DSP数字信号处理实验报告.docx
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DSP数字信号处理实验报告
电气信息工程学院
DSP技术及应用综合训练
大作业
学校江苏理工学院
班级
姓名
学号
指导老师
2013年10月
第一章DSP理论技术概述-------------------------------------------------------------2
3.1.2程序设计思路与算法原理
序言
DSP数字信号处理（DigitalSignalProcessing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。
20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。
数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。
在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。
德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。
第一种商品化的IC数字信号处理器是英特尔的2920，早在1979年就在取代全双工、1200bps数字硬调制解调器中的模拟滤波器组了。
同时，迅速增多的微处理器和外设提高了处理以数字表示信号的可行性。
那时几乎任何商业化信号处理任务都需要模拟计算，伴有复杂的反馈回路和补偿电路来维持稳定性。
各种依赖位片处理器小型电脑和数据采集硬件的技术都极其昂贵，并且通常只适合于研究人员。
能够经济地把信号数字化，并在数字领域进行数学计算，从而减少漂移和其它用模拟技术处理也很昂贵的不精确条件，这种逻辑很有吸引力，它直接导致今天市场上出现多种系列的DSP。
目前，某种形式的DSP安装在从自动应答电话机到洗衣机等各种产品的中心部位，很容易使人忘记这场变革就发生在最近。
直到最近，通用微控制器和DSP芯片之间的巨大差别还使许多嵌入式系统工程师觉得：
数字信号处理是门困难的学科。
这种感觉来源于第一代DSP的架构和编程要求，这一代DSP往往设计用来实现数字滤波器。
不过，在卷入DSP对比微控制器的争论之前，你也许要问，为什么使用数字滤波器？
DSP还适合于别的什么领域？
使用数字滤波的经典理由是，你可以实现线性相位FIR（有限脉冲响应）滤波器，它保持了音频处理等应用中的信号保真度。
当你正在尝试处理传感器信号时，避免由于不相等的组延迟（由非线性相位-频率响应特性引起）导致的信号失真可能也是很关键的。
正如任何已经尝试过的人所知道的那样，用模拟技术制造线性相位滤波器几乎是不可能的，DSP和软件滤波器工具箱使这种实现不费吹灰之力。
第一章DSP理论技术概述
1.1课程设计目的与意义
本课程是通信工程专业本科生的一门以实践为主的技术类专业选修课，课程的教学目的，是使学生了解DSP及DSP控制器的发展过程及其特点，使学生较熟练地在硬件上掌握DSP及DSP硬件器的结构、各部件基本工作原理，在软件上掌握DSP的指令系统、程序设计方法，学会TMS320系列中1至2种DSP芯片的基本使用方法，并能重点利用DSP及DSP控制器设计典型的应用系统,为今后从事相关设计与研究打下基础。
1.2DSP芯片的选择与封装
1.2.1芯片的选择原则
根据实际应用系统需要、应用场合、目的，选择满足所需功能、成本低、耗电小、使用方便、有技术支持、升级方便的芯片。
DSP芯片的选择是有技术指标决定的，例如：
由信号的频率决定系统的采样频率；有采样频率句顶完成任务书中最复杂的算法所需的最大时间以及系统对实时程序的要求，判断系统能否完成工作；有数量及程序的长短决定RAM的容量，是否需要扩展RAM及RAM的容量；等等。
在确定DSP芯片型号之后，应当先进行系统的总体的设计。
首先采用高级语言matlab等对算法进行仿真，确定最佳算法并初步确定参数，对系统的软硬件进行初步分工。
1.2.2芯片的封装
（1）DIP双列直插式封装，插装型封装之一，引脚从封装两侧引出，封装材料有塑料和陶瓷两种。
（2）SIP单列直插式封装引脚从封装的一个侧点引出，排列成一条直线。
当装配到印刷基板上的封装成侧立状。
（3）SOJJ型引脚小外型封装表面贴装型封装之一，引脚从封装两侧引出象下呈J字型。
（4）SDP也叫SOIC小外型封装，表面贴装型封装之一，引脚从封装两侧引出呈海鸥翼型。
（5）PLCC带引线的塑料芯片载体，表面贴装型封装之一，引脚从封装的四个侧面引出，呈J字型，是塑料制品。
