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1DSP实验指导书

实验指导书

数字信号处理DSPCPU挂箱型教学实验系统

TMS320VC5509

第一章实验系统介绍

一、系统概述

DSPCPU挂箱主要用于插接不同的CPU模块，可以扩展DSPCPU模块，挂箱的CPU和扩展模块基于Techv总线设计，目前支持的CPU模块有：

TMS320VC5402、TMS320VC5409、TMS320VC5410、TMS320VC5416、TMS320LF2407、TMS320F2812、TMS320VC5509、TMS320C6726等。

挂箱上除CPU模块外，还有基本试验电路及系统扩展电路，可单独完成大部分的基本实验、算法实验。

通过电子创新设计平台的扩展总线接口，可以扩展机、电、声、光等不同领域的扩展模块，完成数据采集、图象处理、通讯、网络、控制等扩展实验。

二、硬件组成

该挂箱的硬件资源主要包括：

●CPU板接口（Techv总线）

●一组Techv总线接口

●一组电机控制接口

●语音单元

●开关量输入输出单元

●液晶显示单元

●键盘单元

●信号扩展单元

●CPLD模块单元

●模拟信号源

●EL-NC2100电子创新设计平台扩展总线接口

●直流电源单元

5、语音单元

语音扩展板拨码开关的设置：

SW1拨码开关：

状态

备注

ON，MODE=1SPI模式、用SPI模式配置AIC23

OFF

SW2拨码开关：

状态

备注

空脚，OFF

在“语音单元”中，有四个音频接口，两个输入，两个输出。

“线性输入”（J6）可以接入由电脑声卡产生的语音信号。

“麦克输入”（J7）可以通过MIC输入音频信号。

“耳机输出”（J8）可以通过耳机听取声音。

“扬声器输出”（J9）可以与音箱相接。

第二章调试软件安装说明

一、CCS的简介

利用CCS集成开发环境，用户可以在一个开发环境下完成工程定义、程序编辑、编译链接、调试和数据分析等工作环节。

下图为典型CCS集成开发环境窗口示例。

整个窗口由主菜单、工具条、工程窗口、编辑窗口、图形显示窗口、内存单元显示窗口和寄存器显示窗口等构成。

二、CCS5000的安装和设置

CCS软件安装系统要求

要使用CodeComposerStudio操作平台必须满足以下的要求:

●IBMPC（或兼容机）

●MicrosoftWindow95/98/NT4.0/2000/XP

●32M内存,100M硬盘空间,奔腾处理器,SVGA（800*600）

CodeComposerStudio的安装

1安装CCS到系统中。

将CCS安装光盘放入到光盘驱动器中，运行CCS安装程序setup.exe，出现以下画面。

如果在WindowsNT下安装，用户必须要具有系统管理员的权限。

2先点击”CodeComposerStudio”安装CCS5000集成开发环境。

按系统提示安装，默认安装路径是“C：

\ti”。

3再点击”ParallelPortDrivers”安装并口驱动程序，安系统提示安装，默认安装路径是“C：

\ti”。

4安装完成后，在桌面上会有“CCS2（‘C5000）”和“SetupCCS2（‘C5000）”以及SDConfig三个快捷方式图标。

分别对应CCS应用程序和CCS配置程序以及连接测试程序。

安装CCS软件与普通的程序安装类似，没有特殊要求。

下面介绍安装完成后如何设

置CCS软件。

如果CCS是在硬件目标板上运行，则先要安装目标板驱动程序，然后运行“CCSSetup”配置驱动程序，最后才能执行CCS。

除非用户改变CCS应用平台类型，否则只需运行一次CCS配置程序。

CCS的设置：

双击桌面上的SetupCCS（5000）图标，

弹出下图所示界面。

第一次打开CCSSetup的界面时，在系统配置（SystemConfiguration）一栏会显示多种配置。

可先全部删掉（鼠标选中—〉右键—〉Remove）将SystemConfiguration一栏的内容全部删除（如下图）。

删掉不合适的配置后，需要为系统选择正确的配置。

右键单击上图中ImportaConfigurationFile选项，弹出下图所示的选择框。

拖动滑动条，下拉找到适合的配置选项。

这里以并口仿真器为例（且假设使用的为5509DSP系统），找到C5509PPEmulator如上图所示（如果开发者使用的DSP是5510，则选择C5510PPEmulator），然后鼠标点击Import，CCS设置界面变为下图所示：

