DSP原理與應(yīng)用課程設(shè)計

1、課程設(shè)計報告名稱DSP原理與應(yīng)用課程設(shè)計題目信號采集和濾波DSPE序設(shè)計指導(dǎo)教師潘建軍/沈冰夏設(shè)計起止日期2015.11.16至2015.12.18學(xué)院信息與通信工程學(xué)院專業(yè)電子信息工程學(xué)生姓名奎卷班級/學(xué)號電信1301/20130109成績目錄第一章概述11.1 課程設(shè)計目的11.2課程設(shè)計所用設(shè)備1第二章課程設(shè)計原理22.1 A/D原理2模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)和時序22.1.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器的寄存器32.2 FIR濾波器設(shè)計原理82.3 FIR濾波的DSP程序設(shè)計8第三章FIR數(shù)字低通濾波器的MATLAB計10第四章ADC信號采集和濾波DSP程序設(shè)計124.1采集信號頻率124.2課設(shè)結(jié)果截圖13AD

2、采集兩路信號的時頻圖13兩路信號混合后波形圖14濾波后波形圖15第五章結(jié)束語18第一章概述1.1課程設(shè)計目的掌握TMS320VC5509沼內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADQ的控制方法。掌握TIDSP系統(tǒng)的軟件開發(fā)。設(shè)計TMS320VC5509ADS廉統(tǒng)的AD采集程序。設(shè)計FIR濾波器系數(shù)對采集的信號進(jìn)行FIR濾波1.2課程設(shè)計所用設(shè)備計算機(jī)：安裝軟件開發(fā)工具CCStudiov3.3,完成系統(tǒng)的軟件開發(fā)，進(jìn)行硬件仿真調(diào)試，MATLABICETEK-VC5509-AG-EDU實(shí)驗(yàn)箱：包括信號源實(shí)現(xiàn)硬件仿真調(diào)試時與硬件系統(tǒng)的通信、控制和讀取硬件系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)的開發(fā)系統(tǒng)（ICETEK5100-USB仿真器模塊）提供

3、軟件運(yùn)行和調(diào)試的平臺和用戶系統(tǒng)開發(fā)的參照的評估模塊（ICETEKVC5509-A）示波器：觀察DSP俞入輸出信號的波形和頻率。第二章課程設(shè)計原理2.1A/D原理2.1.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)和時序在數(shù)字信號處理器的具體應(yīng)用中往往需要采集一些模擬信號量，如電池電壓、面板旋鈕輸入值等，模數(shù)轉(zhuǎn)換器就是用來將這些模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量來供DSFPI用。TMS320VC5507/550。內(nèi)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（AD。方框圖如圖1所示。TMS320VC5509A三種封裝，本次課程設(shè)計所用瑞泰創(chuàng)新公司生產(chǎn)的TMS320VC5509ADSP統(tǒng)的評估板上焊接了144管腳薄型四方扁平封裝的TMS320VC5509APGE后綴）

4、。本課程設(shè)計所使用的TMS320VC5509ADSP能同時支持兩路的信號采集。TMS320VC5509APG研內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器支持兩路輸入，管腳分別為AIN0和AIN0O片內(nèi)AD（M有如下特性：帶內(nèi)置采樣和保持的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC最小轉(zhuǎn)換時間為500ns3最大米樣率為21.5kHz（最小米樣周期：10/21.5=46.51163s）CPUClockAINO*AIN1十AIM2+AlN3t圖1ADC方框圖模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用連續(xù)逼近式結(jié)構(gòu),在模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部用了三個可編程分頻器來靈活地產(chǎn)生用戶需要的采樣率。整個模數(shù)轉(zhuǎn)換過程分為兩個周期一一采樣/保持周期及轉(zhuǎn)換周期，如圖2所示。（1）采樣/保持周期是采樣

5、/保持電路采集模擬信號的時間，這個周期大于或等于40s；（2）轉(zhuǎn)換周期是RQ匕較網(wǎng)絡(luò)在一次采樣中完成逼近處理并輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的時間，這需要13個轉(zhuǎn)換時鐘周期。AD映換時鐘的最大頻率為2MHz圖2轉(zhuǎn)換時序圖模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊接到啟動轉(zhuǎn)換信號后，按照設(shè)置開始進(jìn)行相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換。i整個肆旃期期1（蟆小轉(zhuǎn)及用斛<1.時向1113弗葉仲翱購經(jīng)過一個采樣時間的延退后，將采樣結(jié)果放入AD數(shù)據(jù)寄存器中保存。轉(zhuǎn)換結(jié)束，設(shè)置標(biāo)志。等待下一個啟動信號。由于TMS320VC5509ADSP片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換精度是10位的，AD傲據(jù)寄存器（16位）的最高位（第15位）表示轉(zhuǎn)換值是否有效（0有效），第14-12

