沈陽理工大學 DSP 技術課程設計報告 Page 1 of 10 目 錄 一、設計任務及目的 1 1. 目的 .1 2. 設計任務及要求 .1 二、設計原理 .1 三、設計過程 .3 1. 硬件設計 3 2. 軟件設計 3 四、軟件編程 .5 1. 設計步驟 5 2. 程序清單 5 五、仿真結果及討論 .8 六、結論 .9 七、參考文獻 .9 沈陽理工大學 DSP 技術課程設計報告 Page 2 of 10 DSP計算任意 COS角度 摘 要 ：介紹了 TMS320C5402 實現正弦信號發生器的設計原理和實現方法。該信號發生器所產生的正弦波波形清晰、 穩定性好，調頻、調幅功能均由軟件現。 關鍵詞 ： DSP；數模轉換；信號發生器 一、 設計任務及目的： 1目的： （ 1）學習一般算法在數字信號處理器上的實現 （ 2） 加深對 DSP 的結構原理的認識和 CCS5000 平臺的掌握 （ 3） 通過動手做軟件和硬件設計，熟練掌握數字信號處理技術，增加對基礎知識的消化和理解。 2設計任務及要求： （ 1）完成余弦角度計算的編程 （ 2）完成硬件設計與軟件設計 （ 3）畫出算法與流程圖 （ 4）輸入不同的角度值輸出結果 （ 5）完成課程設計報告 二、 設計原理 ： 在 通信、儀器和控制領域的信號處理系統中，經常用到余弦信號發生器。通常有兩種方法可以產生余弦波。 DSP常用三角函數 (尤其是正余弦 )在各種信號處理系統中有著廣泛的應用，且一般有實時性要求，因此有必要考慮這些函數的快速計算。常用三角函數的近似計算方法主要有迭代法、級數法、查表法以及 CORDIC法。這些算法的提出和應用有著悠久的歷史，但是近年來集成電路與計算機體系結構的飛速發展，使得各種算法具有了與以往不同的特性與結論，需要依據體系結構做適當的優化調整。 圖 1 硬件電路框圖 圖 2實際應用系統框圖 沈陽理工大學 DSP 技術課程設計報告 Page 3 of 10 圖 3 加窗處理的軟件實現流程圖 圖 4 數據和系數的存儲器分配圖 (1) 查表法。速度快，但在精度高的情況下要求的存儲器容量也要增大。此種方法應用在對精度要求 不高的場合。 (2) 泰勒級數展開法。這是一種比查表法更為有效的方法。與查表法相比，這種方法需要的存儲單元很少，而且精度高。 用泰勒級數展開式計算一個角度的余弦值： cos(x)=1-x2/2(1-x2/(3*4)(1-x2/(5*6)(1-x2/(7*8) 余弦信號的遞推公式如下： cos(nx)=2cosxcos(n-1)x-cos(n-2)x 它分兩步產生余弦信號。第一步計算 cos(nx)的值，第二步使用 n 控制乘法和減法運算，產生信號，延時的 cos(n-1)x和 cos(n-2)x必須預先計算好，并儲存在 DSP 存儲空間。本實例中首先輸入的值為 Pi/4，并以此循環計算多個余弦值。 三、 設計過程： 1 硬件設計 沈陽理工大學 DSP 技術課程設計報告 Page 4 of 10 這是一個以 TMS320C5402 為核心 DSP 系統，硬件電路框圖如下： 發生波形時， DSP 通過接口電路實現對波形參數的控制，產生高精度的正弦波，經模數轉換后輸出。 （ 1） 1DSP DSP 芯片采用的是 TI 公司性價比良好的 TSM320C5402 。它采用修正的增強型哈佛結構，程序和數據分開存放，內部具有 8組高度并行總線，一組程序總線、 3 組數據總線和 4 組地 址總線，從而保證完成并行指令操作。 40位算術邏輯單元 ALU 以及 17 位 17 位并行乘法器與 40 位專用加法器相連，可用于非流水線式單周期乘法 /累加運算。雙地址生成器，包括 8 個輔助寄存器和 2 個輔助寄存器算術運算單元 RARU，使得周期定點指令的執行時間達到 100MIPS。 片上集成有 192K 存儲空間： 64K 字程序空間、 64K 數據空間、 64K 字 I/O空間，它具有 23 條外部程序地址線，可尋址 1M 字的外部程序空間，因此增設了額外的存儲映射程序技術擴展寄存器 XPC，以及 6 條擴展程序空間尋址指令，整個程序空間分成 16 頁 。同時可尋址 64K 外部數據空間、 64K 外部I/O 空間。 RAM 包括兩種類型，一是只可以一次尋址的 SARAM，二是可以兩次尋址的 DARAM。此外，還有數據存儲器 0頁映射的 25個特殊功能寄存器。 