DSP原理与应用课程设计

1、课程设计报告名称DSP原理与应用课程设计题目信号采集和滤波DSPE序设计指导教师潘建军/沈冰夏设计起止日期2015.11.16至2015.12.18学院信息与通信工程学院专业电子信息工程学生姓名奎卷班级/学号电信1301/20130109成绩目录第一章概述11.1 课程设计目的11.2课程设计所用设备1第二章课程设计原理22.1 A/D原理2模数转换器结构和时序22.1.2模数转换器的寄存器32.2 FIR滤波器设计原理82.3 FIR滤波的DSP程序设计8第三章FIR数字低通滤波器的MATLAB计10第四章ADC信号采集和滤波DSP程序设计124.1采集信号频率124.2课设结果截图13AD

2、采集两路信号的时频图13两路信号混合后波形图14滤波后波形图15第五章结束语18第一章概述1.1课程设计目的掌握TMS320VC5509沼内模数转换器（ADQ的控制方法。掌握TIDSP系统的软件开发。设计TMS320VC5509ADS廉统的AD采集程序。设计FIR滤波器系数对采集的信号进行FIR滤波1.2课程设计所用设备计算机：安装软件开发工具CCStudiov3.3,完成系统的软件开发，进行硬件仿真调试，MATLABICETEK-VC5509-AG-EDU实验箱：包括信号源实现硬件仿真调试时与硬件系统的通信、控制和读取硬件系统状态和数据的开发系统（ICETEK5100-USB仿真器模块）提供

3、软件运行和调试的平台和用户系统开发的参照的评估模块（ICETEKVC5509-A）示波器：观察DSP俞入输出信号的波形和频率。第二章课程设计原理2.1A/D原理2.1.1模数转换器结构和时序在数字信号处理器的具体应用中往往需要采集一些模拟信号量，如电池电压、面板旋钮输入值等，模数转换器就是用来将这些模拟量转化为数字量来供DSFPI用。TMS320VC5507/550。内模拟-数字转换器（AD。方框图如图1所示。TMS320VC5509A三种封装，本次课程设计所用瑞泰创新公司生产的TMS320VC5509ADSP统的评估板上焊接了144管脚薄型四方扁平封装的TMS320VC5509APGE后缀）

4、。本课程设计所使用的TMS320VC5509ADSP能同时支持两路的信号采集。TMS320VC5509APG研内模数转换器支持两路输入，管脚分别为AIN0和AIN0O片内AD（M有如下特性：带内置采样和保持的10位模数转换模块ADC最小转换时间为500ns3最大米样率为21.5kHz（最小米样周期：10/21.5=46.51163s）CPUClockAINO*AIN1十AIM2+AlN3t图1ADC方框图模数转换器采用连续逼近式结构,在模数转换器内部用了三个可编程分频器来灵活地产生用户需要的采样率。整个模数转换过程分为两个周期一一采样/保持周期及转换周期，如图2所示。（1）采样/保持周期是采样

5、/保持电路采集模拟信号的时间，这个周期大于或等于40s；（2）转换周期是RQ匕较网络在一次采样中完成逼近处理并输出A/D转换结果的时间，这需要13个转换时钟周期。AD映换时钟的最大频率为2MHz图2转换时序图模数转换模块接到启动转换信号后，按照设置开始进行相应通道的数据采样转换。i整个肆旃期期1（蟆小转及用斛<1.时向1113弗叶仲翱购经过一个采样时间的延退后，将采样结果放入AD数据寄存器中保存。转换结束，设置标志。等待下一个启动信号。由于TMS320VC5509ADSP片内的A/D转换精度是10位的，AD傲据寄存器（16位）的最高位（第15位）表示转换值是否有效（0有效），第14-12

6、位表示转换的通道号，第11-10位为保留字段，低10位为转换数值，所以在保留时应注意取出结果的低10位，再根据高4位进行相应保存。2.1.2模数转换器的寄存器模数转换器的寄存器包括AD（制寄存器（ADCCTL、AD傲据寄存器（ADCDATA、ADC时钟分频寄存器（ADCCLKDIV和ADC寸钟控制寄存器（ADCCLKCTL。WORDADDRESSREGISTERNAMEDESCRIPTIONRESETVALUE0x6800ADCCTL15:12ADCControlRegister01110000000000000x6801ADCDATA15:0ADCDataRegister0111000000

7、0000000x6802ADCCLKDIV15:0ADCFunctionClockDividerRegister00000000000011110x6803ADCCLKCTL8:0ADCClockControlRegister0000000000000111表1模数转换器(ADC)的寄存器"don'tcare.力?Hardwarereset;xdenotesa?Hardwarereset;xdenotesa?Hardwarereset;xdenotesa151211ADCSTARTFUW-111AD成制寄存器(ADCCTL):发送转换通道号和启动命令，然后循环等待转换结果,最

