2015-2016-1DSP实验指导书

实验指导书 数字信号处理DSP CPU挂箱型教学实验系统TMS320VC5509第一章 实验系统介绍一、系统概述DSP CPU挂箱主要用于插接不同的CPU模块，可以扩展DSP CPU模块，挂箱的CPU和扩展模块基于Techv总线设计，目前支持的CPU模块有：TMS320VC5402、TMS320VC5409、TMS320VC5410、TMS320VC5416、TMS320LF2407、TMS320F2812、TMS320VC5509、TMS320C6726等。挂箱上除CPU模块外，还有基本试验电路及系统扩展电路，可单独完成大部分的基本实验、算法实验。通过电子创新设计平台的扩展总线接口，可以扩展机、电、声、光等不同领域的扩展模块，完成数据采集、图象处理、通讯、网络、控制等扩展实验。二、硬件组成该挂箱的硬件资源主要包括：l CPU板接口（Techv总线）l 一组Techv总线接口l 一组电机控制接口l 语音单元l 开关量输入输出单元l 液晶显示单元l 键盘单元l 信号扩展单元l CPLD模块单元l 模拟信号源l EL-NC2100 电子创新设计平台扩展总线接口l 直流电源单元5、 语音单元语音扩展板拨码开关的设置：SW1拨码开关：状态备 注1ON，MODE=1 SPI模式、用SPI模式配置AIC232OFF3ON4ONSW2拨码开关：状态备 注1ON2ON3ON4空脚，OFF在“语音单元”中，有四个音频接口，两个输入，两个输出。“线性输入”(J6)可以接入由电脑声卡产生的语音信号。“麦克输入”(J7)可以通过MIC输入音频信号。“耳机输出”(J8)可以通过耳机听取声音。“扬声器输出”(J9)可以与音箱相接。第二章 调试软件安装说明一、CCS的简介利用CCS集成开发环境，用户可以在一个开发环境下完成工程定义、程序编辑、编译链接、调试和数据分析等工作环节。下图为典型CCS集成开发环境窗口示例。整个窗口由主菜单、工具条、工程窗口、编辑窗口、图形显示窗口、内存单元显示窗口和寄存器显示窗口等构成。二、CCS5000的安装和设置CCS软件安装系统要求要使用Code Composer Studio操作平台必须满足以下的要求: IBM PC(或兼容机) Microsoft Window95/98/ NT 4.0/2000/XP 32M 内存,100M 硬盘空间,奔腾处理器,SVGA(800*600)Code Composer Studio的安装1 安装CCS到系统中。将CCS安装光盘放入到光盘驱动器中，运行CCS安装程序setup.exe，出现以下画面。如果在WindowsNT下安装，用户必须要具有系统管理员的权限。2 先点击”Code Composer Studio” 安装CCS5000集成开发环境。按系统提示安装，默认安装路径是“C：ti”。3 再点击”Parallel Port Drivers”安装并口驱动程序，安系统提示安装，默认安装路径是“C：ti”。4 安装完成后，在桌面上会有“CCS 2（C5000 ）”和“Setup CCS 2（C5000 ）”以及SDConfig三个快捷方式图标。分别对应CCS应用程序和CCS配置程序以及连接测试程序。安装CCS软件与普通的程序安装类似，没有特殊要求。下面介绍安装完成后如何设置CCS软件。如果CCS是在硬件目标板上运行，则先要安装目标板驱动程序，然后运行“CCS Setup”配置驱动程序，最后才能执行CCS。除非用户改变CCS应用平台类型，否则只需运行一次CCS配置程序。CCS的设置：双击桌面上的 Setup CCS(5000) 图标，弹出下图所示界面。第一次打开CCS Setup的界面时，在系统配置（System Configuration）一栏会显示多种配置。可先全部删掉（鼠标选中右键Remove）将System Configuration一栏的内容全部删除（如下图）。删掉不合适的配置后，需要为系统选择正确的配置。右键单击上图中 Import a Configuration File 选项，弹出下图所示的选择框。拖动滑动条，下拉找到适合的配置选项。