基于DSP的正弦波信號發(fā)生器

邵陽學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）PAGEPAGE17第1章緒論1.1DSP簡介數(shù)字信號處理(DigitalSignalProcessing，簡稱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，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實(shí)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(shí)間里，信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)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(jìn)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)。抗混疊抗混疊濾波器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(xué)科為理論基礎(chǔ)的，它所涉及的范圍極其廣泛。例如，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，微積分、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)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(luò)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(guān)。近來新興的一些學(xué)科，如人工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)，同時(shí)又使自己成為一系列新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。1.2課題來源數(shù)字信號處理器(DSP)是在模擬信號變成數(shù)字信號以后進(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)字信號處理算法的突出優(yōu)點(diǎn),發(fā)展十分迅速。數(shù)字信號發(fā)生器是在電子電路設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和儀表測量校正調(diào)試中應(yīng)用很多的一種信號發(fā)生裝置和信號源。而正弦信號是一種頻率成分最為單一的常見信號源，任何復(fù)雜信號(例如聲音信號)都可以通過傅里葉變換分解為許多頻率不同、幅度不等的正弦信號的疊加，廣泛地應(yīng)用在電子技術(shù)試驗(yàn)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和通信、儀器儀表、控制等領(lǐng)域的信號處理系統(tǒng)中及其他機(jī)械、電聲、水聲及生物等科研領(lǐng)域。目前,常用的信號發(fā)生器絕大部分是由模擬電路構(gòu)成的。當(dāng)這種模擬信號發(fā)生器用于低頻信號輸出時(shí),往往需要的RC值很大,這樣不但參數(shù)準(zhǔn)確度難以保證,而且體積和功耗都很大。而由數(shù)字電路構(gòu)成的低頻信號發(fā)生器,雖然其低頻性能好,但體積較大,價(jià)格較貴。而本文借助DSP運(yùn)算速度高，系統(tǒng)集成度強(qiáng)的優(yōu)勢設(shè)計(jì)的這種信號發(fā)生器，比以前的數(shù)字式信號發(fā)生器具有速度更快，且實(shí)現(xiàn)更加簡便。1.3課題研究的目的意義科技的進(jìn)步帶動(dòng)了DSP技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備的性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，我們已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展的信息時(shí)代，DSP技術(shù)也成為當(dāng)今科技的主流之一，被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。對于本次設(shè)計(jì)，其目的在于：(1)了解DSP及DSP控制器的發(fā)展過程及其特點(diǎn)。(2)較熟練地在硬件上掌握DSP及DSP硬件器的結(jié)構(gòu)、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(jìn)行使用。(4)熟悉用C語言、匯編語言編程DSP源程序(5)學(xué)習(xí)DSP程序的調(diào)試及編寫，及運(yùn)用觀察變量的方法查看程序的運(yùn)行情況。(6)掌握工程設(shè)計(jì)的流程及方法。1.4課題研究內(nèi)容用TMS320C54x的匯編語言程序設(shè)計(jì)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(yùn)行速度。第2章分析和設(shè)計(jì)1.基于DSP的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)正弦波信號。3.設(shè)置波形時(shí)域觀察窗口，得到其濾波前后波形變化圖；4.設(shè)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)生器已被廣泛地應(yīng)用于通信、儀器儀表和工業(yè)控制等領(lǐng)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(shí)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(jìn)行計(jì)算來實(shí)現(xiàn)正弦信號，它能精確地計(jì)算出一個(gè)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(shí)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(dá)式：取泰勒級數(shù)的前5項(xiàng)，得近似計(jì)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]-cos[(n-2)x] 由遞推公式可以看出，在計(jì)算正弦和余弦值時(shí),需要已知cos(x)、sin(n-1)x、sin(n-2)x和cos(n-2)x。1.基于DSP的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)正弦波信號。