8、后将结果保存。CHSELECT表2ADC控制寄存器ADCCTL位字段数值说明15ADCSTART01转换开始位无效转换开始。在转换结束后，如果ADCSTART位不为高，模数转换器自动进入关电模式14-12CHSELECT000选择模拟输入通道选择AIN0通道AD傲据寄存器（ADCDATA）只读寄存器，显示AD专换是否正在进行中以及通道号，存放采样数据。001选择AIN1通道010选择AIN2通道（BGA寸装）011选择AIN3通道（BGA寸装）100-111所有通道关闭11-0Reserved保留，读时总为0151412111090R*0R-111R上FMJADCBUSYCHSELEC-Res

9、ervedADCDATA表3ADC数据寄存器ADCDATA位字段数值说明15ADCBUSY01模数转换标志位：采样数据已存在正在转换之中，在ADCSTARK1后，ADCBUS着为1,直到转换结束14-12CHSELECT000001010011100-111标志采集数据的通道AIN0通道AIN1通道AIN2通道（BGAfef装）AIN3通道（BGAfef装）保留11-10Reserved保留，读时总为09-0ADCDATA模数转换数据字段。存放模拟信号的10位转换结果ADC寸钟分频寄存器(ADCCLKDIV):显示转换时钟的分频值和采样保持时间。15SAMNEDIVCCNVRATEDIX-&#

10、39;RLVM111表4ADCM钟分频寄存器ADCCLKDIV位字段数值说明15-8SAMPTIMEDIV0-255采样和保持时间分频字段。该字段同CONRATEDIV段一起决定采样和保持周期ADCSampleandHoldPeriod=(ADCClockPeriod)x(2x(CONRATEDIV+1+SAMPTIMEDIV)7-4Reserved保留3-0CONRATEDIV0000-1111转换时钟分频字段，该字段同SAMPTIMEDI"段一起决定采样和保持周期ADCConversionClock=(ADCClock)/(2X(CONRATEDIV+1)ADC寸钟控制寄存器(A

11、DCCLKCTL)存放CP时钟分频数，并确定是否将ADd于低功耗状态。159870R-CR/W-0R07hIDLEEhCPUCLKDIV表5ADC时钟控制寄存器ADCCLKCTL位字段数值说明15-9Reserved保留8IDLEEN01模数转换器时钟使能位时钟使能在运行休眠指令时时钟停止7-0CPUCLKDIV0-255系统时钟分频字段ADCClock=(CPUClock)/(CPUCLKDIV+1)本设计中DS海统CPIM钟为144MHz>首先对CPIM钟分频，产生模数转换器时钟(ADCClock)，该时钟应尽量运行在较低频率下，以降低功率消耗，在本例中模数转换器时钟是通过对系统主时

12、钟36分频产生的，则此时模数转换器时钟=144MHz/36=4MHz根据公式ADCClock=(CPUClock)/(CPUCLKDIV+1)得出CPUCLKDIV=3§对模数转换器时钟分频产生模数转换器转换时钟(ADCConversionClock),该时钟最大值为2MHz为了获得2MHZ勺模数转换器转换时钟，则需要对模数转换器时钟2分频，由ADCConversionClock=(ADCClock)/(2x(CONVRATEDIV+1)得出CONVRATEDIV=0ADC转换时间=13x(1/ADCConversionClock)ADC转换时间=13X(1/(2MHz)=6.5卬s

13、；对采样和保持周期进行设置，这个值必须大于或等于40asADCSampleandHoldPeriod=(1/(ADCClock)X(2X(CONRATEDIV+1+SAMPTIMEDIV)=(1/(4MHz)X(2X(0+1+SAMPTIMEDIV)=250nsX(2X(0+1+79)=40卬sSAMPTIMEDIV=79;AD(M个转换时间(ADCTotalConversionTime)为40s的采样和保持时间加上6.5s的转换时间等于46.5s,采样率=1/46.5s=21.5kHz。2.2FIR滤波器设计原理设计FIR低通。低通滤波器的幅度响应和性能如图3所示。图3低通滤波器的幅度响应和

14、性能3p为通带截止频率，3s为阻带截止频率，3c为截止频率。ap峰值通带波纹。as为最小阻带衰减。2.3FIR滤波的DSP§序设计FIR滤波器输出y(n)是输入数据和系数的卷积和。卜(刀)=b试h)+-1)+-匕+1).任何时候进行计算，都需要把数据和相对应的系数相乘，再累加到输出结果中。FIR滤波器中，输入信号在每个采样时间T过后都发生改变。也就是说，x(n)将在T时候过后，成为x(n-1)，然后是x(n-2),直到该数据被抛弃。本程序设计将采用MATLAB计的FIR滤波器系数导入到DS髀序中。对信号的FIR滤波函数可以采用设计FIR滤波的浮点实现C函数和两种方法调用德州仪器的TM

