DSP基于TMS320C54X DSP设计简易数字示波器

河南工业大学论文题目：《DSP应用》课程论文副标题：基于TMS320C54XDSP设计简易数字示波器课程名称：《DSP应用》学院：信息科学与工程学院班级：电科1304姓名：学号：20131603041指导老师姓名：王洪群摘要：随着电子测试技术的不断发展，测试技术正向着自动化、智能发、数字法的方向发展。其中示波器是电子测量中一种最常用的仪器，被广泛应用于各个领域。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，示波器也从模拟示波器向数字示波器发展。同模拟示波器相比，数字示波器具有很多优点，并开始逐步取代模拟示波器成为市场上的主流。本文主要完成了简易数字示波器的设计,通过DSP编程并结合TI公司的数字信号处理器TMS320C5402、A/D转换模块、LCD等配合外围电路进行设计。Withthecontinuousdevelopmentofelectronictestingtechnology,testingtechnologyismovinginthedirectionofautomation,intelligentdevelopment,digitallaw.Amongthem,oscilloscopeisoneofthemostcommonlyusedinstrumentsinelectronicmeasurement,whichiswidelyusedinvariousfields.Withtherapiddevelopmentofmicroelectronicstechnologyandcomputertechnology,oscilloscopesfromanalogoscilloscopetodigitaloscilloscopedevelopment.Comparedwithanalogoscilloscopes,digitaloscilloscopehasmanyadvantages,andbegantograduallyreplacetheanalogoscilloscopetobecomethemainstreamonthemarket.Thispapermainlycompletesthedesignofthesimpledigitaloscilloscope,anddesignsitbyDSPprogrammingcombinedwiththedigitalsignalprocessorTMS320C5402,A/Dconversionmodule,LCDandsoonwiththeexternalcircuitofTICompany.关键字：DSPTMS320C5402DSPTMS320C5402Oscilloscopefrequency一、DSP的发展历史及现状数字信号处理(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，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。长期以来DSP产业取得了突飞猛进的发展，电脑﹑手机和mp3播放器等电子产品和人们的生活息息相关，这些都为DSP的发展带来了巨大的市场空间。数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如，在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。二、TMS320C54X的硬件结构与主要特性TMS320VC54X是TI公司于1999年10月推出的性价比极高的定点数字信号处理器（DSP）。运算速度高达100MIPS。它的内部硬件组成框图包括：CPU、总线、存储器、在片外设电路等。主要特点如下：1.CPU先进的多总线结构(1条程序总线,3条数据总线和4条地址总线)40位算术逻辑运算单元(ALU)，包括1个40位桶型移位寄存器和2个独立的40位累加器17位×17位并行乘法器，与40位专用加法器相连，用于非流水线式单周期乘法/累加(MAC)运算比较，选择，存储单元(CSSU),用于加法/比较选择指数编码器,可以在单周期内计算40位累加器中数值得到指数8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术运算单元(ARAU)存储器192K64K64K字数据存储器以及64K字I/O片内ROM/数据存储器片内双寻址RAM（DARAMC5402中的DARAM分为若干块。由于在每个机器周期内,允许对同一DARAM块寻址2次，因此CPU可以在一个机器周期内对同一DARAM读出1次。一般情下，DARAM总是映象到数据存储空间，主要用于存放数据。但是，它也可以映象到程序存储空间，用来存放程序代码。单指令重复和块指令重复操作块存储器传送操作32位长操作数指令同时读入2或3个操作数的指令能并行存储和并行加载的算术指令条件存储指令从中断快速返回软件可编程等待状态发生器可编程分区转换逻辑电路带有内部震荡器或者用外部时钟源的片内锁相环(PLL)时钟发生器时分多路缓冲串行口(BSP)16位可编程定时器8位并行主机接口(HPI)外部总线关断控制，以断开外部的数据总线、地址总线和控制信号数据总线具有总线保持器特性可用IDLE1,IDLE2,IDLE3CLKOUT输出信号可以关断具有符合IEEE1149.1标准的在片仿真接口。如图所示：TMS320C5402编程芯片TMS320C5402有7种寻址方式可供利用，立即数寻址、绝对寻址、直接寻址、累加器寻址、间接寻址、存储器映像寄存器寻址、堆栈寻址。其中绝对寻址、直接寻址、间接寻址和存储器映像寄存器寻址在编程中用的DP寄存器的直接寻址方式。此时存储器被分为512页，页内地址0~127，这样一个确定的地址由DP值和指令的地址域两部分确定。