《DSP技术与应用》课程设计报告-基于TLV1571的AD转换.doc

淮阴工学院 DSP DSP 技术及应用技术及应用 课程设计报告课程设计报告 选题名称选题名称 基于 TLV1571 的 AD 转换 系 院 系 院 计算机工程学院 专专 业业 计算机科学与技术 嵌入式系统软件设计 班班 级级 计算机 1073 班 姓姓 名名 学学 号号 指导教师指导教师 学年学期学年学期 2009 2010 学年 第 2 学期 2010年 6 月 12 日 设计任务书设计任务书 课题课题 名称名称 基于 TLV1571 的 AD 转换 设计设计 目的目的 1 理解 TLV1571 的工作原理 2 理解 DSP 应用系统开发的基本思路及方法 3 练习使用汇编语言等知识编写应用程序的基本步骤 4 学习软件开发过程及资料收集与整理 学会撰写课程设计报告 5 学会对所学知识进行总结与提高 实验实验 环境环境 1 Windows 2000 以上操作系统 2 CCS 开发环境 任务任务 要求要求 1 利用课余时间去图书馆或上网查阅课题相关资料 深入理解课题含义及 设计要求 注意材料收集与整理 2 在第 15 周末之前完成预设计 并请指导教师审查 通过后方可进行下一 步工作 3 按指导书要求设计软件 实现设计的功能 并显示正确的结果 4 要求形成稳定的程序软件 可以运行 方可申请参加答辩 工作进度计划工作进度计划 序号序号起止日期起止日期工工 作作 内内 容容 12010 6 7 2010 6 8 在预设计的基础上 进一步查阅资料 完成硬件电 路设计 22010 6 8 2010 6 9编写软件代码 调试与完善 32010 6 9 2010 6 10 测试程序 优化代码 增强功能 撰写课程设计报 告 42010 6 10 2010 6 11 提交软件代码 硬件电路成果和设计报告 参加答 辩 指导教师 签章 指导教师 签章 年年 月月 日日 摘要 我们处在一个数字时代 而我们的视觉 听觉 感觉 嗅觉等所感知的却是一个 模拟世界 如何将数字世界与模拟世界联系在一起 正是模拟数字转换器 ADC 和数 字模拟转换器 DAC 大显身手之处 任何一个信号链系统 都需要传感器来探测来自 模拟世界的电压 电流 温度 压力等信号 这些传感器探测到的信号量被送到放大 器中进行放大 然后通过 ADC 把模拟信号转化为数字信号 经过 DSP 信号处理后 再经由 DAC 还原为模拟信号 所以 ADC 和 DAC 在信号链的框架中起着桥梁的作用 即模拟世界与数字世界的一个接口 关键词 TLV1571 数模信号 AD DA 中断 目目 录录 1 课题综述课题综述 1 1 1 信号链系统概要 1 1 2 模数转换器 ADC 1 1 3 ADC 的若干应用 3 2 TLV1571 的原理与应用的原理与应用 3 2 1 TLV1571 的原理及结构 3 2 2 TLV1571 的控制寄存器 4 3 DSP 与与 TLV1571 的连接的连接 5 3 1 硬件连接 5 3 2 软件连接 5 4 AD 转换的基本原理转换的基本原理 6 4 1 采样和量化 6 4 2 分类 7 4 3 工作原理 7 4 4 逐次逼近式 ADC 工作原理 8 5 实验步骤和程序参考实验步骤和程序参考 8 总总 结结 15 参考文献参考文献 16 DSP 技术与应用 课程设计报告 1 1 课题综述课题综述 1 1 信号链系统概要信号链系统概要 一个信号链系统主要由模数转换器ADC 采样与保持电路和数模转换器DAC组成 见图1 1 DAC 简单来讲就是数字信号输入 模拟信号输出 即它是一种把数字信 号转变为模拟信号的器件 以理想的4bit DAC为例 其输入有bit0到bit3 其组合方式 有16种 使用R 2R梯形电阻的4bit DAC在假定Vbit0到Vbit3都等于1V时 R 2R间的四 个抽头电压有四种 分别为V1到V4 图 1 1 信号链系统框图 采样保持电路也叫取样保持电路 它的定义是指将一个电压信号从模拟转换成数 字信号时需要保持稳定性直到完成转换工作 它有两个阶段 一个是zero phase 一个 是compare phase 采样保持电路的比较器通常要求其offset比较小 这样才能使ADC的 精度更好 通常在比较器的后面需要放置一个锁存器 其目的是为了保持稳定性 在采样电压快速变化时 需要用到具有FET开关的采样与保持电路 当FET开关 导通时 输入电压保存在某个位置如C1中 