DSP理论技术教材.docx
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1、电气信息工程学院DSP技术及应用综合训练大作业班 级10电子2W姓 名徐海峰学 号指导老师倪福银2013年10 月目录序言3第一章 DSP理论技术概述41.1课程设计目的与意义41.2 DSP芯片的选择与封装41.3 DSP系统设计的方法和步骤51.4 DSP前沿技术与应用8第二章DSP硬件部分设计102.1硬件设计任务概述102.2 总体方案设计102.3模块电路原理图设计112.4硬件设计小结12第三章DSP软件部分设计193.1液晶屏幕字块控制设计193.1.1软件设计任务概述193.1.2程序设计思路与算法原理193.1.3软件设计流程213.1.4设计程序编写213.1.5软件设计结
2、果与小结31第四章小结33序 言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。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备,以数字形式对信号进行采集、 变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理,以
3、得到符合人们需要的信号形式。数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起 来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来, 数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的实现 则是理论和应用之间的桥梁。DSP数字信号处理(Digital Signal Processing)也是一门涉及许多学科而 又广泛应用于许多领域的新兴学科。数字信号处理是利用计算机或专用处理设 备,以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理, 以得到符合人们需要的信号形式数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实 现和应用等几个方面发展
4、起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号 处理应用的发展。反过来,数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提 高。而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的桥梁。数字信号处理是以众多学科为理论基础的,它所涉及的范围极其广泛。例如, 在数学领域,微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基 本工具,与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。 近来新兴的一些学科,如人工智能、模式识别、神经网络等,都与数字信号处理 密不可分。可以说,数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础, 同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。虽然数字信号处理的理论发
5、展迅速,但在20世纪80年代以前,由于实现方 法的限制,数字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到20世纪70年代末80年代初世界上第一片单片可编程DSP芯片的诞生,才将理论研究结果广泛应 用到低成本的实际系统中,并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸 张地说,DSP芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术 发展起到十分重要的作用。第一章DSP理论技术概述1.1课程设计目的与意义本课程是一门为期两个星期的以实践为主的技术类专业选修课,课程的教学 目的是使学生了解DSP及DSP控制器的发展过程及其特点,使学生较熟练地在硬 件上掌握DSP及DSP硬件器的结构、各部件基本工
