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基于dsp的正弦波信號發(fā)生器課程設計
目錄
第1章 緒論 ............................................. 1 1 DSP簡介 ............................................... 1 第2章 總體方案的分析和設計 ............................. 2 2.1 總體方案設計 ......................................... 2 2.2正弦波信號發(fā)生器 ...................................... 2 第3章 硬件設計 ......................................... 3 3.1硬件組成 ............................................. 3 3.2控制器部分 ........................................... 4 3.4人機接口部分 ......................................... 5 第4章 軟件設計 ......................................... 6 4.1流程圖 ............................................... 6 4.2 正弦信號發(fā)生器程序清單 .............................. 7 第5章 總結(jié) ............................................ 12 參考文獻 ............................................... 12
第1章 緒論
1 DSP簡介
數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，信號處理已經(jīng)在通信等領域得到極為廣泛的應用。
圖一是數(shù)字信號處理系統(tǒng)的簡化框圖。此系統(tǒng)先將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)字信號處理后，再轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。其中抗混疊濾波器的作用是將輸入信號x(t)中高于折疊頻率的分量濾除，以防止信號頻譜的混疊。隨后，信號經(jīng)采樣和A/D轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字信號x(n)。數(shù)字信號處理器對x(n)進行處理，得到輸出數(shù)字信號y(n),經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬信號。此信號經(jīng)低通濾波器，濾除不需要的高頻分量，最后輸出平滑的模擬信號y(t)。
圖1.1 數(shù)字信號處理系統(tǒng)簡化框圖
數(shù)字信號處理是以眾多學科為理論基礎的，它所涉及的范圍極其廣泛。例如，在數(shù)學領域，微積分、概率統(tǒng)計、隨機過程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信號處理的基本工具，與網(wǎng)絡理論、信號與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷等也密切相關(guān)。近來新興的一些學科，如人工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡等，都與數(shù)字信號處理密不可分�？梢哉f，數(shù)字信號處理是把許多經(jīng)典的理論體系作為自己的理論基礎，同時又使自己成為一系列新興學科的理論基礎。
第2章 總體方案的分析和設計
2.1 總體方案設計
1.基于DSP的特點，本設計采用TMS320C54X系列的DSP作為正弦信號發(fā)生器的核心控制芯片。
2.用泰勒級數(shù)展開法實現(xiàn)正弦波信號。
3.設置波形時域觀察窗口，得到其濾波前后波形變化圖； 4.設置頻域觀察窗口，得到其濾波前后頻譜變化圖。
2.2正弦波信號發(fā)生器
正弦波信號發(fā)生器已被廣泛地應用于通信、儀器儀表和工業(yè)控制等領域的信號處理系統(tǒng)中。
通常有兩種方法可以產(chǎn)生正弦波，分別為查表法和泰勒級數(shù)展開法。 查表法是通過查表的方式來實現(xiàn)正弦波，主要用于對精度要求不很高的場合。 泰勒級數(shù)展開法是根據(jù)泰勒展開式進行計算來實現(xiàn)正弦信號，它能精確地計算出一個角度的正弦和余弦值，且只需要較小的存儲空間。 本次主要用泰勒級數(shù)展開法來實現(xiàn)正弦波信號。
產(chǎn)生正弦波的算法正弦函數(shù)和余弦函數(shù)可以展開成泰勒級數(shù)，其表達式：
x3x5x7x9
sin(x)?x??????
3!5!7!9!x2x4x6x8
cos(x)?1??????
2!4!6!8!
取泰勒級數(shù)的前5項，得近似計算式：
x3x5x7x9
sin(x)?x????
3!5!7!9!x2x2x2x2
?x(1?(1?(1?(1?))))
2?34?56?78?9
x2x4x6x8
cos(x)?1????
2!4!6!8!x2x2x2x2
?1?(1?(1?(1?)))