（6）QFP四侧引脚扁平封装，引脚从四个侧面引出呈海鸥翼型，基材有陶瓷、金属和塑料三种。
（7）BGA球型触点阵列表面封装之一，在印刷基板的背面按阵列方式制作出球型凸点，以代替引脚。
1.3DSP系统设计的方法和步骤
下图是一个典型的DSP系统。
先将输入的模拟信号进行带限滤波和抽样，再进行A/D变换，将信号变换成数字比特流，经DSP芯片处理后的数字样值，再经A/D变换成模拟样值之后再进行内插和平滑滤波即可得到连续的模拟信号输出。
根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息不丢失，抽样频率至少是输入带限信号最高频率的2倍，其中抗混叠滤波的作用，就是将输入的模拟信号中高于折叠频率的分量滤除，以防止信号频率出现混叠。
DSP芯片是系统的关键。
输入输出
图1—1一个典型的DSP系统
下图是DSP应用系统设计的一般步骤
图1—2DSP应用系统一般步骤
在进行DSP系统设计之前，首先要明确设计任务，给出设计任务书。
在设计任务书中应将系统要达到的功能描述准确、清楚；描述的方式可以是人工语言，也可以是流程图或算法描述。
之后将设计任务书转化为量化的技术指标。
结合DSP系统设计，这些技术指标主要包括以下内容：
1）、由信号的频率决定的系统采样频率。
2）、由采样频率确定完成任务书中最复杂的算法所需的最大时间以及系统对实时程度的要求，判断系统能否完成工作。
3）、由数量及程序的长短决定片内RAM的容量，是否需要扩展片外RAM及片内RAM的容量。
4）、由系统所需要的精度决定是16位还是32位，是定点还是浮点运算。
5）、根据系统是用于计算还是用于控制，由此决定对输入输出端口的要求
1.4DSP前言技术与应用
20多年来，DSP芯片得到了迅猛发展，主要体现在如下方面：
1.在生产工艺上采用1µm以下的CMOS制造工艺技术和砷化镓集成电路制造技术，使集成度更高，功耗更低，从而使高频、高速的DSP处理器得到更大的发展。
2.基本结构上以RISC结构、单片并行计算机结构为主导，脉冲阵列和数据流阵列也将成为并行处理器的主要体系结构。
设计、测试简单，易模块化，易于实现流水线操作和多处理器结构。
3.模拟/数字混合上集滤波、A/D、D/A及DSP处理于一体，将成为DSP发展的主要方向，是DSP厂商的主要增长点。
4.DSP技术与ASIC技术融合上在DSP芯片中嵌入ASIC模块，进一步扩大DSP逻辑控制功能。
5.代码兼容性上将推出更新的、更强大的优化C编译器来适应不同型号的DSP代码生成，各种DSP的开发、加速、并行处理插件板也将大量涌现。
DSP的应用领域包括：
语音处理：
语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。
图像/图形：
二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。
军事；保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。
仪器仪表：
频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。
自动控制：
控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。
医疗：
助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。
家用电器：
数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。
第二章DSP硬件部分设计
2.1硬件设计任务概述
DSP最小系统是由满足DSP运行的最小硬件组成，包括电源电路，复位电路，时钟电路，JTAG接口电路，电平转换电路等。
请选一55系列DSP芯片设计最小系统。
要求：
1、DSP芯片选择TMS320VC5509，VC5507，VC5502中的一种。
外设扩展部分:
（1）液晶LCD1602（TMS320VC5509）
（2）一片4位数码管（TMS320VC5509）
（3）D/A:
TLV5639（TMS320VC5507）
（4）键盘和LED,设计一2X4键盘控制8个LED灯（TMS320VC5507）
（5）SRAM:
IS61LV6416（TMS320VC5502）
（6）FLASH:
AM29LV400B（TMS320VC5502）
2、提高部分：
在必选题的基础上，可多加其它选题的外设功能。