6、作原理,在软件上掌握DSP 的指令系统、程序设计方法,学会TMS320系列中1至2种DSP芯片的基本使用 方法,并能重点利用DSP及DSP控制器设计典型的应用系统,为今后从事相关专 业领域的设计设计与研究打下基础。1.2 DSP芯片的选择与封装1.2.1芯片的选择原则根据实际应用系统需要、应用场合、目的,选择满足所需功能、成本低、耗 电小、使用方便、有技术支持、升级方便的芯片。DSP芯片的选择是有技术指标决定的,例如:由信号的频率决定系统的采样 频率;有采样频率句顶完成任务书中最复杂的算法所需的最大时间以及系统对实 时程序的要求,判断系统能否完成工作;有数量及程序的长短决定RAM的容量, 是否
7、需要扩展RAM及RAM的容量;等等。在确定DSP芯片型号之后,应当先进行 系统的总体的设计。首先采用高级语言matlab等对算法进行仿真,确定最佳算 法并初步确定参数,对系统的软硬件进行初步分工。1.2.2芯片的封装第四章DIP双列直插式封装,插装型封装之一,引脚从封装两侧引出,封装材 料有塑料和陶瓷两种。第五章SIP单列直插式封装 引脚从封装的一个侧点引出,排列成一条直线。 当装配到印刷基板上的封装成侧立状。第六章SOJ J型引脚小外型封装表面贴装型封装之一,引脚从封装两侧引出象 下呈J字型。第七章SDP也叫SOIC小外型封装,表面贴装型封装之一,引脚从封装两侧引出 呈海鸥翼型。第八章PLC
8、C带引线的塑料芯片载体,表面贴装型封装之一,引脚从封装的四个 侧面引出,呈J字型,是塑料制品。第九章QFP四侧引脚扁平封装,引脚从四个侧面引出呈海鸥翼型,基材有陶瓷、 金属和塑料三种。第十章BGA球型触点阵列表面封装之一,在印刷基板的背面按阵列方式制作出 球型凸点,以代替引脚。1.3 DSP系统设计的方法和步骤下图1 -1为一个典型DSP系统图1-1典型DSP系统先将输入的模拟信号进行带限滤波和抽样,在进行A/D变换,将信号变换成 数字比特流,经DSP芯片处理后的数值样值,再经D/A变换成模拟样值之后再进 行内插和平滑滤波即可得到连续的模拟信号输出。根据奈奎斯特抽样定理,为保 证信息不丢失,抽
9、样频率至少是输入带限信号最高频率的两倍,其中抗混叠滤波 的作用,就是将输入的模拟信号中高于折叠频率的分量滤除,以防止信号频谱出 现混叠/DSP芯片是系统的关键。1.3.1总体方案设计在进行DSP系统设计之前首先应给出明确的设计任务,给出设计任务书。在 设计任务书中应将系统要达到的功能描述准确、清楚;描述的方式可以是人工语 言,也可以是流程图或算法描述。之后将设计任务书转化为量化的技术指标。 下图1-2为DSP应用系统设计的一般步骤:图1-2 DSP应用系统设计的一般步骤1.3.2 DSP硬件设计阶段DSP系统的硬件设计又称为目标板设计,是在考虑算法需求、成本、体积和 功耗核算的基础上完成的,一
10、个典型的DSP目标板主要包括:DSP芯片及DSP基 本系统,程序和数据存储器,麴模和模/数转换器,模拟控制与处理电路,各种 控制口和通信口,电源处理电路和同步电路。系统硬件设计过程:第一步:确定硬件实现方案;在考虑系统性能指标、工期、成本、算法需求、 体积和功耗核算等因素的基础上,选择系统的最优硬件实现方案。第二步:器件的选择;一个DSP硬件系统除了 DSP芯片外,还包括ADC、DAC、 存储器、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等基本部件。具体选择方法 如下:1. DSP芯片的选择:首先要根据系统对运算量的需求来选择;其次要根据 系统所应用领域来选择合适的DSP芯片;最后要根据DSP的片上
11、资源、价格、外 设配置以及与其他元部件的配套性等因素来选择。2. ADC和DAC的选择:A/D转换器的选择应根据采样频率、精度以及是否要 求片上自带采样、多路选择器、基准电源等因素来选择;D/A转换器应根据信号 频率、精度以及是否要求自带基准电源、多路选择器、输出运放等因素来选择。3. 存储器的选择:常用的存储器有SRAM、EPROM、E2PROM和FLASH等。可 以根据工作频率、存储容量、位长(8/16/32位)、接口方式(串行还是并行)、工 作电压(5V/3V)等来选择。4. 逻辑控制器件的选择:系统的逻辑控制通常是用可编程逻辑器件来实现。 首先确定是采用CPLD还是FPGA;其次根据自
