（生物医学工程专业论文）基于dsp的信号发生器与心电信号的频谱分析.pdf

查! ! 垄兰堡主兰堡垒圭 一垒堡! ! 堡垒! 三 t h e s i g n a l g e n e r a t o ra n dt h e s p e c t r u m a n a l y s i s o f e l e c t r o c a r d i o g r a p h b a s eo nd s p a b s t r a c t t h es i g n a lg e n e r a t o ri sa p p l i c a t o ri nc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o la r e a sw i d e l y w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g y , t h ec a p a b i l i t y o ft h e s i g n a lg e n e r a t o r i s e x p e c t e dt o b es t r o n g e gt h eh i g h e s tb a n dw i d t ha t t a c ht o16 0 m h z ，t h i sb a n d w i d t hi s e n o u g h f o rm i x i n gf r e q u e n c y t h es ig n a l g e n e r a t o rw a sc o n s t r u c t e db ya n a l o g e l e c t r o n i cb e f o r e19 8 0 t h e f a c t i o nw a sl i m i t e d n o ww i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em a e l s t r o m ，t h es i g n a lg e n e r a t o r s w i t c ht od i g i t a l t h ec o n s t r u c t i o nb e c o m e sc o m p l i c a t e t h em o s to f t h e m i sc o n s t r u c t e d d i ed i g i t a lh a r d w a r et h e r ea r el i t t l ed e s i g n e dw i t hs o f t w a r e m yw o r ki sa t t e m p tt o d e s i g ni t a n dp e r f o r m a n c et h es p e c t r u ma n a y s i so t e l e c t r o c a r d i o g r a p hw i t hd s p 姆 s o f t w a r et h es t r o n g p o i n to ft h i sd e s i g nc a ns h o r t e nt h ep e r i o do fd e s i g nt i m ea n d s t r o n g e ra d a p t a b i l i t y d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) c h i p sw e r e f i r s tu s e di ni 9 8 0 ，a n ds i n c et h e n t h e y b r o u g h tan e wr e v o l u t i o ni n i n d u s t r i a ld e s i g nf i e l d d s ph a sb e c o m eaf o u n d m i o n a l c o m m e n to ft h ep r o d u c ti nc o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e r , e l e c t r o n i ca n ds oo n t h eh i g h p r o c e s s i n gs p e e d ，t o wp o w e rd i s s i p a t i o na n ds m a l lv o l u m ep r o v i d ea n e w w a yf o rt h e p r o d u c t i nt h i sd e s i g np r o c e s s ，is u c c e s s f u lr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eh o s t c o m p u t e ra n dt h ee v m b o a r do ft m s 3 2 0 c5 4 0 9w i t ht h er t d xf u n c t i o no fd s p a n dg a i nt h es i g n a l1w a n t k e y w o r d ：t h es i g n a lg e n e r a t o r ；d s p ；r t d x i i i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：随簿 日 期：2 叩争李上芦2 6 目 东北大学硕士学位论文 第一章前言 第一章前言弟一早月i j 甬 1 1 信号发生器的历史发展及应用 信号发生器在通信、控制领域有着广泛的应用，它主要用作激励信号源。