6、位表示轉(zhuǎn)換的通道號，第11-10位為保留字段，低10位為轉(zhuǎn)換數(shù)值，所以在保留時應(yīng)注意取出結(jié)果的低10位，再根據(jù)高4位進(jìn)行相應(yīng)保存。2.1.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器的寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器的寄存器包括AD（制寄存器（ADCCTL、AD傲據(jù)寄存器（ADCDATA、ADC時鐘分頻寄存器（ADCCLKDIV和ADC寸鐘控制寄存器（ADCCLKCTL。WORDADDRESSREGISTERNAMEDESCRIPTIONRESETVALUE0x6800ADCCTL15:12ADCControlRegister01110000000000000x6801ADCDATA15:0ADCDataRegister0111000000

7、0000000x6802ADCCLKDIV15:0ADCFunctionClockDividerRegister00000000000011110x6803ADCCLKCTL8:0ADCClockControlRegister0000000000000111表1模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的寄存器"don'tcare.力?Hardwarereset;xdenotesa?Hardwarereset;xdenotesa?Hardwarereset;xdenotesa151211ADCSTARTFUW-111AD成制寄存器(ADCCTL):發(fā)送轉(zhuǎn)換通道號和啟動命令，然后循環(huán)等待轉(zhuǎn)換結(jié)果,最

8、后將結(jié)果保存。CHSELECT表2ADC控制寄存器ADCCTL位字段數(shù)值說明15ADCSTART01轉(zhuǎn)換開始位無效轉(zhuǎn)換開始。在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，如果ADCSTART位不為高，模數(shù)轉(zhuǎn)換器自動進(jìn)入關(guān)電模式14-12CHSELECT000選擇模擬輸入通道選擇AIN0通道AD傲據(jù)寄存器（ADCDATA）只讀寄存器，顯示AD專換是否正在進(jìn)行中以及通道號，存放采樣數(shù)據(jù)。001選擇AIN1通道010選擇AIN2通道（BGA寸裝）011選擇AIN3通道（BGA寸裝）100-111所有通道關(guān)閉11-0Reserved保留，讀時總為0151412111090R*0R-111R上FMJADCBUSYCHSELEC-Res

9、ervedADCDATA表3ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCDATA位字段數(shù)值說明15ADCBUSY01模數(shù)轉(zhuǎn)換標(biāo)志位：采樣數(shù)據(jù)已存在正在轉(zhuǎn)換之中，在ADCSTARK1后，ADCBUS著為1,直到轉(zhuǎn)換結(jié)束14-12CHSELECT000001010011100-111標(biāo)志采集數(shù)據(jù)的通道AIN0通道AIN1通道AIN2通道（BGAfef裝）AIN3通道（BGAfef裝）保留11-10Reserved保留，讀時總為09-0ADCDATA模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)字段。存放模擬信號的10位轉(zhuǎn)換結(jié)果ADC寸鐘分頻寄存器(ADCCLKDIV):顯示轉(zhuǎn)換時鐘的分頻值和采樣保持時間。15SAMNEDIVCCNVRATEDIX-&#

10、39;RLVM111表4ADCM鐘分頻寄存器ADCCLKDIV位字段數(shù)值說明15-8SAMPTIMEDIV0-255采樣和保持時間分頻字段。該字段同CONRATEDIV段一起決定采樣和保持周期ADCSampleandHoldPeriod=(ADCClockPeriod)x(2x(CONRATEDIV+1+SAMPTIMEDIV)7-4Reserved保留3-0CONRATEDIV0000-1111轉(zhuǎn)換時鐘分頻字段，該字段同SAMPTIMEDI"段一起決定采樣和保持周期ADCConversionClock=(ADCClock)/(2X(CONRATEDIV+1)ADC寸鐘控制寄存器(A

11、DCCLKCTL)存放CP時鐘分頻數(shù)，并確定是否將ADd于低功耗狀態(tài)。159870R-CR/W-0R07hIDLEEhCPUCLKDIV表5ADC時鐘控制寄存器ADCCLKCTL位字段數(shù)值說明15-9Reserved保留8IDLEEN01模數(shù)轉(zhuǎn)換器時鐘使能位時鐘使能在運(yùn)行休眠指令時時鐘停止7-0CPUCLKDIV0-255系統(tǒng)時鐘分頻字段ADCClock=(CPUClock)/(CPUCLKDIV+1)本設(shè)計中DS海統(tǒng)CPIM鐘為144MHz>首先對CPIM鐘分頻，產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換器時鐘(ADCClock)，該時鐘應(yīng)盡量運(yùn)行在較低頻率下，以降低功率消耗，在本例中模數(shù)轉(zhuǎn)換器時鐘是通過對系統(tǒng)主時