3、请运用Protel完成最小系统的schematic原理图。
2.2总体方案设计
在进行DSP系统设计之前，首先要有明确的设计任务，给出设计任务书。
在设计任务书中,应将系统要达到的功能描述准确、清楚。
描述的方式包括：
人工语言方式、流程图方式或算法描述方式。
之后将设计任务书转化为量化的技术指标，结合DSP应用系统设计，完成总体设计之后，就可以进入软硬件设计阶段。
具体技术指标主要包括以下内容：
1）由信号的频率决定的系统的采样频率。
2）由采样频率确定完成任务书中最复杂的算法所需的最大时间以及系统对实时程度的要求，判断新帖是否能完成这项工作。
3）由数量及程序的长短决定片内RAM的容量，是否需要扩展片外RAM及片外RAM的容量。
4）由系统所要求的精度决定是16位还是32位，是定点还是浮点运算。
5）根据系统是用于计算机还是用于控制，以此决定对输入输出端口的要求。
整个系统以TI公司生产的TMS320VC5502为主控芯片，系统硬件电路主要包括电源模块、数据通信模块、以及按键、LED灯、数码管等外围电路。
通过Protel99se软件进行硬件电路的排版与绘制，制作出PCB开发板。
根据设计要求，该系统的总体方案如图2-6所示：
图2-1DSP最小系统组成原理图
2.3模块电路原理图设计
1、TMS320VC5502芯片图如下图所示：
图2-25502芯片
2、电源管理电路
电源管理电路为系统中DSP芯片及其它元器件提高电源。
设计时主要从电源电压结构、电流要求及加电次序等三个方面考虑。
5509采用低电压工作，其内核电压（CVdd）为1.8V，I/O引脚电压（DVdd）为3.3V。
同时，考虑到常用电子元器件工作电压为5V，因此，电源管理电路需要提供三种电压：
5V、3.3V、1.8V。
实际常用的直流电压一般为5V或者更高，因此必须采用电压转换芯片，将高电压转换成3.3V和1.8V，供5409使用。
基于以上设计要求，选用TI公司配合C5000系列DSP专门设计的电压转换芯片TPS767D301，它将5V电压转变为3.3V和1.8V。
其构成的电源管理电路如图所示。
图2-3电源电路
3、时钟电路
C55x系列DSP内部具有锁相环电路，锁相环可以对输入时钟信号进行倍频和分频，并将所产生的信号作为DSP的工作时钟。
C55x的时钟输入信号可以采用两种方式产生：
第一种是采用外部晶体，利用内部振荡器产生时钟信号，图示给出了采用内部振荡器的原理图；第二种时钟输入方式是从X2/CLKIN引脚输入时钟信号，采用这种方式X1引脚必须悬空，不接任何信号。
注意当DSP采用的是模拟锁相环时，必须保证输入时钟信号的信号过冲不能超过数据手册所给的范围，否则锁相环将可能运行不正常，通过在线路中串联电阻可以防止信号过冲。
比较两种方法，选用外部晶体易简单实现我们所需要的要求，因此采用如图所示电路。
图2-4时钟电路
4、复位电路
上电复位在上电过程中，如果电源电压还没有稳定，这是DSP容易出现死机现象，甚至引起硬件损坏，因此，实用的硬件复位电路设计时应考虑操作方便、工作可靠等因素。
因此设计了一个实用的上电手动复位电路如图所示。
图2-5复位电路
5、JATG仿真接口电路
JATG用来连接DSP系统板和仿真器，实现仿真器对DSP的访问。
JATG的借口必须和仿真器上的一致，否则无法连接上仿真器。
满足IEEE1149.1标准的14针JATG仿真接口如图所示。
图2-6JTAG电路
图示为系统板和仿真器之间的链接电缆长度不超过6英寸时，5509与JATG接口连接图。
其中EMU0和EMU1是仿真信号引脚，为了在仿真器和JATG目标系统之间提供高质量的信号，必须提供正确的信号缓冲，为此EMU0和EMU1必须由上拉电阻连接到VCC，以提供小于10us的信号上升时间。
6、数码管电路
一片4位数码管就是将4个单个数码管连在一起，共有12个管教，引脚图如下：
图2-74位数码管引脚图
4位一体数码管，其内部段已连接好，引脚如图所示（正面朝自己，小数点在下方）。
a、b、c、d、e、f、g、dP为段引脚，1、2、3、4分别表示四个数码管的位。
。
。
。
。
。
。
1af23b
。
。
。
。
。
。
eddpcg4
即：
12-9-8-6为公共端，A-11B-7C-4D-2E-1F-10G-5DP-3
实际原理图如下：
图2-8数码管原理图
7、状态指示电路
为了观察电路中电源的状态，可以设置电源指示电路，如图所示。
另外5509的通用I/O引脚XF设计测试指示灯，可通过软件设置用来适时观察系统的状态，如图所示。
图2-9电源指示电路图2-10测试指示电路
