DSP課設(shè)——正弦波發(fā)生器

1、 正弦波發(fā)生器摘要數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)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(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)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(hào)處理是一種通過(guò)使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來(lái)處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是在模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)以后進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專用處理器。DSP 芯片以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法的突出優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展十分迅速。本文中提出的基于DSP技術(shù)設(shè)計(jì)的正弦波信號(hào)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)

2、域的信號(hào)處理系統(tǒng)中。在本文中簡(jiǎn)要的概括了一種基于TMS320C5402實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)原理與方法，介紹了所設(shè)計(jì)的正弦信號(hào)發(fā)生器硬件電路結(jié)構(gòu)和軟件程序流程圖。結(jié)合DSP硬件特性，通過(guò)使用泰勒級(jí)數(shù)展開法得到設(shè)定參數(shù)的正弦波形輸出，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。該信號(hào)發(fā)生器彌補(bǔ)了通常信號(hào)發(fā)生器模式固定，波形不可編程的缺點(diǎn)，其具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，波形精度高，可方便調(diào)節(jié)頻率和幅度、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵字：DSP；TMS320C5402；信號(hào)發(fā)生器；正弦信號(hào)； 目 錄1 設(shè)計(jì)目的及要求11.1 設(shè)計(jì)目的11.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求12設(shè)計(jì)方案及原理22.1總體方案22.2設(shè)計(jì)原理23系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)33.1系統(tǒng)硬件框圖33.2

3、 TMS320C5402簡(jiǎn)介43.3 D/A轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì)54系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試64.1變頻調(diào)幅的方法64.2程序設(shè)計(jì)64.3程序編寫84.4 CCS簡(jiǎn)介144.5運(yùn)行步驟及結(jié)果155 設(shè)計(jì)心得19參考文獻(xiàn)20附錄 設(shè)計(jì)程序211 設(shè)計(jì)目的及要求1.1 設(shè)計(jì)目的DSP課程設(shè)計(jì)是對(duì)數(shù)字信號(hào)處理、DSP原理及應(yīng)用等課程的較全面練習(xí)和訓(xùn)練，是實(shí)踐教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理、DSP技術(shù)課程以及其他有關(guān)先修課程的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)去分析和解決具體問(wèn)題，并使所學(xué)知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固、深化和發(fā)展。初步培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)的獨(dú)立工作能力，掌握電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法。通過(guò)課程設(shè)計(jì)完成

4、基本技能的訓(xùn)練，如查閱設(shè)計(jì)資料和手冊(cè)、程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試等，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。主要是：1. 掌握DSP程序設(shè)計(jì)的方法以及軟件的調(diào)試等； 2. 掌握CCS軟件的使用；3. 學(xué)會(huì)用CCS仿真模擬DSP芯片，通過(guò)CCS軟件平臺(tái)上應(yīng)用C54X匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)發(fā)生裝置；4. 掌握控制TLC320AIC23的輸出信號(hào)，使該信號(hào)通過(guò)濾波放大后輸出，并在點(diǎn)陣液晶中大致顯示出幅頻圖的基本方法和步驟。1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求本題目DSP通過(guò)計(jì)算法或者查表的方法，得到正弦信號(hào)，然后將數(shù)據(jù)傳遞給TLC320AIC23，控制TLC320AIC23的輸出信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)濾波放大后輸出，并在點(diǎn)陣液晶中大致

5、顯示出幅頻圖。1. DSP與TLC320AIC23接口電路的原理圖繪制；2. DSP控制TLC320AIC23的程序編寫與調(diào)試；3. TLC320AIC23進(jìn)行D/A的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出；4. 控制點(diǎn)陣液晶，實(shí)現(xiàn)繪圖功能，將幅頻圖顯示出來(lái)；5. 按要求編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告書，正確、完整的闡述設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。6. 在報(bào)告中繪制程序的流程圖，并文字說(shuō)明。2設(shè)計(jì)方案及原理2.1總體方案總體思想是：（1）基于DSP的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用TMS320C5402這款DSP芯片作為正弦信號(hào)發(fā)生器的核心控制芯片。（2）用泰勒級(jí)數(shù)展開法實(shí)現(xiàn)正弦波信號(hào)。（3）利用點(diǎn)陣的繪圖功能將正弦波的波形顯示出來(lái)。2.2設(shè)計(jì)原理泰勒

