基于DSP正弦信號發(fā)生器設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種基于TMS320C5402實(shí)現(xiàn)正弦信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)原理與方法，介紹了所設(shè)計(jì)的正弦信號發(fā)生器硬件電路結(jié)構(gòu)和軟件程序流程圖。結(jié)合DSP硬件特性，通過使用泰勒級數(shù)展開法得到設(shè)定參數(shù)的正弦波形輸出，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。該信號發(fā)生器彌補(bǔ)了通常信號發(fā)生器模式固定，波形不可編程的缺點(diǎn)，其具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，波形精度高，可方便調(diào)節(jié)頻率和幅度、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器；信號發(fā)生器；多通道緩沖串行口；獨(dú)立鍵盤

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對信號發(fā)生器波形的要求越來越高。目前，常用信號發(fā)生器大部分是由模擬電路構(gòu)成，當(dāng)這種模擬信號發(fā)生器用于低頻輸出時(shí)，由于需要較大的RC值，導(dǎo)致參數(shù)準(zhǔn)確度難以保證，且造成體積和功耗偏大，而數(shù)字式波形發(fā)生器，因其輸出幅值穩(wěn)定、輸出頻率連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，已逐漸取代了模擬電路信號發(fā)生器。由于其運(yùn)算速度高，系統(tǒng)集成度強(qiáng)的優(yōu)勢，可以設(shè)計(jì)基于DSP的正弦信號發(fā)生器，該發(fā)生器實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可擴(kuò)展性好、波形精度高、可調(diào)節(jié)頻率和幅度、穩(wěn)定性好、用途廣泛，各方面均優(yōu)于模擬信號發(fā)生器和數(shù)字信號發(fā)生器。因此，本文提出了一種基于TMS320C5402的正弦信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)硬件框圖
    該正弦信號發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由TMS320C5402芯片，D／A轉(zhuǎn)換器，獨(dú)立鍵盤等幾部分組成。

1．2 TMS320C5402簡介
    TMS320C5402芯片采用先進(jìn)的修正哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)有8條總線、在片存儲(chǔ)器和在片外圍電路等硬件，同時(shí)還有高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)，具有功耗小、高度并行等優(yōu)點(diǎn)。此外，其支持C語言和匯編語言混合編程，高效的流水線操作和靈活的尋址方式使其適合高速實(shí)時(shí)信號處理。
1．3 數(shù)模轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì)
    McBSP(Multi-channel Buffered Serial)即多通道緩沖串口，包括一個(gè)數(shù)據(jù)通道和一個(gè)控制通道。數(shù)據(jù)通道通過DX引腳發(fā)送數(shù)據(jù)、DR引腳接收數(shù)據(jù)?？刂仆ǖ劳瓿傻娜蝿?wù)包括內(nèi)部時(shí)鐘的產(chǎn)生、幀同步信號的產(chǎn)生、對這些信號的控制以及多通路的選擇等。此外還負(fù)責(zé)產(chǎn)生中斷信號送往CPU，產(chǎn)生同步事件信號通知DMA控制器?？刂菩畔t是通過控制通道以時(shí)鐘和幀同步信號的形式傳送。
    數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用TLC320AD50C，其是TI公司出品的一塊將A／D和D／A轉(zhuǎn)換功能集成在一起的接口芯片，采用∑-△技術(shù)在低系統(tǒng)成本下實(shí)現(xiàn)高精度的A／D和D／A轉(zhuǎn)換。該芯片由一對16 bit同步串行轉(zhuǎn)換通道組成，在A／D之后有一個(gè)抽取濾波器，在D／A之前有一個(gè)插值濾波器。
    TLC320AD50C可以與TMS320C5402 DSP的McBSP無縫串行連接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理。SCLK輸出時(shí)鐘，M／S主從模式選擇(H為高電平，為主機(jī)模式)，DIN串行輸入，DOUT串行輸出，F(xiàn)S幀同步信號輸出，對應(yīng)DSP的各相應(yīng)引腳。McBSP和D／A芯片的硬件電路連接如圖2所示。

