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dsp频谱仪设计

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    基于tsm320的dsp频谱仪设计

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    湖 北 民 族 学 院 信息工程学院 DSP课程设计报告书 题目: 基于TMS320VC5402的频谱分析系统设计 专 业:电气工程及其自动化 班 级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 2011年 月 日 信息工程学院课程设计任务书 2011年 月 日 信息工程学院课程设计成绩评定表           摘 要 频谱分析实质是对信号功率谱的估计,广泛应用于雷达、声纳、通信、地质探测、天文、生物医学工程等众多领域。在DSP芯片出现之前,频谱分析是依靠模拟滤波的方法实现的,数字信号处理技术的发展为频谱分析提供了新的解决方法。本文设计了一种基于DSP的频谱分析系统,该系统以TI公司的DSP芯片TMS320VC5402作为数据处理核心,以AT89S52为事务处理核心,组成了具有数据采集、实时数据处理和频谱显示功能的硬件平台,在此基础上应用FFT技术,形成数字化的频谱分析系统。实验结果表明:该系统能对频率在0~32kHz范围内的信号较好地完成频谱分析。 关键词: TMS320VC5402 单片机 频谱分析 快速傅里叶变换 Abstract Real is the spectrum of the estimated signal power spectrum is widely used in radar, sonar, communications, geological exploration, astronomy, biomedical engineering and other fields. Before the advent of DSP chips in the spectrum analysis method is to rely on implementation of analog filtering, digital signal processing technology for the spectrum analysis provides a new solution. This paper presents a DSP-based spectrum analysis system, the system to TI's DSP chip TMS320VC5402 as a data processing core to AT89S52 for transaction processing core, formed with the data acquisition, real-time data processing and spectral display of the hardware platform, On this basis, the application of FFT techniques, the formation of the digital spectrum analysis system. The results show that: the system can in the frequency range of 0 ~ 32kHz signal spectrum analysis done better.     Key words: TMS320VC5402 microcontroller FFT spectrum analysis 目录 1 任务提出与方案论证 6 1.1 任务提出 6 1.2 方案论证 6 2 总体设计 7 2.0系统结构流程图: 7 2.1 双CPU方案 7 2.2 主从设备接口 8 2.3软件设计思路 10 3 各功能模块设计 10 3.1 硬件设计 10 3.1.1TMS320C5402结构功能: 10 3.1.2电源产生电路设计 11 3.1.3复位电路设计 11 3.1.4D/A转换设计: 12 3.1.5 电平转换电路的设计: 13 3.1.6时钟电路设计: 14 3.1.7JTAG接口电路设计: 14 3.1.8系统电路 15 3.2频谱分析系统的软件设计: 16 3.2.1软件设计思路: 16 3.2.2AD采样: 17 3.2.3FFT算法过程: 17 3.2.4FFT频谱分析系统原理图: 18 4总结 20 参考文献 21 1 任务提出与方案论证 1.1 任务提出 随着社会的进步和科技的发展,频谱分析已成为通信,雷达,遥控,导航领域必不可少的信号分析,对频谱分析范围、快速性和精确度的要求也越来越高。