当开关关断时 电压仍保持在该位置中进 行锁存 直到下一个采样脉冲的到来 ADC与DAC在功用上正好相反 它是模拟信号输入 数字信号输出 是一个混合 信号器件 1 2 模数转换器模数转换器 ADC ADC按结构分有很多种 按其采样速度和精度可分为 多比较器快速 Flash ADC 数字跃升式 Digital Ramp ADC 逐次逼近ADC DSP 技术与应用 课程设计报告 2 管道ADC Sigma Delta ADC 任何一种ADC的输出都等于2的N次方乘以它的增益 输入信号 再除以它的参 考电压 每一种类型的ADC都各具特性 下面重点介绍前三种类型 不同的ADC有着不同 的特性 对于Sigma Delta ADC来讲 其分辨率可以达到24bit以上 但其采样速率比 较低 逐次逼近型ADC比较适应于中等采样率 分辨率在16bit以下的应用 管道ADC 主 要用于高采样率的应用 其分辨率则在16bit以下 多比较器ADC也是一种高速 ADC 但因为其体积和功耗较大 分辨率较低 目前应用中很少使用它 多比较器 Flash ADC中用到的比较器很多 如一个8位的ADC就需要255个比较 器 该类产品采样速率确实很高 但因为多个比较器的存在 其功耗很大 而且管芯 也较大 ADC0820 ADC1175等产品都是这种类型的ADC 数字跃升式ADC是用连续搜索的方法获得编码 因为速率太慢 效率太低 因此 很少使用 逐次逼近型ADC在逐次逼近的方法上分为两种 以3比特采样为例 它首先将基 准电压分为7个比较电压 使输入信号同时与这7个电压进行比较 最接近的比较电压 是表示数值 第二种是将输入电压逐次接近电压的二分之一 四分之一 八分之一等 顺序产生比较后的数字信号 因为变换过程是将输入信号与基准信号比较 所以 基 准电压必需是稳定准确的 输入信号的最高电平应保持稳定 充分利用变换器达到高 的分辨率 对于任何逐次逼近ADC 都有5个组成部分 第一部分是DAC 其中含有 一个算术逻辑测试单元 会比较DAC的输出和模拟信号的输入 直到两者接近 第二 部分是输出寄存器 第三部分是比较器 逐次逼近ADC仅含有一个比较器 所以功耗 和管芯尺寸都比较小 第四部分是逻辑电路 第五部分是时钟 有一个要求是 DAC 的精度一定要高于ADC 逐次逼近型ADC因其功耗小 成本低 尺寸小以及性能等方面的优点 成为了目 前市场上最具成本效益的ADC 也是最常见的ADC 逐次逼近ADC的工作原理是它首先得到最高的有效位 然后是第二个最高有效位 直到得到最后一个 ADCV08832是一个低功耗版本的器件 它的操作电压较低 DSP 技术与应用 课程设计报告 3 1 3 ADC 的若干应用的若干应用 第一个实际应用的例子 是使用温度传感器LM19 ADC变换器来读取温度 通 过USB接口送入笔记本电脑 第二个应用是远程按键检测 它是用ADC感测很多个按键的输入 然后只有一路 产生输出 这样可以节省很多个GPIO接口 实现起来非常方便 比如应用在MP3上等 第三个应用是电池放电 目前的手机无法看到电池还能支撑多少时间 没有一个 量化的概念 利用一个ADC便可以实现让用户知道手机电池还能支持多长的通话时间 应用例子如诺基亚8250 2 TLV1571 的原理与应用的原理与应用 2 1 TLV1571 的原理及结构的原理及结构 图 2 1 TLV1571 的内部结构原理框图 外部模拟信号从 TLV1571 的 AN 引脚输入 信号到达 TLV1571 的中心单元 10bit 触发式 AD 将模拟信号转换为数字信号 同时 TLV1571 内部的输入寄存 器和逻辑 DSP 技术与应用 课程设计报告 4 控制单元控制信号转变的方式 数字信号经过逻辑校验单元到达三态数据输出寄存器 输出 此外 TLV1571 提供外部数据输出中断信号 INT 引脚 该引脚信号连接到 DSP 的中断信号 DSP 收到中断信号就可以读取数据总线 获得采样信号 TLV1571 的引脚分布如图 2 2 所示 其中 CS 是片选信号 用于选通芯片 RD 是 读信号 即 DSP 每读取一个数据通过该引脚通知 TLVl571 TLV1571 从而开始下一 次 采样 WR 是写信号 对 TLV1571 初始化寄存器 通过该引脚通知 TLV1571 TLV1571 从而将数据总线的数据写入到其内部寄存器 REFP 是高电平参 考电压 一般直接连接到 VCC REFM 是低电平参考电压 