这里以并口仿真器为例（且假设使用的为5509DSP系统），找到C5509 PP Emulator如上图所示（如果开发者使用的DSP是5510，则选择C5510 PP Emulator），然后鼠标点击Import，CCS设置界面变为下图所示：在System Configuration一栏可以看到，选中的配置已经被加入进来了。然后选择FileSave即可。Usb仿真器55xx DSP CCS设置在电脑桌面上打开Setup CCS 2 (C5000)进入以下画面，点击右边的“Install a Device Driver”弹出对话框，在CCS的安装目录中找到drivers找到相应的设备，这里以55XX系列为例。找到tixds55xx.drv，然后点击打开按钮，弹出下图所示对话框。点击“OK”按钮，会发现在中的框中多了“tixds55xx”这个设备， 然后点击“Add To System”出现“Board Properties”对话框在Board下面的下拉菜单中选择第二项“Auto-generate board data file with extra configuratic”，这里“Configuratic File”变成可见，点击“Browse”在CCS目录中的drivers目录中找到Techusb2.cfg这个文件，选中打开，然后点击“Next”按钮。出现下面的对话框后，将I/O port 的Value改成0x280。点击“Next”选中”TMS320C5400”点击旁边的“Add Single”按钮，在右边的框中会出现“CPU_1”，点击“Next”在“startup GEL”中点击右边的小按钮，在打开对话框中选择你需要的文件。完成上面的操作后。出现信息如下点“File”菜单中的“Save”存盘，然后退出，弹出对话点击是，就会启动CCS软件实验一 快速傅立叶变换（FFT）算法实验一 实验目的1 加深对DFT算法原理和基本性质的理解；2 熟悉FFT算法原理和FFT子程序的应用；3 学习用FFT对连续信号和时域信号进行谱分析的方法，了解可能出现的分析误差及其原因，以便在实际中正确应用FFT。二 实验设备计算机，CCS 3.1 版软件，DSP CPU挂箱，DSP仿真器，导线 三 基本原理1 离散傅立叶变换DFT的定义：将时域的采样变换成频域的周期性离散函数，频域的采样也可以变换成时域的周期性离散函数，这样的变换称为离散傅立叶变换，简称DFT。2 FFT是DFT的一种快速算法，将DFT的N2步运算减少为（N/2）log2N步，极大的提高了运算的速度。3 旋转因子的变化规律。4 蝶形运算规律。5 基2FFT算法。四 实验步骤1 复习DFT的定义、性质和用DFT作谱分析的有关内容；2 复习FFT算法原理与编程思想，并对照DIT-FFT运算流程图和程序框图，了解本实验提供的FFT子程序；3 阅读本实验所提供的样例子程序；4 运行CCS软件，对样例程序进行跟踪，分析结果；记录必要的参数。5 填写实验报告。6 提供样例程序实验操作说明A实验前准备1、DSP CPU挂箱和5509 CPU板拨码开关设置：DSP CPU挂箱的拨码开关SW3.4置ON（BCS0片选有效，5509的基地址为0x20000）；SW4.4置ON，其余置OFF；SW5.1置ON，SW5.2必须置OFF；SW1和SW2全部置ON；J100用短接帽短接；5509 CPU板的SW1的1、4置OFF，2、3置ON，SW2全部置OFF；2 、利用自备的音频信号源，或把计算机当成音源,从DSP CPU挂箱的“语音单元”的音频接口“麦克输入(J7)”输入音频信号，进行AD采集；3、挂箱的拨码开关SW1、SW2设置：语音接口板信号选择，使用语音接口单元时全部置为ON； “语音接口”模块小板的拨码开关设置：（缺省设置已设置好，不需用户设置，在实验箱的背面）语音2号孔接口：（最大允许输入电压范围0+3.3V，超出此范围，易引起器件损坏）2号孔接口名称备 注ROUT右声道信号输出端子LOUT左声道信号输出端子IN1左声道信号输入端子IN2右声道信号输入端子B1实验1.