1、基于TMS320C5410芯片的余弦信號發(fā)生器學生姓名： 指導老師：摘 要 本課程設計主要是設計一個基于TMS320C5410 芯片的余弦信號發(fā)生器，在TMS320C5410 DSP芯片上完成對波形的編程，軟件編程主要采用模塊化的設計思想，把程序細化成易于實現(xiàn)的小模塊。編程的語言主要采用執(zhí)行效率高的匯編語言編寫程序。通過CCS仿真平臺最終成功實現(xiàn)了余弦波波形的產(chǎn)生。通過最后的仿真結果可知，基于TMS320C5410 芯片的余弦信號發(fā)生器已初步實現(xiàn)了設計指標并可用于解決一些實際性的問題。關鍵詞：信號發(fā)生器，TMS320C5410, C語言，CCS仿真ABSTRACT The cosine sig

2、nal generator is base on the TMS320C5410 chip in this course design. The waveform is programmed on the TMS320C5410 DSP chip, The software programming of the signal generator is mainly based on the modular design ideas, the refinement process into a small module is easy to implement. The programming

3、language is a flexible one which is mainly used efficient assembly language.Through the CCS emulating the generated of cosine waveforms is finally come true, the final simulation results indicate that the cosine signal generator based on the TMS320C5410 chip have been already initial realization of

4、the design specifications and can be used to solve some practical problems.Key words: signal generator, TMS320C5410, C language , CCS emulate1引 言 HYPERLINK :/baike.baidu /view/50226.htm t _blank 數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科,是在模擬信號變成數(shù)字信號以后進行高速實時處理的專用處理器。DSP芯片以其獨特的結

5、構和快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法的突出優(yōu)點,開展十分迅速。數(shù)字信號發(fā)生器是在電子電路設計、自動控制系統(tǒng)和儀表測量校正調試中應用很多的一種信號發(fā)生裝置和信號源。而正弦信號是一種頻率成分最為單一的常見信號源，任何復雜信號(例如聲音信號)都可以通過傅里葉變換分解為許多頻率不同、幅度不等的正弦信號的疊加，廣泛地應用在電子技術試驗、自動控制系統(tǒng)和通信、儀器儀表、控制等領域的信號處理系統(tǒng)中及其他機械、電聲、水聲及生物等科研領域。目前,常用的信號發(fā)生器絕大局部是由模擬電路構成的。當這種模擬信號發(fā)生器用于低頻信號輸出時,往往需要的RC值很大,這樣不但參數(shù)準確度難以保證,而且體積和功耗都很大。而由數(shù)字電路構成的

6、低頻信號發(fā)生器,雖然其低頻性能好,但體積較大,價格較貴。而本文借助DSP運算速度高，系統(tǒng)集成度強的優(yōu)勢設計的這種信號發(fā)生器，比以前的數(shù)字式信號發(fā)生器具有速度更快，且實現(xiàn)更加簡便。1.1 課程設計的目的科技的進步帶動了DSP技術的開展，現(xiàn)代控制設備的性能和結構發(fā)生了巨大的變化，我們已經(jīng)進入了高速開展的信息時代，DSP技術也成為當今科技的主流之一，被廣泛地應用于生產(chǎn)的各個領域。對于本次設計，其目的在于：1熟悉掌握DSP及DSP硬件器的結構、各部件根本工作原理。2掌握基于TMS320C5410 DSP芯片實現(xiàn)余弦信號發(fā)生器的設計原理和實現(xiàn)方法。3熟悉CCS集成開發(fā)環(huán)境，并能較熟練的對CCS的開發(fā)系統(tǒng)

7、進行使用。4熟悉使用匯編語言編程DSP源程序5掌握工程設計的流程及方法，學習DSP程序的調試及編寫，及運用觀察變量的方法查看程序的運行情況。1.2 課程設計的要求1通過實際應用系統(tǒng)的分析、設計、編碼、測試等工作，掌握DSP設計的一般方法和過程，初步掌握開發(fā)的有關技術。2要求所實現(xiàn)的系統(tǒng)具有較完善的功能，能夠完成DSP系統(tǒng)相關功能。3對所設計的系統(tǒng)要求進行認真的測試與調試，所提交的軟件系統(tǒng)要能正確運行。4在老師的指導下，獨立完成課程設計的全部內(nèi)容，并按要求編寫課程設計論文，能正確闡述和分析設計和實驗結果。設計平臺CCS集成開發(fā)環(huán)境。2 根本原理2.1 DSP系統(tǒng)簡介如下圖是數(shù)字信號處理DSP系統(tǒng)

