数字信号课程设计报告.docx

燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目： 台车的呼车控制 学院（系）： 电气工程学院 年级专业： 09级 仪表2班 学 号： 90103020077 学生姓名： 张鑫鑫 指导教师： 韩立强 教师职称： 讲师 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位：自动化仪表系学 号090103020077学生姓名张鑫鑫专业（班级）09级 仪表2班设计题目台车的呼车控制设计技术参数主处理芯片：tms320vc5509a；双核结构，处理速度400mps；2路10bit片上a/d接口；最小转换时间500ns;最大采样速率21.5khz;设计要求利用dsp5509实验箱采集多路信号进行信号混频叠加，并分析各路信号和混频后信号的频谱特性，得出结论。工作计划6月18日至19日，熟悉dsp5509实验箱基本结构功能，了解掌握模数转换部分工作原理及快速傅里叶变换程序实现过程；6月20日至21日编写程序实现基本设计要求，并整理分析得出结论；6月22日至28日结合实验数据图像，整理课设成果，撰写课程设计说明书；6月29日最终答辩，展示课设成果。参考资料 1、谢平、林洪斌信号处理原理及应用 机械工业出版社 20092、-评估板使用指导3、吴宏钢 基于dsp技术的虚拟式fft频谱分析仪 重庆大学学报 20044、张雄伟、曹铁勇 dsp芯片的原理及开发原理 电子工业出版社 2003指导教师签字谢平 吴晓光基层教学单位主任签字谢平说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2012年 6 月 29 日 燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：成绩： 指导教师： 谢平 吴晓光 2012年 6 月 29 日答辩小组评语：成绩： 组长： 2012年 6 月 29 日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：2012年 6 月 29 日燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书摘 要数字信号处理是随着计算机的发展而迅速发展起来的一门新兴学科，如今已广泛地应用于雷达、通信、声纳、遥感、生物工程、数字信号处理等各个领域。在计算机的到广泛应用的如今，对于自然界中各种模拟信号的处理，首先要通过ad转换成离散数字信号，便于计算机快速实时的处理。同时对于信号的处理不仅仅停留在时域上的分析，在工程应用中对于信号的频率分析显得尤为重要，通过对信号的频谱分析可以得出信号在时域中不能体现的特点，有助于工程中分析解决问题。关键字：数模转化 快速傅立叶变换 频谱分析目 录第一章 绪论 1第二章 vc5509a dsp实验箱简介 22.1 icetek dsp教学实验箱的特点和指标 22.2 icetek dsp教学实验箱的组成 32.3icetek dsp教学实验箱使用注意事项 3第三章 基于dsp系统的多路模拟转换ad及信号混频4 3.1 vc5509片内ad 控制方法 43.2 vc5509多路信号混频方法 43.3 vc5509dsp试验箱编程流程图 5第四章 基于dsp系统的快速傅立叶变换(fft)算法实现64.1 fft 快速傅里叶算法的原理和方法 64.2 vc5509dsp试验箱编程流程图 74.3 混合信号的频谱分析 7第五章 学习心得8参考文献 8程序清单 9 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第一章 绪论dsp（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。对信号进行频谱分析,可以得到信号的频率结构,了解信号的频率成分。这对于工程上确定信号产生的原因,对系统参数进行识别及校正、动态监测设备的状态等都是非常有用的。在dsp芯片出现之前,频谱分析是依靠模拟 滤波的方法来完成的,这类多通道滤波器式频谱 仪有一个明显的缺点,即提高频率分辨率和带宽,需要增加滤波器的数目,且制作符合要求的滤波器在工程上比较困难。数字信号处理技术的发展为频谱分析提供了新的解决方法, 其主要应用是实时快速地实现各种数 字信号处理算法。此次课程设计以vc5509 dsp 为系统控制和处理核心的实时信号频谱分析模块, 完成信号采集并进行快速傅立叶变换 ( f ft ) ,对信号进行频谱分析,然后将分析结果显示出来,完成数据的分析、显示、存储和 打印等操作, 可满足对一般机械振动、音频和其他 工程测试信号的频谱分析要求。