基于TMS320VC5402的频谱分析系统设计

1、湖北民族学院信息工程学院DSP课程设计报告书题目:基于TMS320VC540的频谱分析系统设计专 业：电气工程及其自动化班 级：学 号：学生姓名：指导教师：2010 年 8 月 28 日信息工程学院课程设计任务书学号学生姓名专业（班级）电气工程设计题目基于TMS320VC540的频谱分析系统设计设计技术参数频谱分析频率范围：0-30Hz,电源电压：+5V, 3.3V,1.8V设 计 要 求（1）系统设计中，C5402完成数据处理，AT89S52单片机完成控制和显示， 绘制出系统框图（VISIO）.（2） 包括电源设计，复位电路设计，时钟电路设计，A/D转换电路设计，电平转 换设计，JTAG接口

2、设计灯，用 Protel软件绘制出原理图和 PCB图；（3） 给出程序流程图，设计频谱分析系统软件（C5402的数据处理软件，单片机 的控制及显示软件）；（4） 通过对系统的全面的分析得出结论（被处理信号的频率范围，采用的信号处 理算法等）；工 作 量字数:6200图纸：9张工 作 计 划第14周：阅读课程设计题，去读书馆借阅或上网收集相关文献资料。第15周：仔细阅读收集来的文献资料，规划出设计的初步方案。第16周：用VISIO绘制出是总体设计的系统框图，用Protel软件绘制出原理图。第17周：设计频谱分析系统软件，调试运行频谱分析系统，以达到较佳的性能水 平。参 考 资 料1 刘锋频谱分析

3、仪中DSP结构分析J.中山大学研究生学刊，2006,27 （4）： 100-107.2 张雄伟，曹铁勇.DSP芯片的原理与开发应用M.北京：电子工业出版社，2003.3 乔瑞萍，催涛，张芳娟.TMS320C54XDSP原理及应用M.西安：电子科技大学 出版社，2005.24 吴宏钢，秦树人.基于DSP技术的虚拟式FFT频谱分析仪J.重庆大学学报（自 然科学版）.2004 .07 肖红兵，李冬梅，李晖.TMS320C5402 DSP在嵌入式测控系统的应用 J微计机 信息，2006.3,2:67-69。指导教师签字2010年6月28日信息工程学院课程设计成绩评定表学生姓名：学号：专业（班级）：电气

4、工程及其自动化课程设计题目：基于TMS320VC540的频谱分析系统设计指导教师评语：成绩：指导教师：年 月 日摘要随着计算机和微电子技术的飞速发展， 基于数字信号处理的频谱分析已经应用到各个领域并且发挥着重要作用 . 基于这种情况，利用 TI 公司性价比比较高的数字信号处理芯片 , 设计一种实时信号频谱分析模块，该模块以TMS320VC5402 DSF作为系统的控制处理和数据处理核心。该系统可以对信号进行采集，并进行数据的频域处理。以AT89S52单片机完成控制 和显示，采用FFT变换技术对信号进行频谱分析。实验结果表明在0到30Hz的范围内，能很好地完成实时信号的频谱分析。关键词： DSP

5、 频谱分析 FFT 单片机AbstractWith computers and the rapid development of microelectronics technology ， digital signal processing based on spectral analysis has been applied to various fields and play an important role.Based on this situation,Company cost-effective use of relatively high TI digital signal pr

6、ocessor chip, to design a real-time signal spectrum analysis module,The module to TMS320VC5402 DSP as a system of control processing and data processing core. The system can capture the signal and data of the frequency domain. AT89S52 MCU to complete the control and display, using FFT transform of t

7、he signal spectrum analysis. The results show that in the context of 0 to 30Hz, can accomplish very well the spectrum of real-time signal.Key words: DSP，spectrum analysis， FFT， SCM目录1.1 任务 提出. 71.2 方案论证 . 72 总体设计 . 82.1 FFT 频谱分析原理 82.2 TMS320VC5402. 82.3 系统设计方案 83.1 硬件设计 9错误!未定义书签。 .1.1 系统结构流程图 93.1

