DSP應(yīng)用技術(shù)課程論文

1、DSP的應(yīng)用論文電子電氣工程 鄒雯靜 021209812引言 自從數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor）問(wèn)世以來(lái)，由于它具有高速、靈活、可編程、低功耗和便于接口等特點(diǎn)，已在圖形、圖像處理，語(yǔ)音、語(yǔ)言處理，通用信號(hào)處理，測(cè)量分析， 通信等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。隨著技術(shù)成本的降低，控制界已對(duì)此產(chǎn)生濃厚興趣，已在不少場(chǎng)合得到成功應(yīng)用。一 DSP技術(shù)的發(fā)展歷程 1.1 DSP的發(fā)展大致分為三個(gè)階段： 在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展的初期（二十世紀(jì)50-60年代），人們只能在微處理器上完成數(shù)字信號(hào)的處理。直到70年代，有人才提出了DSP的理論和算法基 礎(chǔ)。一般認(rèn)為，世界上第一個(gè)單

2、片DSP芯片應(yīng)當(dāng)是1978年AMI公司發(fā)布的S281l。1979年美國(guó)Intel公司發(fā)布的商用可編程器件2920是 DSP芯片的一個(gè)重要里程碑。這兩種芯片內(nèi)部都沒(méi)有現(xiàn)代DSP芯片所必須有的單周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的mPD7720是第一個(gè)具有 硬件乘法器的商用DSP芯片，從而被認(rèn)為是第一塊單片DSP器件。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，1982年美國(guó)德州儀器公司推出世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品，標(biāo)志了實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的重大 突破。Ti公司之后不久相繼推出了第二代和第三代DSP芯片。90年代DSP發(fā)展最快。Ti公司相繼推出第四代、第五代DSP芯片等。 隨

3、著CMOS技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，日本的Hitachi公司在1982年推出第一個(gè)基于CMOS工藝的浮點(diǎn)DSP芯片，1983年日本Fujitsu公司推 出的MB8764，其指令周期為120ns，且具有雙內(nèi)部總線，從而使處理吞吐量發(fā)生了一個(gè)大的飛躍。而第一個(gè)高性能浮點(diǎn)DSP芯片應(yīng)是AT&T 公司于1984年推出的DSP32.與其他公司相比，Motorola公司在推出DSP芯片方面相對(duì)較晚。1986年，該公司推出了定點(diǎn)處理器 MC56001.1990年推出了與IEEE浮點(diǎn)格式兼容的浮點(diǎn)DSP芯片MC96002。美國(guó)模擬器件公司（AD）在DSP芯片市場(chǎng)上也占有一定的份 額，相繼推出了一系列具有自己特點(diǎn)的DS

4、P芯片。自1980年以來(lái)，DSP芯片得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，DSP芯片的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并逐漸成為電子產(chǎn)品更 新?lián)Q代的決定因素。從運(yùn)算速度來(lái)看，MAC（一次乘法和一次加法）時(shí)間已經(jīng)從20世紀(jì)80年代初的400ns降低到10ns以下，處理能力提高了幾十倍。 DSP芯片內(nèi)部關(guān)鍵的乘法器部件從1980年占模片區(qū)的40%左右下降到5%以下，片內(nèi)RAM數(shù)量增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。DSP芯片的引腳數(shù)量從1980年 的最多64個(gè)增加到現(xiàn)在的200個(gè)以上，引腳數(shù)量的增加，意味著結(jié)構(gòu)靈活性的增加，如外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展和處理器間的通信等。 二 DSP技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用 DSP技術(shù)在電力系統(tǒng)模擬量采集和測(cè)量中的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)

5、進(jìn)入電力系統(tǒng)調(diào)度后，引入了EMS/DMS/SCADA的概念，而電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和測(cè)量是SCADA的基礎(chǔ)部分。傳統(tǒng)的模擬量的采集和獲得，通過(guò) 變送器將一次PT和CT的電氣量變?yōu)橹绷髁浚谶M(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換送給計(jì)算機(jī)。應(yīng)用了交流采用技術(shù)以后，經(jīng)過(guò)二次PT、CT的變換后，直接對(duì)每周波的多點(diǎn)采樣 值采用DSP處理算法進(jìn)行計(jì)算，得到電壓和電流的有效值和相角，免去了變送器環(huán)節(jié)。這不僅使得分布布置的分布式RTU很快地發(fā)展起來(lái)，而且還為變電站自動(dòng) 化提供了功能綜合優(yōu)化的手段。 2.2 DSP在變電站自動(dòng)化的應(yīng)用 變電站自動(dòng)化元件較多，模擬量、開關(guān)量比較多而且比較分散，要求的實(shí)時(shí)性也較高，DSP能快速采集、精確處理