一般直接连接到地 图 2 2 TLV1571 的引脚分布 2 2 TLV1571 的控制寄存器的控制寄存器 外部模拟信号从 TLV1571 的 AN 引脚输入 信号到达 TLV1571 的中心单元 10bit 触发式 AD 将模拟信号转换为数字信号 同时 TLV1571 内部的输入寄存 器和逻辑控制单元控制信号转变的方式 数字信号经过逻辑校验单元到达三态数据输 出寄存器输出 此外 TLV1571 提供外部数据输出中断信号 INT 引脚 该引脚信号连 接到 DSP 的中断信号 DSP 收到中断信号就可以读取数据总线 获得采样信号 TLV1571内置有10MHz的振荡器 通过设置CR1寄存器的D6位 可使内部振荡器 的速度提高1倍 如果D6 0 内部振荡器的速度不变 如果D6 1 内部振荡器的速 度提高到 MHz 通过设置CR1寄存器的D3位 可以设置TLV1571数字信号输出格式 DSP 技术与应用 课程设计报告 5 如果D3 0 输出数据格式是直接二进制格式 如果D3 1 输出数据格式是二进制 的补码格式 TLV1571的启动方式由CR0寄存器的D7位决定 对于TLV1571 单通道输人设置 CR0 D3 0 CR1 D7 0 采用软件启动设置CR0 D7 1 采用内部时钟源方式 设置CR0 D5 0 时钟20MHz设置CR1 D6 1 采用二进制输出方式设置 CR1 D3 0 最终控制寄存器的设置为CR0 0080H CR1 0140H 将这两个数据 写到控制寄存器 TLV1571将按照以上设置开始工作 3 DSP 与与 TLV1571 的连接的连接 3 1 硬件连接硬件连接 TLV1571 与 TMS320C5409 的连接如图 3 1 所示 使用 DSP 的地址总线的 A0 引 脚控制 TLV1571 的片选信号 使用 DSP 的 XF 引脚 控制 TLV1571 的读信号 DSP 和 TLV1571 的数据总线和中断信号直接相连 图 3 1 TMS320C5409 与 TLV1571 的连接 3 2 软件连接软件连接 TLV157l 的调试 主要步骤如下 1 DSP 选通 TLV1571 根据图 3 1 的连接 将 DSP 的 A0 引脚置低 从而选 通 TLV1571 DSP 技术与应用 课程设计报告 6 2 DSP 初始化 TLV1571 的两个控制寄存器 通过 DSP 的 R W 信号和数据总 线初始化控制寄存器 3 DSP 接收 TLV1517 的中断信号 进入中断服务程序 4 DSP 在中断服务程序中 读取 TLV1571 的采样数据 并保存 5 重复步骤 3 和 4 读取下一个采样数据 并保存 对于 TLV1571 的具体操作如下 1 DSP 选通 TLV1517 置信号 CS 为低 同时写入两个寄存器的值到 TLV1571 置 WR 为低 2 等待 TLV1571 产生中断信号 INT 信号产生下降沿 一般在初始化之后 的 6 个时钟周期后才会有第一次中断信号产生 3 DSP 响应 TLV1517 的中断 读入数据到其内部存储器 数据读完后 DSP 通 知 TLV1571 TLV1571 得到读入完成信号 RD 引脚电平为低 后 开始下一次采样 4 AD 转换的基本原理转换的基本原理 4 1 采样和量化采样和量化 作用 我们经常遇到的物理参数 如电流 电压 温度 压力 速度 电量或 非电量都是模拟量 模拟量的大小是连续分布的 且经常也是时间上的连续函数 因 此要将模拟量转换成数字信号需经采样 量化 编码三个基本过程 数字化过 程 采样 按采样定理对模拟信号进行等时间间隔采样 将得到的一系列时域上的样值去代 替u f t 即用u0 u1 un代替u f t 这些样值在时间上是离散的值 但在幅度上仍然是连续模拟量 DSP 技术与应用 课程设计报告 7 图4 1 A D采样示意图 量化 在幅值上再用离散值来表示 方法是用一个量化因子Q去度量 u0 u1 得 到 取整后的数字量 u0 2 4Q 2Q 010 u1 4 0Q 4Q 100 u2 5 2Q 5Q 101 u3 5 8Q 5Q 101 编码 将整量化后的数字量进行编码 以便读入和识别 编码仅是对数字量的一种处理方法 例如 Q 0 5V 格 设用三位 二进编码 u0 2 4Q2Q 010 0 1 0 0 5V 1V 整量化 编码 0 u 2 2 1 2 0 2 4 2 分类分类 按被转换的模拟量类型可分为时间 数字 电压 数字 