DSP任意波形信号发生器毕业设计.pdf

信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 1 页 共 31页 目目 录录 摘 要 2摘 要 2 Abstract 3 1 绪论1 绪论 4 1 1 概述 4 1 2 选题的目的 意义 4 1 3 选题的背景 5 1 4 本文所研究的内容 6 2 波形信号发生器的原理及方案选择2 波形信号发生器的原理及方案选择 7 2 1 任意波形信号发生器的原理 7 2 1 1 直接模拟法 7 2 1 2 直接数字法 7 2 2 任意波形发生器的设计方案 9 2 2 1 查表法 9 2 2 2 计算法 9 2 2 3 传统方法 10 3 基于DSP 5416 的任意波形信号发生器的软件设计3 基于DSP 5416 的任意波形信号发生器的软件设计 12 3 1 TMS320C5416 的开发流程 12 3 2 软件开发环境 13 3 3 任意波形信号发生器的软件编程 14 3 3 1 计算法实现波形输出 14 3 3 2 D A转换 15 3 3 3 波形控制及软件设计流程图 16 3 4 参数的设定 18 4 基于DSP 5416 的任意波形信号发生器的硬件设计4 基于DSP 5416 的任意波形信号发生器的硬件设计 20 4 1 TMS320VC5416 开发板 20 4 2 TMS320VC5416 实验箱的连接 23 4 3 波形信号发生器的硬件测试过程 23 5 任意波形信号发生器展望5 任意波形信号发生器展望 28 结束语结束语 29 致谢致谢 30 参考文献参考文献 31 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 2 页 共 31页 摘 要 摘 要 任意波形发生器是信号源的一种 它是具有信号源所具有的特点 更因它高的性能优 势而倍受人们青睐 信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号 各种波形 然后用 其它仪表测量感兴趣的参数 可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中 它不是测量 仪器 而是根据使用者的要求 作为激励源 仿真各种测试信号 提供给被测电路 以满 足测量或各种实际需要 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获得了 长足的发展 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 如果采用 多台信号发生器获得测量信号显然是很不方便的 因此需要任意波形发生器 Arbitrary Waveform Generator AWG 使其能够产生任意频率的载频信号和多种载波调制信号 目前我国已经开始研制任意波形发生器 并取得了可喜的成果 但总的来说 我国任 意波形发生器还没有形成真正的产业 并且我国目前在任意波形发生器的种类和性能都与 国外同类产品存在较大的差距 因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫 本文主要工作分为以下几个方面 首先 介绍研制任意波形信号发生器的目的 意义 背景 以及利用 CCS 仿真工具用软件实现任意波形信号发生器的的过程 之后 对硬件 的连接及测试结果作介绍 最后 简要的对任意波形信号发生器的未来作一下展望 关键词 DSP 任意波形信号发生器 DDS 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 3 页 共 31页 Abstract The Arbitrary Waveform Generator is one kind of the signal source it has the characteristics that there are the signal sources favored by people because of its high performance advantage The signal source provides the known signals needed for circuit under test mainly various kinds of waveforms then measure the parameter that is interested in with other instrument It is obvious the signal source is used and test testing while dealing with in various kinds of experiments it is not a measuring instrument but according to the request of user as encourage source emulation various kinds of test signal offer to the circuit under test in order to meet measurement or various kinds of actual needs With the application of the radio