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1．4 獨(dú)立鍵盤的設(shè)計(jì)
    本信號發(fā)生器采用獨(dú)立鍵盤作為人機(jī)接口部分，即各個(gè)按鍵相互獨(dú)立，按下相應(yīng)的按鍵，就能輸出對應(yīng)幅度和頻率的正弦波。
    圖3所示為中斷方式工作的獨(dú)立式鍵盤的連接圖，每個(gè)按鍵各接一根I／O接口線，每根I／O接口線上的按鍵都不影響其它的I／O接口線。因此，可以通過檢測I／O的電平狀態(tài)判斷出哪個(gè)鍵按下。這4個(gè)獨(dú)立按鍵分別接HD0～HD3口，并且使用4個(gè)220 Ω的上拉電阻接Vcc。

    當(dāng)沒有按下鍵時(shí)，對應(yīng)的I／O接口線輸入為高電平，當(dāng)按下鍵時(shí)，對應(yīng)的I／O接口線輸入為低電平，則請求中斷INT1。而在讀鍵時(shí)，每一個(gè)鍵的狀態(tài)通過讀入鍵值的高低電平來反應(yīng)。在中斷服務(wù)程序中通過執(zhí)行判鍵程序，判斷是哪個(gè)鍵按下，從而設(shè)置對應(yīng)的幅度和頻率，執(zhí)行產(chǎn)生正弦波形的程序。
    獨(dú)立式鍵盤的電路配置靈活、軟件簡單。但每個(gè)按鍵要占用1根I／O接口線，在按鍵較多時(shí)，I／O接口線浪費(fèi)較大。故在按鍵數(shù)量不多時(shí)采用這種方法，本系統(tǒng)采用4個(gè)獨(dú)立按鍵，而DSP芯片有足夠的I／O接口可供使用，設(shè)計(jì)時(shí)可以充分利用這一特點(diǎn)來連接硬件，至于對按鍵時(shí)抖動(dòng)的消除可在軟件中完成。使用中斷，可提高CPU的效率，實(shí)現(xiàn)資源共享和并行處理，同時(shí)也可以在芯片運(yùn)行過程中對突發(fā)故障做出及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 正弦波形產(chǎn)生原理
    常見產(chǎn)生正弦波的方法有6種：(1)采樣回放法；(2)實(shí)時(shí)計(jì)算法；(3)查表法；(4)查表結(jié)合插值法；(5)數(shù)值迭代法；(6)泰勒級數(shù)展開法。
    采樣回放法容易實(shí)現(xiàn)，但系統(tǒng)的擴(kuò)展性差，且并沒有充分利用DSP的數(shù)據(jù)計(jì)算處理能力。實(shí)時(shí)計(jì)算法需要花費(fèi)較多時(shí)間，只能產(chǎn)生較低頻率的正弦波，而且存在計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)間的矛盾。查表法的精度受表的大小影響較大，表越大精度越高，但是存儲(chǔ)量也越大。查表結(jié)合插值法亦稱混合法，用它產(chǎn)生的正弦波達(dá)不到理想的精度。數(shù)值迭代法較難編寫出清晰的程序來。泰勒級數(shù)展開法是一種有效的方法，與查
表法和查表結(jié)合插值法相比，該方法需要的存儲(chǔ)單元很少，而且精度更高。一個(gè)角度為的正弦和余弦函數(shù)，展開成5項(xiàng)泰勒級數(shù)如下
   
   
    式中，x為θ的弦度值，正弦波的波形可以看成是由無數(shù)個(gè)點(diǎn)組成，這些點(diǎn)與x軸的每個(gè)角度值相對應(yīng)，利用DSP可大量重復(fù)計(jì)算的優(yōu)勢來計(jì)算出x軸每一點(diǎn)對應(yīng)的y值，然后通過D／A轉(zhuǎn)換即可輸出連續(xù)的正弦模擬信號。
2．2 變頻調(diào)幅的方法
    (1)16位定時(shí)模塊。
    C5402 DSP芯片片內(nèi)定時(shí)器是一個(gè)軟件可編程的計(jì)數(shù)器，它包括以下3個(gè)16位存儲(chǔ)器映射寄存器：定時(shí)寄存器TIM，定時(shí)器周期寄存器PRD和定時(shí)控制寄存器TCR。片內(nèi)定時(shí)器中，4位的預(yù)定標(biāo)計(jì)數(shù)器PSC和16位定時(shí)計(jì)數(shù)器TIM組成一個(gè)20位的計(jì)數(shù)器，定時(shí)器每個(gè)CPU時(shí)鐘周期減1，每次計(jì)數(shù)器減到0將產(chǎn)生定時(shí)器中斷(TINT)，同時(shí)PSC和TIM重新載入預(yù)設(shè)的值。定時(shí)器中斷TINT的速率可由式(3)計(jì)算。
   
