基于dsp的正弦波信號發(fā)生器課程設(shè)計(jì)

時(shí)間：2023-05-01 07:26:37 資料我要投稿

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第1章緒論 ............................................. 1 1 DSP簡介 ............................................... 1 第2章總體方案的分析和設(shè)計(jì) ............................. 2 2.1 總體方案設(shè)計(jì) ......................................... 2 2.2正弦波信號發(fā)生器 ...................................... 2 第3章硬件設(shè)計(jì) ......................................... 3 3.1硬件組成 ............................................. 3 3.2控制器部分 ........................................... 4 3.4人機(jī)接口部分 ......................................... 5 第4章軟件設(shè)計(jì) ......................................... 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(xiàn) ............................................... 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(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)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(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實(shí)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(shí)間里，信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)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(jìn)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(xué)科為理論基礎(chǔ)的，它所涉及的范圍極其廣泛。例如，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，微積分、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)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(luò)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(xué)科，如人工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)，同時(shí)又使自己成為一系列新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。

第2章總體方案的分析和設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

1.基于DSP的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)正弦波信號。

3.設(shè)置波形時(shí)域觀察窗口，得到其濾波前后波形變化圖； 4.設(shè)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(yīng)用于通信、儀器儀表和工業(yè)控制等領(lǐng)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(shí)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(jìn)行計(jì)算來實(shí)現(xiàn)正弦信號，它能精確地計(jì)算出一個(gè)角度的正弦和余弦值，且只需要較小的存儲(chǔ)空間。本次主要用泰勒級數(shù)展開法來實(shí)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(dá)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(xiàng)，得近似計(jì)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(jì)算正弦和余弦值時(shí),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(shè)計(jì)

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(jī)界面等幾個(gè)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(shè)集成度高，程序存儲(chǔ)器容量大，A/D轉(zhuǎn)換精度高，運(yùn)算速度高，I/O口資源豐富等特點(diǎn)，芯片內(nèi)部集成有32KB的FLASH程序存儲(chǔ)器、2KB的數(shù)據(jù)/程序RAM，兩個(gè)事件管理器模塊（EVE和EVB）、16通道A/D轉(zhuǎn)換器、看門狗定時(shí)器模塊、16位的串行外設(shè)接口（SPI）模塊、40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入輸出引腳（GPIO）以及5個(gè)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(gè)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(gè)完全相同的模塊（EVA和EVB）組成，每個(gè)模塊都含有2個(gè)通用定時(shí)器、3個(gè)比較器、6至8個(gè)PWM發(fā)生器、3個(gè)捕獲單元和2個(gè)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(chǔ)器的擴(kuò)展問題，而對于TMS320LF2407的I/O擴(kuò)展問題，由于TMS320LF2407器件有多達(dá)40個(gè)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(fù)用的引腳，而實(shí)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(fèi)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(fù)責(zé)實(shí)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(shí)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(jìn)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(gè)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(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(shè)計(jì)使可利用差分式電路來實(shí)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(shí)適當(dāng)?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(dòng)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(shí)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(jī)接口部分

3.4.1 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

位驅(qū)動(dòng)器電路由兩片集成電路組成，即由位驅(qū)動(dòng)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(jìn)行匹配，從而帶動(dòng)具有CMOS電平的位驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)動(dòng)態(tài)掃描顯示的要求，位驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)選用了TI公司的74LS06來做LED的大電流驅(qū)動(dòng)器件。

3.4.2 鍵盤設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用四個(gè)獨(dú)立式按鍵，分別接入PF3-PF6口，并使用四個(gè)220Ω上拉電阻接VCC。所謂獨(dú)立式，就是將每一個(gè)獨(dú)立鍵按一對一地直接接到I/O輸入線上，而在讀鍵值時(shí)，直接讀I/O口，每一個(gè)鍵的狀態(tài)通過讀入鍵值的一位（二進(jìn)制位）來反應(yīng)，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(shí)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(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)可以充分利用這一特點(diǎn)來連接硬件，至于按鍵的削抖動(dòng)措施，則可在軟件中完成。

第4章軟件設(shè)計(jì)

4.1流程圖

本系統(tǒng)軟件可以按照模塊化設(shè)計(jì)思想來編寫，包括主程序、常數(shù)計(jì)算程序、占空比計(jì)算程序和相應(yīng)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(shí)判斷一個(gè)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(yīng)在第N-1個(gè)脈沖周期里計(jì)算占空比，并在第N個(gè)脈沖周期里輸出波形，這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)要在一個(gè)脈沖周期內(nèi)完成計(jì)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(gè)周期（即2.5ms）要輸出200個(gè)脈沖，這樣，也就是說，一個(gè)脈沖需要12.5μs（相當(dāng)于12500/50=250條指令）。而執(zhí)行一個(gè)占空比的計(jì)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(shí)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(shè)計(jì)中遇到一些課堂中從未有過的問題，通過網(wǎng)絡(luò)查找和同學(xué)交流，大大促進(jìn)了設(shè)計(jì)進(jìn)程。并在過程中進(jìn)一步提高自身的創(chuàng)作、創(chuàng)新水平，扎實(shí)基礎(chǔ)，擴(kuò)展所學(xué)。并且此次課程設(shè)計(jì)，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(jìn)一步的了解。在理論課的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)，是對本門課程的深入學(xué)習(xí)和掌握，在以后的工作學(xué)習(xí)中，數(shù)字信號的處理都是采用計(jì)算機(jī)仿真的方法進(jìn)行測試，因此，掌握基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號處理方法對以后的工作和學(xué)習(xí)有很大的幫助。這樣一個(gè)課程設(shè)計(jì)對我們的發(fā)展有著極大的幫助！

參考文獻(xiàn)

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[3] 劉湘濤、江世民.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社, 2006.

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