在SystemConfiguration一栏可以看到，选中的配置已经被加入进来了。

然后选择File—〉Save即可。

Usb仿真器55xxDSPCCS设置

在电脑桌面上打开SetupCCS2（'C5000）

进入以下画面，点击右边的“InstallaDeviceDriver”

弹出对话框，在CCS的安装目录中找到drivers找到相应的设备，这里以55XX系列为例。

找到tixds55xx.drv，然后点击打开按钮，弹出下图所示对话框。

点击“OK”按钮，会发现在中的框中多了“tixds55xx”这个设备，

然后点击“AddToSystem”出现“BoardProperties”对话框

在Board下面的下拉菜单中选择第二项“Auto-generateboarddatafilewithextraconfiguratic”，这里“ConfiguraticFile”变成可见，点击“Browse…”

在CCS目录中的drivers目录中找到Techusb2.cfg这个文件，选中打开，然后点击“Next>”按钮。

出现下面的对话框后，将I/Oport的Value改成0x280。

点击“Next>”

选中”TMS320C5400”点击旁边的“AddSingle”按钮，在右边的框中会出现“CPU_1”，点击“Next>”

在“startupGEL”中点击右边的小按钮，

在打开对话框中选择你需要的文件。

完成上面的操作后。

出现信息如下

点“File”菜单中的“Save”存盘，然后退出，弹出对话点击是，就会启动CCS软件

实验一快速傅立叶变换（FFT）算法实验

一．实验目的

1．加深对DFT算法原理和基本性质的理解；

2．熟悉FFT算法原理和FFT子程序的应用；

3．学习用FFT对连续信号和时域信号进行谱分析的方法，了解可能出现的分析误差及其原因，以便在实际中正确应用FFT。

二．实验设备

计算机，CCS3.1版软件，DSPCPU挂箱，DSP仿真器，导线

三．基本原理

1．离散傅立叶变换DFT的定义：

将时域的采样变换成频域的周期性离散函数，频域的采样也可以变换成时域的周期性离散函数，这样的变换称为离散傅立叶变换，简称DFT。

2．FFT是DFT的一种快速算法，将DFT的N2步运算减少为（N/2）log2N步，极大的提高了运算的速度。

3．旋转因子的变化规律。

4．蝶形运算规律。

5．基2FFT算法。

四．实验步骤

1．复习DFT的定义、性质和用DFT作谱分析的有关内容；

2．复习FFT算法原理与编程思想，并对照DIT-FFT运算流程图和程序框图，了解本实验提供的FFT子程序；

3．阅读本实验所提供的样例子程序；

4．运行CCS软件，对样例程序进行跟踪，分析结果；记录必要的参数。

5．填写实验报告。

6．提供样例程序实验操作说明

A．实验前准备

1、DSPCPU挂箱和5509CPU板拨码开关设置：

DSPCPU挂箱的拨码开关SW3.4置ON（BCS0片选有效，5509的基地址为0x20000）；SW4.4置ON，其余置OFF；SW5.1置ON，SW5.2必须置OFF；SW1和SW2全部置ON；J100用短接帽短接；5509CPU板的SW1的1、4置OFF，2、3置ON，SW2全部置OFF；

2、利用自备的音频信号源，或把计算机当成音源,从DSPCPU挂箱的“语音单元”的音频接口“麦克输入（J7）”输入音频信号，进行AD采集；

3、挂箱的拨码开关SW1、SW2设置：

语音接口板信号选择，使用语音接口单元时全部置为ON；

“语音接口”模块小板的拨码开关设置：

（缺省设置已设置好，不需用户设置，在实验箱的背面）

语音2号孔接口：

（最大允许输入电压范围0~+3.3V，超出此范围，易引起器件损坏）

2号孔接口名称

备注

ROUT

右声道信号输出端子

LOUT

左声道信号输出端子

IN1

左声道信号输入端子

IN2

右声道信号输入端子

B1．实验

1.系统硬件连接

a）系统连接

在进行DSP实验之前，需先连接好仿真器、DSPCPU挂箱及计算机，连接方法如下所示：

b）上电复位

在硬件安装完成后，确认安装正确、各实验部件及电源连接无误后，启动计算机，接通仿真器电源，此时，仿真器上的“红色指示灯”应点亮，否则DSP开发系统与计算机连接存在问题。

c）运行CCS程序

待计算机启动成功后，DSPCPU挂箱220V电源置“ON”，DSPCPU挂箱上电，启动CCS，此时仿真器上的“绿色指示灯”应点亮，CCS正常启动，表明系统连接正常；否则仿真器的连接、JTAG接口或CCS相关设置存在问题，这时需掉电检查仿真器的连接、JTAG接口连接是否正确，或检查CCS相关设置是否存在问题。