6、各種信息，尤其在并行處理上可實(shí)現(xiàn)多機(jī)多任務(wù) 操作，實(shí)用十分靈活、方便，片內(nèi)諸多的接口為通訊及人機(jī)接口提供了容易的擴(kuò)展，由于接口的多樣化，使勵(lì)磁、調(diào)速器及繼電保護(hù)的掛網(wǎng)監(jiān)控更容易。由于DSP 集成度高，硬件設(shè)計(jì)方便，使設(shè)計(jì)起來(lái)更容易，而且增加了產(chǎn)品的可靠性，DSP在冗余設(shè)計(jì)上更容易，為水電站實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班，少人值守的發(fā)展方向，提供了可靠 的新技術(shù)。 2.3 DSP在多媒體通信中的應(yīng)用 多媒體包括文字、語(yǔ)言、圖像、圖形和數(shù)據(jù)等媒體。多媒體信息中絕大部分是視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)，兒數(shù)字化的音、視頻數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量是非常龐大的，只有采用先進(jìn) 的壓縮編碼算法對(duì)其進(jìn)行壓縮，節(jié)省儲(chǔ)存空間，提高通信線路的傳輸效率，才能

7、使高速的多媒體通信系統(tǒng)成為可能。多媒體通信要求多媒體網(wǎng)絡(luò)終端應(yīng)能快速處理信 息，并具有較強(qiáng)的交互性。因此，DSP在語(yǔ)音編碼、圖像壓縮與還原的語(yǔ)音通信中得到了成功的應(yīng)用。如今的DSP基本能實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)大部分已形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)音 編解碼算法與協(xié)議。移動(dòng)通信中的語(yǔ)音壓縮和調(diào)制解調(diào)器也大量采用DSP。現(xiàn)代DSP完全有能力實(shí)現(xiàn)中、低速的移頻鍵控、相移鍵控的調(diào)制與解調(diào)以及正交調(diào)幅 調(diào)制與解調(diào)等。 2.4 DSP在軟件無(wú)線電的應(yīng)用 軟件無(wú)線電是一種新的無(wú)線通信技術(shù)，是基于同一硬件平臺(tái)上、安裝不同的軟件來(lái)靈活實(shí)現(xiàn)多通信功能多頻段的無(wú)線電臺(tái)，他可進(jìn)一步擴(kuò)展至有線領(lǐng)域。隨著DSP 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的成熟，特別是低功耗

8、DSP芯片的出現(xiàn)，使軟件無(wú)線電的應(yīng)用研究成為熱點(diǎn)。軟件無(wú)線電具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通用、功能實(shí)現(xiàn)軟件化和互操作性好等一 系列優(yōu)點(diǎn)。其體系結(jié)構(gòu)有電源、天線、多帶射頻轉(zhuǎn)換器和A/D/A變換器與DSP組成。信號(hào)的數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電的先決條件。關(guān)鍵步驟是以可編程能力強(qiáng)的DSP來(lái)代替專用的數(shù)字電路，使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與功能相對(duì)獨(dú)立。這樣就可基于一個(gè)相對(duì)通用的硬件平臺(tái)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)不同的通信功能，并可對(duì)工作頻率、系統(tǒng) 頻寬、調(diào)制方式和新品編碼等進(jìn)行編程控制，系統(tǒng)的靈活性大大加強(qiáng)了。 2.5 DSP在機(jī)器人控制中的應(yīng)用 目前，由于人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器技術(shù)及其它相關(guān)學(xué)科的長(zhǎng)足進(jìn)步，使得機(jī)器人的研究在高水平上進(jìn)行

9、，同時(shí)也對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的性能提出了更高的要 求。隨著機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)量和計(jì)算要求的不斷提高，采用高速、高性能的DSP將成為主要的控制方式。將DSP應(yīng)用于機(jī)器人的控制系統(tǒng)，充分利用DSP實(shí)時(shí)運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，這是當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)。尤其是隨著數(shù)字信號(hào)芯片速度的不斷提高，并易于構(gòu)成并行處理網(wǎng)絡(luò)，可大大提高控系統(tǒng)的性能。 DSP技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。三 未來(lái)DSP技術(shù)將向以下幾個(gè)方面繼續(xù)發(fā)展： 3.1 努力向系統(tǒng)級(jí)集成DSP邁進(jìn)，將幾個(gè)DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元、外圍電路單元、存儲(chǔ)單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上，成為DSP系統(tǒng)級(jí)集成電路。 3.2 DSP的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善。多通道結(jié)構(gòu)和單指