    (2)變頻調(diào)幅實(shí)現(xiàn)方法。
    調(diào)幅的實(shí)現(xiàn)相對簡單，只需在所有采樣值前乘以一個(gè)調(diào)幅因子A1就可得到相應(yīng)的正弦波幅值A(chǔ)。而調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)必須依賴于C5402芯片內(nèi)的16位定時(shí)器。DSP芯片不斷向D／A芯片送出采樣值，然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后可在示波器上觀察到連續(xù)的正弦波形。先預(yù)設(shè)要產(chǎn)生的正弦信號頻率為f，根據(jù)正弦波生成原理可知，向D／A送出采樣值的間隔，即向D／A送值的周期T1=T／N(N為采樣點(diǎn)數(shù))，那么向D／A送值的頻率為f1=N×f，即向D／A送值的頻率是期待產(chǎn)生的正弦波信號頻率的N倍。
    因此，為了能夠調(diào)節(jié)產(chǎn)生正弦信號的頻率，實(shí)際上改變向D／A芯片送值的頻率即可。而改變向D／A芯片送值的頻率就得用到C5402芯片內(nèi)的16位定時(shí)器。根據(jù)式(3)將需要的頻率值換算成PRD內(nèi)的初值和TDDR的初值，并將該初值分別置入PRD和TDDR。[!--empirenews.page--]
2．3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括DSP主程序，中斷程序和鍵盤驅(qū)動(dòng)程序。DSP系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。先對系統(tǒng)進(jìn)行檢測、配置MeBSP端口等，開啟中斷調(diào)用鍵盤驅(qū)動(dòng)程序讀取鍵值并處理，進(jìn)入中斷后根據(jù)相應(yīng)的鍵值設(shè)置相應(yīng)的信號參數(shù)，并通過D／A轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生不同幅度、頻率的正弦波。

    中斷程序流程圖如圖5所示。首先根據(jù)鍵盤的按鍵值選擇已設(shè)置好的正弦波的幅度與頻率，然后按以下步驟執(zhí)行：(1)計(jì)算0°～45°的正弦和余弦值；(2)利用正弦函數(shù)倍角公式sin2x=2sinx cosx，計(jì)算0°～90°的正弦值；(3)通過復(fù)制，獲得0～359°的正弦值；(4)將0°～359°的正弦值重復(fù)輸出，便可以得到正弦波。

    在CCS開發(fā)環(huán)境下編程，通過仿真器將程序下載到DSP芯片中，選擇不同的按鍵產(chǎn)生相應(yīng)的中斷，即可在示波器中觀察到相應(yīng)的正弦波形。所產(chǎn)生的波形具有精度高，幅值穩(wěn)定的特點(diǎn)，同時(shí)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和靈活性。

3 結(jié)束語
    DSP芯片具有的特殊軟硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，使其能高速處理各種數(shù)字信號處理算法?；诖嗽O(shè)計(jì)的正弦信號發(fā)生器具有速度高、精度高的特點(diǎn)。同時(shí)該系統(tǒng)依靠簡潔的外部硬件電路設(shè)計(jì)和合理的軟件程序設(shè)計(jì)，能夠產(chǎn)生幅度和頻率可調(diào)的高穩(wěn)定度正弦波。而且該系統(tǒng)的可擴(kuò)展性良好，只需要在中斷服務(wù)程序中改變送往D／A芯片中的采樣值，而不改動(dòng)任何硬件電路，就可以實(shí)現(xiàn)三角波、方波乃至更復(fù)雜波形的輸出。鑒于DSP不斷提高的性價(jià)比，故在傳統(tǒng)產(chǎn)品中采用DSP作為主控制器已成為一種趨勢。