12、鐘36分頻產(chǎn)生的，則此時模數(shù)轉(zhuǎn)換器時鐘=144MHz/36=4MHz根據(jù)公式ADCClock=(CPUClock)/(CPUCLKDIV+1)得出CPUCLKDIV=3§對模數(shù)轉(zhuǎn)換器時鐘分頻產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時鐘(ADCConversionClock),該時鐘最大值為2MHz為了獲得2MHZ勺模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時鐘，則需要對模數(shù)轉(zhuǎn)換器時鐘2分頻，由ADCConversionClock=(ADCClock)/(2x(CONVRATEDIV+1)得出CONVRATEDIV=0ADC轉(zhuǎn)換時間=13x(1/ADCConversionClock)ADC轉(zhuǎn)換時間=13X(1/(2MHz)=6.5卬s

13、；對采樣和保持周期進(jìn)行設(shè)置，這個值必須大于或等于40asADCSampleandHoldPeriod=(1/(ADCClock)X(2X(CONRATEDIV+1+SAMPTIMEDIV)=(1/(4MHz)X(2X(0+1+SAMPTIMEDIV)=250nsX(2X(0+1+79)=40卬sSAMPTIMEDIV=79;AD(M個轉(zhuǎn)換時間(ADCTotalConversionTime)為40s的采樣和保持時間加上6.5s的轉(zhuǎn)換時間等于46.5s,采樣率=1/46.5s=21.5kHz。2.2FIR濾波器設(shè)計原理設(shè)計FIR低通。低通濾波器的幅度響應(yīng)和性能如圖3所示。圖3低通濾波器的幅度響應(yīng)和

14、性能3p為通帶截止頻率，3s為阻帶截止頻率，3c為截止頻率。ap峰值通帶波紋。as為最小阻帶衰減。2.3FIR濾波的DSP§序設(shè)計FIR濾波器輸出y(n)是輸入數(shù)據(jù)和系數(shù)的卷積和。卜(刀)=b試h)+-1)+-匕+1).任何時候進(jìn)行計算，都需要把數(shù)據(jù)和相對應(yīng)的系數(shù)相乘，再累加到輸出結(jié)果中。FIR濾波器中，輸入信號在每個采樣時間T過后都發(fā)生改變。也就是說，x(n)將在T時候過后，成為x(n-1)，然后是x(n-2),直到該數(shù)據(jù)被拋棄。本程序設(shè)計將采用MATLAB計的FIR濾波器系數(shù)導(dǎo)入到DS髀序中。對信號的FIR濾波函數(shù)可以采用設(shè)計FIR濾波的浮點(diǎn)實(shí)現(xiàn)C函數(shù)和兩種方法調(diào)用德州儀器的TM

15、S320C55xDSPLIB勺FIR濾波函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對A/D采集的輸入信號進(jìn)行濾波處理。詳細(xì)FIR濾波程序設(shè)計實(shí)現(xiàn)方法見DS源理與應(yīng)用講義。(1)設(shè)計FIR濾波的浮點(diǎn)實(shí)現(xiàn)C®數(shù)（2）調(diào)用德州儀器的TMS320C55xDSPLI曲FIR濾波函數(shù)德州儀器的TMS320C55xDSPLI虛專門針對TMS320C55系列處理器開發(fā)的數(shù)字信號處理函數(shù)庫，它包括50個經(jīng)過匯編級優(yōu)化的數(shù)字信號處理函數(shù)，這些函數(shù)可由m用。數(shù)字信號處理庫由頭文件dsplib.h，目標(biāo)庫55xdsp.lib（小模式）、55xdspx.lib（大模式），源文件55xdsp.src等組成。數(shù)字信號處理庫可以從網(wǎng)站下載，下載的

16、文件是一個壓縮文件sprc100.zip（最新版本日期：Apr-10-2007），解壓之后生成一個dsplib_2.40.00目錄，用戶可以把這個目錄及目錄下的全部內(nèi)容復(fù)制到目錄下。例子程序在examples子目錄下。庫函數(shù)中主要的數(shù)據(jù)類型是Q.15（Q15,16位字），其他數(shù)據(jù)類型還包括Q.31（Q31,32位雙字）和Q.3.12（Q12,3位整數(shù)，12位小數(shù)）。函數(shù)中參數(shù)的傳遞大多采用數(shù)組的形式，其中數(shù)組成員都在內(nèi)存中連續(xù)保存。當(dāng)存放的是復(fù)數(shù)時，則以實(shí)部一虛部的格式存放。為了節(jié)省存儲器的空間，源操作數(shù)和目的操作數(shù)可以使用相同的地址。如果在函數(shù)運(yùn)行時發(fā)生了溢出，函數(shù)可以返回溢出標(biāo)志，但是由于

