DSP课设——正弦波发生器

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1、摘要数字信号处理 (Digital Signal Processing ，简称 DSP) 是一门涉及许多学 科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。 20 世纪 60 年代以来，随着计算机 和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数 字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信 号的方法，这些信号由数字序列表示。数字信号处理器(DSP)是在模拟信 号变成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器。 DSP 芯片以其独特 的结构和快速实现各种数字信号处理算法的突出优点， 发展十分迅速。 本文 中提出的基于DSP技术设计的正弦波信号发生器已被广泛地应用于通信、

2、仪器 仪表和工业控制等领域的信号处理系统中。在本文中简要的概括了一种基于TMS320C5402实现正弦信号发生器的设计 原理与方法，介绍了所设计的正弦信号发生器硬件电路结构和软件程序流程图。 结合 DSP 硬件特性，通过使用泰勒级数展开法得到设定参数的正弦波形输出， 达到设计目的。该信号发生器弥补了通常信号发生器模式固定，波形不可编程的 缺点，其具有实时性强，波形精度高，可方便调节频率和幅度、稳定性好等优点。关键字：DSP； TMS320C5402；信号发生器；正弦信号；目录1 设计目的及要求 11.1 设计目的 11.2 设计内容及要求 12 设计方案及原理 22.1总体方案 22.2设计原

3、理 23 系统硬件设计 33.1系统硬件框图 33.2 TMS320C5402 简介43.3 D/A转换部分设计54 系统软件设计及调试 64. 1变频调幅的方法 64.2程序设计 64. 3程序编写 84.4 CCS 简介144. 5运行步骤及结果 155 设计心得 19参考文献 20附录 设计程序 211 设计目的及要求1.1 设计目的DSP课程设计是对数字信号处理、DSP原理及应用等课程的较全面 练习和训练，是实践教学中的一个重要环节。通过本次课程设计，综合运用数字信号处理、DSP技术课程以及其他有关先 修课程的理论和生产实际知识去分析和解决具体问题，并使所学知识得到进一步 巩固、深化和

4、发展。初步培养学生对工程设计的独立工作能力，掌握电子系统设 计的一般方法。通过课程设计完成基本技能的训练，如查阅设计资料和手册、程 序的设计、调试等，提高学生分析问题、解决问题的能力。主要是：1. 掌握DSP程序设计的方法以及软件的调试等；2. 掌握 CCS 软件的使用；3. 学会用CCS仿真模拟DSP芯片，通过CCS软件平台上应用C54X汇编 语言来实现正弦信号发生装置；4. 掌握控制 TLC320AIC23 的输出信号，使该信号通过滤波放大后输出， 并在点阵液晶中大致显示出幅频图的基本方法和步骤。1.2 设计内容及要求本题目DSP通过计算法或者查表的方法，得到正弦信号，然后将数据传 递给T

5、LC320AIC23,控制TLC320AIC23的输出信号，该信号通过滤波放大 后输出，并在点阵液晶中大致显示出幅频图。1. DSP与TLC320AIC23接口电路的原理图绘制；2. DSP 控制 TLC320AIC23 的程序编写与调试；3. TLC320AIC23进行D/A的转换，实现信号的输出；4. 控制点阵液晶，实现绘图功能，将幅频图显示出来；5. 按要求编写课程设计报告书，正确、完整的阐述设计和实验结果。6. 在报告中绘制程序的流程图，并文字说明。2 设计方案及原理2.1 总体方案总体思想是：（1）基于 DSP 的特点，本设计采用 TMS320C5402 这款 DSP 芯片作为 正弦

6、信号发生器的核心控制芯片。（2）用泰勒级数展开法实现正弦波信号。（3）利用点阵的绘图功能将正弦波的波形显示出来。2.2 设计原理泰勒级数展开法是一种有效的方法，与查表法和查表结合插值法相比，该方 法需要的存储单元很少，而且精度更高。我们知道一个角度为X的正弦和余弦函数，都可以展开为泰勒级数，且其前 五项可以看为：x26x 71 8 x9丿丿丿丿1）2）/x6x8x2x 2x 2x 2+沁1 1 1 1 6!8!2k3 x 4k5 x 6k7 X 8丿丿x 2231 -14 x 5 (cos(x)二 1 -兰 + 兰2!4!./ 、 X 3 x 5 x 7 x 94sin(x) x + + 沁

7、x 1 3!5!7!9!程序的设计思想是这样的，正弦波的波形可以看为由无数点组成，这些点与x轴的每一个角度值相对应，那么我们可以利用DSP处理器处理大量重复计算的优势来计算，x轴每一点对应的y轴的值（在x轴取360个点来进行逼近），由于程序的编制采用小数形式，其弧度大于1的正弦值得不到，这就对正弦波的产生 造成了障碍。可由于正弦波的特殊的对称形式给程序的编制找到了出口 sin（, 4）的弧度为0.7854V1,即0兀之间的任意正弦、余弦值可以利用汇编程序得到N又可以利用公式：sin 2a 二 2sin a cos a 得到 0号2之间的正弦值。而0兀込之间的正弦曲线与兀，2兀之间的正弦曲线通过

8、x=兀这条轴左右对称，那么就可以得到兀.-2兀的正弦值，而0的正弦曲线的相反数通过x”这条轴与兀2兀左右对称。这样兀2兀的正弦值也得到了。一个周期内完整的正弦波就得到了。 正弦波产生的流程图如下：图 2.1 正弦波产生的流程图3 系统硬件设计3.1 系统硬件框图该正弦信号发生器的硬件结构框图如图3.1所示，主要由TMS320C5402芯 片， DA 转换器，独立键盘等几部分组成。图 3.1 DSP 系统硬件框图3.2 TMS320C5402 简介本次设计中采用的是 TI 公司性价比良好的 TMS320C5402 芯片，这款芯片 它采用修正的增强型哈佛结构，程序和数据分开存放，内部具有 8 组高