8、的簡化框圖。此系統(tǒng)先將模擬信號轉換為數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)字信號處理后，再轉換成模擬信號輸出。其中抗混疊濾波器的作用是將輸入信號X(t)中高于折疊頻率的分量濾除，以防止信號頻譜的混疊。隨后，信號經(jīng)采樣和A/D轉換后，變成數(shù)字信號X(n)。數(shù)字信號處理器對X(n)進行處理，得到輸出數(shù)字信號Y(n),經(jīng)D/A轉換器變成模擬信號。此信號經(jīng)低通濾波器，濾除不需要的高頻分量，最后輸出平滑的模擬信號Y(t)。圖2.1 數(shù)字信號處理系統(tǒng)簡化框圖設計DSP應用系統(tǒng)，DSP的選擇是重要的一環(huán)。只有選擇了DSP芯片，才能進一步設計其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路?？偠灾?，DSP芯片的選擇應該根據(jù)實際應用系統(tǒng)的需要來定。一般來

9、說，選擇DSP芯片時應該考慮如下的因素：1運算速度。運算速度是DSP芯片的最重要的性能指標，也是考慮選擇DSP芯片的主要因素。2價格。價格也是選擇DSP芯片時必須考慮的一個重要因素。最為畢業(yè)設計的課題研究，在滿足設計要求的根底上，我們應當盡量的節(jié)約開支。3硬件資源。不同的DSP芯片硬件資源不同，如片內(nèi)RAM與ROM的容量，外部可擴展的程序和數(shù)據(jù)空間以及總線接口等。4運算精度。5開發(fā)工具和功耗也是在選擇DSP芯片時應該特別注意的。而TMS320C5410的DSP的運算速度指標如下：1單指令周期時間分為；2每秒指令數(shù)為40/50/66/80/100/200MIPS。與此同時，作為16位的定點DSP

10、它的價格相對而言是很廉價的，同時它擁有16k的片內(nèi)程序ROM，和64k的RAM以及96k的I/O空間，運算精度可以到達10e-5級精度，功耗較低(采用3.3/2.5v電源)，完全能夠滿足本次課題研究的需要。因此本課程設計中DSP系統(tǒng)的設計流程如圖2.2所示。圖2.2 DSP系統(tǒng)設計流程 TMS320C5410芯片簡介TMS320C5410是為實現(xiàn)低功耗、高性能而專門設計的定點DSP芯片，主要應用在無線通信等應用系統(tǒng)中。它的體系結構采用先進的哈佛結構，程序與數(shù)據(jù)分開存放，內(nèi)部具有8條高速并行總線。片內(nèi)集成有片外的存儲器和片內(nèi)的外設以及專門用途的硬件邏輯，并配備有功能強大的指令系統(tǒng)，使得芯片具有很

11、高的處理速度和廣泛的應用適應性。再加上采用模塊化的設計以及先進的集成電路技術，芯片的功耗小、本錢低、自推出以來已廣泛地應用于移動通信、數(shù)字無線電、計算機網(wǎng)絡以及各種專門用途的實時嵌入式系統(tǒng)和儀器儀表中。其內(nèi)部結構如圖2.3所示。圖2.3DSP芯片內(nèi)部結構基于TMS320C5410 DSP的信號發(fā)生器的具有如下特點：1速度快。由于TMS320VC5410DSP指令周期25/20/15/12.5/10ns，運算能力高達100 MIPS，此外，它內(nèi)部還集成了維特比加速器，用于提高維特比編譯碼的速度，所以由它組成的信號發(fā)生器的波形生成速度快。2波形精度高。由于TMS320VC5410DSP有優(yōu)化的CP