expansion against radio television radar communications the special signal generator is a considerable development It is perform of the carrier modulation diversification AM FM phase of the pulse modulation It is obviously very convenient if using multiple signal generators was measured signal so arbitrary waveform generator Arbitrary Waveform Generator AWG is required it can generate arbitrary frequency of the carrier frequency signal and various carrier modulation signal Our country has already begun to develop the Arbitrary Waveform Generator at present make the gratifying achievement But generally speaking the generator of Arbitrary Waveform Generator of our country has not formed the real industry yet And our country all have greater disparity with the foreign like product in the kind and performance of the Arbitrary Waveform Generator at present so step up seeming extremely urgent to the reseach of this kind of product The following is the main task of the article First I ll introduce the notion meaning and development history of AGW The next part is used the simulation software tools of CCS to achieve arbitrary waveform generator And then I ll introduce right hardware and connectivity test results Finally I ll prospect the arbitrary waveform generator for about future Keyword DSP Arbitrary Waveform Generator DDS 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 4 页 共 31页 1 绪论 绪论 1 1 概述 概述 信号源有很多种 包括正弦波信号源 函数发生器 脉冲发生器 扫描发生器 任意 波形发生器 合成信号源等 一般来讲任意波形发生器 是一种特殊的信号源 综合具有 其它信号源生成能力 因而适合各种仿真实验的需要 主要有这样的功能 1 函数功能 函数信号源是使用最广的通用信号源 它能提供正弦波 锯齿波 方波 脉冲波等波 形 有的还同时具有调制和扫频能力 众所周知 在基础实验中设计一种电路 需要验证 其性能 可靠性与稳定性 就需要给它施加理想的波形以辨别真伪 如可使用信号源的 DC 补偿功能对固态电路控制 DC 偏压电平 可对一个怀疑有故障的数字电路 利用信号源的 方波输出作为数字电路的时钟 同时使用方波加 DC 补偿产生有效的逻辑电平模式输出 观察该电路的运行状况 而证实故障缺陷的地方 总之 利用任意波形发生器这方面的基 础功能 能仿真基础实验室所必需的信号 2 任意波形 众所周知 在实际的电子环境所设计的电路在运行中 由于各种干扰和响应的存在 实际电路往往存在各种信号缺陷和瞬间变化的信号 如在设计之初没有考虑进去 有的将 会产生灾难性的后果 由于任意波形发生器特殊的功能 为了增强任意波形生成能力 它往往依赖计算机通 讯输出波形数据 在计算机传输中 通过波形编辑软件生成波形 有利于扩充仪器的能力 更进一步仿真模拟实验 同时由于编辑一个任意波形有时需要花费很长的时间和精力 并 且每次编辑的波形可能有所差异 一般会在任意波形发生器内配置一定数量的非易失性存 储器 可以把所需要的波形从计算机接口下载到任意波形发生器的存储器中 综上所述 不论是在生产还是在科研与教学上 任意波形发生器是电子工程师信号仿 真实验的最佳工具 随着我国经济和科技的发展 对相应的测试仪器和测试手段也提出了 更高的要求 而任意波形发生器已成为测试仪器中至关主要的一类 因此开发任意波形发 生器具有重大意义 1 2 选题的目的 意义 选题的目的 意义 任意波形发生器是信号源的一种 它是具有信号源所具有的特点 更因它高的性能优 势而倍受人们青睐 信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号 