DSP专业课程设计方案报告.doc

数据采集处理和控制系统设计
一 课程设计要求
1.基础DSP硬件系统设计要求
①基础DSP硬件系统以TMS320C54x系列为关键处理器，包含最小系统、存放器扩展、显示器、键盘、AD、DA等电路模块；
②硬件设计画出关键芯片及电路模块之间连接即可，关键考查电路模块方案设计和系统地址分配；
③设计方案以电路示意图为主，辅以必需文字说明。
2.基础软件设计要求
①看懂所给例程，画出例程输出波形示意图；
②修改例程程序，使之输出其它波形，如方波、三角波、锯齿波等均可；
③设计方案以程序实现为主，辅以必需文字说明。
3.课程设计汇报要求
①硬件系统设计：设计思绪、设计系统功效、关键芯片选型及使用方法、设计方案说明、电路示意图
②软件系统设计：示例程序功效解读及输出波形示意图、设计软件功效、设计思绪、实现源码（带程序注释）
③汇报总结
二 系统分析
利用试验箱模拟信号产生单元产生不一样频率信号，或产生两个频率信号叠加。在DSP 中采集信号，而且对信号进行频谱分析，滤波等。经过键盘或串口命令选择算法功效，将计算信号频率或滤波后信号频率在LCD 上显示。关键功效以下：
(1)对外部输入模拟信号采集到DSP 内存，会用CCS 软件显示采集数据波形。
(2)对采集数据进行以下算法分析：
①频谱分析：使用fft 算法计算信号频率。
②对信号进行IIR 滤波或FIR 滤波，而且计算滤波前后信号频率。
③外部键盘或从计算机来串口命令选择算法功效，而且将结果在LCD 上显示。
绘制出DSP系统功效框图、使用AD（Altium Designer）绘制出系统原理图和PCB 版图。
在 DSP 中采集信号，用CCS 软件显示采集数据波形，和对采集数据进行算法分析。
三 硬件设计
3.1 硬件总体结构

3.2 DSP模块设计

3.3 电源模块设计

将5V电源电压转换为3.3V和1.6V电源
3.4 时钟模块设计
此处由外部晶振提供时钟信号

3.5 存放器模块设计
DSP上只有一个读写控制信号引脚，而FLASH有两个引脚，将读、写分开，故在OE上接一个非门电路，实现高时读，低时写。FLASH上地址线和数据线和DSP上地址线、数据线相连
3.6 JATG模块设计

3.7 TMS320VC5416 最小系统 PCB 版图

板上包含了支持TMS320VC5416独立运行时钟电路、复位电路、Flash模块、JTAG仿真接口电路和电源模块等。为节省空间和材料，部分器件放在了反面。

四 软件设计
4.1正弦波信号发生器
所给例程输出波形为正弦波，波形以下图所表示：

4.2三角波（方波）信号发生器
********************************************************************
****************三角波信号发生程序（括号内为方波）******************
********************************************************************
.mmregs
.def start

k1 .usect "k",1

outdata1 .set 0800h(0800h)
outdata2 .set 09ffh(0fffh)
outdata3 .set 0affh(0fffh)
outdata4 .set 0bffh(0fffh)
outdata5 .set 0cffh(0fffh)
outdata6 .set 0dffh(0fffh)
outdata7 .set 0effh(0fffh)
outdata8 .set 0fffh(0fffh)
outdata9 .set 1000h(0fffh)
outdata10 .set 0fffh(0fffh)
outdata11 .set 0effh(0fffh)
outdata12 .set 0dffh(0fffh)
outdata13 .set 0cffh(0fffh)
outdata14 .set 0bffh(0fffh)
outdata15 .set 0affh(0fffh)
outdata16 .set 09ffh(0fffh)
outdata17 .set 08ffh(0800h)
outdata18 .set 07ffh(0000h)
outdata19 .set 06ffh(0000h)
outdata20 .set 05ffh(0000h)
outdata21 .set 04ffh(0000h)
outdata22 .set 03ffh(0000h)
outdata23 .set 02ffh(0000h)
outdata24 .set 01ffh(0000h)
outdata25 .set 00ffh(0000h)
outdata26 .set 01ffh(0000h)
outdata27 .set 02ffh(0000h)
outdata28 .set 03ffh(0000h)
outdata29 .set 04ffh(0000h)
outdata30 .set 05ffh(0000h)
outdata31 .set 06ffh(0000h)
outdata32 .set 07ffh(0000h)
//定义输出数据