系统硬件连接a) 系统连接在进行DSP实验之前，需先连接好仿真器、DSP CPU挂箱及计算机，连接方法如下所示：PCI/USB/EPP接口JTAG接口计 算 机仿 真 器实验箱CPU板b) 上电复位在硬件安装完成后，确认安装正确、各实验部件及电源连接无误后，启动计算机，接通仿真器电源，此时，仿真器上的“红色指示灯”应点亮，否则DSP开发系统与计算机连接存在问题。c) 运行CCS程序待计算机启动成功后，DSP CPU挂箱220V电源置“ON”，DSP CPU挂箱上电，启动CCS，此时仿真器上的“绿色指示灯”应点亮，CCS正常启动，表明系统连接正常；否则仿真器的连接、JTAG接口或CCS相关设置存在问题，这时需掉电检查仿真器的连接、JTAG接口连接是否正确，或检查CCS相关设置是否存在问题。注：如出现上述问题，原因有二：其一，可能是系统连接错误或没有正常复位，应重新检查系统硬件并复位；其二，可能是软件安装或设置存在问题，应尝试调整软件系统设置，具体仿真器和仿真软件CCS的应用方法参见第三章。成功运行CCS程序后，首先应熟悉CCS的用户界面；学会在CCS环境下创建工程文件、添加程序文件、编写程序、编译、装载、调试，学习如何使用观察窗口等。注： 实验系统连接及CCS相关设置是以后所有实验的基础，在以下实验中这部分内容将不再复述。完成计算机、DSP仿真器和DSP CPU挂箱的连接后，在给系统上电。2.CCS软件操作 打开ccs3.3链接仿真器与电脑点击Debugconnect；打开已建立的项目点击projectopenfft.pjt；双击“fft.pjt” 及“Source”可查看各源程序；对fft.c源文件编译后，装载编译好的程序fft.out, 也即：file-load programfft.out。在k+处设置断点。然后采集语音信号，运行程序，观察采集到的语音信号的时域波形和频域波形。也即：点击viewgraphtime/Frequency打开一个观察窗口,设置该观察窗口变量参数：采用双踪观察，在启动地址分别为px和pz，长度为128，数值类型为16为整型。这两段存储单元中分别存放的是进过A/D转换后的输入信号进行FFT变换的结果。 实验结果：在CCS3.1环境，同步观察输入信号波形及其FFT变换结果；B2. 利用MATLAB编程完成计算，绘出下式时域图形，并用FFT求取其傅里叶变换画出相应的频谱图，并分析、说明实验结果。x=0.5*sin(2*pi*15*t)+2*sin(2*pi*40*t);采样频率fs=100Hz，采样点数为128点。五 思考题1 对于不同的N，幅频特性会相同吗？为什么？2 FFT进行谱分析，可以应用的什么方面？六 实验报告要求1 简述实验原理及目的；2 结合实验中所给定典型序列幅频特性曲线，与理论结果比较，并分析说明误差产生的原因以及用FFT作谱分析时有关参数的选择方法；3 总结实验所得主要结论。七 程序参数说明void kfft(pr,pi,n,k,fr,fi,l,il)：基2快速傅立叶变换子程序，n为变换点数，应满足2的整数次幂，k为幂次（正整数）；八 子程序流程图：实验二 无限冲击响应滤波器（IIR）算法实验一、实验目的1 熟悉设计IIR数字滤波器的原理与方法；2 掌握数字滤波器的计算机仿真方法；3 通过观察对实际信号的滤波作用，获得对数字滤波的感性认识。二、实验设备计算机，CCS 3.1 版软件，DSP CPU挂箱，DSP仿真器，导线三、实验原理1 无限冲击响应数字滤波器的基础理论；2 模拟滤波器原理（巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器）；3 双线性变换的设计原理。四、实验步骤1 复习有关巴特沃斯滤波器设计和用双线性变换法设计IIR数字滤波器的知识；2 阅读本实验所提供的样例子程序；3 运行CCS软件，对样例程序进行跟踪，分析结果；4 填写实验报告。