在 1 9 8 0 年以前，信号发生器全部属于模拟方式，借助电阻电容，电感电容、谐振腔、 同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形【lj 。频率的变动由机械驱动可变元 件，如电容器或谐振腔来完成，往往调节范围受到限制，因而划分为音频、高频、 超高频、射频和微波等信号发生器。随着无线电应用领域的扩展，针对广播、电 视、雷达、通信的专用信号发生器亦获得发展，表现在载波调制方式的多样化， 从调幅、调频、调相到脉冲调制【2 j 。1 9 8 0 年以后，数字技术日益成熟，信号发生 器绝大部分不再使用机械驱动而采用数字电路，从一个频率基准由数字合成电路 产生可变频率信号i j 】。 现在的信号发生器设计有以下几种方法： ( 1 ) 模拟直接合成法充分利用乘法器、除法器、混频器、滤波器和快速开关， 构成合成信号发生器。它的缺点是带宽不够高，性能差【4 。 ( 2 ) 间接数字合成法采用数字电路代替模拟合成法的锁相环，减小了多次倍乘和 滤波所需的设置时间，使频率设置时间降低到几! - ts 。间接数字合成法还可获得非 整数n 的分频，即分数n 的频率合成( n r o m d a t a ： r o m b s s ： r a m 这样，t e x t 段就放在了程序空间的r o m 段，即将其放在了程序空间以1 0 0 0 h 开始的存储空问，b s s 段则放在了数据空间以l o o h 丌始的空间嘶1 。 2 3 3d s p 语言的选择 图2 8 所示的是d s p 程序开发流程图，在c c s 环境下开发工程既可以选择c 语言又可以选择汇编语言，或者是c 语言和汇编语言混合编程。使用这两种语言 编程各有千秋，也都有不足。用c 语言开发的程序可读性好，移植性较高，编程 简单，可以缩短开发周期，但是其效率还是同汇编语言无法相比，不能最佳合理 的利用d s p 芯片提供的各种资源，如t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 提供的循环寻址，而且c 语 言对硬件的控制也不如汇编语言方便。汇编语言编程效率很高，但是编程繁琐， 耗时，对于速度要求高的系统必须采用汇编编程。c 语言和汇编语言混合编程可以 兼顾开发周期和系统效率的要求，但二者相互之间调用时必须注意变量的保护， 以保证程序不出问题。 由于本设计既要进行各种信号波形参数的计算又涉及目标机与主机的数据通 信，所以既要考虑到运算的快速性，又要考虑到与主机的接口，所以采用c 语言 与汇编语言的混合编程。 在各种波形设计中，由于涉及到大量的运算，为了提高运算速度，采用汇编 语言编程。在目标机的主程序设计中，考虑到它与上层软件的接口和与主机进行 数据通信，采用c 语言来编写。 1 6 东北大学硕士学位论文 第二章开发背寻简介 图2 8d s p 软件开发瀛程留 f l g t 芷e2 。8t h ef l o wg r a p ho fd s p s o f z w a r e 1 7 东北大学硕士学位论文 第二章开发背景简介 2 4m a t l a b 简介 m a t l a b 名字是由m a t r i x 和l a b o r a t o r y 两个词的前三个字母组合而成的。它 是m a t h w o r k s 公司于1 9 8 2 年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件。被 誉为“巨人肩上的工具”。由于使用m a t l a b 编程运算与人进行科学计算的思路 和表达方式完全一致，所以不象学习其它高级语言一如b a s i c 、f o r t r a n 和c 等那 样难于掌握，用m a t l a b 编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题，所以又 被称为演算纸式科学算法语言。一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模 和系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形于一个便于使用的集成环境 中。在这个环境下，对所要求解的问题，用户只需简单地列出数学表达式，其结 果便以数值或图形方式显示出来。m a t l a b 的含义是矩阵实验室( m a t r i x l a b o r a t o r y ) ，主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。 