IEEE1149.1 標準掃描邏輯電路 (JTAG)用于仿真和測試，它提供對所連設備邊界掃描。同時，它也能用來測試引腳到引腳的連續性，以及完成對 C5402芯片的外圍器件的操作測試。 IEEE1149.1 標準掃描邏輯電路與能訪問片內所有資源的內部掃描電路相連，因而 C5402 芯片能用其與專用仿真引腳來完成在線仿真 （ 2) D/A 由于信號發生器的精度要求高，數模轉換部分采用了 AD767。它是 12 位的并行數字接口苡片。該芯片在單片內包括了輸入鎖存和高穩定的電壓參考源。電壓參考源具有低噪聲、小溫度漂移、高穩定度等優點，鎖存脈沖寬度位 40ns；轉換器用 12 位精度高速雙極性電流調整開關和激光調整薄膜電阻網絡來提供高精度；整個工作溫度區域內具有 1/2LSB 最大線性誤差。 2 軟件設計 （ 1) 基本算法 產生 余 弦波的方法很多，這里采用的是泰勒級數法，與查表法和查表結合插值法相比，該法具有節約存儲空間，精度高等優點，而且展開的級數越 多，失真度就越小。但因其運算量較大，所以適用于對速度要濟南市不嚴格的場合。 一個角度為 的正弦和余弦函數，都可以展開成泰勒級數，取其前五項進行近似： 沈陽理工大學 DSP 技術課程設計報告 Page 5 of 10 式 中： x 為 的弦度值， x=f2/f s(fs是采樣頻率， f 是所要發生的信號頻率 )。 余 弦波的波形可以看成是由無數個點組成，這些點與 x 軸的每個角度值相對應，利用 DSP 可大量重復計算的優勢來計算出 x 軸每一點對應的 y值，然后通過 D/A轉換即可輸出連續的 余 弦模擬信號。 調頻可以通過調節 x 值來進行，調幅時可將輸出的離散波形值乘以相應的縮放因子。 （ 2) 軟件流程圖 整個系統軟件是由主程序和調頻、調幅的子程序組成。 由于實驗采用的是小數形式，所以得不到弧度大于 1的正弦值。但由于正弦信號的特殊對稱形式，完全可以實現正弦波 的完整輸出。 /4 的弧度為 0.7854 PARAM PAGE0 .bss : DARAM PAGE1 .data : DARAM PAGE1 .cos_vars : DARAM PAGE1 .coeff : DARAM PAGE1 .cos_data : DARAM PAGE1 五 、 仿真結果及討論： 1.在程序 cosx.asm 中，給出 x 值為 pi/3 8610H 弧度，在執行結果中 cos（ pi/3） 4FFFH(0.4999694 約等于 0.5) 2.但由于沒有硬件設施的連接，所以無法看到變成實現的結果 3.用 DSP 設計的正弦信號發生器電路簡單，調節方便，誤差在 萬分之一以內，產生的波形失真度較小，而且還有進一步拓展功能，如產生三角波信號、方波信號、直流信號、調制信號等，從而使其能應用到更加廣泛的領域中。 4 .本實例產生一個余弦信號，例子中在一個周期內產生了 180 個數據，也就是在 0度到 180度中每一度對應一個數據，如果進一步提高信號的分辨率，可以改變程序，實現一個周期內產生 360 個甚至更多的數據。匯編程序代碼提高了輸出信號的頻率。 5.我們看到，在查找表采樣點為 16K 的情況下，理論上的最大相對誤差為：2*2*2/16384=4.8828*10(-4)我 們運算得到的最大相對誤差約為 5.2 * 10 (-4)，在精度不是要求十分高的情況下，已經可以完全滿足我們的需要。 在經過脈沖壓縮之后對比，經過驗證可以看出。兩者的結果的誤差已經十分小，完全達到了可以忽略的地步。 沈陽理工大學 DSP 技術課程設計報告 Page 10 of 10 圖 7 絕對誤差示意圖 六、結論： 通過上面的分析，可以得出級數法不受存儲空間的限制，但是需要歸一化后才能保證收斂，并且對不同的點收斂速度不均衡；迭代法最快，但是應用范圍相對較窄；查表法雖然也可以快速實現，但是受限于存儲設備的大小和速度。總之，各種算法都有自己的優缺點，理想的方式是結合各種算法的優點寫出快速 而節省空間的專用算法。具體采用哪種算法或者哪種組合取決于精度與性能的權衡。 結合各種算法的優點在 DSP實現的結果比一般的庫函數速度可以提高 3-4倍，并且精度也滿足大多數應用的需求。對于數據極有規律且對精度要求不高的應用速度可以提高 10倍以上，且不需要額外的空間。 六 、 參考文獻 ： 1 鄭紅，吳冠編著 .TMS320C54XDS