各种波形 然后用 其它仪表测量感兴趣的参数 可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中 它不是测量 仪器 而是根据使用者的要求 作为激励源 仿真各种测试信号 提供给被测电路 以满 足测量或各种实际需要 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 5 页 共 31页 目前我国已经开始研制任意波形发生器 并取得了可喜的成果 但总的来说 我国任 意波形发生器还没有形成真正的产业 任意波形发生器的种类和性能都与国外同类产品存 在较大的差距 因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫 1 3 选题的背景 选题的背景 任意波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号 并保证高精度 高稳定 性 可重复性和易操作性的电子仪器 任意波形发生器具有连续的相位变换 和频率稳定 性等优点 不仅可以模拟各种复杂信号 还可对频率 幅值 相移 波形进行动态 及时 的控制 并能够与其它仪器进行通讯 组成自动测试系统 因此被广泛用于自动控制系统 震动激励 通讯和仪器仪表领域 在 70 年代前 信号发生器主要有两类 正弦波和脉冲波 而函数发生器介于两类之 间 能够提供正弦波 余弦波 方波 三角波 上弦波等几种常用标准波形 产生其它波 形时 需要采用较复杂的电路和机电结合的方法 这个时期的波形发生器多采用模拟电子 技术 由分立元件或模拟集成电路构成 其电路结构复杂 且仅能产生正弦波 方波 锯 齿波和三角波等几种简单波形 输出的波形具有良好的相位噪声 较低的寄生分量以及较 快的开关速度等 但是模拟电路的漂移较大 使输出的波形的幅度稳定性差 而且模拟器 件构成的电路存在着尺寸大 价格贵 功耗大等缺点 并且要产生较为复杂的信号波则电 路结构非常复杂 同时 主要表现为两个突出问题 一是通过电位器的调节来实现输出频 率的调节 因而很难将频率调到某一固定值 二是脉冲的占空比不可调节 在 70 年代后 微处理器的出现 可以利用为处理器 A D 和 D A 硬件和软件是波 形发生器的功能扩大 产生更加复杂的波形 这时期的波形发生器多以软件为主 实质是 采用微处理器对 DAC 的程序控制 就可以得到各种简单的波形 例如 令微处理器的累 加器 A 自身循环增量 每增量一次即向 DAC 送出一个数 使 DAC 有一个输出 因为 当 A 的内容达到最大值 255 时 再增量一次 A 的内容就变为最小值 零 然后可以 继续增加 如此 周而复始 就可以从 DAC 输出获得一个正相的阶梯波 用同样的方法 还可获得方波 锯齿波 三角波等波形 软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频 率低 主要时由 CPU 的工作速度决定的 如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行 周期或提高 CPU 的时钟周期 但这些办法时有限度的 根本的办法还是要改进硬件电路 当时的信号处理的微处理器 时钟频率只有 1 2MHz A D 和 D A 一般在 8 位左 右 内部存储容量也很小 因此 能够产生正弦波的有效频宽不会超过 1MHz 要获得比 较平滑的低失真度的波形 重复频率不会超过 10KHz 用数字方法的函数发生器尚处于开 发阶段 正式的商品还不多 到了 1988 年 出现几种真正高性能 高价格的函数发生器 但是 HP 公司推出了型号为 HP770S 的信号模拟装置系统 它由 HP8770A 任意波形数 字化合成器和 HP1776A 波形发生软件组成 HP8770A 实际上也只能产生 8 中波形 而 且价格昂贵 不久以后 Analogic 公司推出了型号为 Data 2020 的多波形合成器 Lecroy 公司生产的型号为 9100 的任意波形发生器等 现代电子 计算机和信号处理等技术的发 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 6 页 共 31页 展 极大的促进了数字化技术在电子测量仪器的应用 使原有的模拟信号处理逐步被数字 信号处理所代替 从而扩充了仪器信号的处理能力 提高了信号测量的准确度 精度和变 换速度 克服了模拟信号处理的诸多缺点 数字信号发生器随之逐渐发展起来 目前任意波形发生器的基础就是直接数字合成技术 用存储器做查询表通过数字形式 存入的波形 由数 模转换器产生所需要的任意波形 1 4 本文所研究的内容 本文所研究的内容 对任意波形发生器的研制在国外已有报道 而国内在这方面报道较少 本论文的任务 是根据任意波形发生器的特点和应用情况 结合新一代高性能芯片 DSP5416 设计一种使用 简单 性能优良的任意波形发生器 该任意波形发生器能产生正弦波 方波 锯齿波等常 用的标准信号 整个系统采用 DSP5416 控制 论文主要研究在任意波形发生器设计时如何 合理地确定设计方案 以及在 DSP 开发板上硬件连接时需要注意的问题以及板上 port3003 端口按键的控制 还有软件的编程及仿真的问题 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 7 页 共 31页 2 