基于TMS320VC5402的频谱分析系统的设计

1湖北民族学院科技学院信息工程系DSP课程设计报告书题目:基于TMS320VC5402的频谱分析系统的设计专业：电气工程及其自动化班级：07级11班学号：K030741107学生姓名：刘颜指导教师：黄勇2010年6月22日2信息工程系课程设计任务书学号K030741107学生姓名刘颜专业（班级）电气工程及其自动化07级11班设计题目基于TMS320VC5402的频谱分析系统的设计设计技术参数个参数于论文中查阅设计要求（1）系统设计中，C5402完成数据处理，AT89S52单片机完成控制和显示，绘制出系统框图(VISIO)；（2）包括电源设计、复位电路设计、时钟电路设计、A/D转换设计、电平转换设计、JTAG接口设计等，用Protel软件绘制原理图和PCB图；（3）给出程序流程图，设计频谱分析系统软件（C5402的数据处理软件、单片机的控制及显示软件）；（4）通过对系统的全面分析得出设计结论（被处理信号的频率范围、采用的信号处理算法等）；（5）参考文献，论文格式规范。工作量论文字数5000以上工作计划14周：查阅资料15周：初步完成16周：实验论证17周：完成论文参考资料1、HPI主机接口在多处理器系统中的应用，电子技术，2002，72、廖传书，李崇.CAN总线控制器与DSP的接口.电子技术应用，20023、彭广书.数字信号处理一理论、算法与实现。北京:清华大学出版社，19984、陈斌，施克仁，郭大勇，TMS320vC54oZ外部并行引导装载方法的研究，电子技术应用，2004指导教师签字3年月日学生姓名：刘颜学号：K030741107专业（班级）：电气工程及其自动化07级11班课程设计题目：基于TMS320VC5402频谱分析系统的设计指导教师评语：成绩：指导教师：年月日4摘要信号处理中和频谱分析最为密切的理论基础是傅立叶变换(Fouriertransform，FT)。离散傅立叶变换(DFT)和数字滤波是数字信号处理的基本内容。信号时域采样理论实现了信号时域的离散化，而离散傅里叶变换理论实现了频域离散化，因而开辟了数字技术在频域处理信号的新途径，推进了信号的频谱分析技术向更广的领域发展。本系统的硬件部分主要由三部分组成：信号调理及A/D变换、DSP处理和PC机接口。输入的信号经过调理（放大、滤波、和量程选择）后由A/D变换为数字信号，DSP对数字信号进行FFT变换得到输入信号的功率谱，最后将数据通过异步串口送往PC机显示。本系统的软件设计包括DSP上的程序和PC机上的程序两部分。DSP上的程序实现总体控制和用FFT算法处理数据；PC机上的程序则实现软面板，实时显示波形，提供友好的用户操控界面。本系统设计大量应用了数字和模拟电路技术，采用模块化设计思想。加上对各种快速开发工具的利用，如CCS和高级编程语言BorlandC++Builder，使得我们能在很短的时间内圆满完成基本设计任务，并实现了一部分扩展功能。基于这种情况，并进行数据的频域处理，然后直接在普通示波器上显示信号的频谱特性曲线。本课题主要做了以下工作:首先设计了一套DSP一VC5402开发系统，包括计算机串行通信、HPI口与计算机并行口通信的接口电路;在该系统上开发了全部频谱分析处理软件，设计开发了串口通信的DSP算法和主机软件以及计算机并行口对HPI口自举的BOOTLOAD程序;通过仿真器验证整个系统的运行是否正确，最后下载程序到DSP芯片，脱机用示波器直接观察信号的频谱波形。通过实验测试，频谱分析系统使用简便直观，只要接到信号源与示波器之间，即可观察信号的频谱。利用DSP开发频谱分析仪并用于实验教学目前还少见，本系统在实验教学中填补了一项空白。该开发系统资源丰富，除可以做频谱分析外，还可以进行DSP其它方面的开发工作，为进一步在DSP方面的开发工作奠定了基础。关键词：频谱分析，DSP，FFT，仿真，JATG，HPI5DESIGNOFSPECTRUMANELESYSERBASEDONDSPBasedonabovephenomenon,wodesignedanspectrumanalysessystemusinghighcapabilitypriceratioDSPchipofTMS320VC5402ofTIcorporation.Itcanacquisitesignalandprocessthedatainfrequencyfields,thenshowthespectrumofsignalincommonoscilloscopedirectly.Withthedevelopmentofcomputerandmicroelectronics,spectrumanalyzingbasedonDigitalSignalProcess(DSP)hasbeenappliedinallkindsoffields,anditactsasanimportantrole.butinteachingprocession,theeffectofteachingwasaffectedbecausewecouldnotshowthespectrumofsignaldirectlyandcouldnotaffordtheexpensivespectrumanalyzer.Themainworkofdesignarefollows:FirstwedesignedDSP-VC5402developmentsystemincludetheinterfaceofcommunicatingwithPCseriesportandHPIportcommunicatingwithPCparallelport;thenwedevelopedspectrumanalysessoftwareonitandDSParithmeticforseriescommunicatingandsoftwareofhostandHPIBOOTLOADERprogram;FinallyweValidatedthesystembyJTAGemulator,ThendownloadtheprogramtoDSPandobservethespectrumwavebyoscilloscopeoffline.KEYVVORDS:SPECTRUMANALYZE，DSP，FFT，EMULAT，JTAG，HPI6目录1摘要..............................................................12概述..............................................................................................................................................63方案设计、原理...........................................................................................................................63.1硬件设计........................................................83.2频谱分析系统设计..................................................................................................................93.3软件件设计............................................................................................................................103.4从设备接口.....................................................143.5AD转换........................................................164数据处理软件.....................................................185控制显示软件.....................................................226结论.............................................................26参考文献.........................................................................................................................................277概述20世纪60年代的Coonye和utkcye提出了FFT，可以将运算减少到伽/2)ofgZN次乘法，因此FFT成为频谱分析的核心算法。而FFT算法中同样有大量的乘法运算存在，乘法运算的速度是数字信号处理实现中的一个瓶颈问题，采用一般的计算机或CPLD可以实现算法，但是速度不能达到要求。随着FFT的广泛应用，人们做了大量的工作来改善其性能，一方面，是算法的改进，另一方面，是硬件实现。TI公司生产的DSP芯片都有硬件乘法器和FFT运算所需的位倒序的间接寻址方式、并行算法，使得乘法运算可以在一个指令周期内完成。TMS32OVC5402具有很高的FFT运算速度，使得由它组成的复杂系统的实时处理能力大为提高。TMS320VC5402是定点DSP，由于性能优越，价位比较低，近年来应用比较广泛。本设计就是采用TI公司的DSP芯片TM3s20VC5402为核心，主要完成FFT算法和AD，DA的控制。所要解决的问题主要是自行开发DSP一5402开发系统，然后作FFT算法，经过优化以后，由于DSP下载到DSP中利用示波器观察结果，最后应用到实验室中作为教学的辅助设备。扩展外设需要分配地址空间，所以在开发系统中需要用到一片Xillnx的CPLDXC95108作逻辑控制，负责VC5402的寻址、输入输出等。同时兼顾开发系统的其它功能，在FFT算法上作一些优化，芯片缩短运行时间，提高系统性能。利用TL16C55O串并转换模块开发了与计算机串口通信的软件，实现主机与DSP的串行通信;利用PC并口控制简单、速度快的特点，开发了PC并口与DSP的HPI口通信软件，进而实现通过PC并口来实现DSP的HPI口BOOTLoADER，主要考虑时序配合、寻址方面的问题，在论文中将给出详细介绍。分析原理在信号时域检测方面，示波器是一种极为重要且有效的量测仪器，它能显示信号的波幅、频率、周期，但对于频谱的显示相对困难。频谱分析仪可以解决这个问题，它能同时将含有许多频率成分的信号用频域方式来显示，以识别各种频率的功率特性。频谱分析仪采用多种滤波、检波器和多工同步扫描器将信号的不同频率成分显示在CRT上，但随着滤波器的数目增加，其性能有所下降且价格随之增加，从而限制了其性能和应用范围。8从数字信号处理入手我们可以找到另外的频谱分析方法。傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式。由傅立叶变换可知一个时域信号由若干频率成分构成，如果能将傅立叶变换后的信号输出即可实现频谱分析。傅立叶变换的快速算法(FFT)需要大量的运算，采用高速处理器才能实现。数字信号处理器(DSP)就是一种专用的高速处理器，它的内部结构设计可以做大量复杂运算，它的出现使FFT变换变得非常方便。硬件系统设计(一)TMS320VC5402VC5402具有高性能的改进的哈佛总线结构，不同于传统的冯·诺依曼结构的并行体系将程序与数据分别存储，独立编址，独立访问，三条独立的16bit数