DSP课程设计

DSP课程设计 DSP课程设计 DSP 技术及应用综合训练设计报告 学院: 班级: 姓名: 学号: 指导教师: 日期: 1 DSP课程设计报告 目 录 序言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 第一章 DSP技术概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 1.1 课程目的意义 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 1.2 DSP系统设计的方法与步骤„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 1.3 DSP前沿技术及其应用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 第二章 DSP 硬件部分设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 2.1 硬件设计任务„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 2.2 总体设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 2.3 选用芯片介绍及其模块电路原理图设计„„„„„„„„„„„„„„10 2.4 其它电路原理图设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 2.5 PCB布线设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 2.6 硬件设计小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 第三章 DSP软件部分设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.1 软件设计任务„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.2 软件设计流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.3 实验步骤„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 3.4 实验结果„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 第四章 设计小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 附录 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 2 DSP课程设计报告 序 言 DSP数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。 DSP系统是不同于模拟电路和数字逻辑电路的电路系统，它所需要的信号必须是数字信号，并且强调运算过程。DSP系统是基于数字信号处理理论所提出的各种算法，用适于运算的DSP芯片完成系统所需的各种运算，以达到对数字信号进行处理和加工的目的。 目前，某种形式的 DSP 安装在从自动应答电话机到洗衣机等各种产品的中心部位，很容易使人忘记这场变革就发生在最近。直到最近，通用微控制器和 DSP 芯片之间的巨大差别还使许多嵌入式系统工程师觉得:数字信号处理是门困难的学科。这种感觉来源于第一代 DSP 的架构和编程要求，这一代 DSP 往往设计用来实现数字滤波器。不过，在卷入 DSP 对比微控制器的争论之前，你也许要问，为什么使用数字滤波器,DSP 还适合于别的什么领域,使用数字滤波的经典理由是，你可以实现线性相位 FIR (有限脉冲响应)滤波器，它保持了音频处理等应用中的信号保真度。当你正在尝试处理传感器信号时，避免由于不相等的组延迟(由非线性相位-频率响应特性引起)导致的信号失真可能也是很关键的。正如任何已经尝试过的人所知道的那样，用模拟技术制造线性相位滤波器几乎是不可能的，相比之下，DSP 和软件滤波器工具箱使这种实现不费吹灰之力。 3 DSP课程设计报告 第一章 DSP技术概述 1.1 课程目的意义 数字信号处理是自动化专业本科生的一门以实践为主的技术类专业选修课， 是使学生了解DSP及DSP控制器的发展过程及其特点，使学生课程的教学目的， 较熟练地在硬件上掌握DSP及DSP硬件器的结构、各部件基本工作原理，在软件上掌握DSP的指令系统、程序设计方法，学会TMS320系列中1至2种DSP芯片的基本使用方法，并能重点利用DSP及DSP控制器设计典型的应用系统, 为今后从事相关设计与研究打下基础。 数字信号处理(DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。在通常的实时信号处理中，它具有可程控、可预见性、精度高、稳定性好、可靠性和可重复性好、易于实现自适应算法、大规模集成等优点，这都是模拟系统所不及的。它利用计算机或专用处理设备，在模拟信号变换成数字信号以后，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快10,50倍。 在近20多年时间里，DSP芯片的应用已经从军事、航空航天领域扩大到信号处理、通信、雷达、消费等许多领域。