波形信号发生器的原理及方案选择 波形信号发生器的原理及方案选择 2 1任意波形信号发生器的原理 任意波形信号发生器的原理 目前信号发生的主要实现方法由直接模拟法 直接数字法两种 2 1 1 直接模拟法 直接模拟法 OSC 可调衰减器 放大器 正弦波整形器 三角波发生器 比较器 输出 图 2 1 直接模拟法框图 这是传统函数发生器的简化基本结构 一般都是由自由振荡器产生原始波形 然后经 过转换电路将原始波形转换成其他波形 在上图中三角波是由振荡器产生的 方波是三角 波通过比较器转变而成的 正弦波是三角波通过一个波形整形电路 正弦波整形器 演变 而来的 所需要波形经过放大和衰减输出 显然这种方式产生的波形种类有限 每增加一 种波形 都要增加相应的转换电路 整个电路变得很复杂 最重要的是要产生用户所需要 的任意波形复杂的波形几乎不可能 12 2 1 2 直接数字法 直接数字法 直接数字法是采用直接数字合成 Direct Digital Synthesis 的方法实现信号产生 该 技术具有频率转换速度快 频率分辨率高 易于控制的突出特点 直接数字合成技术近年 来发展得很快 而要产生任意波形就必须采用直接数字很成技术 随着 DDS 技术的发展 出现了各种各样的直接数字合成的结构 但基本上可以分成两种 基于地址计数器的数字 频率合成法和基于相位累加器的数字频率合成法 12 1 基于地址计数器的直接数字合成法 1 结构框图 地址计数器 波形数据存储器D A 转换器 时钟 地址 波形 数据 输出波形 图 2 2 基于地址计数器的直接数字合成法 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 8 页 共 31页 这是一种最简单的直接数字很成方式 这种直接数字频率合成器的结构包括地址计数 器 存储器和 D A 转换器 2 工作原理 将波形数据存储于存储器中 而后用可程控的时钟信号为存储器提供扫描地址 与每 个地址相对应的数据则代表波形在等间隔取样点上的幅度值 数据被送至 DAC 从而产 生一个正比于其数字编码的电压值 每个电压值保持一个时钟周期 直至新的数据送至 DAC 经数模转换后得到所需要的模拟电压波形 在存储器里的数据产生的波形是对 取 样波形 的阶梯近似 假定地址计数器的时钟频率为 fc 波形一周期内有 n 个采样值 那么合成的波形频 率为 f fc n 2 1 如果改变地址计数器的时钟频率或 ROM 的地址步进大小 合成波形的频率都会随着 改变 而要改变波形 只要在只读存储器中写入不同的数据 2 基于相位累加器的直接数字合成法 1 结构框图 fc 时钟 相 位 累 加器 D A 转换 低通滤波 频 率 控 制字 k ROM 图 2 3 基于相位累加器的直接数字合成法结构框图 这种结构中主要由相位累加器 数据 ROM D A 变换器组成 它是种全新的直接数 字合成方式 2 工作原理 将要产生的波形数据存入波形存储器 然后在参考时钟的作用下 对输入的频率数据 进行累加 并且将累加器的输出一部分作为读取波形发生器的地址 将读出的波形数据经 D A 转换为相应的电压信号 D A 转换器输出的一系列的阶梯电压信号经过低通滤波后便 输出了光滑的波形信号 以合成正弦波为例 通常我们考虑一个正弦波时习惯使用正弦波 的幅度 时间表达式 S t Asin ax 2 2 正弦函数幅度的非线性使依据幅度产生任意频率的正弦波非常困难 但我们注意到 正弦波的相位是线性变化的 DDS 技术的关键就在于充分利用了正弦波相位线性变化这 一特性 在 DDS 芯片中 其核心部件是相位累加和 SIN 函数表 下面作简单介绍 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 9 页 共 31页 相位累加器 相位累加器在功能上说实质是一个 N 位快速可循环累加器 N 位的相位累加器在每 一个时钟来临时与频率控制所决定的相位增量 A 累加一次 计数大于 2N 时则自动溢 出 保留后面 N 比特的数字于累加器中 每当相位累加器计数满后 可自动循环重新累 加 所以输出相位可以保持连续变化 这就保证了输出正弦波的连续性 正弦函数相位 幅度转化表 Sine Look Up Table 相位累加器的输出是随时间不断线性变化的用 N 位二进制数表达的相位信息 相位 信息是无法直接利用的 必须设法把相位信息转换成幅度信息 在 DDS 技术中 人们把 对应于不同相位的 SINE 函数的幅度存储在 ROM 中 一般地 只要取相位累加器的高 A 位作为寻址信号 就完全可以满足精度的需要了 2 2 任意波形发生器的设计方案 任意波形发生器的设计方案 随着 DDS 技术的发展和高速数字处理器件 DSP 的出现 使得具有智能化 人性化 的操作平台 便于软硬件升级的模块化结构设计 具有多载波同时组合输出的能力等特点 的新型任意波形发生器的实现成为可能 本次设计主要是利用 DSP5416 开发板 ICETEK VC5416 AR S80 教学实验箱 采用 直接数字合成技术 DDS 来实现任意波形得产生 直接数字合成技术有三种基本的算法 查表法 计算法和传统的方法 4 14 17 2 2 1 查表法 查表法 查表法 即事先将需要输出的数据值计算好 存储在 DSP 的内部 RAM 中 然后依次 循环输出 从而产生周期波形 利用查表法来产生正弦波 就需要先产生一个正弦表 在 VC5416 的片内 ROM 中包含 有 256 