10、令多重?cái)?shù)據(jù)、超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)、超標(biāo)量結(jié)構(gòu)、超流水結(jié)構(gòu)、多處理、多線程及可并行擴(kuò)展的哈佛結(jié)構(gòu)在新的高性能 處理器中將占據(jù)主導(dǎo)地位。 3.3追求更高的運(yùn)算速度和進(jìn)一步降低功耗和幾何尺寸。 3.4定點(diǎn)DSP是主流。雖然浮點(diǎn)DSP的運(yùn)算精度更高，動(dòng)態(tài)范圍更大，但定點(diǎn)DSP器件的成本較低，對(duì)存儲(chǔ)器的要求也較低，而且耗電較省。因此，定點(diǎn)運(yùn) 算的可編程DSP器件仍是市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前銷售的DSP器件中的80%以上屬于16位定點(diǎn)可編程DSP器件，預(yù)計(jì)今后的比重將逐漸增大。 3.5 與可編程器件結(jié)合。與常規(guī)DSP器件相比，F(xiàn)PGA器件配合傳統(tǒng)的DSP器件可以處理更多信道，可在基站中用來(lái)實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)處理

11、功能，滿足無(wú)線通信、多媒 體等領(lǐng)域多功能和高性能的要求。四 TI公司的發(fā)展歷程TI公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之后相繼推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X，第二代DSP芯片的改進(jìn)型TMS320C2XX，集多片DSP芯片于一體的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320

12、C62X/C67X等。TI將常用的DSP芯片歸納為三大系列，即：TMS320C2000系列、TMS320C5000系列、TMS320C6000系列。41現(xiàn)狀TMS320C5000系列DSP芯片目前包括了TMS320C54x和TMS320C55x兩大類。這兩類芯片軟件完全兼容，所不同的是TMS320C55x具有更低的功耗和更高的性能。C54x是16為定點(diǎn)DSP芯片，適應(yīng)遠(yuǎn)程通信等實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用的需要。C54x具有高度的操作靈活性和運(yùn)行速度。其結(jié)構(gòu)采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專用硬件邏輯的CPU，片內(nèi)存儲(chǔ)器，片內(nèi)外設(shè)，以及一個(gè)效率很高的指令集。另外，使用C54x的CPU核和用戶制定的片內(nèi)存儲(chǔ)器及外設(shè)所

13、做成的派生器件，也得到了廣泛的應(yīng)用。C55x是C5000系列DSP中的子系列，C54x發(fā)展起來(lái)的，并與之原代兼容，以便保護(hù)用戶在C54x軟件上的投資。C55x工作在0.9V時(shí)，功耗低至0.005mW/MIPS。工作在400MHz鐘頻時(shí)，可達(dá)800MIPS。和120MHz的C54x相比，其性能提高了5倍，功耗為C54系列的1/6。C55x的核具有雙MAC以及相應(yīng)的并行指令，還增加了累加器、ALU和數(shù)據(jù)寄存器。其指令集是C54x指令集的超集，以便和擴(kuò)展了的總線結(jié)構(gòu)和新增加的硬件執(zhí)行單元相適應(yīng)。TMS320C6000系列是TI公司從1997年開始推出的最新的DSP系列。該系列的第一款芯片C6201，

14、在200MHz鐘頻時(shí)，達(dá)到1600MIPS。而2000年以后推出的C64x，在鐘頻1.1GHz時(shí)，可以達(dá)到8800MIPS以上，即每秒執(zhí)行近90億條指令。C64x的片內(nèi)DMA引擎和64個(gè)獨(dú)立的通道，使其I/O帶寬可達(dá)到2GB/s。C6000所采用的類似于RISC的指令集，以及流水技術(shù)的書用，可以使許多指令得以并行運(yùn)行。C6000系列現(xiàn)在已經(jīng)推出了C62x/C67x/C64x等3個(gè)子系列。C62x是一種新型定點(diǎn)DSP芯片。該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與以前的DSP不同，內(nèi)部集成了多個(gè)功能單元，可同時(shí)執(zhí)行8條指令，其運(yùn)算能力可達(dá)2400MIPS。C67x是繼C62x系列后的一種新型浮點(diǎn)DSP芯片。該芯片的內(nèi)部