注：

如出现上述问题，原因有二：

其一，可能是系统连接错误或没有正常复位，应重新检查系统硬件并复位；其二，可能是软件安装或设置存在问题，应尝试调整软件系统设置，具体仿真器和仿真软件CCS的应用方法参见第三章。

●成功运行CCS程序后，首先应熟悉CCS的用户界面；

●学会在CCS环境下创建工程文件、添加程序文件、编写程序、编译、装载、调试，学习如何使用观察窗口等。

注：

实验系统连接及CCS相关设置是以后所有实验的基础，在以下实验中这部分内容将不再复述。

完成计算机、DSP仿真器和DSPCPU挂箱的连接后，在给系统上电。

2.CCS软件操作

打开ccs3.3链接仿真器与电脑点击Debug—connect；

打开已建立的项目点击project—open—fft.pjt；

双击“fft.pjt”及“Source”可查看各源程序；

对fft.c源文件编译后，装载编译好的程序fft.out,也即：

file--loadprogram—fft.out。

在k++处设置断点。

然后采集语音信号，运行程序，观察采集到的语音信号的时域波形和频域波形。

也即：

点击view—graph—time/Frequency打开一个观察窗口,设置该观察窗口变量参数：

采用双踪观察，在启动地址分别为px和pz，长度为128，数值类型为16为整型。

这两段存储单元中分别存放的是进过A/D转换后的输入信号进行FFT变换的结果。

实验结果：

在CCS3.1环境，同步观察输入信号波形及其FFT变换结果；

B2.利用MATLAB编程完成计算，绘出下式时域图形，并用FFT求取其傅里叶变换画出相应的频谱图，并分析、说明实验结果。

x=0.5*sin（2*pi*15*t）+2*sin（2*pi*40*t）;

采样频率fs=100Hz，采样点数为128点。

五．思考题

1．对于不同的N，幅频特性会相同吗？

为什么？

2．FFT进行谱分析，可以应用的什么方面？

六．实验报告要求

1．简述实验原理及目的；

2．结合实验中所给定典型序列幅频特性曲线，与理论结果比较，并分析说明误差产生的原因以及用FFT作谱分析时有关参数的选择方法；

3．总结实验所得主要结论。

七．程序参数说明

voidkfft（pr,pi,n,k,fr,fi,l,il）：

基2快速傅立叶变换子程序，n为变换点数，应满足2的整数次幂，k为幂次（正整数）；

八．子程序流程图：

实验二无限冲击响应滤波器（IIR）算法实验

一、实验目的

1．熟悉设计IIR数字滤波器的原理与方法；

2．掌握数字滤波器的计算机仿真方法；

3．通过观察对实际信号的滤波作用，获得对数字滤波的感性认识。

二、实验设备

计算机，CCS3.1版软件，DSPCPU挂箱，DSP仿真器，导线

三、实验原理

1．无限冲击响应数字滤波器的基础理论；

2．模拟滤波器原理（巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器）；

3．双线性变换的设计原理。

四、实验步骤

1．复习有关巴特沃斯滤波器设计和用双线性变换法设计IIR数字滤波器的知识；

2．阅读本实验所提供的样例子程序；

3．运行CCS软件，对样例程序进行跟踪，分析结果；

4．填写实验报告。

5．样例程序实验操作说明

A．实验前准备

1、DSPCPU挂箱和5509CPU板拨码开关设置：

2、利用自备的音频信号源，或把计算机当成音源,从DSPCPU挂箱的“语音单元”的音频接口“麦克输入（J7）”输入音频信号，进行AD采集；

3、挂箱的拨码开关SW1、SW2设置：

语音接口板信号选择，使用语音接口单元时全部置为ON；

“语音接口”模块小板的拨码开关设置：

（缺省设置已设置好，不需用户设置，在实验箱的背面）

语音2号孔接口：

（最大允许输入电压范围0~+3.3V，超出此范围，易引起器件损坏）

2号孔接口名称

备注

ROUT

右声道信号输出端子

LOUT

左声道信号输出端子

IN1

左声道信号输入端子

IN2

右声道信号输入端子

B．实验

启动CCS3.1，Project/Open打开“Algorithm”目录中“exp03_iir”子目录下“iir.pjt”工程文件；双击“iir.pjt”及“Source”可查看各源程序；加载“iir.out”；在中断程序中，在“k++；”处设置断点；单击“Run”运行程序，程序将运行至断点处停止；