字的正弦及余弦数据表 可以通过程序直接使用该表中的数据 由 D A 回放出正弦 波 但由于该表中数据量有限 得到的正弦波频率单一 就如 TI 公司的声明所述 芯片 ROM 中的内容可能在将来发生改动 这样不利于系统的兼容 有效的解决方法是使用自 己生成的正弦数据表 这样 不但可以解决频率单一的问题 还可以增加数据量 从而增 加精度 其缺点在于使用大量的存储空间 正弦表可以通过 MATLAB 模拟仿真后生成数据文件得到 也可以采用 2 2 2 中的办法 用计算的方法生成 查表法的优点是速度快 可以产生频率较高的波形 而且不占用 DSP 的计算时间 缺 点是需要占用 DSP 的内部的存储空间 尤其对采样频率比较大的输出波形 所需要占用 DSP 的内部的存储空间将更大 而 DSP 内部的存储空间毕竟有限 这样使得查表法的应 用场合十分有限 2 2 2 计算法 计算法 计算法 即采用计算的方法依次计算数据然后输出 计算法的优缺点正好和查表法相 反 其优点是不占用 DSP 的存储空间 可以根据信息随时改变或者调整输出的周期波形 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 10 页 共 31页 其缺点是占用 DSP 的计算时间 使得执行程序的开销增大 使用算法计算输出波形某点的 幅度编码值 如正弦波可通过泰勒级数展开得到 这种方法可直接精确地计算出每个角 度的波形值 所占用的存储空间小 但对于任意波形的输出 所需的算法较为复杂 系统 实时性也会受到影响 1 递推公式法 余弦信号的递推公式如下 cos nx 2cosxcos n 1 x cos n 2 x 2 3 首先 计算 cos nx 的值 然后使用 n 控制乘法和减法运算 产生信号 延时的 cos n 1 x 和 cos n 2 x 必须预先计算好 并存储在 DSP 存储空间 2 泰勒级数法 与查表法相比 该法具有节约存储空间 精度高等优点 而且展开的级数越多 失真 度就越小 但因其运算量较大 所以适用于对速度要求不严格的场合 一个角度为 的正弦和余弦函数 都可以展开成为泰勒级数 取其前五项进行近 似 3579 2222 sin 3 5 7 9 1 1 1 1 2 34 56 78 9 xxxx x xxxx x 2 4 2468 2222 cos1 2 4 6 8 1 1 1 1 23 45 67 8 xxxx xxxx 2 5 其中 为角度值 x为其对应的弧度值 x f 2 fs fs是采样频率 计算不同的角 度只需不断地变换 的值 且利用弧度与频率之间的关系很容易实现变频处理 调幅处 理则可将输出的离散波形值乘以相应的缩放因子得到 计算出x轴每一点对应的y值 然后 通过D A转换即可输出连续的正弦模拟信号 2 2 3 传统方法 传统方法 计算法 即采用计算的方法依次计算数据然后输出 计算法的优缺点正好和查表法相 反 其优点是不占用DSP的存储空间 可以根据信息随时改变或者调整输出的周期波形 其缺点是占用DSP的计算时间 使得执行程序的开销增大 最后介绍的是传统方法 即相位累加器PA在频率控制字的控制下 以参考时钟频率fC 为采样频率 产生待合成信号的数字线性相位序列 将其高位作为地址码寻址波形存储器 ROM 产生对应信号波形的数字序列 再由模数转换器DAC将其变换成阶梯模拟信号 最 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 11 页 共 31页 后由具有内插作用的低通滤波器LPF平滑为连续的正弦波形输出 利用DSP 芯片 TMS320VC5416 控制DDS 芯片 可以产生一个分辨率高 转换速度快 输出频谱纯的信 号 且具有调幅 调相 线性及非线性调频功能 本次设计主要是采用计算法 产生信号的波形 并通过实验板上的port3003端口的按 键实现控制波形输出的功能 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 12 页 共 31页 3 基于 DSP 5416 的任意波形信号发生器的软件设计 基于 DSP 5416 的任意波形信号发生器的软件设计 3 1 TMS320C5416的开发流程 的开发流程 当系统的硬件结构和处理算法基本确定 并选定了TMS320C5416作为核心处理器时 TMS320C5416 的应用软件开发主要完成以下的工作 首先是选择编程语言编写源程序 TMS320C5416提供2种编程语言 汇编语言和C 语言 对于完成一般性功能的代码 这2种语言都可使用 但对于一些运算量很大的关键 代码最好采用手工编写的汇编语言来完成 当源程序编写好后 就要选择开发工具和环境 对TMS320C5416提供有 2 种开发环 境 种是非集成的开发环境 另一种是集成开发环境Code Composer Studio 简称CCS CCS在Windows操作系统下运行 它集成了非集成开发环境的所有功能 并扩展了许多 其他的功能 若源程序为C语言 需调用TMS320C5416 C编泽器将其编译成汇编语言后 送 TMS320C5416汇编器进行汇编 对于用汇编语言编写的程序则直接送给汇编器进行汇编 汇编后产生coff格式的目标文件 再调用链接器进行链接 生成在TMS320C5416可执行 的coff格式的目标代码 并利用调试工具对可执行的目标代码进行调试 以保证应用软件 的正确无误并满足使用的要求 最后 如果需要 可调用Hex代码转换工具 