8、.2 TMS320C5402 结构功能 93.1.3电源电路设计 103.1.4 A /D转换设计103.1.5 D/A转换设计113.1.6 电平转换设计 113.1.7 时钟电路设计 123.1.8 复位电路设计 133.1.9 JTAG 接口电路设计 133.2 软件设计 153.2.1 软件设计思路 153.2.2 AD 采样过程 153.2.3 FFT 算法过程153.2.4 FFT 频谱分析系统原理图 163.2.5 系统程序运行流程图 164 总结 1.7.参考文献 181.1 任务提出 随着电子技术的发展和新型器件的出现，频谱分析仪成为通信，雷达，遥控，导航领域 必不可少的信号

9、分析仪器。 利用频谱分析仪不但能够准确地显示信号频谱， 提供大的测量动 态，而且能够利用其所有普的各种测试功能对信号频率，电平， 信号频谱纯度及抗干扰特性进行分析。特别是DSP数字信号处理技术的飞速发展 ，DSP运算时间变得更短、数据处理量更大，因 此频谱分析仪的结构，性能有了质的飞跃。同时，可利用PC计算机强大的图形环境，编制各种 应用软件 ，在计算机屏幕上建立用户自 己的虚拟仪器面板， 并由软件完成对仪器的控制、 数 据分析与显示。满足了现代生产对仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度完善、测试速 度快、实时性好等要求，为用户提供了充分发挥自己才能、追求不同需求的空间。1.2 方案论证基于

10、这两方面考虑，设计了一种实时信号频谱分析系统。该系统以采用TI 公司推出的一款高性能TMS320VC5402芯片作为系统数据处理核心，外扩14位高精度AD和DA等外围电 路， 用 FFT 技术对信号频域进行分析。 频谱分析的结果可实时显示并上传至上位机。 通过对 内部 RAM 的分块使用、在 RAM 中运行程序、利用中断实现任务调度等措施对软件进行优 化设计 ，系统的实时性能良好。信息工程学院课程设计(论文)2.总体设计2.1FFT频谱分析原理：傅立叶变换是一种信号从时域变换到频域的变换形式，傅立叶变换后的信号输出即可实现频谱分析快速傅立叶变换(FFT)是计算N点离散傅立叶变换(DFT)的高效

11、算法，FFT算法分为时间抽取 FFT(DIT)和频率抽取FFT(DIF)，本设计采用了 DIT. DIT是将 N点的输 入序列x ( n )按照偶数和奇数分解为偶序列和奇序列.2.2 TMS320VC5402TMS320VC540是公司的定点数字信号处理芯片，是一种特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字信号处理的目的，采用程序与数据分开的总线结构，流水线操作，单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集.2 . 3系统设计方案：本设计采用TI公司的DSP芯片TMS320VC5402设计了 DSP一 5402开发系统，利用该系统完成频谱FFT算法及优化，并通过AD、DA等外围电路

12、的控制，构成模拟信号频谱分析仪， 利用示波器可直接观察结果.频谱分析系统设计的核心部分为VC5402单元整个开发系统包括 8个单元。利用74LVCI6245A和TPS73HD318完成工作电压变换和隔离， 还设计有复位 接口利用内部锁相环 实现时钟倍频的外部时钟设置电路。3.1硬件设计3.1.1系统结构流程图：采用TI公司的DSP芯片TMS320VC5402还有电源芯片 TPS76D318 AD转换TLV1544和DA转换TL7528，电平转换芯片 74LVC16245A等构成的频谱分析系统的硬件结构。结构图如系统结构流程图3.1.2 TMS320C540结构功能：TMS320C5402是 T