5样例程序实验操作说明A实验前准备1、DSP CPU挂箱和5509 CPU板拨码开关设置：DSP CPU挂箱的拨码开关SW3.4置ON（BCS0片选有效，5509的基地址为0x20000）；SW4.4置ON，其余置OFF；SW5.1置ON，SW5.2必须置OFF；SW1和SW2全部置ON；J100用短接帽短接；5509 CPU板的SW1的1、4置OFF，2、3置ON，SW2全部置OFF；2 、利用自备的音频信号源，或把计算机当成音源,从DSP CPU挂箱的“语音单元”的音频接口“麦克输入(J7)”输入音频信号，进行AD采集；3、挂箱的拨码开关SW1、SW2设置：语音接口板信号选择，使用语音接口单元时全部置为ON； “语音接口”模块小板的拨码开关设置：（缺省设置已设置好，不需用户设置，在实验箱的背面）语音2号孔接口：（最大允许输入电压范围0+3.3V，超出此范围，易引起器件损坏）2号孔接口名称备 注ROUT右声道信号输出端子LOUT左声道信号输出端子IN1左声道信号输入端子IN2右声道信号输入端子B 实验 启动CCS 3.1，Project/Open打开“Algorithm”目录中“exp03_iir”子目录下“iir.pjt”工程文件；双击“iir.pjt” 及“Source”可查看各源程序；加载“iir. out”；在中断程序中，在“k+；”处设置断点；单击“Run”运行程序，程序将运行至断点处停止；用View / Graph / Time/Frequency打开一个图形观察窗口；采用双踪观察在启始地址分别为px和py，长度为128的单元中数值的变化，这两个数组分别存放的是语音输入信号和对该信号进行IIR低通滤波后的输出信号；单击“Animate”运行程序，或按F10运行程序；调整观察窗口，并观察滤波结果；单击“Halt”暂停程序运行，激活“iir.c”的编辑窗口；该iir低通滤波器滤波性能参数为：采样频率为250KHz，通带内最大允许衰减3dB，阻带内最小衰减大于30dB，过渡带宽度约为50KHz；通带上限频率：20KHz；阻带下限截止频率：70KHz。可以修改以上参数的归一化参数“nlpass”和“nlstop”来改变滤波器性能。修改“iir.c” 程序中“nlpass”和“nlstop”参数可改变IIR低通滤波器的滤波性能。重新“Rebuild All”后，加载，单击“Animate”，可得到不同的结果。实验结果：在CCS3.1环境下，同步观察输入信号及其IIR低通滤波结果。五、思考题1试述用双线性变换法设计数字滤波器的过程？2实验中，计算每个二阶滤波器的输出序列时，如何确定计算点数？3对滤波前后的信号波形，说明数字滤波器的滤波过程与滤波作用。六、实验报告要求1 简述IIR滤波器的基本原理；2 对比FIR滤波器与IIR滤波器的异同；3 描绘出输入、输出数组的曲线。七、IIR程序参数说明系统函数：对应的常系数线性差分方程：程序参数说明：void biir2lpdes(double fs, double nlpass, double nlstop, double a, double b)：IIR低通滤波器参数设计子程序参数说明： fs：采样频率； nlpass：通带上限频率归一化参数； nlstop：阻带下限截止频率归一化参数； 设置时，采样频率对应为1，应使“nlpass”和“nlstop”两参数均要小于0.5，且“nlpass”要比“nlstop”小0.2，否则，将不能满足阻带的最大衰减大于30dB。数组a：存放IIR低通滤波器传递函数的极点计算结果；数组b：存放IIR低通滤波器传递函数的零点计算结果；输入信号：输入信号经A/D转换后，写入数组px，长度128；输出信号：滤波后信号，写入数组py，长度128。八、子程序流程图滤波器参数设定nlpass，nlstop调用低通滤波器设计子程序完成滤波器a和b参数设计结束初始化调用滤波器滤波子程序对输入信号滤波实验三 基于FDATool的数字滤波器设计一、实验目的1、加深对数字滤波器的常用指标和FDATool数字滤波器设计过程的理解。2、熟悉matlab软件工具箱的应用二、实验原理低通滤波器的常用指标：通带边缘频率：，阻带边缘频率： ，通带起伏：，通带峰值起伏： ，阻带起伏：，最小阻带衰减： 。 数字滤波器有IIR和FIR两种类型，它们的特点和设计方法不同。