17、C55x的寄存器為40位，其中有8位的保護(hù)位，因此在運(yùn)算中可能發(fā)生了32位溢出但結(jié)果仍然正確，在這種情況下，溢出標(biāo)志代表報警而不是一個錯誤。調(diào)用DSPLI昕需要包含dsplib.h，并在工程中加入55xdsp.lib或55xdspx.lib庫或在工程中加入包含調(diào)用函數(shù)的匯編源代碼的匯編文件。TMS320C55xDSPLIB勺FIR濾波的函數(shù)說明如下。fir2FIR2FilterFIRdirectform（OptimizedtouseDUAL-MAC）Functionushortoflag=fir2（DATA*x,DATA*h,DATA*r,DATA*dbuffer,ushortnx,ushor

18、tnh）ArgumentsxnxPointertoinputvectorofnxrealelements.hnhPointertocoefficientvectorofsizenhinnormalorder.Forexample,ifnh=6,thenhnh=h0,h1,h2,h3,h4,h5whereh0residesatthelowestmemoryaddressinthearray.rnxPointertooutputvectorofnxrealelements.In-placecomputation（r=x)isallowed.dbuffernh+2Pointertodelaybuff

19、eroflengthnh+2nxNumberofinputsamplesnhThenumberofcoefficientsofthefilter.Forexample,ifthefiltercoefficientsareh0,h1,h2,h3,h4,h5,thennh=6.Mustbeaminimumvalueof3.Forsmallerfilters,zeropadthecoefficientstomeettheminimumvalue.oflagOverflowerrorflag(returnedvalue)Ifoflag=1,a32-bitdataoverflowoccurredinan

20、intermediateorfinalresult.Ifoflag=0,a32-bitoverflowhasnotoccurred.Benchmarks基準(zhǔn)測試Cycles?Core:nx*(3+nh/2)Overhead:25Codesize107(inbytes)Assumesalldataisinon-chipdual-accessRAM(providedlinkercommandfilereflectsthoseconditions).第三章FIR數(shù)字低通濾波器的MATLAB計本設(shè)計選用Kaiser窗設(shè)計FIR低通濾波器，采樣頻率Fs=21500Hz,與AD采集部分計算出的采樣頻率一致

21、，通帶截止頻率Fpass=1000Hz,阻帶截止頻率Fstop=2550Hz,阻帶最小衰減Astop=40dB,濾波器如下圖：,FillnrT>rski.£n>曰.ZhLJIJC1_色DWmlI-FeHiiiII31'r"«DeKiniirinirillerDonegilwK4i-<An-«1ninl*w<.Vi«wlti»4vwH«lpr*皆h3LSt國廬月xdKJ口EL占旋Hi.田Mo國EJOjrnn(Fiflrr-7048,皆。ImC:LRe6oOeLFNrrOranv|C*：>M

22、ilJmUrii*ErCiQjrBandta1i=i|l>lff!Eierllalcirw>rvieh'iaciH!|jBuffirwarm&>'FIR|Wlrdaww1ScisKPfSE怕wJ旦口山Fltb.IHR-iSh-JMeiniflcwr圖3.1低通濾波器圖第四章ADC信號采集和濾波DSP程序設(shè)計4.1采集信號頻率fs=21.5KHz4.2課設(shè)結(jié)果截圖4.2.1.AD采集兩路信號的時頻圖圖4.2.1AD采集兩路信號時頻圖4.2.2.兩路信號混合后波形圖圖4.2.2Q15定點(diǎn)混合時域圖圖4.2.3Q15定點(diǎn)混合頻域圖圖4.2.4浮點(diǎn)混合時域圖圖