将coff格式 的目标代码转换成EPROM编程器能接受的代码 将代码烧制进EPROM 开发流程图如下 C 源文件 C 编译器 汇编源文件 汇编器 COFF 目标文件 链接器 可执行 COFF 文件 调试工具 图 3 1 开发流程图 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 13 页 共 31页 其中 C编译器将C语言源代码转换成汇编语言源代码 汇编器将汇编语言源程序转 换成机器语言的COFF目标格式 链接器将由汇编器产生的可重新定位的COFF目标文件 结合起来形成单个可执行的COFF目标模块 在它生成可执行模块的同时 将符号放人存 储器的指定位置 并分辨对这些符号的所有引用 由于COFF在编写汇编语言程序时采用代码和数据块的形式 因此便于模块化的编程 这些代码和数据块称为段 所谓段 是指连续地占有存储空间的 个数据或代码块 汇编 器对段的处理就是通过段伪指令区分出各个段 并将段名相同的语句汇编在一起 链接器 的功能之 是将段重新定位到目标系统的存储器空间中 该功能称为定位或分配 1 3 2软件开发环境 软件开发环境 CCS Code Composer Studio 是一个完整的 DSP 集成开发环境 也是目前最优秀 最 流行的 DSP 开发软件之一 CCS 最早是由 GO DSP 公司为 TI 的TMS320C6000 系列 开发的 后来 TI 收购了 GO DSP 并将 CCS 扩展到其它系列 现在所有的 TI DSP 都 可以使用该软件工具进行开发 只是只有 TMS320C5000和 TMS320C6000 的 CCS 中才 能提供 DSP BIOS 功能 CCS 一般工作在两种模式下 软件仿真器和与硬件开发板相结合的在线编程 前者可 以脱离 DSP 芯片 在 PC 机上模拟 DSP 的指令集与工作机制 主要用于前期算法实现 和调试 后者实时运行在 DSP 芯片上 可以在线编制和调试应用程序 在 CCS 下 开发者可以对软件进行编辑 编译 调试 代码性能测试 profile 和项 目管理等所有工作 除此之外 它还提供了实时分析和数据可视化功能 大大降低了 DSP 系统的开发难度 使开发者可以将精力集中在应用开发上 CCS 包含的主要功能有 集成可视化代码编辑界面 可直接编写 C 汇编 H 文件 CMD 文件等 集成代码生成工具 包括汇编器 优化 C 编译器 连接器等等 基本调试工具 如装入执行代码 out 文件 查看寄存器窗口 存储器窗口 反汇 编窗口 变量窗口等 支持 C 源代码级调试 支持多 DSP 调试 断点工具 包括硬件断点 数据空间读 写断点 条件断点 使用 GEL 编写表达式 等等 探针工具 probe points 可用于算法仿真 数据监视等 剖析工具 profile points 可用于评估代码执行的时钟数 数据的图形显示工具 可绘制时域 频域波形 眼图 星座图 图象等 并可自动刷 新 使用 Animate 命令运行 提供 GEL 工具 令用户可以编写自己的控制面板 菜单 从而方便直观地修改变量 配置参数等 支持 RTDX Real Time Data eXchange 技术 利用该技术可在不中断目标系统运行的 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 14 页 共 31页 情况下 实现 DSP 与其他应用程序 OLE 实现数据交换 开放式的 plug ins 技术 支持其它第三方的 Active 插件 支持各种仿真器包括软 仿真 只需安装相应的驱动程序 提供 DSP BIOS 工具 DSP BIOS 是 CCS 提供的一套工具 它本身仅占用极少的CPU 资源 DSP BIOS 提供底层的应用函数接口 可用于支持系统实时分析 使用线程来管理 程序 管理硬件中断 调度软件中断 周期函数 Idle 函数 利用该工具可增强对代码的 实时分析能力 如分析代码执行的效率 调度程序执行的优先级 方便管理或使用系统资 源 代码 数据占用空间 中断服务程序的调用 定时器使用等等 从而减少开发人员对 硬件资源熟悉程度的依赖性 2 3 3 3任意波形信号发生器的软件编程 任意波形信号发生器的软件编程 计算法实现波形的输出首先要根据一个数学公式 然后经过用C或者是汇编语言的编 写产生需要转换的数值 最后经过D A转换后将数字的信号转换为模拟的电压信号输出 产生最终的波形 3 3 1 计算法实现波形输出 计算法实现波形输出 计算法实现波形信号的输出可由泰勒级数的公式实现 在第二章的泰勒级数中已经做 过介绍 也可以有定义一个数组公式 利用DSP的实时读出数据来产生波形 正弦数组公式 sinx for n 0 n 256 n tab n int 0 01 m 2048 2047 sin 2 PI n 256 3 1 tabx n int 0 01 m 2048 2047 sin 2 PI n 256 方波数组公式 fangbo for n 0 n 128 n tab n int 0 01 m 4095 tabx n int 0 01 m 4095 3 2 for n 128 n 256 n tab n 0 在这些数组中 DSP器件实时的读出数组每次所产生的数据 经过D A转换以后 产 生模拟的电压 从而达到波形的输出 采用泰勒级数法产生正弦波的过程可用下图来表示 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 