所以选取DP值的直接寻址方式时，须设定DP值，这样在程序实现时比较麻烦，通用的做法是采用TMS320C5402提供的伪指令功能，因为伪指令不占用程序的执行空间和时间。加上TMS320C5402的多总线技术提供了很多单字单指令周期的并行指令，如并行装入和存储指令、并行存储与加减指令、并行存储与乘指令，在程序中恰当地加入这些指令，可以提高程序的执行效率。2.软件开发环境CCS(CodeComposerStudio)是一个完整的DSP集成开发环境，也是目前最优秀、最流行的DSP开发软件之一。CCS最早是由GODSP公司为TI的TMS320C6000系列开发的，后来TI收购了GODSP，并将CCS扩展到其它系列。现在所有的TIDSP都可以使用该软件工具进行开发，只是只有TMS320C5000和TMS320C6000的CCS中才能提供DSP/BIOS功能。CCS一般工作在两种模式下：软件仿真器和与硬件开发板相结合的在线编程。前者可以脱离DSP芯片，在PC机上模拟DSP的指令集与工作机制，主要用于前期算法实现和调试。后者实时运行在DSP芯片上，可以在线编制和调试应用程序。在CCS下，开发者可以对软件进行编辑、编译、调试、代码性能测试(profile)和项目管理等所有工作。除此之外，它还提供了实时分析和数据可视化功能，大大降低了DSP系统的开发难度，使开发者可以将精力集中在应用开发上。三、数字示波器原理数字示波器是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。目前高端数字示波器主要依靠美国技术，对于300MHz带宽之内的示波器，目前国内做的示波器在性能上已经可以和国外品牌抗衡，且具有明显的性价比优势。数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当会产生较大的测量误差，从而影响测试任务。字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。数字示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽，数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因子K相关（数字实时带宽=最高数字化速率/K），一般并不作为一项指标直接给出。从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适合重复周期信号的测量，而数字实时带宽则同时适合重复信号和单次信号的测量。厂家声称示波器的带宽能达到多少兆，实际上指的是模拟带宽，数字实时带宽是要低于这个值的。例如说TEK公司的TES520B的带宽为500MHz，实际上是指其模拟带宽为500MHz，而最高数字实时带宽只能达到400MHz远低于模拟带宽。所以在测量单次信号时，一定要参考数字示波器的数字实时带宽，否则会给测量带来意想不到的误差。数字存储示波器的基本原理框图如图1所示:图1.数字存储示波器的基本原理框图数字存储示波器的基本原理框图，数字示波器是按照采样原理，利用A/D变换器，将连续的模拟信号转变成离散的数字序列，然后进行恢复重建波形，从而达到测量波形的目的。数字存储滤波器不仅可以观测周期性重复信号，而且也能够观测非周期的单次的或随机的信号。输入缓冲器放大器（AMP）将输入的信号作缓冲变换，起到将被测体与示波器隔离的作用，示波器工作状态的变换不会影响输入信号，同时将信号的幅值切换至适当的电平范围（示波器可以处理的范围），也就是说不同幅值的信号在通过输入缓冲放大器后都会转变成相同电压范围内的信号。A/D单元的作用是将连续的模拟信号转变为离散的数字序列，然后按照数字序列的先后顺序重建波形。所以A/D单元起到一个采样的作用，它在采样时钟的作用下,将采样脉冲到来时刻的信号幅值的大小转化为数字表示的数值。这个点我们称为采样点。A/D转换器是波形采集的关键部件。多路选通器（DEMUX）将数据按照顺序排列，即将A/D变换的数据按照其在模拟波形上的先后顺序存入存储器，也就是给数据安排地址，其地址的顺序就是采样点在波形上的顺序，采样点相邻数据之间的时间间隔就是采样间隔。3.1数字存储示波器的主要技术指标：1．最大取样速率fmax定义:单位时间内完成的完整A/D转换的最高次数。最大取样速率主要由A/D转换器的最高转换速率来决定。最大取样速率愈高，则仪器捕捉信号的能力愈强。数字存储示波器在某个测量时刻的实际取样速率可根据示波器当时设定的扫描时间因数（t/div）推算。其推算公式为f=N/(t/div)式中,N——每格的取样数，t/div——亦称扫描速度。2.分辨率：分辨率用于反映存储信号波形细节的综合特性。分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。垂直分辨率与A/D转换器的分辨率相对应常以屏幕每格的分级数(级/div)表示。水平分辨率由存储器的容量来决定，常以屏幕每格含多少个取样点（点/div）表示。3.读出速度：读出速度是指将存储的数据从存储器中读出的速度，常用(时间)/div表示。其中，时间等于屏幕中每格内对应的存储容量×读脉冲周期。使用时，示波器应根据显示器、记录装置或打印机等对速度的不同要求，选择不同的读出速度。4.存储带宽：存储带宽与取样速率密切相关。根据奈奎斯特取样定理如果取样速率大于或等于信号最高频率分量的2倍，便可重现原信号波形。实际上，在数字存储示波器的设计中，为保证显示波形的分辨率，往往要求增加更多的取样点一般一个周期取4~10点。带宽是决定示波器准确测量信号的能力的基本参数之一。带宽是表征示波器能准确测量的频率范围。带宽的定义是指正弦输入信号衰减至真实幅值的70.7%(-3dB)5倍原则：示波器需要的带宽=测量信号的最高频率分量的频率X55倍原则可以提供+/-2%的测量误差，对于通常的应用已足够。5.储容量:,用记录一帧波形数据占有的存储容量来表示,常以字word为单位。存储容量与水平分辨率在数值上互为倒数关系。数字存储器