課程教案課程名稱：DSP技術實驗任課教師：成利香所屬院部：電氣與信息工程學院教學班級：電子1103，通信1101教學時間：2013—2014學年第2學期湖南工學院課程基本信息課程名稱DSP技術實驗課程代碼總計：16學時講課：學時實驗：16學時上機：學時課程設計：周學分類別必修課（√）選修課（）理論課（）實驗課（√）任課教師成利香職稱講師授課對象專業(yè)班級：電子1103，通信1101共2個班課程簡介（不超過1000字）“DSP技術實驗”是電子信息專業(yè)本科生的一門必修的實驗課，通過本課程的學習，讓學生深入了解tms320vc54X組成、工作原理及應用技術。實驗平臺選用tms320vc5416做為主處理器，介紹了DSP的通用開發(fā)環(huán)境CCS5000，讓學生通過調試簡單的示例程序來學習DSP的開發(fā)，并通過外圍的I/O擴展以及定時器和中斷系統(tǒng)讓學生對硬件做一些基本的了解。要求學生在學完本課程以后，具有閱讀各類DSP技術資料的自學能力和進行DSP應用系統(tǒng)設計的開發(fā)能力，并為其它后續(xù)課程奠定數(shù)字信號處理基礎。1.實驗一：熟悉CCS開發(fā)環(huán)境。掌握CCS 5000的安裝、設置以及啟動。掌握打開、創(chuàng)建和管理一個工程；掌握工程的編輯、裝載和編輯環(huán)境的設置；了解工程文件系統(tǒng)的組成。2.實驗五：DSP時鐘和定時器。掌握54X系列DSP內(nèi)部時鐘和定時器的工作原理和應用。3.DSP中斷系統(tǒng)掌握54X系列DSP中斷系統(tǒng)的工作原理和應用。4.發(fā)光二極管實驗了解I/O訪問方式。熟練掌握DSP的各種指令。編寫調試發(fā)光二管流水燈程序。5.液晶顯示實驗進一步掌握I/O讀寫方式。掌握DSP控制圖形LCD顯示方法6.直流電機控制實驗要求學生掌握采用DSP的PWM輸出；進一步熟悉DSP的特征引腳功能；掌握DSP對直流電機的控制原理；7.快速傅立葉變換實驗。掌握計算FFT的計算機實現(xiàn)方法.分析時域離散信號、系統(tǒng)和系統(tǒng)響應8.FIIR濾波器實驗掌握FIR濾波器的基本原理和實現(xiàn)方法熟悉DSP編程技巧該課程以考查方式對學生的實驗成績進行考核?；窘滩暮椭饕獏⒖假Y料教材：TMS320C54XDSP原理及應用（第二版）喬瑞萍等編著參考書1．<<DSP技術與應用實例>>電子工業(yè)出版社趙紅怡編著20XX年6月第一版2．TMS320C54xDSP應用程序設計與開發(fā)劉益成編著北京航空航天大學出版社20XX年5月出一基礎實驗：CCS的使用與簡單應用程序的調試1.1實驗目的1.熟悉CCS集成開發(fā)環(huán)境，掌握工程的生成方法；2.熟悉SEED-DEC5416實驗環(huán)境；3.掌握CCS集成開發(fā)環(huán)境的調試方法；1.2實驗內(nèi)容1.DSP源文件的建立；2.DSP程序工程文件的建立；3.學習使用CCS集成開發(fā)工具的調試工具；1.3實驗知識背景1.3.1CCS簡介1.CCS提供了配置、建立、調試、跟蹤和分析程序的工具，它便于實時、嵌入式信號處理程序的編制和測試，它能夠加速開發(fā)進程，提高工作效率。CCS提供了基本的代碼生成工具，它們具有一系列的調試、分析能力。CCS支持如下所示的開發(fā)周期的所有階段。2.CCS窗口介紹1.3.2CCS常用文件介紹使用CCS時，經(jīng)常遇見下述擴展名文件：1.project.mak:CCS使用的工程文件2.program.c:C程序源文件3.program.asm:匯編程序源文件4.filename.h:C程序的頭文件，包含DSP/BIOSAPI模塊的頭文件5.filename.lib:庫文件6.project.cmd:連接命令文件7.program.obj:由源文件編譯或匯編而得的目標文件8.program.out:（經(jīng)完整的編譯、匯編以及連接的）可執(zhí)行文件9.project.wks:存儲環(huán)境設置信息的工作區(qū)文件保存配置文件時將產(chǎn)生下列文件：1.programcfg.cmd:連接器命令文件2.programcfg.h54:匯編頭文件3.programcfg.s54:匯編源文件1.3.3CCS常用指令簡介1．