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1、 目 录1、课程设计的目12、课程设计的基本要求13、课程设计内容1 3.1 基于USB总线或PCI总线A/D卡的报告1 3.1.1 USB总线介绍1 3.1.2 USB接口的数据采集系统的设计实现1 3.1.3 USB接口电路设计2 3.1.4 AD转换电路3 3.1.5 控制电路及数据缓冲电路3 3.2 FIR滤波器设计及简单应用5 3.2.1 滤波器原理及设计方法5 3.2.2MATLAB仿真程序及结果分析64、学习matlab的心得体会与本次课程设计的心得体会105、参考文献111、课程设计的目的本课程设计通过对信号的采样、抽取、分析、等多种处理过程的理论分析和MATLAB实现，使学生
2、进一步巩固数字信号处理的基本概念、理论以及频谱分析方法和数字滤波器设计方法；使学生掌握的基本理论和分析方法只是得到进一步扩展；使学生能有效地将理论和实际紧密结合；增强学生软件编程实现能力和解决实际问题的能力。2、课程设计的基本要求 学会 MATLAB 的使用，掌握 MATLAB 的程序设计方法； 掌握数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法； 要求三位同学共同完成。 3、课程设计内容 3.1.基于USB总线A/D卡的报告 3.1.1 USB总线介绍 USB总线是Intel，DEC，Microsoft，IBM等公司联合提出的一种新的串行总线接口规范，是为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽
3、和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信标准。USB具有较高的传输速度： USB协议11支持低速（15 Mbs）和全速（12 Mbs）2种传输模式，而20协议支持的速度提高到480 Mbs。他的数据传输速度比标准串并口高，且具有使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点。USB接口采用4线电缆，其中2根信号线，1根电源线和1根地线，电源线可以向外设提供最大5 V，500 mA的电流。USB接口有4种传输方式：控制传输、批量传输、终端传输和同步传输，可以满足不同传输的需要。 3.1.2 USB接口的数据采集系统的设计实现整个系统主要由4部分组成：USB接口芯片及外围电路、控制电路、数据缓冲电路和AD转换
4、电路。USB接口芯片选择了Cypress公司的EZ-USB 2131Q，该芯片内嵌8051控制器，因此整个系统以EZ-USB控制器为核心，由EZ-USB经控制电路实现对AD转换电路和数据缓冲电路的控制，模拟信号转换后的数据送入数据缓冲器，当数据缓冲器存满之后，通知EZ-USB控制器，由主机取出数据。整个系统框图如图1所示。 3.1.3 USB接口电路设计EZ-USB2131Q是CYPRESS公司生产的EZUSB系列芯片的一种，该芯片集成了USB外设接口所需的功能电路，其原理框图如图2所示。AN2131Q具有24个IO引脚，16 b地址总线和8 b数据总线，可以进行外部存贮器的扩展。图2中的微处
5、理器是一个具有快速执行周期和加强特性的8051核，其性能是标准8051的5倍，指令系统与标准的8051兼容。他使用内部RAM存储固件和数据，上电后USB主机通过USB总线将固件和外设特性描述符下载到RAM中，然后重新连接，按照描述符中定义的外设特性完成重列举。这使得USB有一个“软”解决方案，即USB外设的设计者可以随时设置和升级固件，不受端口数、缓冲大小、传输速度及传输方式的限制。 本系统中EZ-USB的外围电路主要包括EZ-USB芯片和PC机的接口电路、电源模块及EZ-USB 供电电路、E2PROM枚举电路（I2C总线上连接 E2PROM存储设备的PID，VID），其主要功能是保证EZ-U
6、SB芯片的正常工作并实现和PC机的通讯；功能电路是利用他的IO引脚实现的，由于EZ-USB的 IO是可编程的，通过寄存器设置PA口的高4位和PB口为输入，用来传输数据缓冲器中的12 b数据，利用 C口接收中断和产生控制信号。 EZ-USB为块传输、控制传输和中断传输提供了16个端点，在数据采集系统设计中使用了块传输方式，使用终端2-in来传输数据，允许的最大数据包为64 B；终端1-out和终端3-out输出控制信号。 3.1.4 AD转换电路 系统中AD转换芯片采用了MAXIM公司的MAX122，该芯片是12 b的高速的AD转换器。在完全转换模式下，他的转换时间可以达到26μs，采样率
7、为333 kSs。MAX122有5种工作模式，在数据采集系统中，采用了模式2即连续转换模式。在这种模式下，每次转换需要1314个时钟脉冲节拍，转换可以不间断地进行，但是需要提供开始转换使能信号，并且要保证使能信号和时钟信号同步，读信号和片选始终处于有效状态。数据输出使能信号一直有效，在转换结束时产生新的数据。3.1.5 控制电路及数据缓冲电路AD转换器MAX122的采样率较高，得到的数据不能通过USB总线直接传送给主机，因此需要在AD转换器和主机之间连接数据缓冲器，AD转换器产生的数据先存储在缓冲器中，当缓冲器数据存满之后，通知主机取走数据。这里的数据存储器使用的是128 k8的静态RAM，使