12、U結構，內(nèi)部有1個40位算術邏輯單元，2個40位累加器，2個40 位加法器，1個1717的乘法器和1個40位的桶形移位器，有4條內(nèi)部總線和2 個地址產(chǎn)生器，所以它能產(chǎn)生高精度的信號波形。3功耗低。該信號發(fā)生器的組要部件TMS320C5410 可以在或電壓下工作，三個低功耗方式(IDLE1、IDLE2和IDLE3)可以節(jié)省DSP 的功耗，從而降低信號發(fā)生器的功耗。 4穩(wěn)定性好。該信號發(fā)生器的主要部件都是大規(guī)模的集成芯片，性能穩(wěn)定，從而產(chǎn)生的波形信號也穩(wěn)定。5本錢較低。利用DSP構成的信號發(fā)生器的大局部功能本錢可以嵌入到DSP的軟件中，而不是額外的硬件，大大的降低了本錢和額外的開銷。6編程方便。D

13、SP可以使用匯編語言，也可以使用C語言，在軟件編程中的修改或升級都特別的方便。7 可重復性好。模擬器件的性能受元器件參數(shù)性能變化的影響很大，而數(shù)字系統(tǒng)根本不受影響，因此，其便于測試、調試和大規(guī)模的生產(chǎn)。8可擴展性好。2.3 CCS軟件簡介軟件設計是基于CCS開發(fā)環(huán)境的。CCS是TI公司推出的為開發(fā)TMS320系列DSP軟件的集成開發(fā)環(huán)境，是目前使用最為廣泛的DSP開發(fā)軟件之一。它采用Windows風格界面，提供了環(huán)境配置、源文件編譯、編譯連接、程序調試、跟蹤分析等環(huán)節(jié)，并把軟、硬件開發(fā)工具集成在一起，使程序的編寫、匯編、程序的軟硬件仿真和調試等開發(fā)工作在統(tǒng)一的環(huán)境中進行，從而加速軟件開發(fā)進程。

14、本課程設計通過CCS軟件平臺上應用執(zhí)行效率高的匯編語言來實現(xiàn)余弦信號發(fā)生裝置。一個典型的CCS集成開發(fā)環(huán)境用戶界面如圖2.4所示。圖2.4 CCS用戶界面由上圖知整個用戶界面由主菜單、工具欄、工程窗口、源程序編輯調試窗口、輸出窗口等組成。工程窗口用來組織用戶飛假設干程序構成一個工程，用戶可以從工程列表中選擇需要編輯和調試的特定程序，可以在工程中添加文件。在源程序編輯窗口中用戶可以編輯程序，又可以設置斷點、探針調試程序。輸出窗口顯示編譯信息、程序執(zhí)行結果。CCS主菜單中共有12項，如圖2.5所示，各項功能見表2-1。圖2.5 CCS主菜單表2-1 主菜單各項功能簡介菜單項功能File文件文件管理

15、，載入執(zhí)行程序，符號數(shù)據(jù)，文件輸入/輸出Edit編輯文字及變量編輯，如剪切、粘貼、撤銷、字符串查找View查看工具欄顯示設置，內(nèi)存、存放器和圖形顯示等Project工程工程管理及編譯、構建工程等Debug調試斷點、探針設置、單步執(zhí)行、復位等Profiler性能包括時鐘和性能斷點設置等GEL擴展功能利用通用擴展語言設置擴展功能Option選項設置字體、顏色、鍵盤屬性以及動畫速度、內(nèi)存映射Tools工具包括引腳鏈接、端口鏈接、命令窗口、鏈接配置DSP/BIOS實時分析用來輔助CCS環(huán)境實現(xiàn)程序實時調試Window窗口包括窗口排列、窗口列表等Help(幫助)CCS在線幫助菜單，包括用戶手冊、入門指南

16、等常用工具欄有CCS的一些常用命令組成，有6個工具欄，分別是： Standard Toolbar標準工具條、GEL ToolbarGEL工具條、Project Toolbar工程工具條、Debug Toolbar調試工具條、Edit Toolbar編輯工具條和Plug-in Toolbar插件程序工具條。這6種工具欄可在View菜單下找到，如圖2.6所示，并可選擇是否顯示該工具欄。圖2.6 View 菜單2.4 余弦信號發(fā)生器實現(xiàn)原理一般情況下產(chǎn)生余弦波的方法有兩種：查表法和泰勒級數(shù)展開法。1查表法：把事先將需要輸出的數(shù)據(jù)計算好，存儲在DSP中，然后依次輸出就可以了。查表法的優(yōu)點是速度快，可以