3.設(shè)置波形時(shí)域觀察窗口，得到其濾波前后波形變化圖；4.設(shè)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(shè)計(jì)3.1組成基于DSP的信號發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)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(jī)界面等幾個(gè)主要部分組成。獨(dú)立式四獨(dú)立式四鍵功能鍵盤緩沖及電平轉(zhuǎn)換電路段驅(qū)動(dòng)器2*SN74LS07有源濾波緩沖及電平轉(zhuǎn)換電路段驅(qū)動(dòng)器2*SN74LS07有源濾波電路DSP微控制器TMS320LF2407PGE 四位LED減法電路四位LED減法電路位驅(qū)動(dòng)器74LS07位驅(qū)動(dòng)器74LS07放大電路AD624輸出三相正弦波放大電路AD624輸出三相正弦波ClockCircuitClockCircuit電源（自帶復(fù)位功能）圖3.1基于DSP的信號發(fā)生器系統(tǒng)框圖3.2部分本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320LF2407DSP處理器，該器件具有外設(shè)集成度高，程序存儲器容量大，A/D轉(zhuǎn)換精度高，運(yùn)算速度高，I/O口資源豐富等特點(diǎn)，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(gè)事件管理器模塊（EVE和EVB）、16通道A/D轉(zhuǎn)換器、看門狗定時(shí)器模塊、16位的串行外設(shè)接口（SPI）模塊、40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入輸出引腳（GPIO）以及5個(gè)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(gè)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(gè)完全相同的模塊（EVA和EVB）組成，每個(gè)模塊都含有2個(gè)通用定時(shí)器、3個(gè)比較器、6至8個(gè)PWM發(fā)生器、3個(gè)捕獲單元和2個(gè)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(kuò)展問題，而對于TMS320LF2407的I/O擴(kuò)展問題，由于TMS320LF2407器件有多達(dá)40個(gè)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(fù)用的引腳，而實(shí)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(fèi)系統(tǒng)資源，也為系統(tǒng)今后的升級留有余地。

3.3輸出D/A通道部分本系統(tǒng)的輸出通道部分主要負(fù)責(zé)實(shí)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(shí)現(xiàn)正弦波的輸出，其原理框圖如圖3.2所示。DSP的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電路圖3.2輸出通道的原理結(jié)構(gòu)圖3.2中的緩沖電路的作用是對PWM口輸出的數(shù)字量進(jìn)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(gè)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(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)信號的轉(zhuǎn)換成-5～+5V的正弦交流信號，并使其電壓增益為1。設(shè)計(jì)使可利用差分式電路來實(shí)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(shí)適當(dāng)?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(dòng)能力，可選用AD624來構(gòu)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(shí)間只有15μs，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(jī)接口部分3.4.1驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)位驅(qū)動(dòng)器電路由兩片集成電路組成，即由位驅(qū)動(dòng)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3.3VTTL電平與5VCMOS電平進(jìn)行匹配，從而帶動(dòng)具有CMOS電平的位驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)動(dòng)態(tài)掃描顯示的要求，位驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)選用了TI公司的74LS06來做LED的大電流驅(qū)動(dòng)器件。3.4.2鍵盤設(shè)計(jì)本系統(tǒng)選用四個(gè)獨(dú)立式按鍵，分別接入PF3-PF6口，并使用四個(gè)220Ω上拉電阻接VCC。所謂獨(dú)立式，就是將每一個(gè)獨(dú)立鍵按一對一地直接接到I/O輸入線上，而在讀鍵值時(shí)，直接讀I/O口，每一個(gè)鍵的狀態(tài)通過讀入鍵值的一位（二進(jìn)制位）來反應(yīng)，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(shí)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(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)可以充分利用這一特點(diǎn)來連接硬件，至于按鍵的削抖動(dòng)措施，則可在軟件中完成。