6、級(jí)數(shù)展開法是一種有效的方法，與查表法和查表結(jié)合插值法相比，該方法需要的存儲(chǔ)單元很少，而且精度更高。我們知道一個(gè)角度為x的正弦和余弦函數(shù)，都可以展開為泰勒級(jí)數(shù)，且其前五項(xiàng)可以看為： （1） （2）程序的設(shè)計(jì)思想是這樣的，正弦波的波形可以看為由無(wú)數(shù)點(diǎn)組成，這些點(diǎn)與軸的每一個(gè)角度值相對(duì)應(yīng)，那么我們可以利用DSP處理器處理大量重復(fù)計(jì)算的優(yōu)勢(shì)來(lái)計(jì)算，軸每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的y軸的值（在x軸取360個(gè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行逼近），由于程序的編制采用小數(shù)形式，其弧度大于1的正弦值得不到，這就對(duì)正弦波的產(chǎn)生造成了障礙?？捎捎谡也ǖ奶厥獾膶?duì)稱形式給程序的編制找到了出口。的弧度為0.7854 EPROM PAGE 0 .data :

7、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在實(shí)際應(yīng)用中，正弦波是通過(guò)D/A口輸出的。選擇每個(gè)正弦周期中的樣點(diǎn)數(shù)、改變每個(gè)樣點(diǎn)之間的延遲，就能夠產(chǎn)生不同頻率的波形，也可以利用軟件改變波形的幅度以及起始相位。4.4 CCS簡(jiǎn)介本實(shí)驗(yàn)是基于CCS開發(fā)環(huán)境的。CCS是TI公司推出

8、的為開發(fā)TMS320系列DSP軟件的集成開發(fā)環(huán)境，是目前使用最為廣泛的DSP開發(fā)軟件之一。它提供了環(huán)境配置、源文件編譯、編譯連接、程序調(diào)試、跟蹤分析等環(huán)節(jié)，并把軟、硬件開發(fā)工具集成在一起，使程序的編寫、匯編、程序的軟硬件仿真和調(diào)試等開發(fā)工作在統(tǒng)一的環(huán)境中進(jìn)行，從而加速軟件開發(fā)進(jìn)程。CCS有兩種工作模式：（1）硬件在線編程模式：可以實(shí)時(shí)運(yùn)行在DSP芯片上，與硬件開發(fā)板相結(jié)合在線編程和調(diào)試應(yīng)用程序；（2）軟件仿真器模式：可以脫離DSP芯片，在PC機(jī)上模擬DSP的指令集和工作機(jī)制，主要用于前期算法實(shí)現(xiàn)和調(diào)試。本次設(shè)計(jì)采取硬件在線編程模式。如圖4.3所示圖4.3 DSP試驗(yàn)箱4.5運(yùn)行步驟及結(jié)果1 運(yùn)

9、行步驟本次課程設(shè)計(jì)采用CCS中的C5000。第一步，軟件中芯片的選擇，如圖所示，選擇C5416 XDS510 Emulator。圖4.4 set up CCS界面 第二步，仿真器C5416 XDS510 Emulator的設(shè)置圖4.5 仿真器XDS510的設(shè)置第三步，設(shè)置完成后，退出set up C5000后可自動(dòng)打開CCS5000，選擇Project下的new,新建工程，如圖4.5所示；將DspregDefine.h文件添加到工程sinlcd_54下的Include文件中，rts.lib文件添加到Libraries文件中，將程序的命令鏈接文件（.CMD），中斷向量表（VECTORS.ASM）

