基于dsp的正弦波發(fā)生器課程設計

1、 dsp正弦波發(fā)生器第1章 緒論1.1 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的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術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

2、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)?？够殳B濾波器A/D數(shù)字信號處理器D/A低通濾波器x(n)y(n)x(t)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。近來新興的一些學科

3、，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。1.2課題研究的目的意義 科技的進步帶動了DSP技術的發(fā)展，現(xiàn)代控制設備的性能和結構發(fā)生了巨大的變化，我們已經(jīng)進入了高速發(fā)展的信息時代，DSP技術也成為當今科技的主流之一，被廣泛地應用于生產(chǎn)的各個領域。對于本次設計，其目的在于： (1) 了解DSP及DSP控制器的發(fā)展過程及其特點。 (2) 較熟練地在硬件上掌握DSP及DSP硬件器的結構、各部件基本工作原理。 (3) 熟悉CCS集成開發(fā)環(huán)境，并能較熟練的對CCS的開發(fā)系統(tǒng)進行使用。

4、 (4) 熟悉用C語言、匯編語言編程DSP源程序 (5) 學習DSP程序的調(diào)試及編寫，及運用觀察變量的方法查看程序的運行情況。 (6) 掌握工程設計的流程及方法。1.3課題研究內(nèi)容 用TMS320C54x的匯編語言程序設計正弦信號發(fā)生器大大方便了程序的編寫、調(diào)試和加快了程序的運行速度。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

5、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：取泰勒級數(shù)的前5項，得近似計算式：遞推公式：sin(nx) = 2cos(x)sin(n-1)x-sin(n-2)x cos(nx) = 2cos(x)sin(n-1)x-co

6、s(n-2)x 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。2.3 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。第3章 硬件設計3.1硬件組成基于DSP的信號發(fā)生器的硬件結構圖如圖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。獨立式四鍵功能鍵盤緩沖及電平轉(zhuǎn)換電路段驅(qū)動器2*S

7、N74LS07有源濾波電路DSP微控制器TMS320LF 2407 PGE四位LED減法電路位驅(qū)動器74LS07放大電路AD624輸出三相正弦波ClockCircuit電源（自帶復位功能）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

8、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TMS320LF24

9、07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。DSP的PWN輸出輸出緩沖電路電平轉(zhuǎn)換電路低通濾波電路減法

10、電路圖3.2 輸出通道的原理結構圖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

11、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15s，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

12、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220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

13、（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。主程序中的循環(huán)子程序開始判斷20ms是否到？判斷0.

14、1s是否到？刷新顯示輸出寄存器，奇次顯示頻率，偶次頻率，偶次顯示幅值判斷脈沖發(fā)出標志寄存器=1？清脈沖發(fā)出標志寄存器，調(diào)計算占空比程序返回判斷是否在延時程序中調(diào)用本程序圖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12.5s（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

15、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 series expansion;sin(theta)=x(1-x2/2*3(1-x2/4*5(1-x2/6*7(1-x2/8*9);cos(theta)=1-x2/2*3(1-x2/4*5(1-x2/6*7(1-x2/8*9);sin(2*theta)=2*sin(theta)*cos(theta) .title "sin.asm" .mmregs .def _c_int00 .ref sinx,d

16、_xs,d_sinx,cosx,d_xc,d_cosxsin_x: .usect "sin_x",360STACK: .usect "STACK",10k_theta .set 286PA0 .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 LD #d_xs,DP STL A,d_xs STL A,d_xc CALL sinx CALL cosx LD #d_sinx,DP LD

17、 d_sinx,16,A MPYA d_cosx STH B,1,*AR6+ MAR *AR1+0loop1: STM #sin_x+89,AR7 STM #88,BRC RPTB loop2-1 LD *AR7-,A STL A,*AR6+loop2: STM #179,BRC STM #sin_x,AR7 RPTB loop3-1 LD *AR7+,A NEG A STL A,*AR6+loop3: STM #sin_x,AR6 STM #1,AR0 STM #360,bkloop4: PORTW *AR6+0%,PA0 B loop4sinx: .def d_xs,d_sinx .dat

18、atable_s .word 01c7h .word 030bh .word 0666h .word 1556hd_coef_s .usect "coef_s",4d_xs .usect "sin_vars",1d_squr_xs .usect "sin_vars",1d_temp_s .usect "sin_vars",1d_sinx .usect "sin_vars",1c_l_s .usect "sin_vars",1 .text SSBX FRCT STM #d_co