三、实验内容：带通滤波器设计实例: 将以一个IIR滤波器的设计为例来说明如何使用matlab设计数字滤波器：在小电流接地系统中注入500hz的正弦信号，对其进行跟踪分析，要求设计一带通数字滤波器，滤除工频及其他整次谐波，以便在非常复杂的信号中分离出该注入信号。参数要求：最小阶iir数字滤波器，采样频率10000hz。1、在Matlab中键入fdatool运行Filter Design and Analysis Tool。首先在filter type中选择bandpass（带通滤波器）；在design method选项中选择iir window；指定filter order项中的最小阶；给出fstop1=250hz，fpass1=300hz和fpass2=600hz，fstop2=650hz。设置参数可以参考下边图形。设置完以后点击design filter即可得到所设计的iir滤波器。通过菜单选项analysis可以在特性区看到所设计滤波器的幅频响应、相频响应、零极点配置和滤波器系数等各种特性。在设计过程中，可以对比滤波器幅频相频特性和设计要求，随时调整参数和滤波器类型，以便得到最佳效果。其它类型的fir滤波器和iir滤波器也都可以使用fdatool来设计。2 simulink仿真本文通过调用simulink中的功能模块构成数字滤波器的仿真框图，在仿真过程中，可以双击各功能模块，随时改变参数，获得不同状态下的仿真结果。例如构造以基波为主的原始信号：，通过simulink环境下的simulink和signal processing blockset 模块如下仿真图和滤波效果图如图2所示。图2 simulink仿真图及滤波效果图可以看到经过离散采样、数字滤波后分离出了500hz的频率分量（scope1）。3、实验步骤步骤：1、打开simulink2、选择离散正弦信号右键Add to untitled（或者某个文件名字）加三个正弦波，频率分别为50、500、1200hz（通过双击正弦图形，可以设置参数）。3、选择求和器，实现三个正弦信号的相加4、选择数字滤波器实现信号的滤波。（右键Add to untitled），然后在其相应窗口进行参数设置。（具体FDATool的设计参考文件“fdatool参考资料.doc”）5、选择示波器观察波形。可选择两种示波器一种是scope，可以直接观察输出信号，该示波器在simulinksinksscope；另一种为spectrum scope，可以观察时域信号的频谱，该示波器的位置是signal processing blocksetsignal processing sinksspectrum scope。四、实验要求：设计高通IIR数字滤波器和FIR数字滤波器滤除去500hz的正弦信号。并绘出它们的冲激响应、幅度响应曲线，分析它们各自的实现特点。参考资料：MATLAB滤波器设计工具FDAToolFDATooI(Filter Design and Analysis Tool)是MATLAB信号处理工具箱提供的一种综合、简便的图形用户工具。通过该工具提供的先进可视化滤波器集成设计环境，用户可以方便地设计儿乎所有的常规滤波器，包括FIR和IIR的各种设计方法。本节主要介绍FDATooI的各项功能以及设计一款滤波器的关键步骤。1、 FDATooI启动在MATLAB命令窗口下，执行“FDATooI”命令，按“回车”调出FDATooI用户图形界面，如图7-4-1所示。fdatool（filter design & analysis tool）是matlab信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具，matlab6.0以上的版本还专门增加了滤波器设计工具箱（filter design toolbox）。fdatool可以设计几乎所有的基本的常规滤波器，包括fir和iir的各种设计方法。它操作简单，方便灵活。fdatool界面总共分两大部分，一部分是design filter，在界面的下半部，用来设置滤波器的设计参数，另一部分则是特性区，在界面的上半部分，用来显示滤波器的各种特性。