12、己的特长和公司芯片的特点选择哪 家公司的哪个系列的产品;最后还要根据DSP的频率来选择所使用的PLD器件。5. 通信器件的选择:通常系统都要求有通信接口。首先要根据系统对通信速 率的要求来选择通信方式。然后根据通信方式来选择通信器件。一般串行口只 能达到19kb/s,而并行口可达到1Mb/s以上,若要求过高可考虑通过总线进行 通信;6. 总线的选择:常用总线:PCI、ISA以及现场总线(包括CAN、3xbus等)。 可以根据使用的场合、数据传输要求、总线的宽度、传输频率和同步方式等来选 择。7. 人机接口:常用的人机接口主要有键盘和显示器。通过与其他单片机的 通信构成;与DSP芯片直接构成。8
13、. 电源的选择:主要考虑电压的高低和电流的大小。既要满足电压的匹配, 又要满足电流容量的要求。第三步:原理图设计;从第三步开始就进入系统的综合。在原理图设计阶段 必须清楚地了解器件的特性、使用方法和系统的开发,必要时可对单元电路进行 功能仿真。原理图设计包括:系统结构设计,可分为单DSP结构和多DSP结构、 并行结构和串行结构、全DSP结构和DSP/MCU混合结构等;模拟数字混合电路的 设计,主要用来实现DSP与模拟混合产品的无逢连接,包括信号的调理、A/D和 D/A转换电路、数据缓冲等;存储器的设计,是利用DSP的扩展接口进行数据存 储器、程序存储器和I/O空间的配置,在设计时要考虑存储器映
14、射地址、存储器 容量和存储器速度等;通信接口的设计;电源和时钟电路的设计;控制电路的设 计,包括状态控制、同步控制等。第四步:PCB板设计;PCB设计要求DSP系统设计人员既要熟悉系统工作原 理,又要清楚布线工艺和系统结构设计。软、硬件调试在采用硬件仿真器进行 调试时,如果没有仿真器、且系统不复杂,则可借助一般的工具进行调试。第五步:系统集成;系统的软、硬件设计分别调试完成之后,进行系统集成。 系统集成是将软、硬件结合起来,并组合成样机,在实际系统中运行,进行系统 测试。1.3.3 DSP软件设计阶段TMS320VC5502是TI公司一款高性能、低功耗的定点运算DSP处理器,其内 核供电电压仅
15、为1. 26V。这款处理器被广泛应用于对低功耗要求高的手持设备、 无线终端等。TMS320VC5502是基于TMS320VC55XTM系列CPU处理器核心的定点 微处理器,利用改进的并发和电源管理技术获得了高性能和低能耗,以独特的内 部总线结构实现单指令周期内多条读写指令的执行和独立于DSPCPU的DMA数据 传输。软件变成步骤如下:1)用C语言、汇编语言或者两种变成语言混合编写程序,再把它们分别转换成 DSP的汇编语言并送到汇编语言汇编器进行汇编,生成目标文件.2)将目标文件送入连接器进行连接,得到可执行文件.3)将克制性文件掉如到调试器进行调试,检查运行结果是否正确.如果着呢宫阙 进入下一
16、步;如果不正确则返回第一步.4)进行代码转换将代码写入EEPROM,并脱离仿真器进行程序,检查结果是否正 确。如果不正确,返回上一步;如果正确,进入下一步。5)软件调试,软件调试借助DSP开发工具,如软件模拟器、DSP开发系统或仿 真器等。1.4 DSP前沿技术与应用磁悬浮微驱动器的定位控制系统设计目前磁悬浮控制系统的硬件设备普遍采用DSP数字信号处理芯片结合高速 的AD / DA转换器来构成。软件编写的上位机测控系统目前没有统一的整体发展 趋势。传统的上位机编写软件是由vc+、VB等可视化软件来编写,这种开发形 式过于偏重语言自身的学习,不 利于测控工程师们根据实际需要灵活地改变上 位机测控
17、系统的功能.因此.本文采用DSP硬件电路结合图形化测控软件 LabVlEW编写上位机测控系统实现高精度磁悬浮驱动器的定位控制。1. 磁悬浮驱动器结构本文使用的磁悬浮微驱动器结构如图1-3所示。驱动器的底座由绝缘材料制成,纵横正交叠放160x160匝导线并用环氧树脂 胶结形成导线阵列,用于产生同步跟随磁场”1来驱动驱动器的运动部分,导线 阵列上方叫周的框体是水平驱动模块.由8个线圈绕组构成,用于水平驱动和定 位框内放置永磁阵列运动部分。运动部分由49块磁极方向各异的小磁块.按照 Halbach阵列原理。由45。旋转角型二维矢量叠加的方式”1排列组成。在运 动体的四周安装有3个一组的简化Halba