15、S320C55xDSPLIB勺FIR滤波函数，实现对A/D采集的输入信号进行滤波处理。详细FIR滤波程序设计实现方法见DS源理与应用讲义。(1)设计FIR滤波的浮点实现C®数（2）调用德州仪器的TMS320C55xDSPLI曲FIR滤波函数德州仪器的TMS320C55xDSPLI虚专门针对TMS320C55系列处理器开发的数字信号处理函数库，它包括50个经过汇编级优化的数字信号处理函数，这些函数可由m用。数字信号处理库由头文件dsplib.h，目标库55xdsp.lib（小模式）、55xdspx.lib（大模式），源文件55xdsp.src等组成。数字信号处理库可以从网站下载，下载的

16、文件是一个压缩文件sprc100.zip（最新版本日期：Apr-10-2007），解压之后生成一个dsplib_2.40.00目录，用户可以把这个目录及目录下的全部内容复制到目录下。例子程序在examples子目录下。库函数中主要的数据类型是Q.15（Q15,16位字），其他数据类型还包括Q.31（Q31,32位双字）和Q.3.12（Q12,3位整数，12位小数）。函数中参数的传递大多采用数组的形式，其中数组成员都在内存中连续保存。当存放的是复数时，则以实部一虚部的格式存放。为了节省存储器的空间，源操作数和目的操作数可以使用相同的地址。如果在函数运行时发生了溢出，函数可以返回溢出标志，但是由于

17、C55x的寄存器为40位，其中有8位的保护位，因此在运算中可能发生了32位溢出但结果仍然正确，在这种情况下，溢出标志代表报警而不是一个错误。调用DSPLI昕需要包含dsplib.h，并在工程中加入55xdsp.lib或55xdspx.lib库或在工程中加入包含调用函数的汇编源代码的汇编文件。TMS320C55xDSPLIB勺FIR滤波的函数说明如下。fir2FIR2FilterFIRdirectform（OptimizedtouseDUAL-MAC）Functionushortoflag=fir2（DATA*x,DATA*h,DATA*r,DATA*dbuffer,ushortnx,ushor

18、tnh）ArgumentsxnxPointertoinputvectorofnxrealelements.hnhPointertocoefficientvectorofsizenhinnormalorder.Forexample,ifnh=6,thenhnh=h0,h1,h2,h3,h4,h5whereh0residesatthelowestmemoryaddressinthearray.rnxPointertooutputvectorofnxrealelements.In-placecomputation（r=x)isallowed.dbuffernh+2Pointertodelaybuff

19、eroflengthnh+2nxNumberofinputsamplesnhThenumberofcoefficientsofthefilter.Forexample,ifthefiltercoefficientsareh0,h1,h2,h3,h4,h5,thennh=6.Mustbeaminimumvalueof3.Forsmallerfilters,zeropadthecoefficientstomeettheminimumvalue.oflagOverflowerrorflag(returnedvalue)Ifoflag=1,a32-bitdataoverflowoccurredinan

20、intermediateorfinalresult.Ifoflag=0,a32-bitoverflowhasnotoccurred.Benchmarks基准测试Cycles?Core:nx*(3+nh/2)Overhead:25Codesize107(inbytes)Assumesalldataisinon-chipdual-accessRAM(providedlinkercommandfilereflectsthoseconditions).第三章FIR数字低通滤波器的MATLAB计本设计选用Kaiser窗设计FIR低通滤波器，采样频率Fs=21500Hz,与AD采集部分计算出的采样频率一致

21、，通带截止频率Fpass=1000Hz,阻带截止频率Fstop=2550Hz,阻带最小衰减Astop=40dB,滤波器如下图：,FillnrT>rski.£n>曰.ZhLJIJC1_色DWmlI-FeHiiiII31'r"«DeKiniirinirillerDonegilwK4i-<An-«1ninl*w<.Vi«wlti»4vwH«lpr*皆h3LSt国庐月xdKJ口EL占旋Hi.田Mo国EJOjrnn(Fiflrr-7048,皆。ImC:LRe6oOeLFNrrOranv|C*：>M

22、ilJmUrii*ErCiQjrBandta1i=i|l>lff!Eierllalcirw>rvieh'iaciH!|jBuffirwarm&>'FIR|Wlrdaww1ScisKPfSE怕wJ旦口山Fltb.IHR-iSh-JMeiniflcwr图3.1低通滤波器图第四章ADC信号采集和滤波DSP程序设计4.1采集信号频率fs=21.5KHz4.2课设结果截图4.2.1.AD采集两路信号的时频图图4.2.1AD采集两路信号时频图4.2.2.两路信号混合后波形图图4.2.2Q15定点混合时域图图4.2.3Q15定点混合频域图图4.2.4浮点混合时域图图

