基于DSP正弦信号发生器设计.doc

基于dsp正弦信号发生器设计摘要：提出了一种基于tms320c5402实现正弦信号发生器的设计原理与方法，介绍了所设计的正弦信号发生器硬件电路结构和软件程序流程图。结合dsp硬件特性，通过使用泰勒级数展开法得到设定参数的正弦波形输出，达到设计目的。该信号发生器弥补了通常信号发生器模式固定，波形不可编程的缺点，其具有实时性强，波形精度高，可方便调节频率和幅度、稳定性好等优点。关键词：数字信号处理器；信号发生器；多通道缓冲串行口；独立键盘 随着计算机技术的飞速发展，对信号发生器波形的要求越来越高。目前，常用信号发生器大部分是由模拟电路构成，当这种模拟信号发生器用于低频输出时，由于需要较大的rc值，导致参数准确度难以保证，且造成体积和功耗偏大，而数字式波形发生器，因其输出幅值稳定、输出频率连续可调的优点，已逐渐取代了模拟电路信号发生器。由于其运算速度高，系统集成度强的优势，可以设计基于dsp的正弦信号发生器，该发生器实时性强、可扩展性好、波形精度高、可调节频率和幅度、稳定性好、用途广泛，各方面均优于模拟信号发生器和数字信号发生器。因此，本文提出了一种基于tms320c5402的正弦信号发生器的设计方法。1 系统硬件设计11 系统硬件框图 该正弦信号发生器的硬件结构框图如图1所示，主要由tms320c5402芯片，da转换器，独立键盘等几部分组成。12 tms320c5402简介 tms320c5402芯片采用先进的修正哈佛结构，片内有8条总线、在片存储器和在片外围电路等硬件，同时还有高度专业化的指令系统，具有功耗小、高度并行等优点。此外，其支持c语言和汇编语言混合编程，高效的流水线操作和灵活的寻址方式使其适合高速实时信号处理。13 数模转换部分设计 mcbsp(multi-channel buffered serial)即多通道缓冲串口，包括一个数据通道和一个控制通道。数据通道通过dx引脚发送数据、dr引脚接收数据。控制通道完成的任务包括内部时钟的产生、帧同步信号的产生、对这些信号的控制以及多通路的选择等。此外还负责产生中断信号送往cpu，产生同步事件信号通知dma控制器。控制信息则是通过控制通道以时钟和帧同步信号的形式传送。 数模转换芯片采用tlc320ad50c，其是ti公司出品的一块将ad和da转换功能集成在一起的接口芯片，采用-技术在低系统成本下实现高精度的ad和da转换。该芯片由一对16 bit同步串行转换通道组成，在ad之后有一个抽取滤波器，在da之前有一个插值滤波器。 tlc320ad50c可以与tms320c5402 dsp的mcbsp无缝串行连接进行数据采集、存储和处理。sclk输出时钟，ms主从模式选择(h为高电平，为主机模式)，din串行输入，dout串行输出，fs帧同步信号输出，对应dsp的各相应引脚。mcbsp和da芯片的硬件电路连接如图2所示。14 独立键盘的设计 本信号发生器采用独立键盘作为人机接口部分，即各个按键相互独立，按下相应的按键，就能输出对应幅度和频率的正弦波。 图3所示为中断方式工作的独立式键盘的连接图，每个按键各接一根io接口线，每根io接口线上的按键都不影响其它的io接口线。因此，可以通过检测io的电平状态判断出哪个键按下。这4个独立按键分别接hd0hd3口，并且使用4个220 的上拉电阻接vcc。 当没有按下键时，对应的io接口线输入为高电平，当按下键时，对应的io接口线输入为低电平，则请求中断int1。而在读键时，每一个键的状态通过读入键值的高低电平来反应。在中断服务程序中通过执行判键程序，判断是哪个键按下，从而设置对应的幅度和频率，执行产生正弦波形的程序。 独立式键盘的电路配置灵活、软件简单。但每个按键要占用1根io接口线，在按键较多时，io接口线浪费较大。