設置斷點。將光標放置在需要設置斷點的程序行前，選擇Debug→Breakpoints，即完成可一個斷點的設置。2．CCS提供3種方法復位目標板1)ResetDSP：Debug→ResetD，初始化所有的寄存器內(nèi)容并暫停運行中的程序。使用此命令后，要重新裝載.out文件后，在執(zhí)行程序。2)Restart：Debug→Restart，將PC值恢復到當前載入程序的入口地址。3)Gomain：Debug→Gomain，將程序運行到主程序的入口處暫停。3．CCS提供4種執(zhí)行操作1)執(zhí)行執(zhí)行：Debug→Run，程序運行直到遇到斷點為止。2)暫停執(zhí)行：Debug→Halt，程序停止運行。3)動畫執(zhí)行：Debug→Animate，用戶反復運行程序，直到遇到斷點為止。4)自由執(zhí)行：Debug→RunFree，禁止所有斷點運行程序。4．CCS提供4種單步執(zhí)行操作1)單步進入：Debug→stepinto，快捷鍵F8，當調試語句不是基本的匯編指令時，此操作進入語句內(nèi)部。2)單步執(zhí)行：Debug→stepOver，此命令將函數(shù)或子函數(shù)當作一條語句執(zhí)行，不進入內(nèi)部調試。3)單步跳出：Debug→stepOut，此命令作用為從子程序中跳出4)執(zhí)行到光標處：Debug→RuntoCursor，快捷鍵crtl+F10，此命令作用為將程序運行到光標處。5．內(nèi)存、寄存器與變量的操作1)查看變量使用view→WatchWindow命令2)查看寄存器使用view→Registers→CPURegisters命令3)查看內(nèi)存使用view→memory命令6．Graph的設置即圖形顯示1)選擇View→Graph→Time/Frequency。2)在彈出的GraphPropertyDialog對話窗中，將GraphTitle，StartAddress，AcquisitionBufferSize，DisplayDataSize，DSPDataType等的屬性可改變?yōu)槿缦聢D所示（也可根據(jù)具體需要設置屬性）。向下滾動右側的滾動條或調整dialog框的大小可看到所有的屬性。1.4實驗步驟1）.將DSP仿真器與計算機連接好；2）.將DSP仿真器的JTAG插頭與SEED-DEC5416單元的J1相連接；3）.啟動計算機，當計算機啟動后，打開SEED-DTK_DBD的電源。觀察SEED-DTK-IO1單元的＋5V，＋3.3V，＋15V，－15V的電源指示燈，SEED_DEC5416的D2以及SEED-DSK2812的D2是否均亮；若有不亮的，請斷開電源，檢查電源。4）.雙擊圖標進入CCS環(huán)境。下面按照原文件、工程文件以及編譯條件的設置來分別介紹一下CCS的使用。1）創(chuàng)建源文件2）創(chuàng)建工程文件.3）設置編譯與連接選項4）工程編譯與調試1.5完成簡單應用程序的調試1.6記錄實驗結果1.7完成實驗報告：實驗后記：二.發(fā)光二極管顯示實驗2.1實驗目的1.熟悉SZ-DSPF開發(fā)教學平臺的使用;2.掌握DSP對I/OII的訪問方式;3.熟悉C語言程序設。2.2實驗設備計算機;DsP硬件仿真器;SZ-DSPF開發(fā)教學平臺。2.3實驗硬件設置在做實驗之前，需要接通該實驗所需的硬件電路，本實驗為:先將實驗箱上的電源開關“MS2","MS3"和"MS4”按下，再將機箱右側的船型開關往"I”方向打開電源;SZ-5416主控模塊上的J7，J9，J4，J16短接;在“設置模塊”中將“A"和"C”設置為“2.4實驗原理DSP處理器TMS320VC5416的64K字I/O空間必須通過外加緩沖或鎖存電路，配合外部I/O讀寫控制時一序構成片外外設的控制電路。所以木實驗中采用CPLD（CEPM7128)和鎖存器(在XC95216中已設計好)給DSP擴展了一個I/O口，來完成DSP對I/O口的訪問。