10、添加到Source文件下，如圖4.6所示。 圖4.6 新建工程圖4.7 添加文件到工程第四步 對(duì)編寫完成的程序進(jìn)行編譯，結(jié)果如圖4.8所示圖4.8 編譯成功第五步 匯編無(wú)誤后就可將程序下載到實(shí)驗(yàn)箱中，點(diǎn)擊如圖所示命令運(yùn).out文件，再點(diǎn)擊run即可在實(shí)驗(yàn)箱中得到結(jié)果。圖4.9下載程序到實(shí)驗(yàn)箱2仿真結(jié)果及分析圖4.10仿真結(jié)果在CCS集成環(huán)境中實(shí)現(xiàn)正弦波能夠起到防止干擾的作用，同時(shí)也大大地減小了波形的線性失真。同時(shí)我們也能從中看出CCS能夠精確地對(duì)各個(gè)角度進(jìn)行計(jì)算得出相應(yīng)的正弦值，幅度和頻率易于調(diào)節(jié)，波形也較為穩(wěn)定，抗干擾能力較強(qiáng)。最重要的是這種設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單可行，新穎實(shí)用，具有很高的實(shí)踐和推廣價(jià)

11、值。分析：通過(guò)不斷的發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、改正錯(cuò)誤和調(diào)試，最終得到了所希望的圖象，即正弦波信號(hào)。5 設(shè)計(jì)心得為期兩周的DSP課程設(shè)計(jì)已進(jìn)入尾聲了，在這兩周的時(shí)間里，我認(rèn)認(rèn)真真地復(fù)習(xí)了DSP的相關(guān)理論知識(shí)。由于基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)得不是很扎實(shí)，正好利用課程設(shè)計(jì)這個(gè)機(jī)會(huì)，對(duì)沒(méi)有掌握好的知識(shí)進(jìn)行一個(gè)補(bǔ)習(xí)。在剛開始的時(shí)候，我首先從最簡(jiǎn)單的程序開始著手，首先看懂程序是什么意思，在嘗試在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)程序進(jìn)行修改 ，看程序是否出錯(cuò)，或者說(shuō)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果會(huì)有什么樣的改變。用這種方法是自己盡快的熟悉這個(gè)系統(tǒng)的編程的方式。本次課程設(shè)計(jì)中遇到一些課堂中從未有過(guò)的問(wèn)題，通過(guò)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(guò)程中進(jìn)一步提高自身的創(chuàng)作

12、、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(shí)和網(wǎng)上資料，使我對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程有了更深一步的了解和掌握，對(duì)利用CCS軟件編程的數(shù)字信號(hào)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(duì)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(hào)的處理都是采用計(jì)算機(jī)仿真的方法進(jìn)行測(cè)試，因此，掌握基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理方法對(duì)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(duì)我們的發(fā)展有著極大的幫助！由于基礎(chǔ)知識(shí)不夠扎實(shí)，在本次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我經(jīng)常遇到各種難題，比如說(shuō)程序看不懂，調(diào)試時(shí)顯示結(jié)果與預(yù)期不一致等等。而每當(dāng)我遇到困難的時(shí)候，老師總會(huì)給予我耐心的教導(dǎo)，幫助我發(fā)現(xiàn)

13、問(wèn)題，糾正錯(cuò)誤；同學(xué)也會(huì)很熱情的幫助我修改和完善設(shè)計(jì)方案。在這樣一個(gè)良好的環(huán)境下，我順利地完成了本次DSP課程設(shè)計(jì)，讓我發(fā)現(xiàn)了自己所學(xué)知識(shí)的盲點(diǎn)和漏洞，提升了我的動(dòng)手能力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)我基本了解了DSP應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方法和設(shè)計(jì)過(guò)程，掌握了匯編源程序的編輯、匯編和鏈接過(guò)程，熟悉了CCS集成開發(fā)環(huán)境，CCS的安裝及設(shè)置，CCS集成開發(fā)環(huán)境，CCS的基本使用，調(diào)試應(yīng)用程序。我成功通過(guò)CCS軟件應(yīng)用C54X匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了正弦信號(hào)發(fā)生裝置，這次實(shí)驗(yàn)使我能夠更真實(shí)地體會(huì)到DSP的功能和用途。特在此對(duì)給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)們表示衷心的感謝！參考文獻(xiàn) 1 鄒彥. DSP原理及應(yīng)用M. 北京:電子工業(yè)出版社,2005