m a t l a b 自问世以来，就是以数值计算称雄。m a t l a b 进行数值计算的基本单位是复 数数组( 或称阵列) ，这使的m a t l a b 高度“向量化”。经过十几年的完善和扩充， 现已发展成为线性代数课程的标准工具。由于它不需定义数组的维数，并给出矩 阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、 控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所 不能比拟的。美国许多大学的实验室都安装有5 f i a t l a b 供学习和研究之用。在那 里，m a t l a b 是攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具。m a t l a b 中包括了被称作工具箱( t o o l b o x ) 的各类应用问题的求解工具。工具箱实际上是 对m a t l a b 进行扩展应用的一系列m a t l a b 函数( 称为m 文件) ，它可用来求解各 娄学科的问题，包括信号处理、图像处理、控制系统辨识、神经网络等。随着m a t l a b 版本的不断升级，其所含的工具箱的功能也越来越丰富，因此，应用范围也越来 越广泛，成为涉及数值分析的各类工程师不可不用的工具。m a t l a b 5 3 中包括了图 形界面编辑g u i ，改变了以前单一的“在指令窗通过文本形的指令进行各种操作” 的状况。这可让使用者也可以象v bv cv jd e l p h i 等那样进行般的可视化的程 序编辑。在命令窗口( m a t l a bc o m m a n dw i n d o w ) 键入s i m u l i n k ，就出现( s i m u l i n k ) 窗口。以往十分困难的系统仿真问题，用s i m u l i n k 只需拖动鼠标即可轻而易举地 解决问题，这也是近来受到重视原因所在。“。 1 8 东北大学硕士学位论文 第二章开发背景简介 表2 1m a t i a b 的绘图命令 t a b i e2 1t h ep i o tc o m m a n do fm a t l a b 命令禽义 p l o t 建立向量或矩阵各队队向量的幽彤 i o g l o gx 、y 轴都取对数标度建立图形 s e m l l o g xx 轴用于对数标度y 轴线性标度绘制图形 s e m i t o g yy 轴用于对数标度，x 轴线性标度绘制到形 t i t l e给幽形加标题 x l a b e i 给x 轴加标记 y l a b e l 给y 轴加标记 把x t 谯图形指定的位置i ：) j l l 文本字符串 g t e x t 臼鼠标的位置k j 3 1 文本字符串 g r i d 扣。开网格线 表2 1 给出了绘图的几个函数。 p l o t 的基本调用格式 t = 0 ：0 0 0 1 ：1 0 ： y 2 s i n ( t ) ； p l o t ( t ，y ) ； 1 9 查! ! 垄兰堡主兰堡笙查 笙三兰茎叁笪茎篁坌 图2 9 用p l o t ( t ，y ) 所绘制的正弦波图形 f i g u r e2 9t h es i n ew a v eg r a p hp l o t t e db yp l o t ( t ，y ) 波的图形y = s i n ( 1 0 + t ) ； c = y + y ； p l o t ( t ，y ，r ：，t ，y b ) 一2 0 东北大学硕士学位论文 第二章开发背景简介 图2 1 0 用p l o t ( t ，r ：。，t ，y b ) 命令所绘制的正弦波 f i g u r e2 1 0t h es i n ew a v eg r a p hp l o t t e db yp l o t ( t ，y ，r ：1 ，t ，y b ) 比较一下前后的差别。本设计中的所绘制图形频率范围变化大，所以调用p l o t ( x ，y r ) 以便于能清晰的显示所绘的图形。 对於特殊波形的函数，可用f p l o t 来进行较精确的绘图，f p l o t 的基本调用格式： s u b p l o t ( 2 ，2 ，1 ) ，f p l o t ( h u m p s ， o1 ) s u b p l o t ( 2 ，2 ，2 ) ，f p l o t ( a b s ( e x p ( - j + x + ( o ：9 ) ) 4 0 n e s ( 1 0 ，1 ) ) ， o2 4 p i 】) s u b p l o t ( 2 ，2 ，3 ) ，f p l o t ( 。 