机械变量 数字等 应用最 多的是电压 数字转换器 电压 数字转换器又可分为多种类型 DSP 技术与应用 课程设计报告 8 按转换方式可分为 直接转换 间接转换 按输出方式分可分为 并行 串行 串并行 按转换原理可分为 计数式 比较式 按转换速度可分为 低速 中速 高速 按转换精度和分辨率可分为 3位 4位 8位 10位 12位 14位 16位等等 4 3 工作原理工作原理 类似于用天平称物体重量 设有一待测物为4 42g 满度测量量程为RNFS 5 12g 砝码种类有四种 RNFS 2 56 RNFS 1 28 RNFS 0 64 RNFS 0 32 2 1 4 1 8 1 16 1 测量方法 先大砝码 后小砝码 依次比较 累计比较 要的记 1 不要的记 0 实测物重G为 G 1 RNFS 1 RNFS 1 RNFS 1 RNFS 2 1 4 1 8 1 16 1 一次为 2 56g 4 42g留 二次为 2 56g 1 28g 3 84g4 42g去 四次为 3 84g 0 32g 4 16g 4 42g留 误差 4 16g 4 42g 0 26g 0 32g 测 G 实际 G 误差 最小砝码 最小分辨砝码 以上过程 通过4次比较后 得出结果 误差 最小砝码值 4 4 逐次逼近式逐次逼近式 ADC 工作原理工作原理 原理结构框图 F V R V 1 d 1 2 n d n 2 DSP 技术与应用 课程设计报告 9 图4 2 原理结构框图 5 实验步骤和程序参考实验步骤和程序参考 实验步骤 连接教学系统以及DSP仿真器 将AIN24跳线接到SOUT2 编写AD采样的程序 编译并下载 运行 使用示波器检查输入信号和输出信号 程序参考 AD DA 实验 将 AD 采样的数据直接输出到 DA 用示波器检查输入信号和输出信号是否一致 mmregs 定义存储器映像寄存器 def CodeEntry def Eint1 ISR data 数据段 DSP 技术与应用 课程设计报告 10 Data DP text 文本段 CodeEntry copy set dp asm 初始化 DP ST0 中的 9 位数据存储器页面指针 SP 堆栈指针 copy set iptr asm 初始化中断向量表 Initialize the AD1571 K STARTSEL set 1 7 D7 0 HARDWARE START 1 SOFTWARE START K PROGEOC set 0 6 D6 0 INT1 EOC K CLKSEL set 0 5 D5 0 Internal Clock1 External Clock K SWPWDN set 0 4 D4 0 Normal1 Power Down K MODESEL set 0 3 D3 0 Single Channel1 Sweep Mode K CR0 set K STARTSEL K PROGEOC K CLKSEL K SWPWDN K MODESEL 5 K OSCSPD set 0 6 D6 0 INT OSC SLOW1 INT OSC FAST K OUTCODE set 0 3 D3 0 Binary1 2s Complement K READREG set 0 2 D2 0 Enable Self Test 1 Register Read back K STEST set 0 0CONVERSION resultREADREG 0 1SELF TEST 1 result 2SELF TEST 2 result 3SELF TEST 3 result 0Contents of CR0READREG 1 1Contents of CR1 K CR1 set 100H K OSCSPD K OUTCODE K READREG K STEST 5 DAC DAT set 2200h DSP 技术与应用 课程设计报告 11 ADC DAT set 2300h SSBXINTM ST1 中的中断屏蔽位 关闭中断 STM 0003H IMR 中断屏蔽寄存器 使能外部中断 1 STM 0FFFFH IFR 中断标志寄存器 清除未决的中断 RSBXINTM 使能中断 STM K CR0 AR0 辅助寄存器 0 设置 AD1571 初始化字 STM K CR1 AR1 辅助寄存器 1 设置 AD1571 初始化字 PORTW 10h ADC DAT 初始化 AD1571 