17、產(chǎn)生頻率較高的波形，而且不占用DSP的計算時間；查表法的缺點是在于需要占用DSP的內(nèi)部的存儲空間，尤其對采樣頻率比擬大的輸出波形，這樣，需要占用的內(nèi)部的空間將更大，而DSP內(nèi)部的存儲空間畢竟有所限制。這使得查表法的應用場合十分有限。 2泰勒級數(shù)展開法采用泰勒級數(shù)展開的方法依次計算數(shù)據(jù)而后輸出，然后再計算而后輸出。計算法的優(yōu)缺點正好和查表法相反。即：其優(yōu)點是不占用DSP的存儲空間，其缺點是占用DSP的計算時間，使得執(zhí)行程序的開銷變大。查表法是使用比擬普遍的方法，優(yōu)點是處理速度快，調頻調相容易，精度高，但需要的存儲器容量很大。泰勒級數(shù)展開法需要的存儲單元少，具有穩(wěn)定性好，算法簡單，易于編程等優(yōu)點，

18、而且展開的級數(shù)越多，失真度就越小。本文采用了泰勒級數(shù)展開法。產(chǎn)生一個余弦波信號，從D/A輸出。余弦函數(shù)可以展開成泰勒級數(shù)，其表達式： 2-1取泰勒級數(shù)的前5項，得近似計算式：2-2由余弦信號的遞推公式： 2-3得知：如果需要產(chǎn)生連續(xù)的余弦信號，必須首先知道兩個余弦值的大小，然后就可以利用上式計算出后面的數(shù)據(jù)，用這種方法求少數(shù)點還可以，假設要產(chǎn)生連續(xù)的余弦波，那么積累誤差太大，不可取，本課程設計主要利用泰勒級數(shù)展開法來實現(xiàn)。3 設計步驟程序流程圖軟件設計的思想是：正弦波的波形可以看作由無數(shù)點組成，這些點與x軸的每一個角度值相對應，可以利用DSP處理器處理大量重復計算的優(yōu)勢來計算x軸每一點對應的y

19、的值(在x軸取N個點進行逼近)。整個系統(tǒng)軟件由主程序和基于泰勒展開法的SIN子程序組成，相應的軟件流程圖如下圖。圖 COS子程序流程圖以上流程圖中。圖3.2 主程序流程圖程序中，N值為產(chǎn)生余弦信號一個周期的點數(shù)，產(chǎn)生的余弦信號頻率與N數(shù)值大小及DA轉換頻率fDA有關，產(chǎn)生余弦波信號頻率f的計算公式為：f=fDA/N。因此，選擇每個余弦周期中的樣點數(shù)，改變每個采樣點之間的延遲，即通過調節(jié)N值產(chǎn)生不同頻率的波形，同時也可以利用軟件改變輸出的離散波形值乘以相應的縮放因子A，從而調節(jié)波形的幅度。3.2 具體實現(xiàn)過程CCS是一個開放的環(huán)境，可以通過設置不同的驅動程序完成對不同環(huán)境的支持。CCS setu

20、p 配置程序就是用來定義DSP芯片和目標板類型的。在第一次使用CCS之前必須首先運行CCS setup 配置程序。在以后的使用中，假設想改變CCS應用平臺的類型，可以再次運行該配置程序來改變設置。CCS軟件集成了TI公司的Simulator和Emulatord 的驅動程序，用戶可以直接用TI的仿真器進行開發(fā)測試。其配置過程如下，雙擊桌面上的Setup CCS 2(C5000)圖標，彈出如圖3.3所示的對話框。 圖3.3 CCS配置對話框從該對話框中選擇C5410 Device Simulator選項，然后單擊Import按鈕，如下圖。圖3.4 用戶平臺類型 該對話框中的Filter欄用于設置D