t a n ( x ) ，s i n ( x ) ，c o s ( x ) ，2 + p i + - l1 - l1 】) s u b p l o t ( 2 ，2 ，4 ) ，f p l o t ( s i n ( 1 ，x ) ， 0 0 lo 1 】，1 e 一3 ) 2 1 东北大学硕士学位论文 第二章开发背号简介 图2 1 1 用四种f p 】o t 调用方式所绘制的四种图形 f i g u r e2 f o u rg r a p ho f f o u rt r a t l s f e rf u n c t i o no f f o l o t 产生个种信号以后一个重要的任务，是通过设计创建用户图形界面，将所产生的 波形在显示器上显示出来口”。 用户界面是人，即用户与计算机或计算机程序的接触点或交互方式，是用户与 计算机进行信息交流的方式。计算机在屏幕显示图形和文本，若有扬声器还可产 生声音。用户通过输入设备，如：键盘、鼠标、跟踪球、绘制板或麦克风，与计 算机通讯。用户界面设定了如何观看和如何感知计算机、操作系统或应用程序。 通常，多是根据悦目的结构和用户界面功能的有效性来选择计算机或程序。 图形用户界面或g u 是包含图形对象，如：窗口、图标、菜单和文本的用户界 面。以某种方式选择或激活这些对象，通常引起动作或发生变化。最常见的激活 方法是用鼠标或其它点击设备去控制屏幕上的鼠标指针的运动。按下鼠标按钮， 标志着对象的选择或其它动作。 由图形命令生成的每一事物是一个图形对象。图形对象不仅包括u i m e n u 和 u i c o n t r o l 对象，而且还包括图形、坐标轴和他们的子对象。让我们从另一个角度 来看这一层次结构。计算机的屏幕本身是根结点，图形是根对象的子对象，坐标 2 2 东北大学硕士学位论文 第二章开发背景简介 轴，u i m e n u ，u i c o n t r o l 是图形的子对象。 根可以包括多个图形，每个图形含有一组或多组坐标轴以及其子对象每个图 形也可以有一个或多个与坐标轴无关的u i m e n u 和u i c o n t r o l 。虽然u i c o n t r o l 对象 无子对象结点，但他们确实具有多种类型。u i m e n u 对象常将其它的u i m e n u 对象作 为其子对象，其结构示意图如图2 1 2 所示。 本设计显示图形的界面就是采用g u i 来建立的，具体的步骤将在第四章做详细 地介绍。 商0 千 圈 幽2 1 2g u i 对象层次结构图 f i g u r e2 1 2t h es t r u c t u r eg r a p ho fo b j e c ta r r a n g e m e n t 菜单 在每一个窗口系统中使用菜单让用户选择命令和选项。通常在显示屏或窗口的 顶部有一菜单条。移动鼠标指针到菜单标志上按下鼠标按键，顶层菜单就被选中， 一列菜单项就从菜单标志拉下来。这种款式菜单就叫下拉式菜单。按下鼠标将指 针移动至菜单项并松开鼠标，则完成菜单项的选择。m s w i n d o w s 和一些xw i n d o w 系统平台还提供另一种选择菜单的方法。在顶层菜单上按下并松开鼠标，或称单 击鼠标，则打开下拉菜单。然后，移动鼠标指针至下拉菜单项再次单击鼠标，就 选择菜单项。在下拉菜单中选择一项就引起动作的发生。 一个菜单项还可用自己的菜单项列表而作为子菜单。子菜单项在子菜单的标志 右边显示小三角或箭头以表示菜单还有更多子菜单项可供选择。如果子菜单的菜 单项被选择，另一个具有更多菜单项的菜单显示在此菜单的右边的下拉菜单中。 2 3 东北大学硕士学位论文 第二章开发背景简介 有时这种菜单称之行走菜单。选中其中一个菜单项也引起某些动作的产生。 子菜单可以嵌套，但层次的数目受到窗口系统及有用资源的限制。 控制框 在各计算机平台上，窗口系统都采用控制框和菜单，让用户进行某些操作，或 设置选项或属性。控制框是图形对象，如图标、文本框和滚动条，它和菜单一起 使用以建立用户图形界面，称之为窗口系统和计算机窗口管理器。 m a t l a b 控制框，又称u i c o n t r o l ，与窗口管理器所用的函数十分相似。它们是 图形对象，可以放置在m a t l a b 的图形窗中的任何位置并用鼠标激活。m a t l a b 的u i c o n t ro l 包括按钮、滑标、文本框及弹出式菜单。 由m a t l a b 生成的u i c o n t r o l 对象在m a c i n t o s h 、m s w i n d o w s 和xw i n d o w 系统 平台上，有稍微不同的外观，因为窗口系统表达图形对象的方法是不同的。但是， 功能本质是相同的，所以相同的m a t l a b 编码将生成同样的对象，它在不同平台 完成同样的功能。 u i c o n t r o l 由函数u i c o n t r o l 生成。 m a t l a b 使用方便，简单易懂，而且他还具有和t i 的d s p 丌发系统接口的功 能，可以把d s p 作为目标板并与之建立数据通道，进行主机与目标板的通信 非常适用于本系统的界面设计l l 。 2 4 东北大学硕士学位论文第三章系统开发的原理与相关算法 第三章系统开发的原理及相关算法 3 1 信号发生器 本设计提供了在通信或仪器系统中最常用的信号是正弦波、三角波、方波。 3 1 1 波形的产生原理 3 1 1 1 正弦波的产生 有两种方法即查表法或泰勒级数展开法，查表法所需要的存储器容量很大， 而泰勒级数展开法需要的存储单元少，而且精度高。