本實驗程序主要是實現(xiàn)將數(shù)據(jù)往一個I/O端口送，從而顯示一種狀態(tài)，來驗證DSP對I/O口的訪問，實驗中是由DSP直接編程，往發(fā)光二極管的I/O口端地址C002h送數(shù)，通過觀察發(fā)光二極管的變化，來驗證其正確性。硬件原理圖請參考“SZ-LK板”的說明，邏輯關系請參考第二章邏輯分析5416部分，數(shù)據(jù)流程請參考第五章中的發(fā)光二極管。2.4程序設計及步驟：1.程序設計流圖如下：2.完成源程序和連接命令文件的編寫3.編譯連接生成可執(zhí)行文件4.下載并記錄實驗結果2.5實驗思考1、如何設置DP,SP值，以及DP,SP在程序中所起的作用是什么?2、如何理解、設置I/O等待寄存器?實驗后記：三.設計實驗按鍵中斷顯示實驗3.1實驗目的1．了解DSP外部中斷的使用，中斷服務程序的設計方法;2．掌握DSP中斷向量表的劃分。3.2實驗設備計算機;DSP硬件仿真器;SZ-DSPF開發(fā)教學平臺。3.3實驗硬件設置做實驗之前，需要接通該實驗所需的硬件電路，木實驗為:先將實驗箱上的電源開關“MS2","MS3"和"MS4”按下，再將機箱右側的船型開關往"I”方向打開電源;SZ-5416的主控模塊上的J7，J9，J4，J16短接;在“設置模塊”中將“A"和"C”設置為“3.4實驗原理及說明本實驗采用鍵盤中斷，當有鍵按下時一給DSP一個中斷信號（INT2）DSP通過此I/O端口地址COOlh讀鍵值，在讀取鍵值后由數(shù)碼管顯T出來。硬件原理圖請參考“SZ-LK板”的說明，邏輯關系請參考第二章邏輯分析5416部分，數(shù)據(jù)流程請參考第五章中的數(shù)碼管和按鍵。中斷標志寄存器(IFR}，中斷屏蔽寄存器(IMR)。3.5實驗步驟及結果本實驗是一個測試鍵盤的實驗，運行程序依次按鍵1-8，數(shù)碼管依次顯T7-0，中間鍵一一對應，任意按一鍵，其對應的數(shù)碼管顯不相應的數(shù)字。步驟:1．啟動CCS}編寫實驗程序代碼(可參考隨機光盤中的例程alldsp4\h2keptest，進行編譯并加載到DSP中。2．采用單步運行或執(zhí)行到光標處，或全速運行。觀察其結果。(具體請參考實驗一)3.6實驗程序框圖3.7完成實驗報告及實驗思考1.分析下例指令的特點POPD,POPM,PSHDPUSHM?2.分析中斷管理流程及中斷向量表的特點。實驗后記：四、定時器實驗4.1實驗目的1.了解DSP匯編程序的構成；2.了解DSP程序各段的含義；3.熟悉在匯編條件下如何編寫中斷服務程序；4.了解串行通訊的過程5.掌握長時間間隔的定時器的處理。6.掌握片內(nèi)外設的設置方法。4.2實驗內(nèi)容1.DSP的初始設置；2.DSP中斷向量表的建立；3.定時中斷的編寫；4.查詢方式異步串口程序的編寫。4.3實驗要求能夠掌據(jù)匯編語言的程序結構。正確進行異步串口的通訊與定時器的設置。能夠與系統(tǒng)正確通訊。通過LCD與鍵盤可以控制定時器的運行。4.4實驗程序功能與結構說明4.5.實驗步驟首先將光盤下03.ExamplesofProgram\04.SEED_DTK-DBD調試實驗程序目錄下的CCS-Timer的文件夾拷貝到D：盤根目錄下。1.將DSP仿真器與計算機連接好；2.將DSP仿真器的JTAG插頭與SEED-DEC5416單元的J1相連接；3.啟動計算機，當計算機啟動后，打開SEED-DTK_DBD的電源。觀察SEED-DTK-IO1單元的＋5V，＋3.3V，＋15V，－15V的電源指示燈，SEED_DEC5416的D2以及SEED-DSK2812的D2是否均亮；若有不亮的，請斷開電源，檢查電源。4.打開CCS，進入CCS的操作環(huán)境。5.裝入timer.pjt工程文件，添加dtk-boot.gel文件。6.裝載程序timer.out，進行調試。7.在程序的第101行“i=i+1;”處設置斷點。8.運行程序，程序會停在斷點處，表明已進入定時器中斷。繼續(xù)運行程序，程序每次都會停在斷點處。