用View/Graph/Time/Frequency打开一个图形观察窗口；采用双踪观察在启始地址分别为px和py，长度为128的单元中数值的变化，这两个数组分别存放的是语音输入信号和对该信号进行IIR低通滤波后的输出信号；

单击“Animate”运行程序，或按F10运行程序；调整观察窗口，并观察滤波结果；

单击“Halt”暂停程序运行，激活“iir.c”的编辑窗口；

该iir低通滤波器滤波性能参数为：

采样频率为250KHz，通带内最大允许衰减3dB，阻带内最小衰减大于30dB，过渡带宽度约为50KHz；通带上限频率：

20KHz；阻带下限截止频率：

70KHz。

可以修改以上参数的归一化参数“nlpass”和“nlstop”来改变滤波器性能。

修改“iir.c”程序中“nlpass”和“nlstop”参数可改变IIR低通滤波器的滤波性能。

重新“RebuildAll”后，加载，单击“Animate”，可得到不同的结果。

实验结果：

在CCS3.1环境下，同步观察输入信号及其IIR低通滤波结果。

五、思考题

1．试述用双线性变换法设计数字滤波器的过程？

2．实验中，计算每个二阶滤波器的输出序列时，如何确定计算点数？

3．对滤波前后的信号波形，说明数字滤波器的滤波过程与滤波作用。

六、实验报告要求

1．简述IIR滤波器的基本原理；

2．对比FIR滤波器与IIR滤波器的异同；

3．描绘出输入、输出数组的曲线。

七、IIR程序参数说明

系统函数：

对应的常系数线性差分方程：

程序参数说明：

voidbiir2lpdes（doublefs,doublenlpass,doublenlstop,doublea[],doubleb[]）：

IIR低通滤波器参数设计子程序参数说明：

fs：

采样频率；nlpass：

通带上限频率归一化参数；nlstop：

阻带下限截止频率归一化参数；

设置时，采样频率对应为1，应使“nlpass”和“nlstop”两参数均要小于0.5，且“nlpass”要比“nlstop”小0.2，否则，将不能满足阻带的最大衰减大于30dB。

数组a：

存放IIR低通滤波器传递函数的极点计算结果；

数组b：

存放IIR低通滤波器传递函数的零点计算结果；

输入信号：

输入信号经A/D转换后，写入数组px，长度128；

输出信号：

滤波后信号，写入数组py，长度128。

八、子程序流程图

实验三基于FDATool的数字滤波器设计

一、实验目的

1、加深对数字滤波器的常用指标和FDATool数字滤波器设计过程的理解。

2、熟悉matlab软件工具箱的应用

二、实验原理

低通滤波器的常用指标：

通带边缘频率：

，阻带边缘频率：

，通带起伏：

，通带峰值起伏：

，阻带起伏：

，最小阻带衰减：

。

数字滤波器有IIR和FIR两种类型，它们的特点和设计方法不同。

三、实验内容：

带通滤波器设计实例:

将以一个IIR滤波器的设计为例来说明如何使用matlab设计数字滤波器：

在小电流接地系统中注入500hz的正弦信号，对其进行跟踪分析，要求设计一带通数字滤波器，滤除工频及其他整次谐波，以便在非常复杂的信号中分离出该注入信号。

参数要求：

最小阶iir数字滤波器，采样频率10000hz。

1、在Matlab中键入fdatool运行FilterDesignandAnalysisTool。

首先在filtertype中选择bandpass（带通滤波器）；在designmethod选项中选择iirwindow；指定filterorder项中的最小阶；给出fstop1=250hz，fpass1=300hz和fpass2=600hz，fstop2=650hz。