23、4.2.5浮点混合频域图4.2.3.滤波后波形图图4.3.1Q15定点滤波后时域图图4.3.2Q15定点滤波后频域图图4.3.3浮点滤波后时域图图4.3.4浮点滤波后频域图第五章结束语感悟：通过本次课程设计，我学到了很多知识，同时也认识到自己编程技术的薄弱，我会在以后的学习中加强编程知识的学习。本次试验中我对ossa件开发环境有了较深的认识和理解。通过完整的实验我对本专业的知识体系有了系统性的理解，使我受益匪浅。滤波器设计中我理解了滤波器参数的实际意义，让我对课程中的知识有了更深入的理解。试验中遇到不少问题都是在老师和同学的帮助下解决的，谢谢老师的帮助。参考文献1 汪春梅，孙洪波.TMS320

24、C55xDSP原理及应用（第3版）.北京：电子工业出版社2011.2 TexasInstrumentsIncorporated.TMS320VC5507/5509DSPAnalog-to-DigitalConverter(ADC)ReferenceGuideOL.TexasInstrumentsIncorporated,SPRU586B,2004.3 TexasInstrumentsIncorporated.TMS320VC5509AFixed-PointDigitalSignalProcessor.TexasInstrumentsIncorporated,SPRS205K,2008.4 DS

25、P原理与应用课程讲义.5 瑞泰创新公司.ICETEK-VC5509-A评估板硬件使用指导.北京：瑞泰创新公司，2006.6 瑞泰创新公司.ICETEK-VC5509-A-USB-EDU教学实验系统使用指导.北京：瑞泰创新公司,2006.7 瑞泰创新公司.ICETEK-VC5509-A-USB-EDUa学实验系统软件实验指导.北京：瑞泰创新公司，2006.8 谭浩强.C程序设计(第三版)M.北京：清华大学出版社，2005.9 TexasInstrumentsIncorporated.CodeComposerStudioHelp.10 TexasInstrumentsIncorporated.TM

26、S320C55xDSPProgrammer'sGuideOL.TexasInstrumentsIncorporated,SPRU376A,2001.11 TexasInstrumentsIncorporated.TMS320C55xOptimizingC/C+CompilerUser'sGuideOL.TexasInstrumentsIncorporated,SPRU281F,2003.12 TexasInstrumentsIncorporated.TMS320C55xDSPPeripheralsOverviewReferenceGuide.TexasInstrumentsIn

27、corporated.SPRU317H,2006.13 SenM.Kuo,BobH.Lee.Real-TimeDigitalSignalProcessingImplementations,ApplicationsandExperimentsWiththeTMS320C55xM.北京：清华大学出版社，2003.14 焦瑞莉等编著.数字信号处理M.北京：机械工业出版社.2011.附录：程序源代码main.c#include"myapp.h"#include"ICETEK-VC5509-EDU.h”#include"scancode.h"voidIn

28、itADC();voidwait(unsignedintcycles);voidEnableAPLL();intnADC0256,nADC1256;intmixQ15256;floatmixfloat256;intFIROUTQ15256;intDBBufferQ1534;floatBufferfloat32;floatFIROUTfloat256;constintBhQ1532=98,141,138,57,-117,-360,-604,-747,-671,-284,451,1490,2700,3888,4838,5366,5366,4838,3888,2700,1490,451,-284,-

29、671,-747,-604,-360,-117,57,138,141,98;constfloatBhfloat32=0.002999524353,0.004298123531,0.004219199065,0.001731093973,-0.003574917093,-0.01098363195,-0.01098363195,-0.01843946427,-0.02278480493,-0.02048166841,-0.008664992638,0.01377640851,0.01377640851,0.01377640851,0.04545684904,0.08239003271,0.118

30、6456978,0.1476465911,0.163765952,0.163765952,0.163765952,0.163765952,0.1476465911,0.1186456978,0.08239003271,0.04545684904,0.04545684904,0.04545684904,0.01377640851,-0.008664992638,-0.02048166841,-0.02278480493,-0.01843946427,-0.01843946427,-0.01843946427,-0.01098363195,-0.003574917093,0.00173109397

31、3,0.004219199065,0.004298123531,0.002999524353；main()(inti;unsignedintuWork;EnableAPLL();SDRAM_init();InitADC();PLL_Init(144);for(i=0;i<34;i+)DBBufferQ15i=0;for(i=0;i<32;i+)Bufferfloati=0;while(1)(for(i=0;i<256;i+)(ADCCTL=0x8000;/启动AD转换，通道0do(uWork=ADCDATA;while(uWork&0x8000);nADC0i=uWork&0x0fff;for(i=