23?45?67?8sin(nx) = 2cos(x)sin[(n-1)x]-sin[(n-2)x] cos(nx) = 2cos(x)sin[(n-1)x]-cos[(n-2)x]
遞推公式：
由遞推公式可以看出，在計算正弦和余弦值時,需要已知cos(x)、sin(n-1)x、sin(n-
2)x和cos(n-2)x。
第3章 硬件設計
3.1硬件組成
基于DSP的信號發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示，它主要由DSP主控制器，輸出D/A通道和人機界面等幾個主要部分組成。
圖3.1 基于DSP的信號發(fā)生器系統(tǒng)框圖
3.2控制器部分
本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320LF2407 DSP處理器，該器件具有外設集成度高，程序存儲器容量大，A/D轉(zhuǎn)換精度高，運算速度高，I/O口資源豐富等特點，芯片內(nèi)部集成有32KB的FLASH程序存儲器、2KB的數(shù)據(jù)/程序RAM，兩個事件管理器模塊（EVE和EVB）、16通道A/D轉(zhuǎn)換器、看門狗定時器模塊、16位的串行外設接口（SPI）模塊、40個可單獨編程或復用的通用輸入輸出引腳（GPIO）以及5個外部中斷和系統(tǒng)監(jiān)視模塊。
TMS320LF2407芯片中的事件管理模塊（EV）是一個非常重要的組成部分。SPWM波形的產(chǎn)生和輸出就是由這一部分完成的，它由兩個完全相同的模塊（EVA和EVB）組成，每個模塊都含有2個通用定時器、3個比較器、6至8個PWM發(fā)生器、3個捕獲單元和2個正交脈沖編碼電路（QEP）。由于TMS320LF2407有544字的雙口RAM（DARAM）和2K字的單口RAM（SARAM）；而本系統(tǒng)的程序僅有幾KB，且所用RAM也不多，因此不用考慮存儲器的擴展問題，而對于TMS320LF2407的I/O擴展問題，由于TMS320LF2407器件有多達40個通用、雙向的數(shù)字I/O（GPIO）引腳，且其中大多數(shù)的基本功能和一般I/O復用的引腳，而實際上，本系統(tǒng)只需要17路I/O信號，這樣，就可以為系統(tǒng)剩余50%多的I/O資源，因此可以說，該方案既不算浪費系統(tǒng)資源，也為系統(tǒng)今后的升級留有余地。
3.3微輸出D/A通道部分
本系統(tǒng)的輸出通道部分主要負責實現(xiàn)波形的輸出，此通道的入口為TMS320LF2407的PWM8口，可輸出SPWM等幅脈沖波形，出口為系統(tǒng)的輸出端，這樣，經(jīng)過一系列的中間環(huán)節(jié)，便可將PWM脈沖波轉(zhuǎn)化為交流正弦波形，從而實現(xiàn)正弦波的輸出，其原理框圖如圖3.2所示。
圖3.2 輸出通道的原理結(jié)構(gòu)
圖3.2中的緩沖電路的作用是對PWM口輸出的數(shù)字量進行緩沖，并將電壓拉高
到5V左右，以供后級模擬電路濾波使用。這一部分電路由兩個芯片組成。一片用三態(tài)緩沖器，由于PWM口的輸出為3.3V的TTL電平，這樣，在設計時就應當選用輸入具有5V的TTL輸入，CMOS輸出電平的轉(zhuǎn)換芯片（如TI公司的74HCT04）；另一片則可選用TOSHIBA公司出品的光電耦合器6N137；輸出端連接的5V精密穩(wěn)壓電源可選用BURR-BROWN公司生產(chǎn)的REF02型精密穩(wěn)壓電源，以輸出標準的5V電壓。
系統(tǒng)中的減法電路的主要作用是把0-10V直流脈動信號的轉(zhuǎn)換成-5～+5V的正弦交流信號，并使其電壓增益為1。設計使可利用差分式電路來實現(xiàn)其功能，為了簡化電路，可以選用較為常用的AD公司的AD524，并將AD524接成電壓跟隨器的形式，同時適當?shù)倪x取電阻以滿足要求，此外，為了使產(chǎn)生的正弦波信號具有2-5mA的驅(qū)動能力，可選用AD624來構(gòu)成末級的信號放大電路。AD624是高精度低噪聲儀用放大器，若外接一只增益電阻，即可得到1-1000之間的任意增益值，其誤差小于1%。由于AD624的建立時間只有15μs，所以它非常適宜在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用。
3.4人機接口部分
3.4.1 驅(qū)動器設計
