dsp课程设计报告数据采集处理和控制系统设计大学论文

数据采集处理和控制系统设计
一课程设计要求
1.基本DSP硬件系统设计要求
①基本DSP硬件系统以TMS320C54x系列为核心处理器，包括最小系统、存储器扩展、显示器、键盘、AD、DA等电路模块；
②硬件设计画出主要芯片及电路模块之间的连接即可，重点考查电路模块方案设计与系统地址分配；
③设计方案以电路示意图为主，辅以必要的文字说明。

2.基本软件设计要求
①看懂所给例程，画出例程输出波形示意图；
②修改例程程序，使之输出其它波形，如方波、三角波、锯齿波等均可；
③设计方案以程序实现为主，辅以必要的文字说明。

3.课程设计报告要求
①硬件系统设计：设计思路、设计系统功能、主要芯片选型及使用方法、设计方案说明、电路示意图
②软件系统设计：示例程序功能解读及输出波形示意图、设计软件功能、设计思路、实现源码（带程序注释）
③报告总结
二系统分析
利用实验箱的模拟信号产生单元产生不同频率的信号，或者产生两个频率的信号的叠加。

在DSP 中采集信号，并且对信号进行频谱分析，滤波等。

通过键盘或者串口命令选择算法的功能，将计算的信号频率或者滤波后信号的频率在LCD 上显示。

主要功能如下：
(1)对外部输入的模拟信号采集到DSP 内存，会用CCS 软件显示采集的数据波形。

(2)对采集的数据进行如下算法分析：
①频谱分析：使用fft 算法计算信号的频率。

②对信号进行IIR 滤波或FIR 滤波，并且计算滤波前后信号的频率。

③外部键盘或者从计算机来的串口命令选择算法功能，并且将结果在
LCD 上显示。

绘制出DSP系统的功能框图、使用AD（Altium Designer）绘制出系统的原理图和PCB 版图。

在 DSP 中采集信号，用CCS 软件显示采集的数据波形，以及对采集的数据进行算法分析。

三硬件设计
3.1 硬件总体结构
3.2 DSP模块设计
3.3 电源模块设计
将5V电源电压转换为3.3V和1.6V电源
3.4 时钟模块设计
此处由外部晶振提供时钟信号
3.5 存储器模块设计
DSP上只有一个读写控制信号引脚，而FLASH有两个引脚，将读、写分开，
故在OE上接一个非门电路，实现高时读，低时写。

FLASH上的地址线和数据线与DSP上的地址线、数据线相连
3.6 JATG模块设计
3.7 TMS320VC5416 最小系统 PCB 版图
板上包括了支持TMS320VC5416独立运行的时钟电路、复位电路、Flash模块、JTAG仿真接口电路以及电源模块等。

