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1、并行fft频谱分析仪设计一、 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
2、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
3、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189c52FFT频谱分析仪系统框图控制器89c52Pc输出电路ADC外存储器6264运算器489c52运算器389c52运算器289c52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
4、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“
5、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：auto segment too large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
6、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)WNpA(k + B) = A(k) A(k + B) WNpA(k) = T倒序
7、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#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint RAMADDR=0x6000;#define RAM_6264 XBYTERAMADDR /6264地址范围H-7FFFHsbit st=P30;sbit ce=P26;sbit oe=P25;sbit in=P31;uchar n;/*延时t毫秒11.0592MHz时钟，延时约ms*/void
8、delayms(uint t)uchar k;while(t-)for(k=0; k125; k+);/*主函数*/void main()uchar val;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;n256;n+) /写个数据入st=1;delayms(50);st=0;delayms(50
9、);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;n256;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);void ic1in() int
10、errupt 0oe=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struct compx /*定義一個複數結構*/char real;char imag;struct compx idata dat65; /FFT輸入輸出均從是s1開始存入struct compx EE(struct compx,struct compx)
11、; /定義複數相乘結構void FFT(struct compx xin,int N); /*定義FFT函數*/struct compx EE(struct compx a1,struct compx b2) /兩複數相乘的程序struct compx b3; /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*/#define uchar unsigned char#define uint unsigned
12、 intuint RAMADDR=0x6000;#define RAM_6264 XBYTERAMADDR /6264地址范围H-7FFFHsbit st=P30;sbit ce=P26;sbit oe=P25;sbit in=P31;sbit rw=P35;sbit fin=P10;sbit enwrite=P17;uchar vol=0;uchar enread=0;uchar calfin=0;/*延时t毫秒11.0592MHz时钟，延时约ms*/void delayms(uint t)uchar k;while(t-)for(k=0; k125; k+);void write();vo
13、id read();void cal();/*FFT*/void fft(struct compx xin,int N) /*FFT函數體*/int f,m,nv2,nm1,i,k,j=1,l; /*定義變量*/struct compx v,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+); /*求級數m*/nm1=N-1; /*nm1為數組長度*/for(i=1;i=nm1;i+) /*倒序*/if(ij) t=xinj;xinj=xini;xini=t; /*ij則換位*/k=nv2; /*k為
14、倒序中相應位置的權值*/while(kj) j=j-k;k=k/2; /*kj時最高為變為*/j=j+k; /* j為數組中的位數，是一個十進制數*/int le,lei,ip; /變量初始化,le為序列長度 float pi; for(l=1;l=m;l+) /*l控制級數*/ le=pow(2,l); /*le等於的l次方*/ lei=le/2; /*蝶形兩節點間的距離*/ pi=3.14159265; v.real=1.0; / 此次的v運於複數的初始化 v.imag=0.0; w.real=cos(pi/lei); /*旋轉因子*/ w.imag=-sin(pi/lei); for(j
15、=1;j=lei;j+) /外循環控制蝶行運算的級數 for(i=j;i=N;i=i+le) /內循環控制每級間的運算次數 ip=i+lei; /*蝶形運算的下一個節點*/ t=EE(xin ip ,v); /*第一個旋轉因子*/ xin ip .real=xin i .real-t.real; /*蝶形計算*/. xin ip .imag=xin i .imag-t.imag; xin i .real=xin i .real+t.real; xin i .imag=xin i .imag+t.imag; v=EE(v,w); /調用EE複數相乘程序，結果給下次的循環 /*写*/void wr
16、ite()uchar i;oe=1;ce=1;rw=1;RAMADDR=0x6000;for (i=0;i64;i+)RAM_6264=(uchar)sqrt(dati+1.real*dati+1.real+dati+1.imag*dati+1.imag);RAMADDR+;oe=0;ce=0;fin=0;/*算*/void cal()fft(dat,64);calfin=1;/*读*/void read()uchar i;enread=0;oe=1;ce=1;rw=0;for (i=0;i64;i+)dati+1.real=RAM_6264;RAMADDR+;rw=1;oe=0;ce=0;in=1;delayms(10);in=0;cal();/*主函数*/void main()RAMADDR=0x6000;P0=0xff;P1=0xff;P2=0xff;P3=0xff;ce=0;oe=0;EA=1;EX0=1;IT0=1; /6264首地址while(enread=0);read();while(calfin=0);while(enwrite=1);write();while(1);void icin() interrupt 0 enread=1;注：上程序中乃是其中一个运算器的程序，其中包含w值计算，实际最终并没有用这一个。