14、,1. 2 戴明楨.TMS320C54xDSP結(jié)構(gòu).原理及應(yīng)用M.北京航空航天大學(xué)出版 3 胡圣堯. DSP原理及應(yīng)用M.東南大學(xué)出版社,2008.7. 4 清源科技.TMS320C54xDSP應(yīng)用程序設(shè)計(jì)教程M.機(jī)械工業(yè)出版社,2004,1 5 清源科技.TMS320C54x硬件開發(fā)教程M.機(jī)械工業(yè)出版社,2003,1.附錄 設(shè)計(jì)程序主程序清單：.title sin.asm ；為匯編文件取名為“sin.asm”.mmregs ；定義存儲(chǔ)器映像寄存器.def _c_int00.ref sinx,d_xs,d_sinx,cosx,d_xc,d_cosx；定義標(biāo)號(hào)sin_x: .usect sin

15、_x,360 ；為sin_x保留360個(gè)存儲(chǔ)空間STACK: .usect STACK,10 ；為堆棧保留10個(gè)存儲(chǔ)空間k_theta .set 286 ；theta=pi/360(0.5deg)PA0 .set 0_c_int00 .text ；定義文本程序代碼段STM #STACK+10,SP ；設(shè)置堆棧指針STM k_theta,AR0 ；AR0-K_theta(increment)STM 0,AR1 ；(AR1)=X(rad)STM #sin_x,AR6 ；AR6- - sin(x)STM #90,BRC ；form sin0(deg.)sin90(deg)；重復(fù)執(zhí)行塊語(yǔ)句（下條語(yǔ)句開

16、始至loop1-1 ）91次RPTB loop1-1 LDM AR1,ALD #d_xs,DP ；DPd_xsSTL A,d_xs ；(A)低16位d_xsSTL A,d_xc ；(A)低16位d_xcCALL sinx ；調(diào)用sinx程序CALL cosx ；調(diào)用conx程序LD #d_sinx,DP ；DP d_sinxLD d_sinx,16,A ；A=sin(x)MPYA d_cosx ；B= sin(x)*cos(x)STH B,1,*AR6+ ；AR6- - 2*sin(x)*cos(x) MAR *AR1+0 ；修改輔助寄存器AR1loop1: STM #sin_x+89,AR7

17、 ；sin91(deg.)- -sin179(deg.) STM #88,BRC ；重復(fù)執(zhí)行下條指令至loop2-1 RPTB loop2-1 ；處90次 LD *AR7-,A ；(AR7) A,然后AR7減去1 STL A,*AR6+ ；(A) 低16位AR6loop2: STM #179,BRC ；sin180(deg.)- -sin359(deg.)；(BRC)=179,重復(fù)執(zhí)行180次 STM #sin_x,AR7 ；AR7指向sin_x首地址 RPTB loop3-1 ； LD *AR7+,A ；(AR7) A，然后AR7加1 NEG A ；累加器變負(fù) STL A,*AR6+ ；A低

18、16位AR6loop3: STM #sin_x,AR6 ；generate sin wave AR6指向sin_x STM #1,AR0 ；AR 01 STM #360,BK ；BK360loop4: PORTW *AR6+0%,PA0 ；PA0=*AR6+0%,向PA0輸出數(shù)據(jù) B loop4 ；sinx: .def d_xs,d_sinx ；定義標(biāo)號(hào)d_xs,d_sinx .data ；定義數(shù)據(jù)代碼段table_s .word 01c7h ；c1=1/(8*9) .word 030bh ；c1=1/(6*7) .word 0666h ；c1=1/(4*5) .word 1556h ；c1=