design filter部分主要分为： filter type（滤波器类型）选项，包括lowpass（低通）、highpass（高通）、bandpass（带通）、bandstop（带阻）和特殊的fir滤波器。 design method（设计方法）选项，包括iir滤波器的butterworth（巴特沃思）法、chebyshev type i（切比雪夫i型）法、 chebyshev type ii（切比雪夫ii型）法、elliptic（椭圆滤波器）法和fir滤波器的equiripple法、least-squares（最小乘方）法、window（窗函数）法。 filter order（滤波器阶数）选项，定义滤波器的阶数，包括specify order（指定阶数）和minimum order（最小阶数）。在specify order中填入所要设计的滤波器的阶数（n阶滤波器，specify ordern-1），如果选择minimum order则matlab根据所选择的滤波器类型自动使用最小阶数。 frenquency specifications选项，可以详细定义频带的各参数，包括采样频率fs和频带的截止频率。它的具体选项由filter type选项和design method选项决定，例如bandpass（带通）滤波器需要定义fstop1（下阻带截止频率）、fpass1（通带下限截止频率）、fpass2（通带上限截止频率）、fstop2（上阻带截止频率），而lowpass（低通）滤波器只需要定义fstop1、fpass1。采用窗函数设计滤波器时，由于过渡带是由窗函数的类型和阶数所决定的，所以只需要定义通带截止频率，而不必定义阻带参数。 magnitude specifications选项，可以定义幅值衰减的情况。例如设计带通滤波器时，可以定义wstop1（频率fstop1处的幅值衰减）、wpass（通带范围内的幅值衰减）、wstop2（频率fstop2处的幅值衰减）。当采用窗函数设计时，通带截止频率处的幅值衰减固定为6db，所以不必定义。 window specifications选项，当选取采用窗函数设计时，该选项可定义，它包含了各种窗函数。 在fdatool中设计好滤波器后，选择菜单中的File-Export.可以把滤波器的系统函数的系数导出来，如果设计的是FIR滤波器，变量名默认为Num，就相当于你的FIR滤波器的hn。假设你的要滤波的输入序列为x的话，滤波结果 y = filter(Num, 1, x);如果设计的是IIR滤波器，输出的变量有两个：SOS和G，这是以直接II型结构给出的系数，需要通过调用函数 B, A=sos2tf(SOS,G)，转化为多项式形式的系数，然后可用于滤波。假设你的要滤波的输入序列为x的话，滤波结果 y = filter(B, A, x);P.S. 使用plot(y)可以画出滤波后的波形。实验四 有限冲击响应滤波器（FIR）算法实验一、实验目的1 掌握用窗函数法设计FIR数字滤波器的原理和方法；2 熟悉线性相位FIR数字滤波器特性；3 了解各种窗函数对滤波特性的影响。二、实验设备计算机，CCS 3.1 版软件，DSP CPU挂箱，DSP仿真器，导线三、实验原理1 有限冲击响应数字滤波器的基础理论；2 模拟滤波器原理（巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器）；3 数字滤波器系数的确定方法。四、实验步骤1 复习如何设计FIR数字滤波；阅读本实验原理，掌握设计步骤；2 阅读本实验所提供的样例子程序；3运行CCS软件，对样例程序进行跟踪，分析结果；4填写实验报告。5样例程序实验操作说明 A实验前准备1、DSP CPU挂箱和5509 CPU板拨码开关设置：DSP CPU挂箱的拨码开关SW3.4置ON（BCS0片选有效，5509的基地址为0x20000）；SW4.4置ON，其余置OFF；SW5.1置ON，SW5.2必须置OFF；SW1和SW2全部置ON；J100用短接帽