太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院DSP硬件電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)名稱 正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí) 通信14- 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院專業(yè)班級(jí)通信14-1學(xué)生姓名課程名稱DSP硬件電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)名稱正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)周數(shù)1.5周指導(dǎo)教師設(shè)計(jì)任務(wù)主要設(shè)計(jì)參數(shù)1. 掌握產(chǎn)生正弦波的方法；2. 學(xué)習(xí)正弦信號(hào)發(fā)生器的DSP實(shí)現(xiàn)原理；5. 學(xué)習(xí)使用CCS的波形觀察窗口觀察輸入/輸出信號(hào)波形和頻譜變化情況。設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)要求用DSP匯編語言及C語言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)發(fā)生器。主要參考資 料鄒彥等DSP原理及應(yīng)用北京：電子工業(yè)出版社2007年電氣與電子信息類本科規(guī)劃教材李利等DSP原理及應(yīng)用北京：中國(guó)水利水電出版社2007年21世紀(jì)高等院校規(guī)劃教材學(xué)生提交歸檔文件課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)任務(wù)書注：1.課程設(shè)計(jì)完成后，學(xué)生提交的歸檔文件應(yīng)按照：封面任務(wù)書說明書圖紙的順序進(jìn)行裝訂上交（大張圖紙不必裝訂） 2.可根據(jù)實(shí)際內(nèi)容需要續(xù)表，但應(yīng)保持原格式不變。指導(dǎo)教師簽名： 日期： 2016-12-10 裝訂線專業(yè)班級(jí) 通信14-1 學(xué)號(hào) 2014101572 姓名 成績(jī) 第1章 緒論 1.1 DSP簡(jiǎn)介 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，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(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時(shí)間里，信號(hào)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(hào)處理系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。此系統(tǒng)先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理后，再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。其中抗混疊濾波器的作用是將輸入信號(hào)x(t)中高于折疊頻率的分量濾除，以防止信號(hào)頻譜的混疊。隨后，信號(hào)經(jīng)采樣和A/D轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字信號(hào)x(n)。數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)x(n)進(jìn)行處理，得到輸出數(shù)字信號(hào)y(n),經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬信號(hào)。此信號(hào)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(hào)y(t)。 抗混疊濾波器A/D數(shù)字信號(hào)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(hào)處理系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖 數(shù)字信號(hào)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(hào)處理的基本工具，與網(wǎng)絡(luò)理論、信號(hào)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(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，都與數(shù)字信號(hào)處理密不可分。可以說，數(shù)字信號(hào)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(duì)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(duì)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。 1.3課題研究?jī)?nèi)容 用TMS320C54x的匯編語言程序設(shè)計(jì)正弦信號(hào)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。 第二章 總體方案的分析和設(shè)計(jì) 2.1 總體方案設(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(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.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(hào)發(fā)生器 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)域的信號(hào)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(jí)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(duì)精度要求不很高的場(chǎng)合。 泰勒級(jí)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(hào)，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(chǔ)空間。 本次主要用泰勒級(jí)數(shù)展開法來實(shí)現(xiàn)正弦波信號(hào)。 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(jí)數(shù)，其表達(dá)式： 取泰勒級(jí)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。 2.3 總體方案設(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(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.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硬件組成 基于DSP的信號(hào)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。 圖3.1 基于DSP的信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)框圖 3.2控制器部分 本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320LF2407 DSP處理器，該器件具有外設(shè)集成度高，程序存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器的擴(kuò)展問題，而對(duì)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(hào)，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(jí)留有余地。 3.3微輸出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(duì)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(jí)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(hào)的轉(zhuǎn)換成-5+5V的正弦交流信號(hào)，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(jiǎn)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(hào)具有2-5mA的驅(qū)動(dòng)能力，可選用AD624來構(gòu)成末級(jí)的信號(hào)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15s，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(duì)DSP輸出的3.3V TTL電平與5V CMOS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)220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(duì)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(jiǎn)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)