位驅(qū)動器電路由兩片集成電路組成，即由位驅(qū)動的CMOS芯片和將TTL電平轉(zhuǎn)換成CMOS電平的電平轉(zhuǎn)換芯片組成，電平轉(zhuǎn)換芯片可以和輸出通道的電平轉(zhuǎn)換芯片共用一片74HCT244（本部分使用4路，輸出通道使用3路），其主要作用是對DSP輸出的3.3V TTL電平與5V CMOS電平進行匹配，從而帶動具有CMOS電平的位驅(qū)動器，根據(jù)動態(tài)掃描顯示的要求，位驅(qū)動器需要選用每路輸出吸收電流都要大于200mA的芯片，因此，本設計選用了TI公司的74LS06來做LED的大電流驅(qū)動器件。
3.4.2 鍵盤設計
本系統(tǒng)選用四個獨立式按鍵，分別接入PF3-PF6口，并使用四個220Ω上拉電阻接VCC。所謂獨立式，就是將每一個獨立鍵按一對一地直接接到I/O輸入線上，而在讀鍵值時，直接讀I/O口，每一個鍵的狀態(tài)通過讀入鍵值的一位（二進制位）來反應，所以這種方式也稱為一維直讀方式，這種方式的查鍵軟件比較簡單，但占用I/O線較多，一般在鍵的數(shù)量較少時采用，不過，由于DSP芯片有足夠的I/O接口可供使用，因而可大大方便設計，設計時可以充分利用這一特點來連接硬件，至于按鍵的削抖動措施，則可在軟件中完成。
第4章 軟件設計
4.1流程圖
本系統(tǒng)軟件可以按照模塊化設計思想來編寫，包括主程序、常數(shù)計算程序、占空比計算程序和相應的一些功能子程序，主程序用于調(diào)用各功能子程序、初始化變量、查詢鍵盤、判斷顯示數(shù)據(jù)是否需要刷新、同時判斷一個脈沖是否完成發(fā)送等工作，具體方案見圖4.1所示的流程圖。
圖4.1 主程序流程圖
在程序中，應在第N-1個脈沖周期里計算占空比，并在第N個脈沖周期里輸出波形，這就要求在設計時要在一個脈沖周期內(nèi)完成計算，如果選用20MHz的晶振，那么，在一倍頻下，執(zhí)行一條執(zhí)行只需50ns，若輸出400Hz的正弦波，即每一個周期（即2.5ms）要輸出200個脈沖，這樣，也就是說，一個脈沖需要12.5μs（相當于12500/50=250條指令）。而執(zhí)行一個占空比的計算程序只需要幾十條指令，這種算法從軟件開銷上考慮是可以實現(xiàn)的。
4.2 正弦信號發(fā)生器程序清單
;This function generates the sine wave of angle using the Taylor expansion
;sin(theta)=x(1-x^2/2*3(1-x^2/4*5(1-x^2/6*7(1-x^2/8*9)))) ;cos(theta)=1-x^2/2*3(1-x^2/4*5(1-x^2/6*7(1-x^2/8*9))) ;sin(2*theta)=2*sin(theta)*cos(theta) .title "sin.asm" .mmregs
.def _c_int00
.ref sinx,d_xs,d_sinx,cosx,d_xc,d_cosx sin_x: .usect "sin_x",360 STACK: .usect "STACK",10 k_theta .set 286 PA0 .set 0 _c_int00
.text
STM #STACK+10,SP STM k_theta,AR0 STM 0,AR1 STM #sin_x,AR6 STM #90,BRC RPTB loop1-1 LDM AR1,A
series
LD #d_xs,DP STL A,@d_xs STL A,@d_xc CALL sinx CALL cosx LD #d_sinx,DP LD @d_sinx,16,A loop1:
loop2: loop3: loop4: sinx:
MPYA STH MAR STM STM RPTB LD STL STM STM RPTB LD NEG STL STM STM STM PORTW B .def .data
@d_cosx B,1,*AR6+ *AR1+0 #sin_x+89,AR7 #88,BRC loop2-1 *AR7-,A A,*AR6+ #179,BRC #sin_x,AR7 loop3-1 *AR7+,A A A,*AR6+ #sin_x,AR6 #1,AR0 #360,bk *AR6+0%,PA0 loop4 d_xs,d_sinx