.text
start:
stm h,sp
//置堆栈指针

stm #k1,ar2
//将操作数#k1装入ar2
st #outdata1,*ar2
//将数据送到*ar2
nop
nop
begin:
st #outdata1,*ar2
portw *ar2,0bfffh
//将*ar2内容从D/A转换器输出
rpt #7fffh
//等候一段时间
nop
st #outdata2,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata3,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata4,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata5,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata6,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata7,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata8,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata9,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata10,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata11,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata12,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata13,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata14,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata15,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata16,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata17,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata18,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata19,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata20,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata21,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata22,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata23,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata24,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata25,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata26,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata27,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata28,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata29,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata30,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata31,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata32,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
b begin
//循环输出32个数据

.end
//代码段结束

4.3 本系统软件总体步骤

4.4 关键模块及实现代码
FFT算法程序：
void kfft(double pr[Length],double pi[Length],int n,int k,double fr[Length],double fi[Length],int l,int il)
{
int it,m,is,i,j,nv,l0;
double p,q,s,vr,vi,poddr,poddi;
for (it=0; it<=n-1; it++)
{ m=it; is=0;
for (i=0; i<=k-1; i++)
{ j=m/2; is=2*is+(m-2*j); m=j;}
fr[it]=pr[is]; fi[it]=pi[is];
}
pr[0]=1.0; pi[0]=0.0;
p=6./(1.0*n);
pr[1]=cos(p); pi[1]=-sin(p);
if (l!=0) pi[1]=-pi[1];
for (i=2; i<=n-1; i++)
{ p=pr[i-1]*pr[1]; q=pi[i-1]*pi[1];
s=(pr[i-1]+pi[i-1])*(pr[1]+pi[1]);
pr[i]=p-q; pi[i]=s-p-q;
}
for (it=0; it<=n-2; it=it+2)
{ vr=fr[it]; vi=fi[it];
fr[it]=vr+fr[it+1]; fi[it]=vi+fi[it+1];
fr[it+1]=vr-fr[it+1]; fi[it+1]=vi-fi[it+1];
}
m=n/2; nv=2;
for (l0=k-2; l0>=0; l0--)
{ m=m/2; nv=2*nv;
for (it=0; it<=(m-1)*nv; it=it+nv)
for (j=0; j<=(nv/2)-1; j++)
{ p=pr[m*j]*fr[it+j+nv/2];
q=pi[m*j]*fi[it+j+nv/2];
s=pr[m*j]+pi[m*j];
s=s*(fr[it+j+nv/2]+fi[it+j+nv/2]);
poddr=p-q; poddi=s-p-q;
fr[it+j+nv/2]=fr[it+j]-poddr;
fi[it+j+nv/2]=fi[it+j]-poddi;
fr[it+j]=fr[it+j]+poddr;
fi[it+j]=fi[it+j]+poddi;
}
}
if (l!=0)
for (i=0; i<=n-1; i++)
{ fr[i]=fr[i]/(1.0*n);
fi[i]=fi[i]/(1.0*n);
}
if (il!=0)
for (i=0; i<=n-1; i++)
{ pr[i]=sqrt(fr[i]*fr[i]+fi[i]*fi[i]);
if (fabs(fr[i])<0.000001*fabs(fi[i]))
{ if ((fi[i]*fr[i])>0) pi[i]=90.0;
else pi[i]=-90.0;
}
else
pi[i]=atan(fi[i]/fr[i])*360.0/6.;
}
}
卷积程序：
void Convolveok( //卷积函数
double *x, // 原始输入数据
double *h, // 冲击响应
double *y, // 卷积输出结果
UINT16 Leng, // 序列长度
UINT16 h_Len)
{
UINT16 m,p,j;
double r,rm;
double xmean = 0.0;
double xmid[100];
for(m=0;m<h_Len;m++)
{
xmid[m] = 0.0;
}
for (m=0; m<Leng; m++)
{
xmean = x[m] + xmean;
}
xmean = 1.0*xmean/Length;

for (m=0; m<Leng; m++)
{
x[m] = x[m] - xmean;
}
for (m=0; m<Leng; m++)
{
for (p=0; p<h_Len; p++)
{
xmid[h_Len-p-1] = xmid[h_Len-p-2];
}
xmid[0] = x[m];
r = 0.0;
rm= 0.0;
for (j=0; j<h_Len; j++)
{
r = xmid[j] * h[j];
rm = rm + r;
}
y[m] = rm;
}
}