13、I公司推出的新一代 16位定点DSP产品，它采用修正的哈佛结构，片 内集成8条总线（1条程序存储器总线、3条数据存储器总线和 4条地址总线）、在片存 储器和在片复用设。速度由 30532MIPS不等.TMS320C5402主要特点：1个40位的算术逻辑单元,2 个40位的累加器,2个40位的专用加法器,1个 17X 17的并行乘法器,1个40位的桶形移位器。8个辅助寄存器和1个软件栈。内部集成Viterbi 加速器，用于提高Viterbi 编译码的速度。可工作在三种低功耗方式 （IDLE1、I2DLE2、IDLE3）。1192K WOR寻址空间（64KW程序空间、64KW孜据空间、64KW I

14、/O空间），某些型号的程序空间可扩展到8M WORD片内存储区可灵活配置为程序/数据存储器。多种复用外设；McBSP、HPI、GPIOTDM DMA Timer、PLL。双电源供电，提供PGE和BGA两种形式的封装。TMS320VC5402最高频率 100MHz ,性价比高。它含 4K X 16bit 片内 ROM 16KX 16bit 片内DARAM6个DMA通道、2个McBSR 2个Timer ,外部程序空间可扩展到 1M X 16bit。对于片外数据空间一般建议选用高速SRAM，尽量减少DSP的等待周期。用户程序一般在上电时从外部 ROMffl载到片内RAM区运行。程序存储器 Flash

15、 Rom:256KX 16; 一片数据 存储器SRAM:64KX 16 一片；可编程逻辑器件CPLD: 一片。3.1.3电源电路设计：由于TMS320VC5402核电压为1.8V，端口电压为3.3V，外围器件为 5V,其它器件的提供电压在3.3V . TI公司的电源TPS76D318是一个双输出电压为分离电源，可以由5V产生3.3V和1.8V的电压输出，最大输出电流为1A,可以满足要求。该器件具有快速瞬态响应和超低85uA典型静态电流，热关断保护的每一个调节，有个28引脚。如下图所示:+5V0C11uFC21uF345 6789包H121412RESE2NC3NC4NC1INOUT1INOUT

16、RESE8NC9NC10NC2IN2OU2IN2OU13NC14NCTPS73HD318128R17100K2625.24 2322F2019-18一 17 1615iP1T22uF+3.3V也D2T22uF也D3如4T22uF 22uF+ 1.8VI+3.3VR2 +3.3V100K电源芯片电路3.1.4A / D转换电路设计因为C5402内部没有A/D转换功能，因此在数据采集时需要使用A/D转换芯片。为了充分利用C5402所提供的多通缓冲串口资源，我们采用T I公司生产的CMOS型 10b模数芯片TLV1544。其内部采用开关电容逐次近似来得到模数转换结果。芯片有4路模拟信号输入通道，通过

17、芯片内部参数设置选择不同通道输入，进行A/D转换输出。TMS320VC5402是T I公司生产的具有很高性价比的定点DSP他有2个多通道缓冲串口 （M cBSP）,设计中使用M cBSP0完成配置TLV1544以及接收转换好的数字信号。接口原理图如图2所示。TLV1544与 TMS320VC5402勺接口原理图TLV1544的INV CLK, CSTART接高电平，输入/输出时钟不翻转且采样/转换考试控制功 能不使用。TMS320VC5402的XF引脚提供TLV1544的片选信号。TLV1544的EOC触发DSP 的外部0中断，转换结束通过中断接收转换好的数据。TLV1544 与TM S320

18、VC5402通过串行口连接，此时，A/D转换芯片作为从设备，DSP 提供帧同步和输入/输出时钟信号。3.1.5 D/A转换设计：D/A单元负责把DSP处理的数据转换为模拟输出，采用TI公司为DSP外围设备配套的一种D/A转换器TLC 7 5 2 8. TLC 7 5 2 8是双路，8位数字.并口模拟转换器，被设计成具有单独片内数据锁存器。数据通过公共8位输入口传送至两个DAC数据锁存器的任何一个。控制输入端DACA#和DACE#决定哪一个被DAC装载。3.1.6电平转换电路的设计：主机接口（HPI）是TMS320C540症部具有的一种接口部件，主要用于DSP芯片与其它总线或CPU进行通信。HP