實驗者可根據(jù)自己的需要改變周期寄存器的值，從而控制每次進中斷的時間。4.6思考題理解DSP程序的編寫過程，如何編寫中斷程序？實驗后記：五、液晶顯示實驗5.1實驗目的了解工作原理，熟悉DSP和外圍器件的鏈接和操作。學習DSP控制液晶顯示漢子和圖像的程序設計5.2實驗設備計算機，仿真器，DSP開發(fā)平臺5.3實驗硬件設置做實驗之前，需要接通該實驗所需的硬件電路，實驗操作：先將實驗箱上的電源開關“MS2”、“MS3”和“MS4”按下，再將機箱右側的船型開關往“I”的方向打開電源，SZ－5416主控模塊上的J7，J9，J4，J16短接，在“設置模塊”中將“A”和“C”設置為“1”，然后開始做實驗，注意在做DSP實驗時按過了復位鍵后，程序運行時不要再按復位鍵，以免實驗由于DSP復位而失敗。5.4實驗原理本液晶顯示屏是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅動器/列驅動器及128X64全點陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可以顯示8X4個（16X16點陣）漢字。對于液晶顯示屏的控制可以分為幾種狀態(tài)來控制，具體詳細資料請參閱隨機光盤資料中的液晶顯示屏資料。根據(jù)液晶顯示原理，我們可以用DSP的I/O方式對液晶顯示屏進行控制，CPLD（EPM7128）利用DSP的控制線IOSTRB和地址線經(jīng)邏輯組合擴展I/O口，并給出液晶顯示需要的幾種狀態(tài)來控制，這樣DSP就只要采用I/O訪問方式就能對液晶顯示屏讀寫控制和寄存器控制等來完成顯示的功能，具體詳細資料請參閱隨機光盤資料中的“SZ－LK板”的說明，邏輯關系參考第二章邏輯分析5416部分，數(shù)據(jù)流程請參考第五章中的LCD。5.5實驗步驟實驗本實驗是一個液晶的測試實驗，運行程序即可在液晶屏中看到一個小熊貓。步驟：啟動CCS，編寫實驗程序代碼（可參考隨機光盤中的例程），進行編譯并加載到DSP中。采用單步運行或執(zhí)行到光標處，或全速運行。觀察其結果。（具體方法請參考實驗一）5.6實驗思考1.嘗試調入其他數(shù)據(jù)，顯示不同的圖像和文字2.思考如何顯示一段連續(xù)的動態(tài)圖像實驗后記：六、直流電機實驗6.1實驗目的：了解直流電機及電開關的工作原理。學習DSP用I/o方式對直流電機控制及測速的編程方式6.2實驗設備計算機，仿真器，DSP開發(fā)平臺6.3實驗原理通常直流電機由一串脈沖控制，通過調節(jié)脈沖的電平方向及脈沖寬度可以使得電機正轉、反轉、加速、減速和停轉。直流電機轉動的基本原理：轉動的方向由電壓控制，電壓是正時則電機就正轉，電壓我負時則電機就反轉，如下圖所示：本實驗是通過DSP的I/O方式來控制電機的運轉，這里采用CPLD（EMP7128）給DSP擴展了一個I/O口，來完成對步進電機的控制。在DSP的I/O方式下，將DSP的數(shù)據(jù)經(jīng)過電平轉換的低兩位數(shù)據(jù)線D1、D0送往直流電機模塊的鎖存器，信號再經(jīng)過隔離和驅動后對直流電機控制。DSP對步進電控制的I/O訪問一址是C004H，其硬件的原理圖請參考“2.11電機模塊”的說明，邏輯關系請參考第二章邏輯分析5416部分，數(shù)據(jù)應和請參考第五章中的電機部分。6.4實驗步驟：本實驗是一個閉環(huán)直流電機測速的實驗，可在液晶屏上看速度值。實驗按鍵功能：按鍵1是停止，指示燈熄滅；按鍵2是正轉，右邊指示燈亮；按鍵3是反轉，左邊指示燈亮；按SZ－5416EVM板上復位鍵要也可停止電機運轉。做實驗時，先讓電機轉起來，記住其顯示速度值，然后用手輕輕的接觸轉盤邊沿，觀察速度變化。（注意：不要加太大的負載，用時不要太久）步驟：啟動CCS，編寫實驗程序代碼（可參考隨機光盤中的例程H4motor）,進行編譯并加載到DSP中。采用單步運行或執(zhí)行到光標處，或全速云霧。觀察其結果。6.5實驗程序框圖6.6實驗思考編寫程序：用鍵盤預先設置要求的轉速，再使電機旋轉，其轉速是否基本與設置的值相同？