数字信号处理技术的飞速发展,DSP芯片制造技术的不断突破,使得其运算时间变得更短、数据处理量更大成为可能。同时, PC计算机强大的图形环境,各种应用软件,我们可以在计算机屏幕上建立自己的虚拟仪器面板,并由软件完成对仪器的控制、数据分析与显示。鉴于以上因素,基于TMS320VC5402的频谱分析系统设计在实际运用中也日益广泛。 1.2 方案论证 设计了一种实时信号频谱分析系统,该系统以采用TI公司推出的一款高性能TMS320VC5402芯片作为系统数据处理核心,外扩14位高精度AD和DA等外围电路, 用FFT技术对信号频域进行分析。频谱分析的结果可实时显示并上传至上位机。通过对内部RAM的分块使用、在RAM中运行程序、利用中断实现任务调度等措施对软件进行优化设计,系统的实时性能良好。 2 总体设计 设计了一种基于DSP的频谱分析系统,该系统以TI公司的DSP芯片TMS320VC5402作为数据处理核心,以AT89S52为事务处理核心,组成了具有数据采集、实时数据处理和频谱显示功能的硬件平台,在此基础上应用FFT技术,形成数字化的频谱分析系统。 2.0系统结构流程图: 采用TI公司的DSP芯片 TMS320VC5402,还有电源芯片TPS76D318,AD转换TLV1544和DA转换TL7528,电平转换芯片74LVCl6245A等构成的频谱分析系统的硬件结构。结构图如图1所示: 图 1 系统结构图 2.1 双CPU方案 本系统是基于TI公司16位定点数字信号处理芯片TMS320VC5402的频谱分析系统,其硬件系统结构图如图2所示,它包含DSP和单片机两个子系统,右侧实框为DSP子系统,用来做数据处理,左侧实框为单片机子系统,用来做事务处理。采取这种双CPU方案原因有二:一、TMS320VC5402是具有特殊结构的微处理器,具有一系列和数字信号处理相适应的特点,比如:具有数据总线和程序总线分离的改进型哈佛结构;采用6重流水线结构,可并行处理多条指令;并具有单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集等等;如此这些特点都说明TMS320VC5402具有高速的数据运算能力,是运算密集型的器件;二、单片机强调控制和事务处理功能,是事务密集型的器件。我们正是利用这两种芯片的不同特点。使其扬长避短,各司其职,高效地完成频谱分析的任务。TMS320VC5402子系统作为从设备,完成采样、计算等功能;单片机子系统作为主设备,完成控制和显示。单片机选择的是MCS-51系列的AT89C51。 图 2 双CPU结构图 2.2 主从设备接口 主从设备之间要以一定的方式接口,来进行数据通信。本系统采用的是DSP芯片中为了满足DSP与其它的微处理器接口而专门设计的HPI接口(HOST PORT INTERFACE,主机接口TMS320VC5402的HPI是一个8位(HD0~HD7)的连接DSP与主机设备或主处理器的并行接口,信息在TMS320VC5402与主机间通过TMS320VC5402的片内存储器进行交换,整个片内RAM都可以作为HPI的存储器。HPIA地址寄存器只能由主机直接访问,存放当前寻址的存储器的地址;HPlD数据锁存器只能由主机直接访问,存放当前要写入或读出的数据;HPIC控制寄存器可以被主机和C5402共同访问。HPI本身的硬件中断逻辑可以完成主从设备之间的握手,主机通过置HPIC中的特定位产生DSP中断,同样DSP通过HINT引脚对主机产生中断HRDY引脚用于自动调节主机访问HPI的速度,使慢速外部主机与DSP能很好地匹配。由于DSP和单片机之间的电平不匹配,故需要进行接口电路的电平转换,如果引脚数量少,可以直接用三极管电阻来转换,本系统中由于涉及到的引脚较多,所以选用PHILIP公司出品的74LVCl6245A芯片来进行电f转换。