第4章軟件設(shè)計(jì)4.1流程圖本系統(tǒng)軟件可以按照模塊化設(shè)計(jì)思想來編寫，包括主程序、常數(shù)計(jì)算程序、占空比計(jì)算程序和相應(yīng)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(shí)判斷一個(gè)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)子程序開始主程序中的循環(huán)子程序開始判斷20ms是否到？判斷0.1s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(biāo)志寄存器=1？清脈沖發(fā)出標(biāo)志寄存器，調(diào)計(jì)算占空比程序返回判斷是否在延時(shí)程序中調(diào)用本程序圖4.1主程序流程圖在程序中，應(yīng)在第N-1個(gè)脈沖周期里計(jì)算占空比，并在第N個(gè)脈沖周期里輸出波形，這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)要在一個(gè)脈沖周期內(nèi)完成計(jì)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(gè)周期（即2.5ms）要輸出200個(gè)脈沖，這樣，也就是說，一個(gè)脈沖需要12.5μs（相當(dāng)于12500/50=250條指令）。而執(zhí)行一個(gè)占空比的計(jì)算程序只需要幾十條指令，這種算法從軟件開銷上考慮是可以實(shí)現(xiàn)的。4.2正弦信號發(fā)生器程序清單;ThisfunctiongeneratesthesinewaveofangleusingtheTaylorseriesexpansion;sin(theta)=x(1-x^2/2*3(1-x^2/4*5(1-x^2/6*7(1-x^2/8*9))));cos(theta)=1-x^2/2*3(1-x^2/4*5(1-x^2/6*7(1-x^2/8*9)));sin(2*theta)=2*sin(theta)*cos(theta).title"sin.asm".mmregs.def_c_int00.refsinx,d_xs,d_sinx,cosx,d_xc,d_cosxsin_x:.usect"sin_x",360STACK:.usect"STACK",10k_theta.set286PA0.set0_c_int00.textSTM#STACK+10,SPSTMk_theta,AR0STM0,AR1STM#sin_x,AR6STM#90,BRCRPTBloop1-1LDMAR1,ALD#d_xs,DPSTLA,@d_xsSTLA,@d_xcCALLsinxCALLcosxLD#d_sinx,DPLD@d_sinx,16,AMPYA@d_cosxSTHB,1,*AR6+MAR*AR1+0loop1:STM#sin_x+89,AR7STM#88,BRCRPTBloop2-1LD*AR7-,ASTLA,*AR6+loop2:STM#179,BRCSTM#sin_x,AR7RPTBloop3-1LD*AR7+,ANEGASTLA,*AR6+loop3:STM#sin_x,AR6STM#1,AR0STM#360,bkloop4:PORTW*AR6+0%,PA0Bloop4sinx:.defd_xs,d_sinx.datatable_s.word01c7h.word030bh.word0666h.word1556hd_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.textSSBXFRCTSTM#d_coef_s,AR5RPT#3MVPD#table_s,*AR5+STM#d_coef_s,AR3STM#d_xs,AR2STM#c_l_s,AR4ST#7FFFh,c_l_sSQUR*AR2+,ASTA,*AR2||LD*AR4,BMASR*AR2+,*AR3+,B,AMPYAASTHA,*AR2MASR*AR2-,*AR3+,B,AMPYA*AR2+STB,*AR2||LD*AR4,BMASR*AR2-,*AR3+,B,AMPYA*AR2+STB,*AR2||LD*AR4,BMASR*AR2-,*AR3+,B,AMPYAd_xsSTHB,d_sinxRETcosx:.defd_xc,d_cosxd_coef_c.usect"coef_c",4.datatable_c.word0249h.word0444h.word0aabh.word4000hd_xc.usect"cos_vars",1d_squr_xc.usect"cos_vars",1d_temp_c.usect"cos_vars",1d_cosx.usect"cos_vars",1c_l_c.usect"cos_vars",1.textSSBXFRCTSTM#d_coef_c,AR5RPT#3MVPD#table_c,*AR5+STM#d_coef_c,AR3STM#d_xc,AR2STM#c_l_c,AR4ST#7FFFh,c_l_cSQUR*AR2+,ASTA,*AR2||LD*AR4,BMASR*AR2+,*AR3+,B,AMPYAASTHA,*AR2MASR*AR2-,*AR3+,B,AMPYA*AR2+STB,*AR2||LD*AR4,BMASR*AR2-,*AR3+,B,ASFTAA,-1,ANEGAMPYA*AR2+MAR*AR2+RETDADD*AR4,16,BSTHB,*AR2RET.endMEMORY{PAGE0:EPROM:org=0E000h,len=1000hVECS:org=0FF80h,len=0080hPAGE1:SPRAM:org=0060h,len=0020hDARAM1:org=0080h,len=0010hDARAM2:org=0090h,len=0010hDARAM3:org=0200h,len=0200h}SECTIONS{.text:>EPROMPAGE0.data:>EPROMPAGE0STACK:>SPRAMPAGE1sin_vars:>DARAM1PAGE1coef_s:>DARAM1PAGE1cos_vars:>DARAM2PAGE1coef_c:>DARAM2PAGE1sin_x:align(512){}>DARAM3PAGE1.vectors:>VECSPAGE0}.title"sin_v.asm".ref_c_int00.sect".vectors"B_c_int00.end第5章系統(tǒng)仿真5.1CCS工程項(xiàng)目的調(diào)試程序的運(yùn)行控制在調(diào)試程序的過程中，經(jīng)常需要復(fù)位、執(zhí)行、單步執(zhí)行等操作。這些操作稱為程序運(yùn)行控制。CCS開發(fā)環(huán)境提供了多種調(diào)試程序的運(yùn)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(yīng)命令控制程序的運(yùn)行。創(chuàng)建工程項(xiàng)目①進(jìn)入CCS集成開發(fā)環(huán)境②創(chuàng)建一個(gè)新的工程項(xiàng)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(xiàng)目中④單擊所有“+”項(xiàng)觀看工程項(xiàng)目所包含的文件雙擊各圖標(biāo)，打開各文件工程項(xiàng)目