8、滤波电容电路模块
滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。
滤波的方法一般采用无源元件电容或电感,利用其对电压,电流的储能特性达到滤波的目的.由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。
电路图如图2-16所示。
图2-11电容滤波电路
2.4硬件设计小结
根据各个模块的硬件原理图，利用Protel分别完成了电源电路，复位电路等外设电路的绘制，完成了最小系统的schematic原理图，绘制过程结束后进行ERC检测，确保绘制无错，然后生成PCB图
最小系统模块是使得DSP芯片能够工作的最精简模块。
在绘制原理图之前须明白各个模块的原理及作用，然后将所需要的元器件和芯片罗列清晰，并找到各自的IC手册，即可画原理图，实际操作中，需要参阅大量资料来确保实际电路的实用性，保证电路符合要求。
PCB电路设计3D视图：
PCB电路设计3D视图：
图2-13PCB电路图
第三章DSP软件部分设计
3.1人机界面主题设计
3.1.1软件设计任务概述
1.请选择某一主题（个人求职简历，家乡介绍，手机短信发送，手机拨打电话，菜单订购），设计至少6张以上的界面，至少有一副图片，结合按键实现相关功能。
2.充分发挥想象，设计内容丰富，形式多样的界面，表达明确的主题。
3．充分利用板上可利用的其它资源，实现综合性设计。
4..根据相关内容自由发挥设计。
3.1.2程序设计思路与算法原理
设计思路与算法原理：
1，确立主题。
根据主题功能的要求，需要在液晶显示器上显示的汉字，利用取模软件提取需要显示的字模代码。
2，确定主题页面。
程序主要部分包括了汉字液晶显示LCD，键盘控制KEY，页面功能的切换。
3，规划程序布局。
用键盘控制各个模块的显示，将各个模块写成子程序，然后进行调用，使整个程序清新易懂
3.1.3软件设计流程
开始
初始化DSP、EMIF、CTR，清屏
屏幕显示主界面
判断按键
按下的是哪个按键
K2按下
K3按下
K1按下
美食
风景
人文
制作声明
图3—1软件流程图
3.1.4设计程序编写
#include"LCD.h"
#include"myapp.h"
//定义指示灯寄存器地址和寄存器类型
#defineCTRLED（*（unsignedint*）0x600802）//port8004
#defineMCTRKEY（*（unsignedint*）0x602802）//port8005
#defineCTRCLKEY（*（unsignedint*）0x600803）//port8006
#defineCTRSTATUS（*（unsignedint*）0x600800）//port8000
unsignedintuWork1,uWork2,nWork,w;
unsignedintccc[8]={0x1,0x2,0x4,0x8,0x10,0x20,0x40,0x80};//控制
unsignedintst1[]={
0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,
0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,0xFFFF,//控制字进度条显示
};
/*loading控制字*/
unsignedintst3[]={
0x0070,0x0050,0x0050,0x0050,0x0050,0x0050,0x0050,0x0050,
0x03D0,0x0210,0x0210,0x3E10,0x2010,0x2010,0x2010,0x3FF0,
};//手枪
unsignedintst4[]={
0x0000,0x0000,0x00E0,0x00E0,0x00E0,0x1FFF,0x7FFF,0x1FFF,
0x00E0,0x00E0,0x00E0,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000,
};//小刀
unsignedintstr0[]={
0x2008,0x3FF8,0x2008,0x2000,0x2000,0x2000,0x3000,0x0000,//l
0x0000,0x1F00,0x2080,0x2080,0x2080,0x2080,0x1F00,0x0000,//o
0x0000,0x1900,0x2480,0x2280,0x2280,0x2280,0x3F00,0x2000,//a