19、1/(2*3)d_coef_s .usect coef_s,4 ；為coef_s保留4個(gè)存儲(chǔ)空間d_xs .usect sin_vars,1 ；為d_xs中sin_vars保留1個(gè)存儲(chǔ)空間d_squr_xs .usect sin_vars,1 ；為d_squr_xs中sin_vars保留1個(gè)存儲(chǔ)空間d_temp_s .usect sin_vars,1 ；為d_temp_s中sin_vars保留1個(gè)存儲(chǔ)空間d_sinx .usect sin_vars,1 ；為d_sinx中sin_vars保留1個(gè)存儲(chǔ)空間c_l_s .usect sin_vars,1 ；為d_xs中sin_vars保留1個(gè)存儲(chǔ)空

20、間 .text ；定義代碼開始段 SSBX FRCT ；設(shè)置FRCT=1以解決冗余符號(hào)位 STM #d_coef_s,AR5 ；AR5指向d_coef_s首地址 RPT #3 ；重復(fù)下條指令4次 MVPD #table_s,*AR5+ ；table_s中的數(shù)復(fù)制到AR5指向的單元 STM #d_coef_s,AR3 ；AR3指向d_coef_s首地址 STM #d_xs,AR2 ；AR2指向d_xs首地址 STM #c_l_s,AR4 ；AR4指向c_l_s首地址 ST #7FFFh,c_l_s ；7FFFh c_l_s SQUR *AR2+,A ；AR2指向累加器A中的數(shù)值求其平方 ST A

21、,*AR2 ；（A）左移16位AR2 |LD *AR4,B ；（AR4）左移16位B MASR *AR2+,*AR3+,B,A ；從累加器A中減去（AR2）*（AR3） MPYA A ；操作數(shù)與累加器A中高位相乘 STH A,*AR2 ；（A）高16位AR2 MASR *AR2-,*AR3+,B,A ；從累加器A中減去（AR2）*（AR3） MPYA *AR2+ ；AR2指向的數(shù)與累加器A的高16位相乘 ST B,*AR2 ；（B）左移16位AR2 |LD *AR4,B ；（AR4）左移16位B MASR *AR2-,*AR3+,B,A ；從累加器A中減去（AR2）*（AR3） MPYA *A

22、R2+ ；與累加器A中高16位相乘 ST B,*AR2 ；（B）左移16位AR2 |LD *AR4,B ；（AR4）左移16位B MASR *AR2-,*AR3+,B,A ；從累加器A中減去（AR2）*（AR3） MPYA d_xs ；d_xs指向的操作數(shù)與累加器A中高16位相乘 STH B,d_sinx ；（B）高16位d_sinx RET ；返回cosx: .def d_xc,d_cosx ；定義標(biāo)號(hào)d_xc,d_cosxd_coef_c .usect coef_c,4 ；為coef_c保留4個(gè)存儲(chǔ)空間 .data ；定義數(shù)據(jù)代碼段table_c .word 0249h ；c1=1/(7*

23、8) .word 0444h ；c2=1/(6*5) .word 0aabh ；c3=1/(3*4) .word 4000h ；c4=1/2d_xc .usect cos_vars,1 ；為d_xc中cos_vars保存1個(gè)存儲(chǔ)單元d_squr_xc .usect cos_vars,1 ；為d_squr_xc中cos_vars保存1個(gè)存儲(chǔ)單元d_temp_c .usect cos_vars,1 ；為d_temp_c中cos_vars保存1個(gè)存儲(chǔ)單元d_cosx .usect cos_vars,1 ；為d_cosx中cos_vars保存1個(gè)存儲(chǔ)單元c_l_c .usect cos_vars,1 ；為c_l_c中cos_vars保存1個(gè)存儲(chǔ)單元 .text ；定義文本代碼段 SSBX FRCT ；FRCT=1以清除冗余符號(hào)位 STM #d_coef_c,AR5 ；AR5指向d_coef_c首地址 RPT #3 ；重復(fù)下條指令4次 MVPD #table_c,*AR5+ ；把table_c中的數(shù)復(fù)制到中AR5 STM #d_coef_c,AR3 ；AR3指向d_coef_c首地址 STM #d_xc,AR2 ；AR2 指向d_xc首地址 ST