第二章 vc5509a dsp实验箱简介本套 dsp 系统，为 dsp 教学和科研提供了一套整体解决方案。本套系统最大的特点就是模块化设计，既满足了目前教学的需要，又为将来产品的升级换代，做了技术上的考虑。同时这种模块化的设计可以应用到多个方面，比如： 1、 本科的 dsp 的实验教学； 2、 基于 dsp 应用的课程设计； 3、 基于 dsp 用于图象，语音，网络的毕业设计； 4、 基于 dsp 的研究生嵌入式系统的开发；2.1 icetek dsp教学实验箱的特点和指标由于该套实验系统主要由 4 部分组成，因此，这里分 4 部分来介绍该套系统。实验箱部分： 一个数字信号发生器，可同时提供四种波形、三路输出；信号的波形、频率、幅度可调。 频率调整：在每个频率段范围内进行频率调整。 波形切换：提供 4 种波形(方波，三角波，正弦波，白噪声)，可通过拨动开关进行选择。 幅值微调：03.3v平滑调整。 信号接插孔：4 路 a/d输入(adcin0-3)，4 路 d/a输出（dacout1-4） ，每路均提供信号和地。 多种直流电源输出。+5v(5a)，+12v(1a)，+9v(0.5a)，地。 底板提供插座，可使用插座完成 dsp 评估板上的 a/d信号输入和 d/a输出。 测试模块：提供 14 个测试点，可以测量 pwm 输出、ad输入和 da输出波形。 双信号发生器设计，更加贴近 dsp 的实际应用，许多实际的情况都是需要对两个信号进行相关分析。通用 dsp 开发系统部分： usb2.0 接口开发系统，支持 c2000/vc33/c5000/c6000 的开发应用。 支持 ccs。 通用开发系统和 dsp 控制板分离，有利于将来 dsp 的升级。同时，也可以脱离实验箱单独从事科研开发使用。通用控制模块部分： 显示输出： 液晶显示(lcd)：12864 点阵图形显示屏，可调整显示对比度。 发光二极管显示阵列：88 点阵。 发光二极管。 音频输出：可由 dsp i/o 脚控制的蜂鸣器；d/a输出提供音频插座，可直接接插耳机。 键盘：17 键数字键盘（标准 ps2 接口） 。 步进电机：四相步进电机，步距角 5.625，起动频率300pps，运行频率900pps，可由 dsp i/o 端口控制旋转和方向、速度。 直流电机：空载转速 3050 转/分，输出功率 1.35w，启动力矩 21.3n，可以接收 dsp 输出的 pwm 控制信号，实现电机的转速和方向控制。 拨动开关（dip） ：4 路，可实现复位和设置 dsp 应用板参数。dsp 主处理板部分： 支持：icetek-vc5416-a板、icetek-vc33-a板、icetek-vc5416-a板icetek-vc33-a板、 icetek-c6713-a 板、 icetek-lf2407-a板、 icetek-f2407-a板等。 2.2icetek dsp教学实验箱的组成 1箱盖：保护实验箱设备；保存教材、使用手册、实验指导书、各种实验用的连线；可拆卸，在实验中可从箱体上拆下。 2箱体：装载实验箱设备；左侧外壁上有一个标准外接电源线插孔；通过固定螺丝与实验箱底板连为一体。 3底板：固定各模块；提供电源开关、实验用直流电源插座、a/d d/a 输入输出插座、各模块直流供电插座、信号插座、信号源输出插座、测试点；实现显示控制模块和 dsp 评估板模块的信号互连。 4信号源：两组、三路输出，采用+5v电源供电；提供切换选择输出方波、三角波、正弦 波和白噪声，另可选择输出频率范围(10hz-100hz，100hz-1khz，1khz-10khz，10khz-30khz)，还可进行频率和幅度(0-3.3v)的微调。5仿真器模块：固定 icetek仿真器，支持 pp型和 usb 型；提供 pp型仿真器供电+5v电源插座；仿真器可从底板上拆下单独使用或更换。 6显示控制模块：通过信号线连接到底板；从底板提供的+5v和+12v直流电源插座输入电源；提供液晶图形显示(128x64 象素)，发光二极管阵列显示（8x8 点） （本功能为 v4.3 版本特有)，指示灯(12 只，分为红、黄、绿三种颜色)，四相步进电机，直流电机，键盘，蜂鸣器。显示控制模块可从底板上拆下更换。 7测试模块：提供对常用信号的测试点，其中有 pwm 信号(4 路，仅针对 dsp 系统为icetek-lf2407a-s60 实验箱)、模数转换信号、和数模转换信号，另外还包括两个地线(dgnd、agnd)。 8dsp 评估板模块：固定各种 dsp 评估板；提供+5v直流电源插座(两个位置)；34pin 信号线插座(4 个)，用于连接 dsp 评估板和实验箱底板。dsp 评估板模块可从底板上拆下更换。