18、ch阵列。对应于周围的线圈绕组构成水 平驱动定位系统。运动部分的上方用来安放光学测量设备。图1-3驱动结构图图1-4定位控制系统机构图2. 定位控制系统总体设计结合理论分析与仿真研究”1可知,徽驱动器要求测控系统性能稳定.精度 高.实时性好,编程调试和功能修改方便。因此.选择TI公司的TMS320F2812DSP 数字处理器作为控制芯片,采用16 bit 250 kS / s的AD7656和DAC7744实现数 据采集和控制量输出的转换。电压范围10V.共同l句成硬件控制核心。采用 NI公司的LabVIEW专业测控软件以及数据采集卡制作实时的监测软件.对驱 动器运动的数据进行同步采集和分析修正
19、。采用高精度的电涡流传感器作为位移 检测装置。定位控制系统的总体框图如图1-4所示,系统由上位机、DSP控制器、 驱动电路、换向控制电路、传感器等几部分组成。第二章DSP硬件部分设计2.1硬件设计任务概述DSP最小系统是由满足DSP运行的最小硬件组成,包括电源电路,复位电路, 时钟电路,JTAG接口电路,电平转换电路等。请选一 55系列DSP芯片设计最小 系统。要求:1. DSP芯片选择TMS320VC5509 , VC5507,VC5502中的一种。(根据学号的 1,2,3分组)外设扩展部分;(外设按照学号依次选择(3),(4),(5),任选(1),(2),至 少两个外设)(1) 液晶 LC
20、D12864(2) 2片4位数码管(3) 键盘和LED,设计一 2X4键盘控制8个LED灯(我所做的课题)(4) SRAM:IS61LV6416(5) FLASH:AM29LV400B2. 提高部分:在必选题的基础上,可多加其它选题的外设功能。3. 请运用Protel完成最小系统的schematic原理图及PCB布线图。4. 设计完成,根据规范格式撰写设计报告,并附上布线3D效果截图,器件 物料表BOM等。2.2总体方案设计本次硬件电路设计时限一周,大体方案设计和时间安排如下: 周一选择所需的芯片和外设模块,到网上搜索其管脚图和作用以及封装技术。根 据所学的知识,将原理图大体勾勒出来。周二、周
21、三、周四在PROTEL 99平台完 成各模块电路和原理图的绘制。周五则撰写硬件部分设计报告。最小系统框图2-1如下:图2-1 DSP最小系统框图2.3模块电路原理图设计总电路图设计如下图2-2:图2-2硬件设计总电路图主芯片为TMS320C5509,引脚图2-3如下:图 2-3 MS320C5502 引脚图2.4外设电路原理图设计2.4.1电源模块C55x数字信号处理器电源包括内核电源和外部接口电源,其外部接口电源为 3.3V,内核则根据型号不同而采用了不同电压。由于C55x处理器大多应用于低 功耗场合,因此电源电路的设计应注意电源的转换效率和电路的复杂程度,而高 效率的DC-DC转换电路则十
22、分适合这种应用。TPS54110能够提供1.5A的连续电流输出,其输出电压可调,电压输出范围 覆盖0.93.3V,能够较好的满足C55x处理器的供电要求,图2-4给出采用 TPS54110实现DC-DC转换的电路原理图。图2-4电源模块电路原理图2.4.2复位电路模块在系统上电过程中,如果电源电压还没有稳定,这是DSP进入工作状态可能造成不可预知的后果,甚至引起硬件损坏,解决这个问题的方法是DSP在上电过程中保持复位状态,因此有必要在系统中加入上电复位电路。 上电复位电路的作用是保证上电可靠,并在用户需要时实现可靠复位。本次设计采用74LVC071构建的DSP复位电路,该复位电路可以提供低 输
23、入电压保护、复位时间延迟和手工复位等功能。图2-5中RESEST为DSP复位信号。图2-5复位模块电路2.4.3时钟电路模块任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。现在 流行的串行时钟电路很多,如 DS1302、DS1307、PCF8485等。这些电路的 接口简单、价格低廉、使用方便,被广泛地采用。实时时钟电路 DS1302是 DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路,主要特点是采用串行数 据传输,可为掉电保护电源提供可编程的充电功能,并且可以关闭充电功 能。采用普通32.768kHz晶振。图2-6时钟电路2.4.4 JTAG仿真模块JTAG仿真器也称为JTAG调试器
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