为节省空间和材料，部分器件放在了反面。

四软件设计
4.1正弦波信号发生器
所给例程输出波形为正弦波，波形如下图所示：
4.2三角波（方波）信号发生器
******************************************************************** ****************三角波信号发生程序（括号内为方波）****************** ********************************************************************
.mmregs
.def start
k1 .usect "k",1
outdata1 .set 0800h(0800h)
outdata2 .set 09ffh(0fffh)
outdata3 .set 0affh(0fffh)
outdata4 .set 0bffh(0fffh)
outdata5 .set 0cffh(0fffh)
outdata6 .set 0dffh(0fffh)
outdata7 .set 0effh(0fffh)
outdata8 .set 0fffh(0fffh)
outdata9 .set 1000h(0fffh)
outdata10 .set 0fffh(0fffh)
outdata11 .set 0effh(0fffh)
outdata12 .set 0dffh(0fffh)
outdata13 .set 0cffh(0fffh)
outdata14 .set 0bffh(0fffh)
outdata15 .set 0affh(0fffh)
outdata16 .set 09ffh(0fffh)
outdata17 .set 08ffh(0800h)
outdata18 .set 07ffh(0000h)
outdata19 .set 06ffh(0000h)
outdata20 .set 05ffh(0000h)
outdata21 .set 04ffh(0000h)
outdata22 .set 03ffh(0000h)
outdata23 .set 02ffh(0000h)
outdata24 .set 01ffh(0000h)
outdata25 .set 00ffh(0000h)
outdata26 .set 01ffh(0000h)
outdata27 .set 02ffh(0000h)
outdata28 .set 03ffh(0000h)
outdata29 .set 04ffh(0000h)
outdata30 .set 05ffh(0000h)
outdata31 .set 06ffh(0000h)
outdata32 .set 07ffh(0000h)
//定义输出数据
.text
start:
stm 2000h,sp
//置堆栈指针
stm #k1,ar2
//将操作数#k1装入ar2 st #outdata1,*ar2
//将数据送到*ar2
nop
nop
begin:
st #outdata1,*ar2
portw *ar2,0bfffh
//将*ar2内容从D/A转换器输出
rpt #7fffh
//等待一段时间
nop
st #outdata2,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
nop
st #outdata3,*ar2
portw *ar2,0bfffh
rpt #7fffh
st #outdata4,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata5,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata6,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata7,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata8,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata9,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata10,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata11,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata12,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata13,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata14,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
st #outdata15,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata16,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata17,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata18,*ar2 portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata19,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata20,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata21,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata22,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata23,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata24,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata25,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
st #outdata26,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata27,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata28,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata29,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata30,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata31,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
st #outdata32,*ar2
portw *ar2,0bfffh rpt #7fffh
nop
b begin
//循环输出32个数据
.end
//代码段结束
4.3 本系统软件总体流程
4.4 核心模块及实现代码
FFT算法程序：
void kfft(double pr[Length],double pi[Length],int n,int k,double fr[Length],double fi[Length],int l,int il)
{
int it,m,is,i,j,nv,l0;
double p,q,s,vr,vi,poddr,poddi;
for (it=0; it<=n-1; it++)
{ m=it; is=0;
for (i=0; i<=k-1; i++)
{ j=m/2; is=2*is+(m-2*j); m=j;}
fr[it]=pr[is]; fi[it]=pi[is];
}
pr[0]=1.0; pi[0]=0.0;
p=6.283185306/(1.0*n);
pr[1]=cos(p); pi[1]=-sin(p);
if (l!=0) pi[1]=-pi[1];
for (i=2; i<=n-1; i++)
{ p=pr[i-1]*pr[1]; q=pi[i-1]*pi[1];
s=(pr[i-1]+pi[i-1])*(pr[1]+pi[1]);
pr[i]=p-q; pi[i]=s-p-q;
}
for (it=0; it<=n-2; it=it+2)
{ vr=fr[it]; vi=fi[it];
fr[it]=vr+fr[it+1]; fi[it]=vi+fi[it+1];
fr[it+1]=vr-fr[it+1]; fi[it+1]=vi-fi[it+1];
}
m=n/2; nv=2;
for (l0=k-2; l0>=0; l0--)
{ m=m/2; nv=2*nv;
for (it=0; it<=(m-1)*nv; it=it+nv)
for (j=0; j<=(nv/2)-1; j++)
{ p=pr[m*j]*fr[it+j+nv/2];
q=pi[m*j]*fi[it+j+nv/2];
s=pr[m*j]+pi[m*j];
s=s*(fr[it+j+nv/2]+fi[it+j+nv/2]);
poddr=p-q; poddi=s-p-q;
fr[it+j+nv/2]=fr[it+j]-poddr;
fi[it+j+nv/2]=fi[it+j]-poddi;
fr[it+j]=fr[it+j]+poddr;
fi[it+j]=fi[it+j]+poddi;
}
}
if (l!=0)
for (i=0; i<=n-1; i++)
{ fr[i]=fr[i]/(1.0*n);
fi[i]=fi[i]/(1.0*n);
}
if (il!=0)
for (i=0; i<=n-1; i++)
{ pr[i]=sqrt(fr[i]*fr[i]+fi[i]*fi[i]);
if (fabs(fr[i])<0.000001*fabs(fi[i]))
{ if ((fi[i]*fr[i])>0) pi[i]=90.0;
else pi[i]=-90.0;
}
else
pi[i]=atan(fi[i]/fr[i])*360.0/6.283185306;
}
}
卷积程序：
void Convolveok( //卷积函数
double *x, // 原始输入数据
double *h, // 冲击响应
double *y, // 卷积输出结果
UINT16 Leng, // 序列长度
UINT16 h_Len)
{
UINT16 m,p,j;
double r,rm;
double xmean = 0.0;
double xmid[100];
for(m=0;m<h_Len;m++)
{
xmid[m] = 0.0;
}
for (m=0; m<Leng; m++)
{
xmean = x[m] + xmean;
}
xmean = 1.0*xmean/Length;
for (m=0; m<Leng; m++)
{
x[m] = x[m] - xmean;
}
for (m=0; m<Leng; m++)
{
for (p=0; p<h_Len; p++)
{
xmid[h_Len-p-1] = xmid[h_Len-p-2];
}
xmid[0] = x[m];
r = 0.0;
rm= 0.0;
for (j=0; j<h_Len; j++)
{
r = xmid[j] * h[j];
rm = rm + r;
}
y[m] = rm;
}
}
求最大值和次大值函数：
void max()
{ int k1,k2; //k1 最大值，k2 次最大值
int r;
for(r=0;r<16;r++)
{
if(pr[k1]<pr[r])
{
k1=r;
}
}
for(r=20;r<64;r++)
{
if(pr[k2]<pr[r])
{
k2=r;
}
}
f0=250000.0/256*k1;
f1=250000.0/256*k2;
fc=(f0+f1)/2;
}
归一化函数：
void avg()
{ int j;
sum= 0.0;
for(j=0;j<256;j++)
{
sum+=(data_buff[j]/256.0); }
for(j=0;j<256;j++)
{
pr[j]=data_buff[j]-sum;
pi[j]=0.0;
}
}
FIR滤波器设计函数：
void firdes(double npass)//求h(n) {
int t;
for (t=0; t<FLen; t++)
{
h[t]=sin((t-(FLen-1)/2.0)*npass*3.1415926)/(3.1415926*(t-(FLen-1) /2.0));
}
if (t == ((FLen-1)/2)) h[t]=npass;
}
外部中断2服务函数：
void interrupt ExtInt2(void)
{
int i1,j;
*(unsigned int*)IFR=0xFFFF; //清除所有中断标志
data_buff[i1] = port8002 & 0x00ff;
i1++;
if(i1 == 256)
{
avg();
kfft(pr,pi,256,8,fr,fi,0,1);
max();
npass=fc/250000.0;
firdes(npass);
Convolveok(data_buff,h,y,256,51);
for(j=0;j<256;j++)
{
yr[j]=y[j];
yi[j]=0.0;
}
kfft(yr,yi,256,8,Yr,Yi,0,1);
flag=1;
i1 = 0;
}
4.5 程序运行效果
①采集的数据及其FFT计算结果
②51阶滤波器H(n)波形
③滤波前后信号频谱图：
由滤波前后高低频分量的相对大小证明低通滤波器对高频分量的衰减作用比较强，但没有完全滤出去
④采集数据波形与滤波后波形比较
由图可见滤波后信号中的高频分量得到了较大的衰减，滤波后波形变得平滑。