23、4.2.5浮點(diǎn)混合頻域圖4.2.3.濾波后波形圖圖4.3.1Q15定點(diǎn)濾波后時域圖圖4.3.2Q15定點(diǎn)濾波后頻域圖圖4.3.3浮點(diǎn)濾波后時域圖圖4.3.4浮點(diǎn)濾波后頻域圖第五章結(jié)束語感悟：通過本次課程設(shè)計，我學(xué)到了很多知識，同時也認(rèn)識到自己編程技術(shù)的薄弱，我會在以后的學(xué)習(xí)中加強(qiáng)編程知識的學(xué)習(xí)。本次試驗(yàn)中我對ossa件開發(fā)環(huán)境有了較深的認(rèn)識和理解。通過完整的實(shí)驗(yàn)我對本專業(yè)的知識體系有了系統(tǒng)性的理解，使我受益匪淺。濾波器設(shè)計中我理解了濾波器參數(shù)的實(shí)際意義，讓我對課程中的知識有了更深入的理解。試驗(yàn)中遇到不少問題都是在老師和同學(xué)的幫助下解決的，謝謝老師的幫助。參考文獻(xiàn)1 汪春梅，孫洪波.TMS320

24、C55xDSP原理及應(yīng)用（第3版）.北京：電子工業(yè)出版社2011.2 TexasInstrumentsIncorporated.TMS320VC5507/5509DSPAnalog-to-DigitalConverter(ADC)ReferenceGuideOL.TexasInstrumentsIncorporated,SPRU586B,2004.3 TexasInstrumentsIncorporated.TMS320VC5509AFixed-PointDigitalSignalProcessor.TexasInstrumentsIncorporated,SPRS205K,2008.4 DS

25、P原理與應(yīng)用課程講義.5 瑞泰創(chuàng)新公司.ICETEK-VC5509-A評估板硬件使用指導(dǎo).北京：瑞泰創(chuàng)新公司，2006.6 瑞泰創(chuàng)新公司.ICETEK-VC5509-A-USB-EDU教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用指導(dǎo).北京：瑞泰創(chuàng)新公司,2006.7 瑞泰創(chuàng)新公司.ICETEK-VC5509-A-USB-EDUa學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件實(shí)驗(yàn)指導(dǎo).北京：瑞泰創(chuàng)新公司，2006.8 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(第三版)M.北京：清華大學(xué)出版社，2005.9 TexasInstrumentsIncorporated.CodeComposerStudioHelp.10 TexasInstrumentsIncorporated.TM

26、S320C55xDSPProgrammer'sGuideOL.TexasInstrumentsIncorporated,SPRU376A,2001.11 TexasInstrumentsIncorporated.TMS320C55xOptimizingC/C+CompilerUser'sGuideOL.TexasInstrumentsIncorporated,SPRU281F,2003.12 TexasInstrumentsIncorporated.TMS320C55xDSPPeripheralsOverviewReferenceGuide.TexasInstrumentsIn

27、corporated.SPRU317H,2006.13 SenM.Kuo,BobH.Lee.Real-TimeDigitalSignalProcessingImplementations,ApplicationsandExperimentsWiththeTMS320C55xM.北京：清華大學(xué)出版社，2003.14 焦瑞莉等編著.數(shù)字信號處理M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2011.附錄：程序源代碼main.c#include"myapp.h"#include"ICETEK-VC5509-EDU.h”#include"scancode.h"voidIn

28、itADC();voidwait(unsignedintcycles);voidEnableAPLL();intnADC0256,nADC1256;intmixQ15256;floatmixfloat256;intFIROUTQ15256;intDBBufferQ1534;floatBufferfloat32;floatFIROUTfloat256;constintBhQ1532=98,141,138,57,-117,-360,-604,-747,-671,-284,451,1490,2700,3888,4838,5366,5366,4838,3888,2700,1490,451,-284,-

29、671,-747,-604,-360,-117,57,138,141,98;constfloatBhfloat32=0.002999524353,0.004298123531,0.004219199065,0.001731093973,-0.003574917093,-0.01098363195,-0.01098363195,-0.01843946427,-0.02278480493,-0.02048166841,-0.008664992638,0.01377640851,0.01377640851,0.01377640851,0.04545684904,0.08239003271,0.118

30、6456978,0.1476465911,0.163765952,0.163765952,0.163765952,0.163765952,0.1476465911,0.1186456978,0.08239003271,0.04545684904,0.04545684904,0.04545684904,0.01377640851,-0.008664992638,-0.02048166841,-0.02278480493,-0.01843946427,-0.01843946427,-0.01843946427,-0.01098363195,-0.003574917093,0.00173109397

31、3,0.004219199065,0.004298123531,0.002999524353；main()(inti;unsignedintuWork;EnableAPLL();SDRAM_init();InitADC();PLL_Init(144);for(i=0;i<34;i+)DBBufferQ15i=0;for(i=0;i<32;i+)Bufferfloati=0;while(1)(for(i=0;i<256;i+)(ADCCTL=0x8000;/啟動AD轉(zhuǎn)換，通道0do(uWork=ADCDATA;while(uWork&0x8000);nADC0i=uWork&0x0fff;for(i=