替存取，便可以大大节省时间，最后两步则将所有数据集合到扩展存储器中，重新分配给每个运算器。
这样也可以使控制器后期的程序设计更加连贯，控制器在完成了最后一步倒序后，直接组织输出
2.控制器对四个运算器控制的实现。
解决：
51单片机外部中断引脚有两个int0和int1，这样，每个运算器中只允许两个中断服务程序，而每个运算器又要完成“读、写、计算”几个动作。
在程序设计的过程中，我们将“读”和“计算”合并，即读数过后直接进算，只在读数结束后输出一个信号，通知下一个片子开始读数。
这样的话，后面的片子还在取值过程中的时候，前面的片子已经开始了计算，一定程度上节省了时间，同时解决了控制的问题。
3.W值的获得
解决：
由于c51编程中，允许变量定义的空间并不多。
在程序调试过程中：
autosegmenttoolarge的问题出现了多次。
经过我们粗略计算，发现对于256点fft，每个片中128点的w值是占空间的首要。
所以，我们将w值定义为常量，由扩展存储器中取出，放在每个片子的程序中去，而每个片子放程序的rom又足够大，这样，既节省了计算w值所需要的时间，又节省了空间。
4.几个片子对于一个扩展存储器的共享
实际上，这个问题我们在硬件实现上遇到的麻烦远比软件上麻烦很多，5个片子都要共享同一些地址/数据管脚，会遇到诸如“电流串扰“等等问题，这可能也成为了我们最终结果不尽如人意的原因之一。
在软件方面，考虑到硬件实现中的延迟等问题，同步问题不好解决，对存储器的存取操作采用时分的方式进行，虽然地址指针改变等问题实现起来较为繁琐，但具有很高的可操作性，可实现性。
六、原理图
总体图
单个最小系统图
控制器与扩展存储器
Adc
七、程序流程图和原代码
Fft核心算法流程
结束
写值
T=A（k）+A（k+B）WNp
A（k+B）=A（k）–A（k+B）WNp
A（k）=T
倒序
读入x（n）64点128点w值
开始
源代码：
Ic1：
#include//51芯片管脚定义头文件
#include//内部包含延时函数_nop_（）;
#include//绝对地址访问的头文件
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
uintRAMADDR=0x6000;
#defineRAM_6264XBYTE[RAMADDR]//6264地址范围H-7FFFH
sbitst=P3^0;
sbitce=P2^6;
sbitoe=P2^5;
sbitin=P3^1;
ucharn;
/**********************************************************
延时t毫秒
11.0592MHz时钟，延时约ms
**********************************************************/
voiddelayms（uintt）
{
uchark;
while（t--）
{
for（k=0;k<125;k++）
{;}
}
}
/**********************************************************
主函数
**********************************************************/
voidmain（）
{
ucharval;
n=0;
EA=1;
EX0=1;
IT0=1;
val=0;
P0=0xff;
P1=0xff;
P2=0xff;
P3=0xff;
RAMADDR=0x6000;//6264首地址
oe=0;
ce=0;
st=1;
delayms（100）;
st=0;
delayms（500）;
val=P1;
RAM_6264=val;//数据写入
RAMADDR++;
for（n=0;n<256;n++）//写个数据入
{
st=1;
delayms（50）;
st=0;
delayms（50）;
val=P1;
RAM_6264=val;//数据写入
RAMADDR++;//修改地址
delayms
（1）;
}
while
（1）
{
RAMADDR=0x6000;//6264首地址
for（n=0;n<256;n++）
{
temp=RAM_6264;//从中读取数据
RAMADDR++;//修改地址
temp=~temp;//输出为低电平动作
P1=temp;//送P0口显示
delayms（200）;
}
}
delayms（10）;
oe=1;
ce=1;
RAM_6264=0x01;
RAMADDR++;
RAM_6264=0x02;
delayms（10）;
ce=0;
oe=0;
in=0;
while
（1）;
}
voidic1in（）interrupt0
{
oe=1;
ce=1;
n++;
RAMADDR++;
RAM_6264=n;
delayms（10）;
ce=0;
oe=0;
in=1;
delayms（10）;
in=0;
}
Ic2：
#include//51芯片管脚定义头文件
#include//内部包含延时函数_nop_（）;
#include//绝对地址访问的头文件
#include//数学函数
structcompx/*定義一個複數結構*/
{charreal;charimag;
};
structcompxidatadat[65];//FFT輸入輸出均從是s[1]開始存入
structcompxEE（structcompx,structcompx）;//定義複數相乘結構
voidFFT（structcompxxin[],intN）;/*定義FFT函數*/
structcompxEE（structcompxa1,structcompxb2）//兩複數相乘的程序
{structcompxb3;//b3保存兩複數間的結果
b3.real=a1.real*b2.real-a1.imag*b2.imag;//兩複數間的運算
b3.imag=a1.real*b2.imag+a1.imag*b2.real;
return（b3）;/*返回結果*/
}
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
uintRAMADDR=0x6000;
#defineRAM_6264XBYTE[RAMADDR]//6264地址范围H-7FFFH
sbitst=P3^0;
sbitce=P2^6;
sbitoe=P2^5;
sbitin=P3^1;
sbitrw=P3^5;
sbitfin=P1^0;
sbitenwrite=P1^7;
ucharvol=0;
ucharenread=0;
ucharcalfin=0;
/**********************************************************
延时t毫秒
11.0592MHz时钟，延时约ms
**********************************************************/
voiddelayms（uintt）
{
uchark;
while（t--）
{
for（k=0;k<125;k++）
{;}
}
}
voidwrite（）;
voidread（）;
voidcal（）;
/**********************************************************
FFT
**********************************************************/
voidfft（structcompxxin[],intN）/*FFT函數體*/
{intf,m,nv2,nm1,i,k,j=1,l;/*定義變量*/
structcompxv,w,t;/*定義結構變量*/
nv2=N/2;/*最高位值的權值*/
f=N;/*f為中間變量*/
for（m=1;（f=f/2）!
=1;m++）{;}
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