DSP课设——正弦波发生器

正弦波发生器摘要数字信号处理(DigitalSignalProcessing，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、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；正弦波发生器目录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设计原理...........................................................23系统硬件设计......................................................33.1系统硬件框图.......................................................33.2TMS320C5402简介..................................................43.3D/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...........................................................84.4CCS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......................................................21正弦波发生器第1页共261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TLC320AIC23，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。正弦波发生器第2页共262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：981761541321!9!7!5!3)sin(22229753xxxxxxxxxxx（1）87165143121!8!6!4!21)cos(22228642xxxxxxxxx（2）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。)4sin(的弧度为0.78541，即4~0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：cossin22sin得到2~0之间的正弦值。而2~0之间的正弦曲线与~2之间的正弦曲线通过2x这条轴左右对称，那么就可以得到~2的正弦值，而~0的正弦曲线的相反数通过x这条轴与2~正弦波发生器第3页共26左右对称。这样2~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，D／A转换器，独立键盘等几部分组成。得到正弦值得到余弦值sin2α=2sinαcosα得到2~0的值得到~2的值得到2~的值得到2~0的值循环输出数据正弦波发生器第4页共26图3.1DSP系统硬件框图3.2TMS320C5402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×17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64K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。TMS320C5402电源模块时钟模块仿真接口D/A转换器独立键盘复位电路正弦波发生器第5页共263.3D/A转换部分设计McBSP(Multi-channelBufferedSerial)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、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∑-△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16bit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TMS320C5402DSP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。图3.2McBSP和D/A芯片的硬件连接图正弦波发生器第6页共264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C5402DSP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，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。)1(111PRDTDDRtvutTINTratecc（3）(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=N×f，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