基于DSP和SOPC數(shù)字信號發(fā)生器的設計

摘 要：為了比較DSP和SOPC技術在電子設計領域的應用，采用泰勒展開法和DDFS技術，分別給出設計方案的硬件電路結構和軟件流程圖，并通過集成開發(fā)環(huán)境CCS和DE2開發(fā)板實現(xiàn)正弦信號發(fā)生器。結果表明，采用SOPC技術設計的正弦信號發(fā)生器與使用DSP芯片實現(xiàn)相比，其高速的運算能力以及內部操作的靈活性，使得產生的波形具有控制方便，輸出相位連續(xù)，精度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，具有很高的應用價值。
關鍵詞：可編程片上系統(tǒng)；DSP；集成開發(fā)環(huán)境CCS；信號發(fā)生器

O 引 言
    數(shù)字信號發(fā)生器是在電子電路設計、自動控制系統(tǒng)和儀表測量校正調試中應用很多的一種信號發(fā)生裝置和信號源。而正弦信號是一種頻率成分最為單一的常見信號源，任何復雜信號(例如聲音信號)都可以通過傅里葉變換分解為許多頻率不同、幅度不等的正弦信號的疊加，廣泛地應用在電子技術試驗、自動控制系統(tǒng)和通信、儀器儀表、控制等領域的信號處理系統(tǒng)中及其他機械、電聲、水聲及生物等科研領域。
    目前，常用的信號發(fā)生器絕大部分由模擬電路或數(shù)字電路構成，體積和功耗都很大，價格也比較貴。隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，以DSP微處理器及DSP軟硬件開發(fā)系統(tǒng)(例如集成開發(fā)環(huán)境CCS)及配套產品為內容已形成了龐大并極具前途的高新技術產業(yè)，而可編程邏輯器件、SOPC等新技術的應用迅速滲透到電子、信息、通信等領域。這里分別借助DSP芯片運算速度高，功耗低，實時分析的優(yōu)勢以及SOPC技術靈活的可配置性、較高的可靠性、硬件升級容易等優(yōu)點設計了正弦信號發(fā)生器，并對各自設計過程及優(yōu)缺點進行了對比。

1 基于DSP設計正弦信號發(fā)生器
1．1 正弦波產生原理
    一般情況，產生正弦波的方法有兩種：查表法和泰勒級數(shù)展開法。查表法是使用比較普遍的方法，優(yōu)點是處理速度快，調頻調相容易，精度高，但需要的存儲器容量很大。泰勒級數(shù)展開法需要的存儲單元少，具有穩(wěn)定性好，算法簡單，易于編程等優(yōu)點，而且展開的級數(shù)越多，失真度就越小。本文采用了泰勒級數(shù)展開法。一個角度為θ的正弦和余弦函數(shù)，可以展開成泰勒級數(shù)，取其前5項進行近似得：

   
式中：x為θ的弧度值，x=2πf／fs(fs是采樣頻率；f是所要發(fā)生的信號頻率)。[!--empirenews.page--]
1．2 硬件設計
    系統(tǒng)硬件主要由微機、DSP芯片、數(shù)／模轉換模塊組成。其中，DSP芯片采用的是TI公司性價比良好的TMS320VC5402。它有一組程序總線和三組數(shù)據(jù)總線、高度并行性的算術邏輯單元ALU、專用硬件邏輯片內存儲器、增強型HPI口和高達100 MHz的CPU頻率。它可以在一個周期里完成兩個讀和一個寫操作，并且具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。D／A采用了一種雙極型8位、低功耗數(shù)／模轉換器DAC08，實現(xiàn)了高速同步數(shù)／模轉換。硬件結構框圖如圖1所示。

1．3 軟件設計
    軟件設計是基于CCS開發(fā)環(huán)境的。CCS是TI公司推出的為開發(fā)TMS320系列DSP軟件的集成開發(fā)環(huán)境，是目前使用最為廣泛的DSP開發(fā)軟件之一。它提供了環(huán)境配置、源文件編譯、編譯連接、程序調試、跟蹤分析等環(huán)節(jié)，并把軟、硬件開發(fā)工具集成在一起，使程序的編寫、匯編、程序的軟硬件仿真和調試等開發(fā)工作在統(tǒng)一的環(huán)境中進行，從而加速軟件開發(fā)進程。本文采用了與硬件開發(fā)板相結合的在線編程模式，通過CCS軟件平臺上應用C語言及C54X匯編語言來實現(xiàn)正弦信號發(fā)生裝置。
    軟件設計的思想是：正弦波的波形可以看作由無數(shù)點組成，這些點與x軸的每一個角度值相對應，可以利用DSP處理器處理大量重復計算的優(yōu)勢來計算x軸每一點對應的y的值(在x軸取N個點進行逼近)。整個系統(tǒng)軟件由主程序和基于泰勒展開法的SIN子程序組成，相應的軟件流程圖如圖2和圖3所示。