故在按键数量不多时采用这种方法，本系统采用4个独立按键，而dsp芯片有足够的io接口可供使用，设计时可以充分利用这一特点来连接硬件，至于对按键时抖动的消除可在软件中完成。使用中断，可提高cpu的效率，实现资源共享和并行处理，同时也可以在芯片运行过程中对突发故障做出及时发现和处理。2 系统软件设计21 正弦波形产生原理 常见产生正弦波的方法有6种：(1)采样回放法；(2)实时计算法；(3)查表法；(4)查表结合插值法；(5)数值迭代法；(6)泰勒级数展开法。 采样回放法容易实现，但系统的扩展性差，且并没有充分利用dsp的数据计算处理能力。实时计算法需要花费较多时间，只能产生较低频率的正弦波，而且存在计算精度与计算时间的矛盾。查表法的精度受表的大小影响较大，表越大精度越高，但是存储量也越大。查表结合插值法亦称混合法，用它产生的正弦波达不到理想的精度。数值迭代法较难编写出清晰的程序来。泰勒级数展开法是一种有效的方法，与查表法和查表结合插值法相比，该方法需要的存储单元很少，而且精度更高。一个角度为的正弦和余弦函数，展开成5项泰勒级数如下 式中，x为的弦度值，正弦波的波形可以看成是由无数个点组成，这些点与x轴的每个角度值相对应，利用dsp可大量重复计算的优势来计算出x轴每一点对应的y值，然后通过da转换即可输出连续的正弦模拟信号。22 变频调幅的方法 (1)16位定时模块。 c5402 dsp芯片片内定时器是一个软件可编程的计数器，它包括以下3个16位存储器映射寄存器：定时寄存器tim，定时器周期寄存器prd和定时控制寄存器tcr。片内定时器中，4位的预定标计数器psc和16位定时计数器tim组成一个20位的计数器，定时器每个cpu时钟周期减1，每次计数器减到0将产生定时器中断(tint)，同时psc和tim重新载入预设的值。定时器中断tint的速率可由式(3)计算。 (2)变频调幅实现方法。 调幅的实现相对简单，只需在所有采样值前乘以一个调幅因子a1就可得到相应的正弦波幅值a。而调频的实现必须依赖于c5402芯片内的16位定时器。dsp芯片不断向da芯片送出采样值，然后经模数转换后可在示波器上观察到连续的正弦波形。先预设要产生的正弦信号频率为f，根据正弦波生成原理可知，向da送出采样值的间隔，即向da送值的周期t1=tn(n为采样点数)，那么向da送值的频率为f1=nf，即向da送值的频率是期待产生的正弦波信号频率的n倍。 因此，为了能够调节产生正弦信号的频率，实际上改变向da芯片送值的频率即可。而改变向da芯片送值的频率就得用到c5402芯片内的16位定时器。根据式(3)将需要的频率值换算成prd内的初值和tddr的初值，并将该初值分别置入prd和tddr。23 软件设计 软件系统采用模块化结构设计，主要包括dsp主程序，中断程序和键盘驱动程序。dsp系统的主程序流程图如图4所示。先对系统进行检测、配置mebsp端口等，开启中断调用键盘驱动程序读取键值并处理，进入中断后根据相应的键值设置相应的信号参数，并通过da转换，产生不同幅度、频率的正弦波。 中断程序流程图如图5所示。首先根据键盘的按键值选择已设置好的正弦波的幅度与频率，然后按以下步骤执行：(1)计算045的正弦和余弦值；(2)利用正弦函数倍角公式sin2x=2sinx cosx，计算090的正弦值；(3)通过复制，获得0359的正弦值；(4)将0359的正弦值重复输出，便可以得到正弦波。 在ccs开发环境下编程，通过仿真器将程序下载到dsp芯片中，选择不同的按键产生相应的中断，即可在示波器中观察到相应的正弦波形。所产生的波形具有精度高，幅值稳定的特点，同时具有较强的实时性和灵活性。3 结束语 dsp芯片具有的特殊软硬件结构和指令系统，使其能高速处理各种数字信号处理算法。基于此设计的正弦信号发生器具有速度高、