74LVCl6245A是一个T作电压在2.7伏到3.6伏的双向收发器,可以用做两个八位的或是一个十六位的收发器,它可以接收高达5.5V的高电平,而输出的高电平可以达到3.3V左右,正适合TMS320VC5402与3.3V左右,正适合TMS320VC5402与AT89C51之间的电平转换。本系统TMS320VC5402与AT89C51之间通过74LV1.3 A/D转换因为TMS320VC5402内部没有集成A/D,因此在数据采集时需要使用A/D转换芯片。为了充分利用C5402所提供的多通道缓冲串13资源,简化系统设计,本系统使用了,I'I公司的高速串行模数转换芯片TLC320AD50C,该芯片是一种Σ一△型、具有许多优良特性的模拟接口电路芯片,该芯片广泛适用于各种电路,尤其是应用在DSP领域中。TLC320AD50C与TMS320VC5402是以串行外嗣设备接口SPI(serial peripheral interface)B11同步串行接口方式连接的。TLC320AD50C T作在主机模式(M/S=0,提供SCLK(数据移位时钟)和rs(帧同步脉冲)。TMS320VC5402工作于SPI方式的从机模式。通过寄存器设置,将TMS320C5402的FSX、FSR、CLKR、CLKX配置为外部输人,TLC320AD50C的 SCLK配置为内部产生。这样数据接收,发送帧同步信号、移位时钟信号均由TLC320AD50C产生。串行口的接收,发送过程受TLC320AD50C的控制。TLC320AD50C芯片的采样频率可以通过串口编程来得到,采样率fs=MCLK/(128*N)或MCLK/(5 12+N)淇中N为控制寄存器4巾的4-6位所没,MCLK为输入主时钟),这就使得采样频率方便可调。在电源方面TLC320AD50C可以Cl6245A 可以根据DSP的电源特性选择3.3V或5V的数字电压,以实现管脚的直接连接。本系统中,TLC320AD50C与TMS320VC5402的McBSP多通道缓冲串口相连,连接图如图3所示。 图 3 串口接线图 2.3软件设计思路 软件设计部分主要包含系统初始化,AD采集,FFT变换,FFT信号分析,DA转换,结构显示和上传。系统上电,进入main()函数后首先进行系统的初始化,包括系统时钟初始化,外设中断向量表初始化等等。 3 各功能模块设计 3.1 硬件设计 3.1.1TMS320C5402结构功能: TMS320C5402是TI公司推出的新一代16位定点DSP产品,它采用修正的哈佛结构 ,片内集成 8 条总线(1 条程序存储器总线、3 条数据存储器总线和 4 条地址总线) 、在片存储器和在片复用设。速度由30~532MIPS不等. TMS320C5402主要特点: ·1 个 40 位的算术逻辑单元 ,2 个 40 位的累加器 ,2 个 40 位的专用加法器 ,1 个 17×17 的并行乘法器 ,1 个 40 位的桶形移位器。8 个辅助寄存器和 1 个软件栈。 ·内部集成 Viterbi 加速器 ,用于提高Viterbi 编译码的速度。 ·可工作在三种低功耗方式(IDLE1、I2DLE2、IDLE3) 。1192K WORD寻址空间(64KW 程序空间、64KW数据空间、64KW I/O 空间) ,某些型号的程序空间可扩展到 8M WORD。 ·片内存储区可灵活配置为程序/数据存储器。 ·多种复用外设; McBSP、HPI、GPIOTDM、DMA、Timer、PLL。 ·双电源供电 ,提供 PGE和BGA 两种形式的封装。 TMS320VC5402,最高频率 100MHz , 性价比高。它含 4K×16bit 片内 ROM、16K×16bit 片内 DARAM、6 个DMA 通道、2 个 McBSP、2 个 Timer ,外部程序空间可扩展到 1M ×16bit。 对于片外数据空间一般建议选用高速SRAM ,尽量减少DSP的等待周期。用户程序一般在上电时从外部ROM加载到片内RAM 区运行。程序存储器 Flash Rom:256K×16;一片数据存储器 SRAM:64K×16 一片;可编程逻辑器件 CPLD:一片。 3.1.2电源产生电路设计 由于TMS320VC5402核电压为1.8V,端口电压为3.3V,外围器件为5V,其它器件的提供电压在3.3V . TI公司的电源TPS76D318是一个双输出电压为分离电源,可以由5V产生3.3V和1.8V的电压输出,最大输出电流为1A,可以满足要求。该器件具有快速瞬态响应和超低85uA典型静态电流,热关断保护的每一个调节,有个28引脚。电路连接图4如下。 