19、I接口通过控制寄存器（HPIC）、地址寄存器（HPIA）、数据所存器（HPI 内存块实现与主机通信。其主要特点有：接口所需外围硬件芯片很少；HPI单元允许芯片直接利用一个或两个数据选通信号、一个独立或复用的数据总线接到为控制单元MCI上；主机和DSP芯片可独立地对 HPI接口操作；主机和 DSP芯片握手可通过终端方式来完成。主机还可以通过HPI接口装载DSP应用程序、接受DSP运行结果或诊断 DSP运行状态。HPI为DSP 芯片的接口开发提供了一种极为方便的途径。DSP芯片中的HPI分为HPI 8和HPI 16针对具有8位和16位数据线的单片机。每一种又分为标准型和增强型。其区别在于标准型 只

20、可以访问固定的地址空间，而增强型可以访问整个DSP的片内存储器。由于TMS320VC540和AT89S52单片机之间的电平不匹配，故需要进行接口电路的电平转换，如果引脚数量少，可以直接用三极管电阻来转换，本系统中由于涉及到的引脚较多，所以选用PHILIP公司出品的74LVCI6245A芯片来进行电平转换。74LVCI6245A是一个工作电压在2.7伏到3. 6伏的双向收发器，可以用做两个八位的或是一个十六位的收发器，它可以接收高达 5. 5V的高电平，而输出的高电平可以达到3. 3V左右，正适合TMS320VC540与AT89S52之间的电平转换。thgirRC3.0+10uFIFY?51RS

21、TC2 |22PF 亠 Y213 0IZZIl1.o5：C1II22PF131128126117116115114113112111110149D?zXTAL1XTAL2RESETRSENALEVCC EAP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0 P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P1.0/TP2.6P1.1/TP2.7P1.2P1.3P3.0/RXDP1.4P3.1/PXDP1.5P3.2/INT0P1.6P3.3/INT1P1.7P3.4/T0P3.5/TIGNDP3.6/WRP3.7/RAT89S52+5C1481291147146451441431

22、4214114013913813713613513413313212512412312212112011911874LVCI6245A 与 AT89S52 的接口电路3.1.7时钟电路设计：系统中采用外部时钟，根据使用的晶振不同，采用的晶体振荡电容也不同，这里采用10MHz晶振，起振电容选为 22pF。系统中让DSP工作在20MHz的频率，因此根据 5402的主时钟配 置规则，只要将5402的CLKMD1,CLKMD2,CLKMD3 3个引脚分别选择高电平，低电平，低电平即可。3.1.8上电复位电路设计：系统上电时可自动复位，但是为了防止系统受到外界干扰或电源波动时出现死机现象, 还专门加了外

23、部 RESE T主要使用了两个施密特触发器74LS14。VCCLU?8MRWDO2VCCRES73GNDWDI64PFIPFO5MAX706R上电复位电路3.1.9JTAG接口电路设计：JTAG是基于IEEE 1149. 1 标准的一种边界扫描测试方式。TI公司为其大多数的 DSPs产品都提供了 J TAG端口支持，5402也不例外。结合配套的仿真软件 ，可访问DSPs的所有 资源,包括片内寄存器及所有的存储器 ，从而提供了一个实时的硬件仿真与调试环境，便于开发人员进行系统软件调试。 除上述电路接口外，要使系统板正常地工作，还必须配置跳线和接 插座等部分。其中：电源模块接出一个插座，以便于外部