0x0000,0x0E00,0x1100,0x2080,0x2080,0x1088,0x3FF8,0x2000,//d
0x0000,0x2080,0x2098,0x3F98,0x2000,0x2000,0x0000,0x0000,//i
0x2080,0x3F80,0x2100,0x0080,0x0080,0x2080,0x3F00,0x2000,//n
0x0000,0x6300,0x8480,0x8480,0x8480,0x8480,0x7F80,0x0000,//g
0x0000,0x0000,0x0000,0x30C0,0x30C0,0x0000,0x0000,0x0000,//:
};
/*徽风皖韵*/
unsignedintstr5[]=
{0x0090,0x0048,0xFFE7,0x201A,0x54B0,0x86EE,0x7DA8,0x04AF,
0x14A8,0xA44E,0x40F8,0x2717,0x1C12,0xE3F0,0x4010,0x0000,//徽
0x4000,0x2000,0x1800,0x07FE,0x1002,0x0812,0x0422,0x0242,
0x0182,0x067A,0x1C12,0x0002,0x0FFE,0x3000,0x7C00,0x0000,//风
0x3FF8,0x088C,0x088B,0x088A,0x9FF8,0x4110,0x210C,0x1F24,
0x0124,0x0125,0x3F26,0x4124,0x4124,0x4114,0x710C,0x0000,//皖
0x0040,0x0044,0xFF4C,0x4975,0x4946,0x4964,0xFF5C,0x0064,
0x0810,0x082C,0x04CB,0x0208,0x4008,0x8008,0x7FF8,0x0000,//韵
};
/*K1美食*/
unsignedintstr6[]={
0x2008,0x3FF8,0x2088,0x01C0,0x2628,0x3818,0x2008,0x0000,
0x0000,0x0700,0x04C0,0x2420,0x2410,0x3FF8,0x2400,0x0000,//k4
0x0000,0x0000,0x0000,0x30C0,0x30C0,0x0000,0x0000,0x0000,
0x0000,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000,//:
0x0020,0x0022,0x7F22,0x2122,0x2122,0x2122,0x2122,0x21FE,
0x2121,0x2121,0x2121,0x2121,0x7F21,0x0020,0x0020,0x0000,//舌
0x0240,0x8220,0x8210,0x420E,0x2204,0x1220,0x0E40,0x03BF,
0x0600,0x0A02,0x1204,0x2208,0x6218,0xC230,0x4200,0x0000,//尖
0x0000,0x4000,0x4000,0x4000,0x4000,0x4000,0x4000,0x7FFE,
0x4040,0x4040,0x4040,0x4040,0x4040,0x6000,0x4000,0x0000,//上
0x0000,0x7FF8,0x108C,0x108B,0x1088,0x3FF8,0x0040,0x0030,
0x008F,0x0308,0x2608,0x4008,0x2008,0x1FF8,0x0000,0x0000,//的
0x8080,0x8090,0x808C,0x4084,0x4784,0x28F4,0x28A5,0x1086,
0x2884,0x2484,0x4384,0xC084,0x4094,0x008C,0x0084,0x0000,//安
0x0090,0x0048,0xFFE7,0x201A,0x54B0,0x86EE,0x7DA8,0x04AF,
0x14A8,0xA44E,0x40F8,0x2717,0x1C12,0xE3F0,0x4010,0x0000,//徽
};
/*K2:
风景*/
unsignedintstr7[]={
0x2008,0x3FF8,0x2088,0x01C0,0x2628,0x3818,0x2008,0x0000,
0x0000,0x19F8,0x2108,0x2088,0x2088,
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