vc 图 4 电源芯片电路 3.1.3复位电路设计 系统上电时可自动复位,但是为了防止系统受到外界干扰或电源波动时出现死机现象,还专门加了外部RESET,主要使用了两个施密特触发器74LS14。电路连接图5如下。 图 5 复位电路 3.1.4D/A转换设计: 因为C5402内部没有A/D转换功能,因此在数据采集时需要使用A/D转换芯片。为了充分利用C5402所提供的多通缓冲串口资源,我们采用T I公司生产的CMOS 型10b模数芯片TLV1544。其内部采用开关电容逐次近似来得到模数转换结果。芯片有4 路模拟信号输入通道, 通过芯片内部参数设置选择不同通道输入, 进行A/D转换输出。TM S320VC5402 是T I公司生产的具有很高性价比的定点DSP。他有2 个多通道缓冲串口 (M cBSP), 设计中使用M cBSP0 完成配置 TLV1544 以及接收转换好的数字信号。接口原理图如图6所示。 图 6 TLV155接口原理图 TLV1544 的INV CLK, CSTART接高电平, 输入/输出时钟不翻转且采样/转换考试控制功能不使用。TM S320VC5402 的XF 引脚提供TLV1544 的片选信号。TLV1544 的EOC 触发DSP 的外部0 中断, 转换结束通过中断接收转换好的数据。 TLV1544 与 TM S320VC5402 通过串行口连接,此时, A/D转换芯片作为从设备, DSP 提供帧同步和输入/输出时钟信号。 3.1.5 电平转换电路的设计: 主机接口(HPI)是TMS320C5402定部具有的一种接口部件,主要用于DSP芯片与其它总线或CPU进行通信。HPI接口通过控制寄存器(HPIC)、地址寄存器(HPIA)、数据所存器(HPI内存块实现与主机通信。其主要特点有:接口所需外围硬件芯片很少;HPI单元允许芯片直接利用一个或两个数据选通信号、一个独立或复用的数据总线接到为控制单元MCU上;主机和DSP芯片可独立地对HPI接口操作;主机和DSP芯片握手可通过终端方式来完成。主 机还可以通过HPI接口装载DSP应用程序、接受DSP运行结果或诊断DSP运行状态。HPI为DSP芯片的接口开发提供了一种极为方便的途径。DSP芯片中的HPl分为HPI一8和HPI一16针对具有8位和16位数据线的单片机。每一种又分为标准型和增强型。其区别在于标准型只可以访问固定的地址空间,而增强型可以访问整个DSP的片内存储器。 由于TMS320VC540 和AT89S52单片机之间的电平不匹配,故需要进行接口电路的电平转换,如果引脚数量少,可以直接用三极管电阻来转换,本系统中由于涉及到的引脚较多,所以选用PHILIP公司出品的74LVCl6245A芯片来进行电平转换。74LVCl6245A是一个工作电压在2.7伏到3.6伏的双向收发器,可以用做两个八位的或是一个十六位的收发器,它可以接收高达5.5V的高电平,而输出的高电平可以达到3.3V左右,正适合TMS320VC540与AT89S52之间的电平转换。电路接线如图7所示。 图 7 74LVCl6245A与 AT89S52的接口电路 3.1.6时钟电路设计: 系统中采用外部时钟,根据使用的晶振不同,采用的晶体振荡电容也不同,这里采用10MHz晶振,起振电容选为22pF。系统中让DSP工作在20MHz的频率,因此根据5402的主时钟配置规则,只要将5402的CLKMD1,CLKMD2,CLKMD3这3个引脚分别选择高电平,低电平,低电平即可。电路接线如图8所示。 图 8 时钟电路 3.1.7JTAG接口电路设计: JTAG是基于IEEE 1149. 1 标准的一种边界扫描测试方式。TI 公司为其大多数的DSPs 产品都提供了J TAG端口支持,5402 也不例外。结合配套的仿真软件,可访问DSPs 的所有资源,包括片内寄存器及所有的存储器,从而提供了一个实时的硬件仿真与调试环境,便于开发人员进行系统软件调试。除上述电路接口外,要使系统板正常地工作,还必须配置跳线和接插座等部分。其中:电源模块接出一个插座,以便于外部电压输入;音频编解码部分需安装话筒和扬声器;USB 芯片要连接到USB 接口插件,以实现与主机的交互。实用起见,所有这些插件均设置在电路板边界部分。最后,对于系统中一些难以事先决定的设置引脚附近,放置上位/ 下拉电阻,为以后的电路更改或扩展提供方便. 通过JTAG接口,可以对C5402芯片内部的所有结构进行访问,电路接线如图9所示。 