求最大值和次大值函数：
void max()
{ int k1,k2; //k1 最大值，k2 次最大值
int r;
for(r=0;r<16;r++)
{
if(pr[k1]<pr[r])
{
k1=r;
}
}
for(r=20;r<64;r++)
{
if(pr[k2]<pr[r])
{
k2=r;
}
}
f0=250000.0/256*k1;
f1=250000.0/256*k2;
fc=(f0+f1)/2;
}

归一化函数：
void avg()
{ int j;
sum= 0.0;
for(j=0;j<256;j++)
{
sum+=(data_buff[j]/256.0);
}
for(j=0;j<256;j++)
{
pr[j]=data_buff[j]-sum;
pi[j]=0.0;
}
}

FIR滤波器设计函数：
void firdes(double npass)//求h(n)
{
int t;
for (t=0; t<FLen; t++)
{
h[t]=sin((t-(FLen-1)/2.0)*npass*3.1415926)/(3.1415926*(t-(FLen-1)/2.0));
}
if (t == ((FLen-1)/2)) h[t]=npass;
}

外部中止2服务函数：
void interrupt ExtInt2(void)
{
int i1,j;
*(unsigned int*)IFR=0xFFFF; //清除全部中止标志
data_buff[i1] = port8002 & 0x00ff;
i1++;
if(i1 == 256)
{
avg();
kfft(pr,pi,256,8,fr,fi,0,1);
max();
npass=fc/250000.0;
firdes(npass);
Convolveok(data_buff,h,y,256,51);
for(j=0;j<256;j++)
{
yr[j]=y[j];
yi[j]=0.0;
}
kfft(yr,yi,256,8,Yr,Yi,0,1);
flag=1;
i1 = 0;
}

4.5 程序运行效果
①采集数据及其FFT计算结果

②51阶滤波器H(n)波形

③滤波前后信号频谱图：

由滤波前后高低频分量相对大小证实低通滤波器对高频分量衰减作用比较强，但没有完全滤出去
④采集数据波形和滤波后波形比较

由图可见滤波后信号中高频分量得到了较大衰减，滤波后波形变得平滑。
五 课程设计总结
DSP芯片有更适合于数字信号处理软件和硬件资源，很适合于通用数字信号处理开发，为数字信号处理应用打开了新局面。学好DSP技术含有很关键意义。经过此次课程设计，我学习到了一个实际电子系统完整设计步骤，基础掌握了PCB设计软件Altium Designer使用方法，学会了绘制系统功效框图、原理图和PCB版图。同时掌握了CCS软件使用和基于TMS320VC5416DSP程序编写。
此次课程设计首先绘制系统功效框图，使用AD软件绘制原理图和PCB版图。在绘制系统功效框图过程中，要设计一个功效完备，能够独立运行精简 DSP 硬件系统。然后再基于此系统功效框图绘制原理图和PCB版图。在原理图绘制过程中要充足考虑到所使用器件及管脚网络标号,总线链接等。因为要绘制PCB版图，故要合理选择各个器件封装，合理安排各个器件和线位置，尤其是滤波电容要安放在靠近各个管脚位置，真正起到滤波作用。在使用CCS软件编写程序时要注意变量定义和函数申明。经过查阅资料和和老师同学交流后完善了各部分程序。DSP程序相对难部分，在编写时需要从系统整体来考虑，不停调整算法且保持思绪清楚，熟悉各个子程序功效。
经过此次课程设计，使我对TMS320C54x系列DSP硬件结构有了较为深刻认识，也学习到了实际电子系统完整设计步骤，熟悉了AD软件和CCS软件使用方法，对于数字信号处理有了更深刻认识。数字信号处理无处不在，这么课程设计很有意义，对于我们以后学习和工作全部会产生深远影响，为我们独立完成其它DSP设计打下基础。经过查阅资料和老师同学帮助，处理了课程设计中碰到难题，也学习到了很多知识，将理论利用于实践。感谢老师和同学大力帮助，使我顺利完成了此次课程设计。