基于DSP的波形發(fā)生器的課程設(shè)計(jì)分析

李正周，鄭 微，田 蕾，黃揚(yáng)帆

（重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院，重慶 400030）

DSP芯片已經(jīng)廣泛地運(yùn)用到通信、軍事、計(jì)算機(jī)和醫(yī)學(xué)等各個(gè)行業(yè)。我院在完善學(xué)生的基礎(chǔ)理論課的同時(shí)，進(jìn)一步鞏固其動(dòng)手實(shí)踐能力［1］。該電子課程設(shè)計(jì)則是基于此背景提出的，希望學(xué)生通過4周的課程設(shè)計(jì)，更好地將所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，提高實(shí)踐能力，達(dá)到綜合設(shè)計(jì)教學(xué)的要求［2］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)

本課程設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)、TMS320C5410 DSP、電源、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM、程序存儲(chǔ)器FLASH、MCBSP擴(kuò)展接口、DAC芯片和鍵盤和液晶顯示屏組成，如圖1所示。系統(tǒng)的流程為：首先通過鍵盤輸入波形種類、幅度、頻率等參數(shù)；然后單片機(jī)將所接收的參數(shù)發(fā)送給液晶屏顯示，同時(shí)發(fā)送給DSP；在DSP接收到參數(shù)之后合成所需要波形，最后通過DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出模擬信號(hào)。顯示部分采用LCD1602顯示屏。該顯示屏采用5V電壓供電，內(nèi)置192種字符，可用于4位或8位并行通信。本課程設(shè)計(jì)中可以采用16×2的雙行顯示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 單片機(jī)控制芯片

單片機(jī)芯片采用AT89C51芯片。該芯片采用5V供電，4個(gè)8位并行IO口，2個(gè)16位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器，帶有片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。設(shè)計(jì)中，P1口作為小鍵盤的行線以及列線，P0口作為LCD數(shù)據(jù)輸入輸出線。P3口的端口可以作為LCD的使能控制端口［3，4］。設(shè)計(jì)采用串行通信方式傳輸數(shù)據(jù)，單片機(jī)的串口的發(fā)送波特率為

式中，fij為定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的溢出速率。

1.2 DSP處理芯片

本設(shè)計(jì)采用多通道緩沖串口進(jìn)行通信。TMS320C54X系列DSP具有3個(gè)多通道緩沖串口。其中，每個(gè)緩沖串口具有7個(gè)引腳，分別是發(fā)送、接收數(shù)據(jù)引腳DX、DR；接收、發(fā)送時(shí)鐘同步引腳有CLKR、CLKX；接收、發(fā)送幀同步引腳有FSR、FSX；外部時(shí)鐘引腳為CLKS。由于DSP的時(shí)鐘要比單片機(jī)快得多，所以在接收數(shù)據(jù)的時(shí)候可對(duì)單片機(jī)傳遞過來的每一位數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)的16次采樣，已達(dá)到工作同步的目的［5］。

1.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片

TLC320AD50C是TI公司的一款用于低頻信號(hào)采集的IC，該芯片把ADC和DAC集成在同一個(gè)芯片中，通過DSP的MCBSP可以同DSP在硬件上實(shí)現(xiàn)無縫連接。芯片的主要性能參數(shù)：動(dòng)態(tài)范圍88dB，信噪比89dB，最大采樣速率22.05kHz，采樣精度16位。設(shè)計(jì)的波形數(shù)字化數(shù)值也控制在16為以內(nèi)，可基本滿足設(shè)計(jì)要求［6］。

本設(shè)計(jì)主要關(guān)注模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)字信號(hào)首先從DIN引腳通過串行方式進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，經(jīng)過Buffer轉(zhuǎn)換之后的低速信號(hào)進(jìn)入插值濾波，信號(hào)由低速率變?yōu)楦咚俾剩詈蠼?jīng)過DAC模塊由OUTP和OUTM實(shí)現(xiàn)差分輸出。另外系統(tǒng)時(shí)鐘MCLK也是我們十分關(guān)心的引腳。通過下式可以設(shè)置采樣速率及串口時(shí)序：

2 軟件設(shè)計(jì)流程

軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)與DSP芯片均進(jìn)行初始化，之后單片機(jī)執(zhí)行掃鍵程序等待按鍵到來，與此同時(shí)DSP則一直等待參數(shù)的到來。當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候，單片機(jī)則將數(shù)字顯示在LCD液晶顯示屏上，同時(shí)通過串口發(fā)送給DSP芯片。DSP芯片在接收到參數(shù)之后根據(jù)要求產(chǎn)生需要的波形，同時(shí)通過DAC轉(zhuǎn)換芯片輸出。如果單片機(jī)有新的參數(shù)傳遞過來，則對(duì)DSP產(chǎn)生中斷，合成新的波形，最后通過DAC轉(zhuǎn)換芯片輸出［7］。

圖2 系統(tǒng)軟件流程

圖3是本課程設(shè)計(jì)在Code Composer Studio軟件產(chǎn)生的波形。圖3（a）是頻率為200Hz、相位為90°的正弦波形，圖3（b）是頻率為400Hz、相位為90°的正弦波形。橫坐標(biāo)表示數(shù)據(jù)點(diǎn)，縱坐標(biāo)表示幅值。圖3（c）和圖3（d）分別是頻率為200Hz和620Hz正弦波的頻譜圖。橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示幅值。

3 結(jié)語

我校的課程設(shè)計(jì)一般為期4周，采用2～4人一組分組選題的形式，4人以內(nèi)的小組成員保證了課題組良好的協(xié)同工作性。每組選擇一個(gè)課程設(shè)計(jì)題目。課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容可以是利用DSP、單片機(jī)和FPGA等各種芯片單獨(dú)使用或者組合使用實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)功能。在設(shè)計(jì)的過程中可以采用具體分工的形式，分為硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序編寫和系統(tǒng)調(diào)試等幾個(gè)部分。

圖3 正弦信號(hào)波形和頻譜圖

本次課程設(shè)計(jì)還涉及到一部分單片機(jī)知識(shí)，設(shè)計(jì)的綜合性較強(qiáng)，有利于學(xué)生知識(shí)體系的完善。本次課程設(shè)計(jì)在組織形式上按照小組選題，小組負(fù)責(zé)的形式，增加了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，同時(shí)也強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)于項(xiàng)目的責(zé)任心，對(duì)于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高有著積極意義。

［1］ 朱輪，馬慶功.基于DDS和單片機(jī)的低頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)［J］.北京：中國新技術(shù)產(chǎn)品，2010，3：26－27

［2］ 崔利平.波形發(fā)生器設(shè)計(jì)探討［J］.貴州：機(jī)械與電子，2009，23：76－77

［3］ 張雪英，李鴻燕，張小玫.DSP原理及應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)模式研究［J］.南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（09）：96－98

［4］ 曹政才，趙應(yīng)濤，王光國.基于DSP＋FPGA的高速通用實(shí)時(shí)信號(hào)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32，2：46－48

［5］ 尹勇等.DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS使用指南［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.11

［6］ 鐘文政，柯鴻禧，DSPTMS320C50原理與應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.8

［7］ 蘇濤，蔡建隆，何學(xué)輝.DSP接口電路設(shè)計(jì)與編程［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003