實驗后記：七、快速傅立葉變換(FFT)7.1實驗目的(1)了解FFT的原理；(2)了解使用Matlab語言實現(xiàn)FFT的方法；(3)了解在DSP中FFT的設計及編程方法；(4)熟悉對FFT的調試方法；7.2實驗內(nèi)容本試驗要求使用FFT變換求一個時域信號的頻域特性，并從這個頻域特性求出該信號的頻率值。使用Matlab語言實現(xiàn)對FFT算法的仿真，然后使用DSP匯編語言實現(xiàn)對FFT的DSP編程。7.3實驗原理參照教科書N點DFT所需要的乘法次數(shù)，而乘數(shù)2代表必須完成兩個DFT。上述處理方法可以反復使用，即（N/2）點的DFT計算也可以化成兩個（N/4）點DFT（假定N/2為偶數(shù)），從而又少作一半乘法。使用這種方法，在組合輸入和拆散輸出的操作中，F(xiàn)FT的運算量減半。這樣，利用實數(shù)FFT算法來計算實輸入序列的DFT的速度幾乎是一般復FFT算法的兩倍。7.4FFT的DSP編程從上面FFT實現(xiàn)的過程可以看出，其實現(xiàn)步驟主要有以下四步：（1）將輸入序列壓縮和位倒序。（2）N點的復數(shù)FFT。（3）奇數(shù)號部分和偶數(shù)號部分分離。（4）產(chǎn)生最后的輸出數(shù)據(jù)程序可以參考指導書7.5CCS使用步驟1．打開CCS，新建立一工程文件FFT.pjt。2．將匯編源文件fft.asm、中斷向量表vectors.asm和鏈接命令文件fft.cmd添加到fft.pjt中。3．在project菜單下選擇buildoptions選項，選取Linker選項,調整為-q-c-m".\Debug\fft.map"-o".\Debug\fft.out"-w–x。點擊編譯，鏈接圖標，通過后生成fft.out文件和fft.map文件，其余選項可默認。4．在file菜單下，選擇loadprogram選項，將生成的fft.out文件裝載到DSP中。5．運行程序，在view菜單下選擇watchwindow選項來觀測變量值。6．可以在view菜單下選擇graph/timefrequence，彈出如下對話框。按照要求，設置好相應的參數(shù)，來觀測信號輸入和經(jīng)FFT變換后輸出數(shù)據(jù)的波形。7．具體調試執(zhí)行程序時，可使用斷點，單步執(zhí)行等方式。7.6實驗結果1.程序運行起始地址為3000H，輸入的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)空間地址為1400H，長度為400H，輸出的功率譜在數(shù)據(jù)空間地址1800H，長度為400H。2.描述程序運行前的輸入數(shù)據(jù)的時域圖和頻域圖7.7思考題分析輸入、輸出信號的頻率成分，說明這一結果的原因實驗后記：八.綜合性實驗FIR濾波器的設計8.1實驗目的1.了解F工R濾波器的原理及使用方法;2.了解使用Matlab語言設計F工RR濾波器的方法;3.了解DSP對F工R濾波器的設計及編程方法;4．熟悉對F工R濾波器的調試方法;8.2實驗內(nèi)容本試驗要求設計濾波器采樣頻率為1000hz,截n頻率300hz的低通濾波器。設計F工R濾波器實現(xiàn)上面要求。輸入信號頻率合成信號，目的是通過我們設計的濾波器將高頻信號濾掉，余下低頻的信號成分，達到濾波的效果。8.3實驗原理一個線性位移不變系統(tǒng)的輸出序列Y(}>和輸入序列X(}>之間的關系，應滿足常系數(shù)線性差分方程:FIR濾波器的單位沖激響應h(n)為有限長序列。若h(n)為實數(shù)，且滿足偶對稱或奇對稱的條件，則FIR濾波器具有線性相位特性。N—偶數(shù)在數(shù)字濾波器中，F(xiàn)IR濾波器具有如下幾個主要特點:①FIR濾波器無反饋回路，是一種無條件穩(wěn)定系統(tǒng);②FIR濾波器可以設計成具有線性相位特性。本實驗程序設計的就是一種偶對稱的線性相位濾波器。程序算法實現(xiàn)采用循環(huán)緩沖區(qū)法。算法原理:①在數(shù)據(jù)存儲器中開辟一個N個單元的緩沖區(qū)(滑窗)，用來存放最新的N個輸入樣本;②從最新樣