所以这旱采用泰勒级数展开 法。 - + n n n o 的正弦函数可以展开成泰勒级数，取其前五项进行近似，如下式 所示： xxx x x ( 1 一两( 1 一硒( 1 一面( 1 一面) ) ) ) 式( 3 1 ) 由式( 3 1 ) 求得o 到9 0 。的s i n 值( 间隔为1 4 0 7 ) 。然后通过复制，获 得0 到2 f t 的一个周期内的所有正弦值。重复向p a 口输出，便可得到正弦波。 31 1 2 三角波的产生 三角波的产生是由式( 3 2 ) 式( 3 2 ) 求出0 至1 ，r 4 的值。然后通过复制，获得0 到2 石的一个周期内的所有值。重 复向p a 口输出，便可得到三角波。 3 1 1 3 方波的产生根据所要求的占空比，比如1 ：4 ，则在1 4 周期里根据1 4 周 2 5 ，。可 + ，茁可 一 ，x百 + ，。丁 一x | 日n 东北大学硕士学位论文 第三章系统开发的原理与相关算法 期的所含的采样点个数重复向p a 口输出值为波形的高电平的幅值的数据，在剩下 的3 4 周期里根据3 4 周期里的采样点数，再重复向p a 口输出值为波形的低电平 的幅值的数据，这样就得到方波的一个周期的所有值。在重复向p a 口输出就得到 方波的波形。 3 2 心电信号的频谱分析 心电信号的频谱图是利用数字信号处理的方法来分析心电信号，他把e c g 的时 域信息转换为频率域的信息，从中提取频域的特征参数，从频域的角度分析某些 心脏疾病找出心脏病人的特征性改变。 3 2 1 功率谱的推导 因为心电信号表现出的周期性，这里只取心电信号的个周期作为采样，其 中心电信号记为x ( n ) ，f ( 国) 为其傅立叶傅立叶变换，h ( 甜) 为其幅频特性，0 ( c o ) 为 其相频特性 f ( 。) = h ( ) e 7 。“ 其功率谱g ( 珊) 由式( 3 3 ) 求得 g ( ) ：f ( ) f + ( 国) ：1 日( ) i 2 f ( c o ) 为f ( 珊) 的共轭函数式( 3 3 ) 由于d s p 芯片的大量使用，以及f f t 算法的提出，使得频谱分析方便而且快 速 9 1 。这里给出基于d s p t m s c 5 4 0 9 所得到的心电信号的一个周期的时域图及其功 率谱图，其中的功率谱是通过2 5 6 点的f f t 运算得到的。其所用到的算法将在3 3 3 节中作详细介绍，程序设计和硬件实现将在第四章中再详细说明。 3 3 基一2 的f f t 算法 快速傅立叶变换( f f t ) 是离散傅立叶变换( d f t ) 的一种快速高效算法。f f t 使 d f t 的运算大大简化，运算时间一般可以缩短一二个数量级。 设x ( n ) 为n 点有限长序列，其d f t 为 型= !址 ( 女) = x ( ”) 。 k = 0 1 ，n l式( 3 4 ) 一2 6 东北大学硕士学位论文第三章系统开发的原理与相关算法 3 3 1 算法原理 先设序列的长度为，l 为整数。如果这个条件不满足，可以人为的加上若干个 零值点。 将 v ：2 的序列x ( n ) ( n = o 1 ，n 一1 ) 先按n 的奇偶分成两组 x ( 2 r + 1 ) 一2 ( ，) r = l 2 ，n 2 - 1式( 3 5 ) 则可将d f t 化为 琊) = d 聊删= 薹砌) 缈n 。k 式中w 一叩 z ( t ) = d f r ( x ( n ) = x ( ”) 缈。 式中 e ，= e 1 “。 = 警。矽+ 矽墨吖杪2 。r k = 乏x 。( ，) 矽+ 矽：”芝1 ：驴) 。 由于，2 ，r k = p - j 2 x n 2 r k = e1 2 2 “2 m = 矿：，：则上式可表示成 x ( t ) = x 。( 尼) + 矽：( j j ) 式( 3 6 ) 其中x 。( k ) 及x2 ( k ) 分别是x 。( r ) 和x ：( r ) 的n 2 点d f t z 。( t ) = x ；( r ) 。r k ，： 式( 3 7 ) ：( i ) = x ：( r ) 。r k ，2 式( 3 8 ) 由( 3 ) 式可以看出，一个n 点d f t 已分解成两个n 2 点的d f t , 但x ( k ) 及x ，( k ) 都是n 2 点的序列，而x ( k ) 去0 n n 点，所以用( 3 ) 式只能得 到x ( k ) 前一半项数的结果，为了得到x ，( k ) 及x ( k ) 所标示的下半的结果，就 一2 7 缈 n堆 东北大学硕士学位论文第三章 系统开发的原理与相关算法 应用到系数的周期性，即 w “= w 7 ( 。+ ”72 ) 这样町得到 z 。( n 2 + k ) 。萎。( 咿 同理可得 x 2 ( n 2 + k ) = 2 ( 女) 再考虑到的对称性 。r ( n 2 + k ) = n 萎2 - 1 。r k 一 式( 3 9 ) wt “+ ”：w “7 2 w ：一w nnn n 所以后半部分x ( k ) ( k = 1 2 ，n 2 ) ： x ( k + n 2 ) = j ( + n 2 ) 一矿：j ：( t ) 这样，只要求出0 至r ( n 2 1 ) 区间的所有x ( k ) 及x ( k ) 的值，即可求出0 到( n 一1 ) 区间的x ( k ) 所有的值。 