主要应用有:信号处理、通信、语音、图形/图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等。 DSP主要应用市场为3C领域，合占整个市场需求的90%。 数字蜂窝电话是DSP最为重要的应用领域之一。由于DSP具有强大的计算能力，使得移动通信的蜂窝电话重新崛起，并创造了一批诸如GSM、CDMA等全数字蜂窝电话网。 在Modem器件中，DSP更是成效卓著，不仅大幅度提高了传输速率，且具有接收动态图像能力。另外，可编程多媒体DSP是PC领域的主流产品。以XDSL Mo dem为代表的高速通信技术与MPEG图像技术相结合，使得高品位的音频和视频形式的计算机数据有可能实现实时交换。目前的硬盘空间相当大，这主要得益于CDSP(可定制DSP)的巨大作用。预计在今后的PC机中，一个DSP即可完成全部所需的 4 DSP课程设计报告 多媒体处理功能。DSP也是消费类电子产品中的关键器件。由于DSP的广泛应用，数字音响设备的更新换代周期变得非常短暂。 随着DSP芯片技术档次不断提高以及向多功能化、高性能化、低功耗化放向发展，DSP日益进入人们的生活，在未来相当长的一段时间，我国DSP市场将蓬勃发展，今后几年市场销售额将保持40,以上的增长率，具有良好的市场前景。 1.2 DSP系统设计的方法与步骤 设计流程图如下: 输入 输出 抗混叠 A/D DSP芯片 D/A 平滑滤波 滤波 在DSP系统设计前，要明确设计任务并给出设计任务书。在设计任务书中，要将系统的功能描述的准确、清楚 。描述的方式包括:人工语言方式、流程图方式和算法描述方式。然后，将设计任务书转化为量化的技术指标。具体的技术指标有:系统采样频率、最复杂算法所需最到时间、片内外RAM的容量、系统要求的精度、输入输出端口要求等等。通过这些，最终确定自己所选用的DSP芯片型号。 (1) 总体方案设计 在进行DSP系统设计之前首先应给出明确的设计任务，给出设计任务书。在设计任务书中应将系统要达到的功能描述准确、清楚;描述的方式可以是人工语言，也可以是流程图或算法描述。之后将设计任务书转化为量化的技术指标。 下图为DSP应用系统设计的一般步骤: 5 DSP课程设计报告 DSP应用 定义系统性能指 标 选择DSP芯片 软件编程 硬件设计 软件调试 硬件调试 系统集成 系统测试和调试 软件设计阶段 (2) 软件变成步骤如下: 1)用C语言、汇编语言或者两种变成语言混合编写程序,再把它们分别转换成 DSP的汇编语言并送到汇编语言汇编器进行汇编,生成目标文件. 2)将目标文件送入连接器进行连接,得到可执行文件. 3)将克制性文件掉如到调试器进行调试,检查运行结果是否正确.如果着呢宫阙 进入下一步;如果不正确则返回第一步. 4)进行代码转换将代码写入EEPROM，并脱离仿真器进行程序，检查结果是否 正确。如果不正确，返回上一步;如果正确，进入下一步。 5)软件调试，软件调试借助DSP开发工具，如软件模拟器、DSP开发系统或仿 真器等。 (3) 硬件设计阶段 1)设计硬件实现方案 硬件实现方案是指根据性能指标、工期、成本等，确定最 优硬件实现方案，并画出硬件系统框图。 2)器件的选型 除选择DSP芯片外，一般还要考虑选择A/D、D/A、内存、电 源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等基本部件。 3)原理图设计 硬件设计阶段原理图设计是关键。在原理图设计时必须清楚了解 器件的使用和系统的开发，对于关键环节要做仿真。 6 DSP课程设计报告 4)PCB板设计 PCB设计要求DSP系统设计人员既要熟悉系统工作原理，又要 清楚布线工艺和系统结构设计。 5)软、硬件调试 在采用硬件仿真器进行调试时，如果没有仿真器、且系统不复 杂，则可借助一般的工具进行调试。 (4) 系统集成 系统的软、硬件设计分别调试完成之后，进行系统集成。系统集成是将软、硬件结合起来，并组合成样机，在实际系统中运行，进行系统测试。 1.3 DSP前沿技术及其应用 20多年来，DSP芯片得到了迅猛发展，主要体现在如下方面: 1. 在生产工艺上 采用1µm以下的CMOS制造工艺技术和砷化镓集成电路制造技术，使集成度更高，功耗更低，从而使高频、高速的DSP处理器得到更大的发展。 2. 基本结构上 以RISC结构、单片并行计算机结构为主导，脉冲阵列和数据流阵列也将成为并行处理器的主要体系结构。设计、测试简单，易模块化，易于实现流水线操作和多处理器结构。 3. 模拟/数字混合上 集滤波、A/D、D/A及DSP处理于一体，将成为DSP发展的主要方向，是DSP厂商的主要增长点。 4. DSP技术与ASIC技术融合上 在DSP芯片中嵌入ASIC模块，进一步扩大DSP逻辑控制功能。 5. 代码兼容性上 将推出更新的、更强大的优化C编译器来适应不同型号的DSP代码生成，各种DSP的开发、加速、并行处理插件板也将大量涌现。 DSP的应用领域包括: 语音处理:语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。 图像/图形:二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人 视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。 军事;保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反 搜索等。 