21、SP類型、平臺類型、是否進行內(nèi)存映射等。在配置對話框完成后，單擊Close按鈕保存設置即完成了配置。完成配置后即可翻開CCS仿真軟件進行設計，首先創(chuàng)立源文件。1 選擇File New Source File 命令，編寫源代碼。2創(chuàng)立計算余弦值的鏈接命令文件cos d見附錄二。 其次是創(chuàng)立工程文件。1 翻開CCS，點擊Project-New,創(chuàng)立一個新工程，其中工程名及路徑如圖3.5所示。圖3.5 創(chuàng)立一個新工程點擊完成即可完成工程創(chuàng)立。2右鍵點擊Project 選擇add files to project,添加工程所需文件。圖3.6 添加工程文件在彈出的對話框中的下拉菜單中分別選擇點擊翻開，即

22、可添加源程序到工程中，在project窗口中可見兩個源文件都已添加進工程。如圖3.7所示。圖3.7 已添加源文件窗口然后是設置編譯與連接選項，點擊Project 選擇Build Opitions， 在彈出的對話框中設置相應的編譯參數(shù)，一般情況下，按默認值就可以；如圖3.8所示。 編譯環(huán)境設置同時在彈出的對話框中選擇連接的參數(shù)設置，設置輸出文件名，堆棧的大小以及初始化的方式。如圖3.9所示。圖3.9 編譯環(huán)境設置 最后是工程編譯與調試，點擊Project Build all，對工程進行編譯，如正確那么生成out 文件；假設是修改程序，可以使用Project Build 命令，進行編譯連接，它只對

23、修改局部做編譯連接工作，可節(jié)省編譯與連接的時間。編譯通過生成.out 文件。點擊File load program，在彈出的對話框中載入debug 文件夾下的.out 可執(zhí)行文件，裝載完畢。4 仿真結果 利用泰勒級數(shù)展開式計算的一個角度的余弦值，采用調用cos.asm程序的方式，調用前只要在數(shù)據(jù)存儲器d_x單元中設定x的弧度值就行了，計算結果在d_cosx單元中，程序中藥用到的一些存儲單元存放數(shù)據(jù)和變量，如圖4.1所示。 圖4.1 計算余弦值存儲單元分配 程序編譯成功后，選擇File菜單中的Load Program選項，將出現(xiàn)圖所示的加載界面。 圖4.2 程序加載圖 加載完成后假設執(zhí)行菜單命令

24、“View“Graph“Time/Frequency,就可以觀察到所生成的余弦波形，如圖4.3所示。產(chǎn)生的余弦信號波形圖上圖顯示了一個周期內(nèi)的余弦信號波形圖，循環(huán)輸出這個周期內(nèi)的數(shù)據(jù)就會產(chǎn)生連續(xù)的波形。選擇View中的Memory，Address中寫上cosx，F(xiàn)ormat中選擇數(shù)據(jù)顯示方式。如圖4.4所示。圖4.4 數(shù)據(jù)顯示選擇對話框余弦信號波形圖中對應的實際數(shù)據(jù)如下列圖所示。圖4.5 cosx的數(shù)據(jù)圖觀察仿真結果可知初步實現(xiàn)了基于DSP芯片的余弦信號發(fā)生器的設計，在實際應用中，余弦波是通過D/A口輸出的。選擇每個余弦波周期中的樣點數(shù)，改變每個樣點之間的延遲，就能夠產(chǎn)生不同頻率的余弦波。5

25、出現(xiàn)的問題及解決方法(1)編寫相關程序中局部代碼出現(xiàn)問題無法運行，對CCS仿真軟件也不大熟悉，通過查看原理及相關資料，了解余弦信號發(fā)生器原理和CCS軟件，從而正確編寫程序。 2理論驗證時沒有徹底搞清楚原理，尤其在輸出的預先信號波形的表示，導致程序運行結果與理論驗證結果不符。在查看相關書籍，請教同學和老師下，最終徹底弄清楚了原理。3在查找相關資料時不懂取舍，導致查了很多無關的資料。解決方法是首先弄清楚余弦信號發(fā)生器的相關原理和課程設計的要求。4在寫論文的過程中也出現(xiàn)了不少的問題，一些原理圖如DSP芯片內(nèi)部結構里的平行兩直線在vosio 2003中根本就不知道怎么畫，最后，通過屢次練習，才找到最好