同理，由于= 2 “，因此n 2 仍是偶数，可以进一步把每个n 2 点的子系列再 按奇偶部分分解为两个n 4 点的子系列。 依此类推，逐级分解下去，最后剩下2 点d f t 。详细的推算过程，这里就不多 作介绍，这里只给出推算的结论以及算法。 二 算法的特点 f f t 的运算可以用图3 1 所示的蝶形图表示 一2 8 东北大学硕士学位论文 第三章系统开发的原理与相关算法 x 。l ( k ) x 耐( j ) 图3 1 蝶形图 f i g u r e3 1t h eb u t t e r f l yg r a p h 每个蝶形机构完成式( 3 1 2 ) 和式( 3 1 3 ) 运算： z 。( ) = x 。一l ( 女) + x 。( ，) 渺j 式( 3 1 2 ) x k ) x 捌) ( j ) = x( k ) 一x( ，) 矽式( 3 1 3 ) ( 1 ) 位运算 可以看出，某- - y u 的任何两个节点k 和j 的节点变量进行蝶形运算后，得 到的结果为下列k j j 两节点的节点变量，而和其他节点变量无关，因此可以采 用原位运算。也就是蝶形的两个输出值仍放回蝶形的两个输入所在的存储器中。 每列的n 2 个蝶形运算全部完成后，再开始下一列的蝶形运算。这样存储数据 只需n 个单元。下一级的运算仍采用这种方法，只不过进入蝶形结的组合关系 有所不同。这种原位运算结构可以节省存储单元。 ( 2 ) 倒位序规律 在f f t 运算中，它的输出x ( k ) 是按正常顺序排列在存储单元中，而输入序 列x ( n ) 则是按倒位序排列的。造成倒位序的原因是输入x ( n ) 按标号n 的奇偶的 不断分组而造成。为了得到倒位序的排列，我们可以通过变址运算来完成，如 果输入的序列号的二进制数表示为( n n ，) ，则其倒位序的二进制数为 ( n ：”，n 。) 。在t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列的汇编语言中有专门的位翻转寻址，就 可以实现倒位序。 ( 3 ) 蝶形运算两节点的距离 一2 9 东北大学硕士学位论文 第三章系统开发的原理与相关算法 对于n = 2 “点的f f 。r 当输入为倒位序，输出为自然顺序时，其第m 级运算，每 个蝶形的两个节点间距离为2 ”。 ( 4 ) w ：中的r 的确定 r 的求解方法：把( 9 ) 式中，蝶形运算两节点中的第一个节点标号值，即k 值 表示成l 位二进制数；把此二进制数乘上2 “，即将此二进制数左移l m 位， 把右边空出的位置补零，此数即为所求r 的二进制数。 ( 5 ) 存储单元 由于是原位运算，只需有输入序列x 【n ) 的n 个存储单元， 加上系数的n 1 2 个存储单元 2 9 】。 f f t 程序有以下几个部分组成： ( 1 ) 位码倒置程序； ( 2 ) 第一级蝶形运算； ( 3 ) 第二级蝶形运算； ( 4 ) 第三级至第l o g n 级的蝶形运算； ( 5 ) 求功率谱及输出程序。 3 0 东北大学硕士学位论文 第四章系统设计及仿真结果 第四章系统的设计及仿真结果 4 1 设计构想 信号发生器的信号源由d s p 目标机产生，而由主机展示各种波形，心电信号是 存储在目标机罩，经过f f t 的运算传送到主机，而目标机也需要接收主机的控制 信号来运行，这就要求主机和目标机进行数据通信。本设计采用的就是在实时数 据交换技术基础( r t d x ) 上的程序设计。r t d x 可以理解为一个时分复用的全双 工数据通道，在这个过程中，计算机被称为主机，d s p 被称为目标机。r t d x 可 以实现主机与目标机之间的数据通信，而不占用d s p 的有用资源，是一种辅助性 的程序设计。为了f f t 计算的方便，里面的数据采样都是2 5 6 点。 在主机对信号的处理采用软件m a t l a b ，m a t l a b 的软件包集成了r t d x 的接 口，它可以直接访问c c s 的r t d x 数据通道，这种访问是建立在o l e 技术上的。， 所以也可以用作主机端数据处理软件( 9 j 。 r t d x 的数据通信框图如图4 1 所示： 计算机主机； 丽煎j 图4 1 数据通信框图 f i g u r e4 1t h eg r a p ho f d a l ac o m m u n i c a t i o n 3 1 东北大学硕士学位论文第四章系统设计及仿真结果 4 2 程序设计 4 2 1 主机的程序设计 主机的程序是基于m a t l a b 的g u i 界面进行没计的，分为以下几个步骤完成： ( 1 ) 新建一个m a t l a b 的g u i 窗口，在这个窗口中放置一个坐标轴，八个命令 按钮，这八个按钮分别是，f 弦波，三角波，方波，心电波形，f 弦波频谱，三 角波频谱，方波频谱，心电频谱，这八个按钮用于执行程序，坐标轴用于显示接 收到的r t d x 数据。 ( 2 ) 使用g u i 的方法建立用户界面，m a t l a b 为这个用户界面自动生成一个同 名的s i g n m 文件，进入到这个s i g n m 文件中可以为这几个按钮编写相应的脚码程 序。 ( 3 ) 在s i g n m 文件的开头声明一个全局变量h o b j e c th a n d l e t o p u s h b u t t o n l ( s e e g c b o ) ，用于访闷界面中的各个对象。 ( 4 ) 在各个命令按钮下的回调函数中编写向目标机传送及接收数据的程序。 这些程序设计包含以下过程：创建一个r t d x 对象，并将这个对象与相应的通道 相连接；对这个通道写入数据或从中读出数据：关闭这个通道。 在本设计中，这些按钮的脚码程序编写中主机向目标机传送的数据是控制字 ( 3 2 位) ，返回的是2 5 6 点的数据( 1 6 位) 。 现在只列出一个按钮的脚码程序 f u n c t i o np u s h b u t t o n l c a l l b a c k ( h o b j e c t ，e v e n t d a t a ，h a n d l e s ) h o b j e c t h a n d l et op u s h b u t t o nl ( s e e ( g c b o ) e v e n t d a t a r e s e r v e d - t ob ed e f i n e di naf a t u r ev e r s i o no fm a t l a b h a n d l e ss t r u c t u r ew i t hh a n d l e sa n du s e rd a t a ( s e eg u i d a t a ) h _ t x t = h a n d l e st x t l ； c c 2 c c s d s p ； t i m e o u t _ m s g = t i m e o u t ： n o d a t a _ m s g = nm o r ed a t ai sa v a i l a b l e e r r m s g = n a n ； h o s tt r a n s m i td a t at ot a g e t i n d a d a = l ； r t d x i c h a n = e c r t d x ；创建数据发送通道 3 2 东北大学硕士学位论文 第四章系统设计及仿真结果 r t d x i c h a n e n a b l e o p e n ( r t d x i c h a n , i n c h a n ，w ) ； w h i l e ( i s e m p t y ( f i n d s t r ( t i m e o u t _ m s g ，e r r m s g ) ) ) t r y r e a dd a t af r o mr t d xo c h a n w r i t e m s g ( r t d x _ i c h a n , i n c h a n i n t 3 2 ( i n d a t a ) ) ；发送数据 s e t ( h _ t x t , s t r i n g , t r a n s m i t s t l c c c e s s ) ； c a t c h e r r m s g = l a s t e r r ； d i s p ( n o d a t a _ m s g ) b r e a k ： e n d e n d c l o s e ( r t d x i c h a n , i n c h a n ) ； h o s tr e c e i v ed a t af r o m t a r g e t r t d x o c h a n = c c r t d x ； r t d x _ o c h a n ，e n a b l e ； o p e n ( r t d x o c h a n , o c h a a ，r ) ； w h i l e ( i s e m p t y ( f i n d s t r ( t i m e o u t _ m s g ，e r r m s g ) ) ) t r y r e a dd a t af r o mr t d xo c h a n 关闭数据通道 脆0 建数据接收通道 打开数据接收通道 d a t a = r e a d m s g ( r t d x _ o c h a n ，o c h a n , f l o a t , 【1 ，2 5 6 ) ；接收数据 s t e m ( d a t a ) s e t ( h _ t x t , s t r i n g , r e c e i v es u c c c e s s ) ； c a t c h e r r m s g = l a s t e r r ； d i s p ( n o d a t a _ m s g ) b r e a k ； e n d e n d c l o s e ( r t d x _ o c h a n , i n c h a n ) ； 关闭数据通道 x - 0 ，2 5 5 ； y = d a t a ； p l o t ( x ，y ，r - ) ； 图形显示 3 3 东北大学硕士学位论文 第四章系统设计及仿真结果 以上为正弦波的演示和控制程序，别的程序与它相似，这里就不作介绍 4 2 2 目标机程序设计 r t d x 的程序设计有以下几个部分： 42 2 1 主程序设计 这个程序是由c 语言编写的，文件包含了r t d x h 的头文件，这个头文件中定义了 r t d x 的a p i 函数：还有s i g n l h 定义了m 及波形产生的函数，程序调用那个子函 数是由接收主机的数据( 即控制字) 来决定的，并将产生的新数据通过定义的的 数掘通道传送回主机。 