15 页 共 31页 复制得到 0 2 的值 循环输出数据 再利用倍角得到 2 0的值 Sin2 2sin cos 得到0 2的值 0 4正弦计算 0 4余弦计算 图3 2泰勒级数法产生正弦波框图 4的弧度为0 78540时 波形选择变量A值加1 当SW2键由1 0时 波形选择变量A值减1 A 0时为正弦波 A 1时为方波 A 2时为余弦波 当k 1时 通过改变开发板上的按键SW1和SW2来改变幅度值 当SW1键由1 0时 幅度变量m值加 1 当SW2键由1 0时 幅度变量m值减 1 当k 2时 通过改变开发板上的按键SW1和SW2来改变波形的频率 当SW1键由1 0时 波形频率变量f值加1 当SW2键由1 0时 波形频率变量f值减1 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 17 页 共 31页 当k 3时 通过改变开发板上的按键SW1和SW2来改变波形的相位 当SW1键由1 0时 波形相位变量p值加1 当SW2键由1 0时 波形相位变量p值减1 K值的选择有键盘上的SW4 SW5键来选择 当SW4键由由1 0时 k值减1 当SW5键由由1 0时 k值加1 在本程序的配置文件中 可以设置程序存储器的起始地址为0c00h 取名为EN ROM 数据存储器的起始地址为60h 取名AN RAM 另一数据存储器的起始地址为1400h 取名 为DN RAM 软件流程图如下 否 是 否 是 是 否 调用调频子程序 调幅 产生正弦波 调频 波形选择 产生方波 开 始 调用调幅子程序 调相 调用调相子程序 产生锯齿波 D A 接口 图 3 4 软件设计流程图 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 18 页 共 31页 3 4参数的设定 参数的设定 程序编写之后 需要对CCS的几项运行指标进行设置 1 在OPTION选项中点击Customize 其中的Program Project Load中有一项Load Program After B 选中该选项 如下图 表示C语言源程序Build完之后将自动生成汇 编语句 若不生成汇编语句 则汇编器将无法产生COFF目标文件 图 3 5 指标设定对话框 2 在Project选项中点击Build Option 对其中的Linker选项进行设置 包括堆栈 大小和程序入口地址 如下图 图 3 6 Build Option 对话框 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 19 页 共 31页 以下为程序编译之后的CCS界面 图 3 7 编译结果 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 20 页 共 31页 4 基于 DSP 5416 的任意波形信号发生器的硬件设计 基于 DSP 5416 的任意波形信号发生器的硬件设计 4 1 TMS320VC5416开发板 开发板 为了缩短软 硬件的开发调试时间 采用 TI 公司推出的 TMS320VC5416 的 ICETEK VC5416 AR 开 发 板 作 为 主 开 发 平 台 TMS320VC5416结 构 如 下 图 所 示 ICETEK VC5416 AR板提供了一个并行接口平台 可供 TMS320VC5416 的开发人员对 TMS320VC5416进行应用测试和设计参考 图 4 1 DSP54X 教学开发实验系统框图 M c B DSP C5416 NAND K9F5608UOA FLASH 39VF400A USB RESET CONTROL DAC CODEC TLV320AIC23 LCD Stereo In Stereo out M c B Address Data Key Switches Microphone CPLD XC95144 LED DC MOTOR STEP MOTOR AD DA RS232 JTAG 3 3V 1 6 1 8V power TPS73HD301 Expand bus 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 21 页 共 31页 ICETEK VC5416 AR具有以下特性 主处理芯片 TMS320VC5416 运行速度为 160M 低功耗设计 工作速度可达 160MIPS 片内 RAM 存贮空间 128K 16Bit 扩展的 6 路 12bitA D 接口 ADS7864 最大采样速率 500K 2 路的 TLC7528 D A 转换 100K S 8Bit UART 串行接口 符合 RS232 标准 8M bit 扩展 FLASH 存储大量固化程序和数据 设计有用户可以自定义的开关和测试指示灯 4 组标准扩展连接器 为用户进行二次开发提供条件 具有 IEEE1149 1 相兼容的逻辑扫描电路 该电路仅用于测试和仿真 5V 电源输入 内部 3 3V 1 6V 电源管理 4 层板设计工艺 工作稳定可靠 具有自启动功能设计 可以实现脱机工作 可以选配多种应用接口板 包括图象板 网络板等 ICETEK VC5416 AR 评估板接口说明实物图如下 图 4 2 ICETEK VC5416 AR 实物图 本次设计主要是用到U20 6位波动开关输入 8位用户可控指示灯D3 