8、用2片并接将数据线扩展成16 b。控制电路是整个系统的核心，系统中采用一片Altera公司的EPM7128设计实现控制电路，该器件具有在线调试的功能，因此给设计带来了很大的方便。控制电路的原理框图如图3所示。 控制电路主要由以下部分组成：逻辑控制电路、时钟电路、三态缓冲电路、时序逻辑控制电路和地址发生器。逻辑控制电路接收USB控制器发出的控制信号，产生三态缓冲电路和时钟电路的控制信号；三态缓冲电路控制数据传输方向，是由MAX122传输到RAM，还是由RAM传输到USB控制器；时钟电路用 来产生MAX122的时钟信号CLKIN和转换开始信号CONVST，以及地址发生器的时钟信号；时序逻辑电路调整
9、相关信号之间的同步，保证电路的时序正确；地址21发生器由计数器来实现，提供RAM的读写地址信号。系统的工作过程如下：控制电路接收到开始采集信号时，控制三态缓冲电路的数据传输方向为AD转换器转换的数据存入SRAM中，并且使时钟电路产生AD转换器的转换开始信号CONVST、时钟CLKIN 信号和地址发生器的时钟信号及控制信号。CONVST和CLKIN信号还必须通过时序逻辑控制电路调整使2个信号同步，CONVST信号在下一个时钟信号（CLKIN）上升沿来到之前保持低电平至少50 ns，确保转换时间为13个时钟周期。并且地址发生器的时钟信号也要和CONVST信号同步，使AD转换器产生的数据能存入正确的
10、地址中。 控制电路接收到读数据的信号时，便产生控制信号，使三态数据缓冲器的数据传输方向是从SRAM到USB控制器，地址发生器产生的地址信号是SRAM的读地址。当地址发生器的计数器计数到1FFFFH（128 kb），即RAM的最后一个地址时，计数器发生溢出，产生溢出中断信号INT0和INT1到USB控制器的PC口的第2位和第3位（设置为8051辅助功能位），当USB接收到中断信号之后，在中断服务程序中，进行相应的读处理。SRAM的读写是相互独立的，由地址发生器产生地址信号，地址发生器由计数器来实现。当开始采集数据时，对RAM进行写操作，地址发生器产生的地址信号清0，同时必须使能RAM的写使能，在
11、写使能低有效时，数据就写入SRAM。时钟信号和AD转换器的转换时钟相一致，每产生一个数据，地址自动加1。当采集结束时，主机发出命令取出数据，对RAM进行读操作，当第一个读脉冲到达时，地址发生器产生的地址信号清0，时钟信号和USB控制器读的周期相一致，每读一个字节，地址自动加1。3.2 FIR滤波器设计及简单应用3.2.1 滤波器原理及设计方法FIR滤波器原理：FIR滤波器具有严格的线性相位特性。FIR滤波器的设计方法主要分为两类：第一类是基于逼近理想滤波器特性的方法，包括窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法；第二类是最优设计法。FIR滤波器设计方法：由于白噪声分布在整个频带，所以需要在不衰减
12、原信号的前提下，对整个频带进行滤波，设计一个带过渡带的的多带FIR滤波器。采用firls函数，其调用格式为b=firls(n,f,m),其中n为滤波器阶数；f为转换频率向量，在0-1之间；m为滤波器幅频响应中的频带增益向量。滤波器技术指标：在95/500 105/500(即0.19 0.21)段和130/500 145/500(即0.26 0.29)段频带内的幅度为1，在0/500 90/500(即0 0.18)段、在110/500 115/500(即0.22 0.23)段、在150/500 500/500(即0.3 1)段频带内的幅度为0。相关的MATLAB函数： randn:产生白噪声 f
13、reqz():计算频率响应 firls():产生具有线性相位的fir滤波器 filter():对信号进行滤波3.2.2MATLAB仿真程序及结果分析MATLAB仿真程序如下:fs=1000;t=0:1/fs:1;x=sin(100*2*pi*t)+2*sin(140*2*pi*t);y=x+randn(size(t); %randn产生一高斯白噪声subplot(321);plot(t,x);grid;title(initial siginal);h1,w1=freqz(x); %freqz（）：计算频率响应subplot(322);plot(w1*fs/(2*pi),abs(h1);grid
14、;xlabel(f/Hz);ylabel(magnitude);title(frequency response of initial siginal);subplot(323);plot(t,y);grid;title(siginal with white noise);h2,w2=freqz(y);subplot(324);plot(w2*fs/(2*pi),abs(h2);grid;xlabel(f/Hz);ylabel(magnitude)title(frequency response of signal with white noise);n=40; %滤波器阶数f=0 0.18 0.19 0.21 0.22 0.23 0.26 0.29 0.3 1; %频率点矢量m=0 0 1 1 0 0 1 1 0 0; %幅度矢量b=firls(n,f,m); %产生具有线性相关的fir滤波器y1=filter(b,1,y); %对信号进行滤波subplot(325);plot(t,y1);grid;title(filtered signal);h3,w3=freqz(y1);subplot(326);plot(w3*fs/(2*pi),abs(h3);grid;xlabel(f/Hz);ylabel(magnitude);title(frequency respons