图9 JTAG接口电路 3.1.8系统电路 频谱分析系统电路接线如图10所示。 图 10 系统电路Pcb图 3.2频谱分析系统的软件设计: 3.2.1软件设计思路: 软件设计部分主要包含系统初始化,AD采集,FFT变换,FFT信号分析,DA转换,结构显示和上传。系统上电,进入main()函数后首先进行系统的初始化,包括系统时钟初始化,外设中断向量表初始化等等。 3.2.2AD采样: 开始时,CS为高电平(芯片处于非激活状态),DATAN和I/OCLK无效,DATAOUT处于高阻态。当串行口使CS变低(激活),芯片开始工作,I/OCLK和DATAN能使DATAOUT不再处于高阻态。DSP通过I/OCLK引脚提供输入/输出时钟序列,当由DSP提供的帧同步脉冲到来后,芯片从DATAN接收4b通道选择地址,同时从DATAOUT送出的前一次转换的结果,由DSP串行接收。I/OCLK接收DSP送出的输入序列长为10到16个时钟周期。前4个有效时钟周期,将从DATA N输入的4b输入数据寄存器,选择所需要的模拟通道。接下来的6个时钟周期提供模拟输入采样的控制时间。模拟输入的采样在前10个I/O时钟序列后停止。第10个时钟沿(确切的I/O时钟边缘,即上升沿或下降沿,取决于操作的模式选择)将EOC变低,转换开始。 TLV1544的最高采样率可以达到3MHz.由于采集的数据要进行存储 要花费一定CPU时间,所以采样率一般要控制在1M左右,采样点数为512点,采样时间为512/1M=512ns,FFT变换大概需要21ns的时间,比样本积累时间小的多,非常接近实时性,对信号要求不能大于320KHz对频率低的信号可以由软件控制,降低采样率,保证512点采样一个周期. 3.2.3FFT算法过程: FFT算法很多,但在定点DSP上实现需要考虑具体的一些问题.首先要确定采样点数,FFT的点数与频谱分辨率有直接关系,采样率为fs的N点FFT频率分辨间隔为2fs/N,频谱宽度从0到fs/2.频率分辨间隔越小,频率分辨率越高,对于周期信号,如果N点恰好包含一个或整数个周期,则信号频谱上将在对应频点上出现尖峰,否则谱上没有正好与信号频率对应的频点,此频点能量将分散到相邻的频点上,实际的信号包含多种频率成分,样点不可能正好是这些分量周期的整数倍,在N较小时,两个频率相近的分量可能在频谱上无法分辨,而提高分辨率,增大N值,将使FFT运算量增加,综合考虑实时性和分辨率,选取了N等于512点. 当N值确定后,提高采样率将缩短采样时间,降低频率分辨率,得不到低频分量的信息,因此需要根据信号的频率范围调整采样时间,可以在AD采样程序中设置采样率 在测试间采样率定为1k. 3.2.4FFT频谱分析系统原理图: 图 11 原理图 3.2.5系统程序运行流程图: 图 12 系统程序运行流程图 在现场环境中,通过仿真器与设备PCB板相连接,在CCS环境中可以查看和采集到的波形及经过FFT变换后的波形。 4总结 本课题主要完成了基于TMS320VC5402的频谱分析系统的设计,并且进行了测试。本频谱分析系统的特点在于充分利用仿真器及 DSP的集成开发环境强大的运算性能和丰富的外设,接口。对信号进行实际采集表明:对于频率在 0~32kHz范围内的信号,能够完成其频谱分析,且满足实时性的要求。但是,本系统还存在一些不足的地方需要改进,实质性不好,整个设计模块功能单一,精度和目前市场频谱分析系统还存在很大的差距,频谱分辨度有待提高;FFT算法还可以进一步优化等。比如:由于 A/D的采样速率决定了处理信号的频率为 32kHz以下,在做频谱分析之前需要对信号进行频率范围估计;再有,在算法上可以对 FFT进一步优化。这些都是我们今后研究中要改进的方面。由于初次进行频谱分析系统的设计,缺少实际经验以及个人水平有限,要使系统更加实用化、完善化还需要做大量的探索和实验。 通过本次系统设计,我对Protell软件和Visio软件的掌握程度也有了很大的提高。使用Protell软件绘图制板也积累了大量的经验总结了不少教训。对大型的系统设计也有了一些想法,知道该如何收集材料,分块实现自己的设计。在这次设计中,我通过大量的失误积累了不少宝贵的经验,对以后自己做事做人都获益匪浅。   参考文献 [1]乔瑞萍,崔涛,张芳娟.TMS320C54x DSP原理及应用[M]. 西安:电子科技大学出版社,2005.2. 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