D10 DSP5416 芯片和D A转换器TLC7528 5 1 U20 6位波动开关输入 USER SW U2 SW1 SW6 6 个用户开关输入 可以用作 DSP 的输入信号 软 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 22 页 共 31页 件可以读取它的状态 当开关处于断开状态 即 OFF 状态时 开关输出高电平 DSP 读 到逻辑 1 而当开关处于连通状态 即 ON 状态时 开关输出低电平 DSP 读到逻辑 0 2 8位用户可控指示灯D3 D10 用户指示灯 在板上有 8 个可编程的指示灯 分别为 D3 D10 这 8个指示灯的开 关可以由 VC5416 编程控制 3 DSP5416芯片 TMS320VC5416是一个优秀的16 bit定点DSP系列 在工程界得到广泛的应用 4 D A转换器TLC7528 TLC7528C 是双路 8 位数字 模拟转换器 内部具有各自单独的数据锁存器 其特 性包括两 DAC 非常精密的一致性 数据通过公共 8 位输入口转送至两 DAC 数据锁存 器的任意一个 控制输入端 DACA DACB 决定哪一个 DAC 被装载 器件的装载周期与 随机存取存储器的写周期类似 能方便地与大多数通用微处理器总线或端口相接口 器 件的工作电压 5V 至 15V 功耗小于 15MW 典型值 2 或 4 象限的乘法功能使该器 件成为许多微处理器的增益设置和信号控制的良好选择 它可工作于电压模式 与电流输 出相比较 更适合于电压输出 TLC7528C 的工作温度范围从 0 至 70 TLC7528 与 TMS320VC5416A 的连接 由于 TMS320VC5416没有数模转换输出设 备 采用外扩数模转换芯片的方法 在ICETEK VC5416 AR 板上选用的是 TLC7528 TLC7528 的转换寄存器被映射到了 DSP 的I O 空间 地址是 0 x1000 0 x1001 在 TLC7528 的输出端 为了增加输出功率 经过一级运放再输出到板上插座上 16 其硬件连接图如下所示 模拟信号输出 数字信号输入 DATA ADDR CTRL VC5416 TLC7528 BUS 图 4 3 硬件原理图 波形输出 P2 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 23 页 共 31页 4 2 TMS320VC5416实验箱的连接 实验箱的连接 1 连接电源 打开实验箱 取出三相电源连接线 将电源线的一端插入实验箱外部左侧箱 壁上的电源插孔中 确认实验箱面板上电源总开关 位于实验箱底板左上角 处于 关 的 位置 连接电源线的另一端至 220V 交流供电插座上 保证稳固连接 2 使用电源连接线连接各模块电源 确认实验箱总电源断开 连接 ICETEK CTR 板上边 插座到实验箱底板上 12V 电源插座 ICETEK CTR 板下边插座到实验箱底板上 5V 电源 插座 如使用 PP 并口 型仿真器 则连接仿真器上插座到实验箱底板上 5V 电源插座 连接 DSP 评估板模块电源插座到实验箱底板上 5V 电源插座 注意各插头要插到底 防 止虚接或接触不良 3 连接 DSP 评估板信号线 当需要连接信号源输出到 A D 输入插座时 使用信号连接 线分别连接相应插座 4 接通电源 检查实验箱上 220V 电源插座 箱体左侧 中保险管是否完好 在连接电源线 以后 检查各模块供电连线是否正确连接 打开实验箱上的电源总开关 位于实验箱底板 左上角 使开关位于 开 的位置 电源开关右侧的指示灯亮 4 3 波形信号发生器的硬件测试过程 波形信号发生器的硬件测试过程 在第三章中 对C语言开发的波形信号发生器的软件仿真已经完成 在这一部分主要 是介绍硬件的仿真 1 设置 Code Composer Studio 2 21 在硬件仿真 Emulator 方式下运行 注意 在安装CCS 驱动时要和CCS安装在同一目录下 否则CCS驱动将不识别 USB 接口 2 启动 Code Composer Studio 2 21 3 1 下载程序 执行 File Load Program 在随后打开的对话框中选择刚刚建立的 C ti My project Debug zhouyuming out 文件 单击打开后将会出现以下界面 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 24 页 共 31页 图 4 4 程序烧入芯片界面 4 Debug Run 命令 此时实验箱上的指示灯显示1101 1110 代表此时k 0 可以改变波形 5 使用观察窗口 执行 View Graph 出现以下界面 图 4 5 图形仿真设置 济南大学毕业设计用纸 信息学院 电升 0503 周玉明 20051207011 毕业设计 第 25 页 共 31页 设置好参数以后进行仿真出现正弦函数图像 图 4 6 正弦波 这个波形的产生是通过计算法 逐点的读出波形 最后经过D A转换后输出形成的正 弦波 在本例中如果是采用泰勒级数法产生波形时 但是由于DSP5416是16位定点的DSP 器件 在用泰勒级数产生正弦波时 当运算到 2 1 11 12x 时 DSP5416可能产生溢 出 从而不能产生波形 要想解决这种情况 必须采用更高性能的DSP芯片 提高其运算 能力 在这个阶段可以当6键设置为1时 在k 0的时候 可以通过改