24、电压输入;音频编解码部分需安装话 筒和扬声器；USB芯片要连接到USB接口插件，以实现与主机的交互。实用起见，所有这些插件均设置在电路板边界部分。 最后，对于系统中一些难以事先决定的设置引脚附近，放置上位/下拉电阻，为以后的电路更改或扩展提供方便.通过JTAG接口，可以对C5402芯片内部的所有结构进行访问，下图是14针JTAG接口：JTAGTRST TCK- TMS- TDI TDOEMUOEMU1VCC1357973IDC14TMSTRSTTDIGNDVCCNCTDOGNDTRETGNDTCKGNDEM0EM12414R2310kTR2410kVCCJTAG接口电路14针JTAG接口定义引

25、脚名称描述：1,13VCC接电源2,4,6,8,10,14 GND 接地3 nTRST测试系统复位信号5 TDI测试数据串行输入7 TMS测试模式选择3.2频谱分析系统的软件设计:3.2.1软件设计思路：软件设计部分主要包含系统初始化，AD采集，FFT变换，FFT信号分析，DA转换，结构显示和上传。系统上电，进入main （）函数后首先进行系统的初始化，包括系统时钟初始化，外设中断向量表初始化等等。3.2.2AD 采样：开始时，CS为高电平（芯片处于非激活状态），DATAN和I/OCLK无效，DATAOUT处于高阻态。当串行口使CS变低（激活），芯片开始工作，I/OCLK和DATAN能使DAT

26、AOUT不再处于高阻态。DSP通过I/OCLK引脚提供输入/输出时钟序列，当由DSP提供的帧同步脉冲到来后，芯片从DATAN接收4b通道选择地址，同时从DATAOUT送出的前一次转换的结果，由DSP串行接收。I/OCLK接收DSP送出的输入序列长为10到16个时钟周期。前4个有效时钟周期， 将从DATA N输入的4 b输入数据寄存器， 选择所需要的模拟通道。 接下来的6个时钟周期提供模 拟输入采样的控制时间。 模拟输入的采样在前10个I/O时钟序列后停止。第10个时钟沿（确切的I/O时钟边缘，即上升沿或下降沿，取决于操作的模式选择）将EOC变低， 转换开始。TLV1544的最高采样率可以达到3

27、 MHz .由于采集的数据要进行存储要花费一定CPU时间，所以采样率一般要控制在1M左右，采样点数为5 12点， 采样时间为5 12/1M=512ns, FFT变换大概需要21ns的时间，比样本积累时间小的多， 非常接近实时性，对信号要求不能大于3 2 0 KHZ对频率低的信号可以由软件控制，降低采样率，保证512点采样一个周期.3.2.3FFT 算法过程：FFT 算法很多，但在定点DSP上实现需要考虑具体的一些问题.首先要确定采样点数，FFT的点数与频谱分辨率有直接关系，采样率为fs的N点FFT频率分辨间隔为2fs/N,频谱宽度从0到fs/2 .频率分辨间隔越小，频率分辨率越高，对于周期信号

28、，如 果N点恰好包含一个或整数个周期，则信号频谱上将在对应频点上出现尖峰，否则谱上没有正好与信号频率对应的频点， 此频点能量将分散到相邻的频点上， 实际的信号包含多种频率 成分，样点不可能正好是这些分量周期的整数倍，在N较小时，两个频率相近的分量可能在频谱上无法分辨，而提高分辨率，增大N值，将使FFT运算量增加，综合考虑实时性和分 辨率，选取了N等于5 12点.当N值确定后，提高采样率将缩短采样时间， 降低频率分辨率，得不到低频分量的信息， 因此需要根据信号的频率范围调整采样时间，可以在AD采样程序中设置采样率在测试间采样率定为1k.3.2.4FFT 频谱分析系统原理图：3.2.5系统程序运行流程图:在现场环境中，通过仿真器与设备 PCB板相连接，在CCS环境中可以查看和采集到的波 形及经过FFT变换后的波形