table_s .word 01c7h .word 030bh .word 0666h .word 1556h d_coef_s .usect "coef_s",4 d_xs .usect "sin_vars",1 d_squr_xs .usect "sin_vars",1 d_temp_s .usect "sin_vars",1 d_sinx .usect "sin_vars",1 c_l_s .usect "sin_vars",1 .text
SSBX FRCT STM #d_coef_s,AR5 RPT #3
MVPD #table_s,*AR5+ STM #d_coef_s,AR3 STM #d_xs,AR2 STM #c_l_s,AR4 ST #7FFFh,c_l_s SQUR *AR2+,A ST A,*AR2 ||LD *AR4,B
MASR *AR2+,*AR3+,B,A MPYA A STH A,*AR2
MASR *AR2-,*AR3+,B,A MPYA *AR2+ ST B,*AR2 ||LD *AR4,B
MASR *AR2-,*AR3+,B,A MPYA *AR2+
ST B,*AR2
||LD *AR4,B
MASR *AR2-,*AR3+,B,A
MPYA d_xs
STH B,d_sinx
RET
cosx:
.def d_xc,d_cosx
d_coef_c .usect "coef_c",4
.data
table_c .word 0249h
.word 0444h
.word 0aabh
.word 4000h
d_xc .usect "cos_vars",1
d_squr_xc .usect "cos_vars",1
d_temp_c .usect "cos_vars",1
d_cosx .usect "cos_vars",1
c_l_c .usect "cos_vars",1
.text
SSBX FRCT
STM #d_coef_c,AR5
RPT #3
MVPD #table_c,*AR5+
STM #d_coef_c,AR3
STM #d_xc,AR2
STM #c_l_c,AR4
ST #7FFFh,c_l_c
SQUR *AR2+,A
ST A,*AR2
||LD *AR4,B
MASR *AR2+,*AR3+,B,A
MPYA A
STH A,*AR2
MASR *AR2-,*AR3+,B,A
MPYA *AR2+
ST B,*AR2
||LD *AR4,B
MASR *AR2-,*AR3+,B,A
SFTA A,-1,A
NEG A
MPYA *AR2+
MAR *AR2+
RETD
ADD *AR4,16,B
STH B,*AR2
RET
.end
MEMORY
{
PAGE 0:
EPROM: org=0E000h, len=1000h
VECS: org=0FF80h, len=0080h
PAGE 1:
SPRAM: org=0060h, len=0020h
DARAM1: org=0080h, len=0010h
DARAM2: org=0090h, len=0010h
DARAM3: org=0200h, len=0200h
}
SECTIONS
{
.text :>EPROM PAGE 0
.data :>EPROM PAGE 0
STACK :>SPRAM PAGE 1
sin_vars :>DARAM1 PAGE 1
coef_s :>DARAM1 PAGE 1
cos_vars :>DARAM2 PAGE 1
coef_c :>DARAM2 PAGE 1
sin_x : align(512){ } > DARAM3 PAGE 1
.vectors :>VECS PAGE 0
}
.title "sin_v.asm"
.ref _c_int00
.sect ".vectors"
B _c_int00
.end
第5章 總結(jié)
本次課程設計中遇到一些課堂中從未有過的問題，通過網(wǎng)絡查找和同學交流，大大促進了設計進程。并在過程中進一步提高自身的創(chuàng)作、創(chuàng)新水平，扎實基礎，擴展所學。并且此次課程設計，基于課程理論知識和網(wǎng)上資料，使我對數(shù)字信號處理課程有了更深一步的了解和掌握，對利用CCS軟件編程的數(shù)字信號處理方法有了進一步的了解。在理論課的基礎上進行實驗實習，是對本門課程的深入學習和掌握，在以后的工作學習中，數(shù)字信號的處理都是采用計算機仿真的方法進行測試，因此，掌握基于計算機的數(shù)字信號處理方法對以后的工作和學習有很大的幫助。這樣一個課程設計對我們的發(fā)展有著極大的幫助！
參考文獻
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