26、的方式并到達理想的效果。6 結束語經(jīng)過四周自己的摸索和老師同學的幫助，經(jīng)過對課程設計的屢次的修改，我終于順利按時完成任務。在這次課程設計中，我遇到一些課堂中從未有過的問題，通過網(wǎng)絡查找和同學交流，大大促進了設計進程。并在過程中進一步提高自身的創(chuàng)作、創(chuàng)新水平，扎實根底，擴展所學。這次課程設計不僅讓我更加深刻的了解了余弦信號發(fā)生器的產(chǎn)生原理和相關性質，也更加深刻理解了它通信系統(tǒng)中的重要作用。在整個設計過程中，對我來說收獲最大的是那些分析和解決問題的方法與能力。從分析任務書，到如何找到設計原理，以及采用什么平臺來實現(xiàn)原理都是環(huán)環(huán)相扣的一個過程，哪一個步驟出現(xiàn)了問題都會給最終的設計帶來麻煩。我的理論知

27、識和實際應用脫節(jié)，它需要我將學過的相關知識都系統(tǒng)地聯(lián)系起來，對學過的理論進行深入的理解，這就為我們以后進行社會生產(chǎn)打下了根底。通過本次課程設計，我真切的體會到了理論與實際工程的聯(lián)系，架起這座橋梁的就是我們的系統(tǒng)仿真。也正是因為有了系統(tǒng)仿真這個模塊才讓我們的理論在不至于和實際工程相差很遠，也讓我們在學校里就可以驗證理論知識，說到這里我不得不感到電子世界的奇妙。對于我們在校大學生來說很難遇到很好的時機可以把理論運用到真正的實際工程中去，因為我們沒有經(jīng)驗，也因為實際工程的嚴謹，不存在嘗試的可能性，不允許有任何過失。要完整的做好一個設計需要的不僅是懂得理論就可以了?；貞涍@次課程設計，感慨頗多，在短短的

28、四周時間里，我不僅穩(wěn)固了以前學過的知識，還學到了很多新知識。這次課程設計使我深刻認識到理論和實踐相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把理論和實踐結合起來，從實踐中得出結論，才是真正自己掌握好的知識，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考解決問題的能力。同時，完成課程設計的過程中我也發(fā)現(xiàn)了自己的很多缺乏。比方，有時候自己遇到問題做不出來就開始急躁。通過此次課程設計我知道了做科學需要嚴謹?shù)膽B(tài)度和廣褒的知識，為我以后更好的學習指明了一個努力的方向。我會不斷的努力學習，珍惜每次時機，把專業(yè)學好，鍛煉自己獨立思考問題的能力，同時培養(yǎng)自己理論聯(lián)系實際及動手的能力。最后，這個設計之所以能按時完成離

29、不開老師的指導和同學的幫助，在此對他們表示衷心的感謝，也感謝學校給了我這次鍛煉自己和認識自己知識水平的好時機。參考文獻1 支長義等.DSP原理及開發(fā)應用.北京：北京航空航天大學出版社，2006.2 清源科技.TMS320C54xDSP硬件開發(fā)教程.北京：機械工業(yè)出版社，2003.3 劉益成.TMS320C54xDSP應用程序設計與開發(fā).北京：北京航空航天大學出版社，2002.4 趙紅怡.DSP技術與應用實例第二版.北京：電子工業(yè)出版社，2021.5 劉劍科、王艷芬、王勝利.基于DSP的信號發(fā)生器的設計與實現(xiàn)J.制造與設計，2005.附件附錄一：產(chǎn)生余弦波局部程序清單.title cosx.as

30、m .mmregs .def start .def cos_start, d_x, d_cosxSTACK: .usect STACK,10Hstart: STM #STACK+10,SP LD #d_x, DP ST #6487H, d_x CALL cos_startend: B endcos_start: .def cos_startd_coeff .usect coeff,4 .datatable: .word 0249H ;C1=1/(7*8) .word 0444H ;C2=1/(5*6) .word 0AABH ;C3=1/(3*4) .word 4000H ;C4=1/2d_x .usect cos_vars,1d_squr_x .usect cos_vars,1d_temp .usect cos_vars,1d_cosx .usect cos_vars,1c_l .usect cos_vars,1 .text SSBX FRCT STM #d_