五课程设计总结
DSP芯片有更适合于数字信号处理的软件和硬件资源，非常适合于通用数字信号处理的开发，为数字信号处理的应用打开了新局面。

学好DSP技术具有非常重要的意义。

通过此次课程设计，我学习到了一个实际的电子系统的完整的设计流程，基本掌握了PCB设计软件Altium Designer的使用方法，学会了绘制系统的功能框图、原理图以及PCB版图。

同时掌握了CCS软件的使用和基于TMS320VC5416的DSP程序的编写。

此次课程设计首先绘制系统功能框图，使用AD软件绘制原理图和PCB版图。

在绘制系统功能框图过程中，要设计一个功能完备，能够独立运行的精简 DSP 硬件系统。

然后再基于此系统功能框图绘制原理图和PCB版图。

在原理图的绘制过程中要充分考虑到所使用的器件及管脚的网络标号,总线的链接等。

因为要绘制PCB版图，故要合理选择各个器件的封装，合理安排各个器件和线的位置，尤其是滤波电容要安放在靠近各个管脚的位置，真正起到滤波的作用。

在使用CCS 软件编写程序时要注意变量定义以及函数声明。

通过查阅资料和与老师同学交流后完善了各部分程序。

DSP程序相对难一些，在编写时需要从系统整体来考虑，不断调整算法且保持思路清晰，熟悉各个子程序的功能。

通过此次课程设计，使我对TMS320C54x系列DSP的硬件结构有了较为深刻的认识，也学习到了实际的电子系统的完整的设计流程，熟悉了AD软件和CCS 软件的使用方法，对于数字信号处理有了更深刻的认识。

数字信号处理无处不在，这样的课程设计很有意义，对于我们今后的学习与工作都会产生深远影响，为我们独立完成其他DSP设计打下基础。

通过查阅资料以及老师同学的帮助，解决了课程设计中遇到的难题，也学习到了很多知识，将理论运用于实践。

感谢老师和
同学的大力帮助，使我顺利完成了此次课程设计。