PORTW 11h ADC DAT 初始化 AD1571 LOOP NOP B LOOP Eint1 ISR PSHMAR0 把一个 AR0 的值压入堆栈 保护 AR0 PORTRADC DAT 10h 读取 AD 采样数据 NOP NOP PORTW 10h DAC DAT 将采样数据输出到 DA POPMAR0 把一个 AR0 的值弹出堆栈 恢复 AR0 RETE end DSP 技术与应用 课程设计报告 12 Vectors asm 完整中断向量表示例 共有 30 个中断向量 每个向量占 4 个字的空间 使用向量一般用一条跳转指令转到相应中断服务子程序 其余空位用 NOP 填充 未使用的向量直接用 RETE 返回 是为了防止意外进入未用中断 sect vectors 开始命名段 vecotrs global CodeEntry 引用程序入口的全局符号定义 global Eint1 ISR align 0 x80 中断向量表必须对齐 128 字的页边界 RESET BCodeEntry Reset 中断向量 跳转到程序入口 NOP 用 NOP 填充表中其余空字 NOP B 指令占了两个字 所以要填两个 NOP NMI RETE 不可屏蔽中断 NOP NOP NOP SINT17 space 4 16 软件中断使用较少 简单起见用 0 填充 SINT18 space 4 16 SINT19 space 4 16 SINT20 space 4 16 SINT21 space 4 16 SINT22 space 4 16 SINT23 space 4 16 DSP 技术与应用 课程设计报告 13 SINT24 space 4 16 SINT25 space 4 16 SINT26 space 4 16 SINT27 space 4 16 SINT28 space 4 16 SINT29 space 4 16 SINT30 space 4 16 INT0 RETE 外部中断 INT0 B Eint1 ISR NOP NOP NOP INT1 BEint1 ISR 外部中断 INT1 NOP NOP INT2 RETE 外部中断 INT2 NOP NOP NOP TINT RETE Timer0 中断 NOP NOP NOP BRINT0 RETE McBSP 0 接收中断 NOP NOP NOP BXINT0 RETE McBSP 0 发送中断 DSP 技术与应用 课程设计报告 14 NOP NOP NOP DMAC0 RETE 无定义 默认 DMA0 中断 NOP NOP NOP TINT1 RETE Timer1 中断 默认 或 DMA1 中断 NOP NOP NOP INT3 RETE 外部中断 3 NOP NOP NOP HPINT RETE HPI 中断 NOP NOP NOP BRINT1 RETE McBSP 1 接收中断 默认 或 DMA2 中断 NOP NOP NOP BXINT1 RETE McBSP 1 发送中断 默认 或 DMA3 中断 NOP NOP NOP DMAC4 RETE DMA4 中断 NOP NOP DSP 技术与应用 课程设计报告 15 NOP DMAC5 RETE DMA5 中断 NOP NOP NOP end 总总结结 课程设计是培养学生综合运用所学知识 发现 提出 分析和解决实际问题 锻 炼实践能力的重要环节 是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程 随着科学技 术发展的日新月异 DSP 已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域 在生活中可以 说是无处不在 因此作为 21 世纪的大学生来说掌握 DSP 的开发技术是十分重要的 本次课程设计是基于 TLV1571 的 AD 转换设计实验 传感器将探测到的信号量送 到放大器中进行放大 然后通过 ADC 把模拟信号转化为数字信号 经过 DSP 信号处 理后 再经由 DAC 还原为模拟信号 通过上网搜索资料 查阅课本及课外书籍 动 DSP 技术与应用 课程设计报告 16 手设计 AD 转换器 加强了对汇编程序的编写能力以及对 DSP 相关知识的理解 通过 本次课程设计 我对 DSP 有了更进一步的熟悉 实际操作也加深了对课本知识的理解 回顾此次 DSP 课程设计 感慨良多 的确