15、結(jié)構(gòu)在C62x的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)大體一致。同時(shí)執(zhí)行8條指令，其運(yùn)算能力可達(dá)1G FLOPS。C64x是C6000系列中最新的高性能定點(diǎn)DSP芯片，其軟件與C62x完全兼容。C64x采用VelociTI1.2結(jié)構(gòu)的DSP核，增強(qiáng)的并行機(jī)制可以在單個(gè)周期內(nèi)完成4個(gè)1616位或8個(gè)88位的乘積加操作。采用兩級(jí)緩沖機(jī)制，第一級(jí)中程序和數(shù)據(jù)各有16KB，而第二級(jí)中程序和數(shù)據(jù)共用128KB。增強(qiáng)的32通道DMA控制器具有高效的數(shù)據(jù)傳輸引擎，可以提供超過(guò)2GB/s的持續(xù)帶寬。與C62x相比，C64x的總性能提高了10倍。五 實(shí)例分析隨著人們生活水平的提高，家用電器的使用量在逐年增加，其中電視機(jī)、錄像

16、機(jī)、計(jì)算機(jī)、調(diào)光燈具和調(diào)溫炊具等因配有調(diào)壓整流裝置，會(huì)產(chǎn)生較深的奇次諧波。而洗衣機(jī)、電風(fēng)扇和空調(diào)器等設(shè)有繞組的家用電器，因不平衡電流的變化也能使諧波波形改變。這些家用電器雖然功率較小，但數(shù)量巨大，是諧波的主要來(lái)源之一。非線性負(fù)載的大量接入使電網(wǎng)的諧波污染日益嚴(yán)重，電網(wǎng)的電壓、電流的正弦波形發(fā)生嚴(yán)重的畸變。而目前應(yīng)用于電力系統(tǒng)電參量測(cè)量的儀器，大多數(shù)是按照工頻正弦量來(lái)設(shè)計(jì)的，當(dāng)輸入信號(hào)含有諧波時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)較大的測(cè)量誤差。因此，對(duì)這些含有非正弦信號(hào)的電參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量是電力部門的迫切要求，非正弦信號(hào)的電參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量也是寬頻帶電參量的精密測(cè)量技術(shù)問(wèn)題。5.1 硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)由高功率的大電阻和穩(wěn)壓

17、二極管組成分壓電路, 將高壓交流電轉(zhuǎn)換成5V 的交流信號(hào), 經(jīng)過(guò)電壓跟隨器和等比放大電路的放大后送入AD 轉(zhuǎn)換器。電流信號(hào)使用電流互感器采樣, 經(jīng)與電壓信號(hào)同樣處理后送入AD轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)采用定點(diǎn)DSP 作為處理器。把以DSP 芯片為核心的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)作為功率變換器, 使其具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的硬件模塊由DSP 處理器、AD 及采樣電路、顯示和傳輸電路等組成。其原理是采用高精度電壓和電流采樣電路進(jìn)行電壓、電流采樣, 用高速雙通道模擬電子開關(guān)將采樣信號(hào)傳輸給高速16 位A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào), 然后傳輸?shù)綌?shù)字處理器(DSP)中, 再對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。采用DSP 芯片來(lái)完

18、成繁重的累加和運(yùn)算, 實(shí)現(xiàn)高速采樣, 可實(shí)時(shí)在線精密測(cè)量?jī)上喾钦译妳⒘? 并將計(jì)算結(jié)果通過(guò)LED顯示, 同時(shí)還可以將計(jì)算結(jié)果通過(guò)RS- 232 傳輸給上位機(jī)顯示和記錄。5.2 DSP 選擇選用的是定點(diǎn)DSP,它能完成整數(shù)運(yùn)算,運(yùn)算簡(jiǎn)單,但其數(shù)據(jù)格式小包含階碼,無(wú)法提供一個(gè)大的動(dòng)態(tài)范圍, 運(yùn)算時(shí)通常要考慮“溢出”問(wèn)題。定點(diǎn)DSP 的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單, 典型的16位總線允許其裝入最小的封裝, 消耗的功率少。目前在我國(guó)市場(chǎng)銷售最多的DSP 產(chǎn)品是美國(guó)TI( Texas Instrument) 公司的TMS320 系列, 該系列芯片結(jié)構(gòu)和功能比較先進(jìn), 軟硬件資料比較全面, 相應(yīng)的開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用比較成熟。另外考慮到價(jià)格、芯片的硬件資源、系統(tǒng)的可靠性及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件等因素, 我們選用了TMS320C2407 芯片作為該儀表的數(shù)據(jù)處理核心。它是16- bit 定點(diǎn)DSP, 具有高度靈活的可操作性和高速的處