仪器仪表:频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。 7 DSP课程设计报告 自动控制:控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。 医疗:助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。 家用电器:数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏 等。 8 DSP课程设计报告 第二章 DSP 硬件设计 2.1 硬件设计任务 DSP 最小系统设计: 包括电源电路(含电源指示灯)，复位电路，时钟电路，JTAG 接口。DSP芯片为TMS320VC5402芯片，电源芯片为TPS76系列产品，复位电路使用MAX系列芯片，晶体频率选用10MHZ。 其他部分为: 1.存储器扩展 选用芯片型号:IC61LV6416，AM29LV800。 2. I/O 扩展--液晶显示电路 规格为 128*64像素 3. I/O 扩展—键盘接口电路 规格为 3*5矩阵式键盘 4. A/D 接口 标准串口TL16C550，ADS7864，或使用TLV320AIC23语音编解码芯片。 5(D/A 接口 标准串口TL16C550，DAC7625，或使用TLV320AIC23语音编解码芯片。 6(二次开发扩展4条总线 9 DSP课程设计报告 34针，同实验箱P1，P2，P3，P4，共4组 2.2 总体方案设计 2.3 主要电路原理图设计 TMS320VC5402 10 DSP课程设计报告 作为DSP家庭高性价比代表的16位定点DSP芯片，C5402适用于语音通信等实时嵌入应用场合。与其它C54X芯片一样，C5402具有高度灵活的可操作性和高速的处理能力。其性能特点如下:操作速率可达100MIPS;具有先进的多总线结构，三条16位数据存储器总线和一条程序存储器总线;40位算术逻辑单元(ALU)，包括一个40位桶形移位器和两个40位累加器;一个17×17乘法器和一个40位专用加法器，允许16位带/不带符号的乘法;整合维特比加速器，用于提高维特比编译码的速度;单周期正规化及指数译码;8个辅助寄存器及一个软件栈，允许使用业界最先进的定点DSP C语言编译器;数据/程序寻址空间为1M×16bit，内置4K×16bit ROM和16K×16bit RAM;内置可编程等待状态发生器、锁相环(PLL)时钟产生器、两个多通道缓冲串口、一个与外部处理器通信的8位并行HPI口、两个16位定时器以及6通道DMA控制器且低功耗。与C54X系列的其它芯片相比，5402具有高性能、低功耗和低价格等特点。它采用6级流水线，且当RPT(重复指令)时，一些多周期的指令就变成了单周期的指令;芯片内部RAM和ROM可根据PMST寄存器中的OVLY和DROM位灵活设置。这些都有利于算法的优化。 11 DSP课程设计报告 C5402采用3.3V和1.8V电源供电，其中I/O采用3.3V电源供电，芯片的核采用1.8V电源供电。而实际常用的只有5V电源，所以必须采用电源转换芯片。选用TPS7301和TPS7333两块电源转换芯片(它们都是TI公司为配合DSP而设计的电源转换芯片)，分别接上适当的外围电阻，构成电阻分压器，即可调整两块芯片的输出电压分别为3.3V和1.8V。 2.4 次要电路原理图设计 2.4.1 FLASH部分 12 DSP课程设计报告 2.4.2 RAM部分 2.4.3 复位电路部分 13 DSP课程设计报告 2.4.4 晶振部分 2.4.5 JTAG部分 2.4.6 四条总线 14 DSP课程设计报告 2.4.7 电源部分 最终电路板图见附录 15 DSP课程设计报告 2.5 PCB板的布线设计 系统规划 元件符号库 原理图设计 电气规则检查 元件封装 生成、校对与加载网络表 布局布线设计 元件模型库 PCB后分析 制作PCB 图2-1 PCB设计流程图 加载SPICE netlist与元件封装后，需将这些元件按一定规律与次序排列在电路板中。此时需要对PCB板进行布局。 在Protel 99SE中Tools/Auto Placement/Auto Placer命令有自动布局的功能，但自动布局的结果与我们实际需要的成品之间存在一定的差别。于是从经济和条件等角度出发，我采用了手工调整元件布局。 利用Edit/Select中的命令可以对元件进行选择、移动、旋转、删除、剪贴复制等操作。在电路板中的Keepoutlayer层给PCB板确定长度和宽度。 布局完成，确定好PCB板的大小后，对电路板进行布线。在自动布线前需要设置参数，设置是否合理直接影响到布线的质量和成功率。在Design/Rules命令下可以对自动布线的参数进行设置。 设置结束后，单击Route all按钮，开始PCB板的自动布线。最终布线结果 16 DSP课程设计报告 见附录。 2.6 硬件设计小结 在一周的硬件设计中，最为麻烦的就是对于芯片的获取。因为在整个设计的过程中，对于所使用的软件—Protel，因此使用起来没有任何的难度。所以硬件设计的关键就是要查找所使用的芯片的资料，包括芯片的功能、管脚及其定义、封装等等。因为我们所查找到的芯片资料几乎都是英文资料，而且涉及的专业词语较多，翻译比较困难。 第三章 DSP软件设计 3.1 软件设计任务 FIR低通滤波器设计， 设计参数如下: 通带边缘20Khz， 阻带边缘频率30Khz，阻带衰减50dB,采样频率80Khz。 