2.3icetek dsp教学实验箱使用注意事项 1拆卸各模块时请务必将实验箱总电源关闭； 2不使用显示/控制模块时将相关电源开关关闭；3220v交流电源线连接须牢靠，勿使发生虚接或接触不良，并保证良好地连接地线； 4实验箱底板上标称值不同的直流电源不能直接跨接； 5实验箱底板上直流电源不能直接跨接地线； 6不要直接连接电源和信号插座； 7显示/控制模块上的两个电源插座不要连接错误，上边插座为+12v，下面的为+5v； 8连接不同类型的插座时，请再三确认无误后进行； 9不要带电拔插各模块； 10不要带电拔插仿真器和 dsp 评估板上 jtag插头的连接电缆； 11如无特殊情况，请勿打开实验箱底板； 12不要带电拔插键盘插头； 13如遇实验箱冒烟等异常现象请立即关闭总电源，并查找原因。 第三章 基于dsp系统的多路模拟转换ad及信号混频3.1 vc5509片内ad 控制方法 tms320vc5509a 模数转换模块特性：- 带内置采样和保持的10 位模数转换模块adc，最小转换时间为500ns,最大采样率为21.5khz。- 2个模拟输入通道（ain0ain1）。- 采样和保持获取时间窗口有单独的预定标控制。模数转换工作过程：- 模数转换模块接到启动转换信号后，开始转换第一个通道的数据。- 经过一个采样时间的延迟后，将采样结果放入转换结果寄存器保存。- 转换结束，设置标志。- 等待下一个启动信号。模数转换的程序控制：模数转换相对于计算机来说是一个较为缓慢的过程。一般采用中断方式启动转换或保存结果，这样在cpu 忙于其他工作时可以少占用处理时间。设计转换程序应首先考虑处理过程如何与模数转换的时间相匹配，根据实际需要选择适当的触发转换的手段，也要能及时地保存结果。3.2 vc5509多路信号混频方法 模数转换工作过程：- 模数转换模块接到启动转换信号后，按照设置进行相应通道的数据采样转换。- 经过一个采样时间的延迟后，将采样结果放入ad 数据寄存器中保存。- 等待下一个启动信号。混频波形产生：将接收到的两路ad 采集信号进行相加，并对结果的幅度进行限制，从而产生混合后的输出波形。 3.3 vc5509dsp试验箱编程程序流程图第四章 基于dsp系统的快速傅立叶变换(fft)算法实现4.1 fft 快速傅里叶算法的原理和方法fft 的原理和参数生成公式：x(k)=r=0n2-1x1(r)wn2rk+wnkr=0n2-1x2(r)wn2rk =x1(k)+wnkx2(k)fft 并不是一种新的变换，它是离散傅立叶变换（dft）的一种快速算法。由于我们在计算dft 时一次复数乘法需用四次实数乘法和二次实数加法；一次复数加法则需二次实数加法。每运算一个x（k）需要4n 次复数乘法及2n+2（n-1）=2（2n-1）次实数加法。所以整个dft运算总共需要4n2 次实数乘法和n*2(2n-1)=2n(2n-1)次实数加法。如此一来，计算时乘法次数和加法次数都是和n2 成正比的，当n 很大时，运算量是可观的，因而需要改进对dft 的算法减少运算速度。根据傅立叶变换的对称性和周期性，我们可以将dft 运算中有些项合并。我们先设序列长度为n=2l，l 为整数。将n=2l 的序列x(n)(n=0,1,，n-1)，按n的奇偶分成两组，也就是说我们将一个n 点的dft 分解成两个n/2 点的dft，他们又重新组合成一个如下式所表达的n 点dft。一般来说，输入被假定为连续的。当输入为纯粹的实数的时候，我们就可以利用左右对称的特性更好的计算dft。x(k)=r=0n2-1x1(r)wn2rk+wnkr=0n2-1x2(r)wn2rk =x1(k)+wnkx2(k)我们称这样的rfft 优化算法是包装算法：首先2n 点实数的连续输入称为“进包”。其次n 点的fft 被连续运行。最后作为结果产生的n 点的合成输出是“打开”成为最初的与dft 相符合的2n 点输入。使用这一思想，我们可以划分fft 的大小，它有一半花费在包装输入o（n）的操作和打开输出上。这样的rfft 算法和一般的fft 算法同样迅速，计算速度几乎都达到了两次dft的连续输入。 4.2vc5509dsp试验箱编程流程图 4.2 混合信号的频谱分析对混频后的信号利用上述算法进行快速傅里叶变换从而得到信号的频谱图如下：ad0为0通道输入模拟信号，ad1为1通道输入模拟信号，mixing为两路输入信号经混频后的结果，fft为对混频后的信号进行快速傅里叶变换后的结果。由上图可知经混频后的信号频谱与原信号频谱的关系为：经混合后的信号的频谱为原信号在频率谱上的叠加。第五章 学习心得经过这几天紧张的课程设计，我从中学到以许多新的知识，从可设任务一分下来开始，我便投入到紧张的学习中，此次课程设计我的题目是基于dsp的多路信号混频与频谱分析，刚接触到这个题目，觉得这个应该是一个比较基础性的题目，紧密的联系了数字信号处理课程中的本质内容。可是对于dsp实验箱我还是初次接触，要是想在应用实验箱实现信号混叠和频谱分析还是有一定难度的。要想完成此次课设题目不仅