    程序中，N值為產生正弦信號一個周期的點數(shù)，產生的正弦信號頻率與N數(shù)值大小及D／A轉換頻率fDA有關，產生正弦波信號頻率f的計算公式為：
    f=fDA/N
    因此，選擇每個正弦周期中的樣點數(shù)，改變每個采樣點之間的延遲，即通過調節(jié)N值產生不同頻率的波形，同時也可以利用軟件改變輸出的離散波形值乘以相應的縮放因子A，從而調節(jié)波形的幅度。將程序裝載到DSP目標芯片中，波形實現(xiàn)結果可以在CCS圖形顯示界面直觀地表示出來(見圖4)或者用示波器觀察輸出結果如圖5所示。[!--empirenews.page--]

    輸出結果顯示，在CCS圖形觀察窗口得到了頻率穩(wěn)定，信號干擾小，波形失真度較小的正弦信號；利用示波器也可觀察到波形較好，穩(wěn)定的正弦信號。

2 基于SOPC技術設計正弦信號發(fā)生器
    盡管DSP處理器(如TI的TMS320系列)在過去很長一段時間幾乎是DSP應用系統(tǒng)核心器件的惟一選擇。但由于其自身的局限性，例如不靈活的硬件結構，使得其很難滿足當今迅速發(fā)展的DSP應用市場?，F(xiàn)代大容量、高速度、內嵌有各種DSP模塊的FPGA和相應的SOPC技術出現(xiàn)，使得數(shù)字信號處理的實現(xiàn)更加容易。
2．1 DDFS原理
    直接數(shù)字頻率合成(DDFS)電路由系統(tǒng)時鐘、相位累加器、頻率累加器、波形查找表、D／A轉換器和信號調理電路構成。DDFS的工作原理是在每個時鐘周期，用頻率累加器以輸入頻率字FW為步進進行自增累加，累加結果的高位送相位累加器，并與輸入的相位字PW進行累加，相位累加的輸出作為波形查找表的地址，從查找表中讀出相應的數(shù)據(jù)送給D／A轉換器，最后經(jīng)過低通濾波器、后級放大等信號調理電路，以形成模擬量波形輸出。圖6給出系統(tǒng)結構框圖。

    DDFS的頻率輸出公式：

   
式中：N為相位累加器的位寬；M為頻率字位寬；Fclk為系統(tǒng)時鐘信號。
    DDFS通過數(shù)控振蕩器產生頻率、相位可控的正弦波。其優(yōu)點體現(xiàn)在無需相位反饋控制，頻率建立及頻率切換較快，可編程且全數(shù)字化，控制靈活方便，輸出相位連續(xù)。如果在相位累加器的位數(shù)N足夠大時，理論上可以獲得很高的分辨精度，應用DDFS還可以產生其他多種調制信號，因此具有極高的性價比。
2．2 硬件模塊設計與仿真
    利用DSP BuiIder進行DSP模塊設計是SOPC技術的一個組成部分。關鍵設計過程在Matlab的圖形仿真環(huán)境Simulink中進行，用圖形方式調用DSP Builder和其他Simulink庫中，圖形模塊，構成系統(tǒng)級設計模塊，如圖7所示。[!--empirenews.page--]

    模塊化設計的主要優(yōu)點在于只要改變模塊中的狀態(tài)字就可以輕松地控制正弦波的頻率和相位，不用到程序里修改了，也不需要理解復雜難于掌握的硬件描述語言，真正做到模塊化并充分節(jié)省設計時間和設計周期。
    電路模型設計完成后，可以利用Simulink環(huán)境的強大的圖形化仿真驗證功能，直接進行算法級模型仿真驗證，結果如圖8所示。由于在Matlab的Simulink中，模型仿真屬于系統(tǒng)驗證性質的仿真，并不是RTL級仿真，與目標器件和硬件系統(tǒng)沒有關系。因此采用Modelsim對設計電路進行功能仿真。Modelsim是Mentor公司杰出的HDL仿真工具，以其強大的數(shù)字和模擬仿真功能而廣泛應用，且仿真結果直觀、易懂，如圖9所示。
    由圖8和圖9輸出波形結果可以看出，采用SOPC方案設計的正弦信號發(fā)生器產生的正弦波波形清晰、穩(wěn)定、相位變化比較連續(xù)，且輸出相位噪聲低。
2．3 系統(tǒng)硬件驗證
    通過SignaICompiler把設計模型文件轉成相應的硬件描述語言VHDL設計文件。在QuartusⅡ集成環(huán)境中，對．vhd文件進行編譯、時序仿真，對設計文件進行仿真驗證，確定DE2開發(fā)板中PIO所對應的輸入／輸出即引腳鎖定；對器件編程并最終下載到目標芯片DE2EP2C35F672C6上，以實現(xiàn)硬件測試；調用Signal-TapⅡ觀察硬件測試結果，經(jīng)D／A轉換由示波器觀察波形輸出，其結果與系統(tǒng)仿真結果相同，從而驗證了系統(tǒng)設計的合理性。

3 結 語
    從工程應用的角度，提出了基于DSP及SOPC的結構化、模塊化設計方法，該方法可以推廣到其他電子設計領域，使系統(tǒng)電路設計更加簡便直觀，且便于擴展，具有較高的實用性和可靠性。通過對比DSP和SOPC設計的優(yōu)缺點表明，與DSP設計相比，SOPC技術可以大大縮短系統(tǒng)的設計周期，節(jié)省設計費用，提高產品的性價比和競爭力，因此更具有良好的推廣和應用前景。