3.2 软件设计流程图 17 DSP课程设计报告 3.3 实验步骤 1、启动CCS，打开工程，浏览程序:工程目录为 2、编译并下载程序。 3、打开观察窗口。 *选择菜单View—>Graph—>Time/Frequency„,进行如下设置: 18 DSP课程设计报告 *选择菜单View->Graph->Time->Frequency„,进行如下设置: 5(清除显示: 在弹出的图形窗口中单击鼠标右键，选择“Clear Display” 6.设置断点:在程序iir.c中有注释“break point”的语句上设置软件断点。 7.运行并观察结果: (1)选择”Debug”菜单的“Animate”项，或按F12键运行程序。 (2)观察“IIR”窗口中时域图形，观察滤波波形。 8(退出CCS 3.4 实验结果 19 DSP课程设计报告 20 DSP课程设计报告 第四章 设计小结 4.1 设计过程中遇到的问题和解决方法 在打开CCS过程中仿真没有波形，可能是USB驱动没有加载， Start Address的地址错误， 不能忘记检查break point的断点设置; 滤波器程序方面编写还存在较大问题，经过查阅资料，互动等基本完成设计要求。 4.2 心得和体会 这次的DSP课程设计总共花了三周时间，通过这三周的学习，学到了很多东西。学了DSP的理论知识和具体应用，也用仿真机做了实验，最后还做了个设计，时间安排的很紧密。通过这次的课程设计，我才真正明白之前所学课程的实际用途，可以把以前的几门课联系了起来，在这过程中遇到了不少困难，这过程也是痛苦的，学过的内容好多遗忘了，只能把书重新在看看原理，特别是滤波器部分，中的滤波器参数设计都忘了。 总体来说，我觉得像课程设计这种类型的作业对我们的帮助还是很大的，它将学过的相关知识系统地联系起来，可以通过实际的应用把各方面的知识联系起来。理论联系实际，从实践中发现错误，但也从中暴露出自身的不足，在今后的学习过程中我们会更加努力。 21 DSP课程设计报告 参考文献 1、王彦平、任延群、危胜军，《Protel 99电路设计》[M]，清华大学出版 社，2000年 2、董志刚，《Protel 99SE印制电路板设计教程》[M]，机械工业出版社，2006 年 22 DSP课程设计报告 附录 1 设计图 23 DSP课程设计报告 附录2 最终PCB板图: 24 DSP课程设计报告 附录3 Fir滤波器程序: #include "myapp.h" #include "ICETEK-VC5509-EDU.h" #include "scancode.h" #include #define FIRNUMBER 41 #define SIGNAL1F 1000 #define SIGNAL2F 4500 #define SAMPLEF 10000 #define PI 3.1415926 float InputWave(); float FIR(); float fHn[FIRNUMBER]={0.0159,0.0163,0.0158,0.0142,0.0117, 0.0081,0.0036,-0.0019,-0.0082,-0.0151, -0.0225,-0.0302,-0.0378,-0.0453,-0.0524, -0.0588,-0.0644,-0.0689,-0.0722,-0.0743,0.925, -0.0743,-0.0722,-0.0089,-0.0644,-0.0588, -0.0524,-0.0453,-0.0378,-0.0302,-0.0225, -0.0151,-0.0082,-0.0019,0.0036,0.0081, 0.0117,0.0142,0.0158,0.0163,0.0159 }; float fXn[FIRNUMBER]={ 0.0 }; float fInput,fOutput; float fSignal1,fSignal2; float fStepSignal1,fStepSignal2; float f2PI; int i; float fIn[256],fOut[256]; int nIn,nOut; main() { nIn=0; nOut=0; f2PI=2*PI; fSignal1=0.0; fSignal2=PI*0.1; fStepSignal1=2*PI/30; fStepSignal2=2*PI*1.4; 25 DSP课程设计报告 while ( 1 ) { fInput=InputWave(); fIn[nIn]=fInput; nIn++; nIn%=256; fOutput=FIR(); fOut[nOut]=fOutput; nOut++; /* break point */ if ( nOut>=256 ) { nOut=0; } } } float InputWave() { for ( i=FIRNUMBER-1;i>0;i-- ) fXn[i]=fXn[i-1]; fXn[0]=sin((double)fSignal1)+cos((double)fSignal2)/6.0; fSignal1+=fStepSignal1; if ( fSignal1>=f2PI ) fSignal1-=f2PI; fSignal2+=fStepSignal2; if ( fSignal2>=f2PI ) fSignal2-=f2PI; return(fXn[0]); } float FIR() { float fSum; fSum=0; for ( i=0;i