设置参数可以参考下边图形。

设置完以后点击designfilter即可得到所设计的iir滤波器。

通过菜单选项analysis可以在特性区看到所设计滤波器的幅频响应、相频响应、零极点配置和滤波器系数等各种特性。

在设计过程中，可以对比滤波器幅频相频特性和设计要求，随时调整参数和滤波器类型，以便得到最佳效果。

其它类型的fir滤波器和iir滤波器也都可以使用fdatool来设计。

2 simulink仿真

本文通过调用simulink中的功能模块构成数字滤波器的仿真框图，在仿真过程中，可以双击各功能模块，随时改变参数，获得不同状态下的仿真结果。

例如构造以基波为主的原始信号：

，通过simulink环境下的simulink和signalprocessingblockset模块如下仿真图和滤波效果图如图2所示。

图2simulink仿真图及滤波效果图

可以看到经过离散采样、数字滤波后分离出了500hz的频率分量（scope1）。

3、实验步骤

步骤：

1、打开simulink

2、选择离散正弦信号

右键Addtountitled（或者某个文件名字）

加三个正弦波，频率分别为50、500、1200hz（通过双击正弦图形，可以设置参数）。

3、选择求和器，实现三个正弦信号的相加

4、选择数字滤波器实现信号的滤波。

（右键Addtountitled），然后在其相应窗口进行参数设置。

（具体FDATool的设计参考文件“fdatool参考资料.doc”）

5、选择示波器观察波形。

可选择两种示波器一种是scope，可以直接观察输出信号，该示波器在simulink—sinks—scope；另一种为spectrumscope，可以观察时域信号的频谱，该示波器的位置是signalprocessingblockset—signalprocessingsinks—spectrumscope。

四、实验要求：

设计高通IIR数字滤波器和FIR数字滤波器

滤除去500hz的正弦信号。

并绘出它们的冲激响应、幅度响应曲线，分析它们各自的实现特点。

参考资料：

MATLAB滤波器设计工具FDATool

FDATooI（FilterDesignandAnalysisTool）是MATLAB信号处理工具箱提供的一种综合、简便的图形用户工具。

通过该工具提供的先进可视化滤波器集成设计环境，用户可以方便地设计儿乎所有的常规滤波器，包括FIR和IIR的各种设计方法。

本节主要介绍FDATooI的各项功能以及设计一款滤波器的关键步骤。

1、FDATooI启动

在MATLAB命令窗口下，执行“FDATooI”命令，按“回车”调出FDATooI用户图形界面，如图7-4-1所示。

fdatool（filterdesign&analysistool）是matlab信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具，matlab6.0以上的版本还专门增加了滤波器设计工具箱（filterdesigntoolbox）。

fdatool可以设计几乎所有的基本的常规滤波器，包括fir和iir的各种设计方法。

它操作简单，方便灵活。

fdatool界面总共分两大部分，一部分是designfilter，在界面的下半部，用来设置滤波器的设计参数，另一部分则是特性区，在界面的上半部分，用来显示滤波器的各种特性。

designfilter部分主要分为：

Øfiltertype（滤波器类型）选项，包括lowpass（低通）、highpass（高通）、bandpass（带通）、bandstop（带阻）和特殊的fir滤波器。

Ødesignmethod（设计方法）选项，包括iir滤波器的butterworth（巴特沃思）法、chebyshevtypei（切比雪夫i型）法、chebyshevtypeii（切比雪夫ii型）法、elliptic（椭圆滤波器）法和fir滤波器的equiripple法、least-squares（最小乘方）法、window（窗函数）法。

Øfilterorder（滤波器阶数）选项，定义滤波器的阶数，包括specifyorder（指定阶数）和minimumorder（最小阶数）。

在specifyorder中填入所要设计的滤波器的阶数（n阶滤波器，specifyorder＝n-1），如果选择minimumorder则matlab根据所选择的滤波器类型自动使用最小阶数。

Øfrenquencyspecifications选项，可以详细定义频带的各参数，包括采样频率fs和频带的截止频率。

它的具体选项由filtertype选项和designmethod选项决定，例如bandpass（带通）滤波器需要定义fstop1（下阻带截止频率）、fpass1（通带下限截止频率）、fpass2（通带上限截止频率）、fstop2（上阻带截止频率），而lowpass（低通）滤波器只需要定义fstop1、fpass1。

采用窗函数设计滤波器时，由

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