9、度并行总 线，一组程序总线、3组数据总线和 4 组地址总线，从而保证完成并行指令操作。 40位算术逻辑单元ALU以及17位X17位并行乘法器与40位专用加法器相连， 可用于非流水线式单周期乘法/累加运算。双地址生成器，包括 8 个辅助寄存器 和2个辅助寄存器算术运算单元RARU，使得周期定点指令的执行时间达到 100MIPS 。片上集成有192K存储空间：64K字程序空间、64K数据空间、64K字I/O 空间，它具有 23 条外部程序地址线，可寻址 1M 字的外部程序空间，因此增设 了额外的存储映射程序技术扩展寄存器XPC,以及6条扩展程序空间寻址指令, 整个程序空间分成16页。同时可寻址64

10、K外部数据空间、64K外部I/O空间。 RAM包括两种类型，一是只可以一次寻址的SARAM，二是可以两次寻址的 DARAM。此外，还有数据存储器0页映射的25个特殊功能寄存器。同时，该芯片还有高度专业化的指令系统，具有功耗小、高度并行等优点。 此外，其支持 C 语言和汇编语言混合编程，高效的流水线操作和灵活的寻址方 式使其适合高速实时信号处理。3.3 D/A转换部分设计McBSP(Multi-channel Buffered Serial)即多通道缓冲串口，包括一个数据通 道和一个控制通道。数据通道通过DX引脚发送数据、DR引脚接收数据。控制 通道完成的任务包括内部时钟的产生、帧同步信号的产生

11、、对这些信号的控制以 及多通路的选择等。此外还负责产生中断信号送往CPU，产生同步事件信号通 知 DMA 控制器。控制信息则是通过控制通道以时钟和帧同步信号的形式传送。数模转换芯片采用TLC320AD50C其是TI公司出品的一块将A/D和D/ A转换功能集成在一起的接口芯片，采用E技术在低系统成本下实现高精度的 A/D和D/A转换。该芯片由一对16 bit同步串行转换通道组成，在A/D之 后有一个抽取滤波器，在 D/ A 之前有一个插值滤波器。TLC320AD50C可以与TMS320C5402 DSP的McBSP无缝串行连接进行数 据采集、存储和处理。SCLK输出时钟，M/S主从模式选择(H为

12、高电平，为主 机模式)，DIN串行输入，DOUT串行输出，FS帧同步信号输出，对应DSP的各 相应引脚。McBSP和D/A芯片的硬件电路连接如图3.2所示。TMS320 C5402TL C320AD50 CECLKE.0SCLKBCLKXOHM/3BDKODOUTBDXODINBFSB.0BFSXOFS图 3.2 McBSP 和 D/A 芯片的硬件连接图4 系统软件设计及调试4.1 变频调幅的方法(1)16位定时模块C5402 DSP 芯片片内定时器是一个软件可编程的计数器，它包括以下3个16 位存储器映射寄存器：定时寄存器TIM,定时器周期寄存器PRD和定时控制寄 存器TCR。片内定时器中，

13、4位的预定标计数器PSC和16位定时计数器TIM组 成一个20位的计数器，定时器每个CPU时钟周期减1,每次计数器减到0将产生 定时器中断(TINT)，同时PSC和TIM重新载入预设的值。定时器中断TINT的 速率可由式(3)计算。TINTrate =3)1t x(TDDR + 1)x (PRD +1)c(2)变频调幅实现方法调幅的实现相对简单，只需在所有采样值前乘以一个调幅因子A1就可得到 相应的正弦波幅值A。而调频的实现必须依赖于C5402芯片内的16位定时器。 DSP芯片不断向D/A芯片送出采样值，然后经模数转换后可在示波器上观察到 连续的正弦波形。先预设要产生的正弦信号频率为f，根据正

14、弦波生成原理可知, 向D/A送出采样值的间隔，即向D/A送值的周期T1=T / N(N为采样点数)， 那么向D/A送值的频率为f1=Nxf，即向D/A送值的频率是期待产生的正弦 波信号频率的N倍。因此，为了能够调节产生正弦信号的频率，实际上改变向D/A芯片送值的 频率即可。而改变向D/A芯片送值的频率就得用到C5402芯片内的16位定时器。 根据式(3)将需要的频率值换算成PRD内的初值和TDDR的初值，并将该初值分 别置入 PRD 和 TDDR。4.2 程序设计软件系统采用模块化结构设计，主要包括DSP主程序，中断程序和键盘驱动 程序。 DSP 系统的主程序流程图如图4.1所示。先对系统进行

15、检测、配置 McBSP 端口等，开启中断调用键盘驱动程序读取键值并处理，进入中断后根据相应的键 值设置相应的信号参数，并通过D/A转换，产生不同幅度、频率的正弦波。图4.1 主程序流程图中断程序流程图如图4.2所示。首先根据键盘的按键值选择已设置好的正弦波 的幅度与频率，然后按具体步骤执行便可以得到所需正弦波。图4.2 中断程序流程在CCS开发环境下编程，通过仿真器将程序下载到DSP芯片中，选择不同的按 键产生相应的中断，即可在示波器中观察到相应的正弦波形。所产生的波形具有 精度高，幅值稳定的特点，同时具有较强的实时性和灵活性。4.3 程序编写1、正弦波的实现计算一个角度的正弦值利用泰勒级数的展开式，可计算一个角度x的正弦值，并采用子程序的调用 方式。在调用前先在数据存储器d_xs单元中存放x的弧度值，计算结果存放在 d_s