在主程序里，根据从主机接收到的控制字来决定调用那个信号的产生函数 下图即为用控制字控制波形输出的是程序框图： 3 4 东北大学硕士学位论文第四章系统设计及仿真结果 图4 2 主程序结构框图 f i g u r e4 2t h es t r u c t u r eg r a p ho fm a i np r o g r a m s i n r 一正弦波子函数 s i n 正弦波频谱子函数 s q u h e c r 三角波子函数 方波子函数 心电图子函数 控制字 t r 一 三角波频谱子函数 s q u 方波频谱子函数 h 广心电频谱子函数 一3 5 鲁硇 墨! ! 垄兰堡主堂堡笙查 苎! 兰垒塾堡! 墨竺查竺兰 4 2 2 2 产生波形信号的子函数的程序设计 正弦波 f 弦波是直接通过计算得出一个采样周期的值，其中频率的控制在主程序中 设定，岜的程序如下： m m r e g s ，d e f s t a r t r e fs i n x ，dx s ，ds i n x s i nx ：u s e c t ”s i nx ”2 5 6 s 1 1 a c ku s e c t ”s 1 a c k ”，1 0 kt h e t a s e t0 1 9 2 h p a 0s e t0 s t a r t ： t e x t s s b xc m p t s t m 考 s t a c k + 1 0 ，s p s t mkt h e t a a r 0 s t mo + a r l s t m # s i nx a r 6 s t m # 6 4 b r c r p t bl o o p l 1 l d m a r l ，a l d # dx s ，d p s t l a ， dx s c a l ls i n x m a r + a r l + 0 l o o p l ：s t m # s i nx + 6 3 ，a r 7 s t m # 6 2 ，b r c r p t bl o o p 2 - 1 l d4 a r 7 一a s t l a + a r 6 + l 0 0 p 2 ：s t m # 1 2 8 、b r c s t m # s i nx a r 7 r p t bl o o p 3 1 睬样点t h e t a = p i 1 2 8 先取1 4 周期的采样点 求取采样点的值 按偶对称把的第一个i 4 周期的值复 f # 0 n 第二个1 4 周期 把前半个周期采样点的值按奇对称复制 i i 至：l j 后半个周期 3 6 东北大学硕士学位论文 第四章系统设计及仿真结果 l 0 0 p 3 l o o p 4 l d * a r 7 + a n e g a s t la 4 a r 6 + s t m # s i nx a r 6 s t m 社1 a r 0 s t m 牟1 0 2 4 b k p o r t w + a r 6 + 0 p a 0 bl o o p 4 s i n x ： d e f dx s ，ds i n x d a t a t a b l es w o r d0 1 c 7 h w o r d0 3 0 b h w o r d0 6 6 6 h w o r d1 5 5 6 h dc o e fs u s e c t ”c o e fs ”4 dx su s e c t ”s i nv a r ”1 d _ s q u r _ x s u s e c t ”s i n _ v a r , l d _ t e m p s u s e c t ”s i n _ v a t , 1 ds i n x u s e c t ”s i nv a t ”1 c1 u s e c t ”s i n v a l e ”1 t e x t s s b xf r c t s t m # dc o e fs a r 5 r p t 撑3 m v p d # t a b l es + a r 5 + s t m 拌dc o e fs a r 3 s t m# dx s a r 2 s t m # c1 a r 4 l d 撑dx s d p s t 群7 衄1 cl s q u a + a r 2 + a s ta 4 a r 2 求取s i n 值的函数 l ( 8 * 9 ) 1 ( 6 4 7 ) 1 ( 4 + 5 、 1 ( 2 + 3 ) x 2 = p 3 7 东北大学硕士学位论文第四章系统设计及仿真结果 i l d + a r 4 ，b m