19、ef_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 M

20、PYA d_xs STH B,d_sinx RETcosx: .def d_xc,d_cosxd_coef_c .usect "coef_c",4 .datatable_c .word 0249h .word 0444h .word 0aabh .word 4000hd_xc .usect "cos_vars",1d_squr_xc .usect "cos_vars",1d_temp_c .usect "cos_vars",1d_cosx .usect "cos_vars",1c_l_c .us

21、ect "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 SF

22、TA A,-1,A NEG A MPYA *AR2+ MAR *AR2+ RETD ADD *AR4,16,B STH B,*AR2 RET .endMEMORY 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=0200hSECTIONS .text :>EPROM PAGE

23、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_int

24、00 .end第5章 系統(tǒng)仿真5.1 CCS工程項目的調(diào)試 程序的運行控制 在調(diào)試程序的過程中，經(jīng)常需要復位、執(zhí)行、單步執(zhí)行等操作。這些操作稱為程序運行控制。 CCS開發(fā)環(huán)境提供了多種調(diào)試程序的運行操作。用戶可以使用調(diào)試工具條或調(diào) 試菜單“Debug”中的相應命令控制程序的運行。 創(chuàng)建工程項目 1.進入CCS集成開發(fā)環(huán)境 2.創(chuàng)建一個新的工程項目 3.將源程序文件、鏈接命令文件、庫文件和頭文件添加到工程項目中 4.單擊所有“+”項觀看工程項目所包含的文件雙擊各圖標，打開各文件工程項目的編譯 1.工程項目的編譯鏈接 設置探測點 1.將volume.out文件裝入目標板 2.設置探測點3.為探測點

25、選擇鏈接的數(shù)據(jù)文件 4.設置數(shù)據(jù)文件的屬性 5.將數(shù)據(jù)文件鏈接到探測點 6.關閉“File I/O”對話框 工程項目的調(diào)試和結果的圖形顯示 1.設置斷點2. 設置輸入變量的圖形屬性3. 設置輸出變量的圖形屬性4.運行程序，顯示圖形5. 調(diào)整輸出增益觀察寄存器的運行數(shù)據(jù)5.2 仿真波形圖圖5.2仿真波形圖仿真結果表明系統(tǒng)產(chǎn)生的波形穩(wěn)定，抗干擾能力強，頻率和幅度調(diào)節(jié)方便，精確度高。該設計方案簡單可行，新穎實用，有推廣價值。第6章 總結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

26、，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！ 最后，這個設計之所以能按時完成離不開老師的指導和同學的幫助，在這我對他們表示衷心的感謝。參考文獻1 顧衛(wèi)鋼. 手把手教你學DSP-基于TMS320x281x 北京航空航天大學出版社,2011.2 蘇奎峰等. TMS320X

27、281x DSP原理及C程序開發(fā).北京航空航天大學出版社,2008.3 蘇奎峰等. TMS320F2812原理與開發(fā). 電子工業(yè)出版社,2005.4 萬山明. TMS320F2812/2810原理及應用實例. 北京航空航天大學出版社,2007.5 TI公司著，胡廣書等編譯. TMS320C28X系列DSP的CPU與外設.清華大學出版社,2005.6 TI公司著，胡廣書等編譯. TMS320C28X系列DSP指令和編程指南.清華大學出版社,2005. 附錄DSP程序代碼;This function generates the sine wave of angle using the Taylor

28、 series expansion;sin(theta)=x(1-x2/2*3(1-x2/4*5(1-x2/6*7(1-x2/8*9);cos(theta)=1-x2/2*3(1-x2/4*5(1-x2/6*7(1-x2/8*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_cosxsin_x: .usect "sin_x",360STACK: .usect "STACK

29、",10k_theta .set 286PA0 .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 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 MPYA d_cosx STH B,1,*AR6+ MAR *AR1+0loop1: STM #sin_x+89,AR7 STM #88,BRC R

30、PTB loop2-1 LD *AR7-,A STL A,*AR6+loop2: STM #179,BRC STM #sin_x,AR7 RPTB loop3-1 LD *AR7+,A NEG A STL A,*AR6+loop3: STM #sin_x,AR6 STM #1,AR0 STM #360,bkloop4: PORTW *AR6+0%,PA0 B loop4sinx: .def d_xs,d_sinx .datatable_s .word 01c7h .word 030bh .word 0666h .word 1556hd_coef_s .usect "coef_s&qu

31、ot;,4d_xs .usect "sin_vars",1d_squr_xs .usect "sin_vars",1d_temp_s .usect "sin_vars",1d_sinx .usect "sin_vars",1c_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 #

32、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 RETcosx: .def d_xc,d_cosxd_coef_c .usect "coef_c",4 .datatable_c .word 0249h .word 0444h .word 0aabh .word 4000hd_x