便攜式數字信號處理課程實驗教學平臺設計

楊智明， 俞 洋， 姜紅蘭

(哈爾濱工業大學 自動化測試與控制系,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引 言

隨著計算機技術和電子技術的高速發展，數字信號處理理論和方法已成為眾多研究領域的重要研究基礎，被廣泛應用在航空航天、自動化控制、通信等領域[1]。在本科教學體系中，數字信號處理課程是通信和電子信息等專業的必修基礎課程[2]。因此，使學生熟練掌握數字信號處理理論知識和方法，對學生本科期間整個知識體系的建立和完善具有重要意義。

數字信號處理課程的特點是概念抽象，公式推導和證明過程繁瑣，同時還需要信號與系統等課程的理論基礎，十分難以理解和掌握[3-4]。而實驗課程作為課堂教學的有效補充，能夠幫助學生掌握數字信號處理的基本概念和方法，同時增強學生分析問題、解決問題的能力，提高教學效率[5-6]。但是，目前國內高校中的數字信號處理實驗平臺大多存在體積大、成本高、實驗地點局限、針對性不強等不足[7-8]。因此,本文設計了一種基于TMS320VC5509的低成本、便攜式數字信號實驗平臺。該平臺充分利用DSP快速數字信號處理能力，同時結合FPGA的并行控制能力，實現了滿足數字信號處理課程實驗要求的硬件實驗平臺。

1 實驗內容及技術指標

實驗設計分為數字信號處理基本實驗和擴展實驗兩部分。前者包括信號發生、信號采集、FFT(Fast Fourier Transform)實驗和數字濾波器設計等內容。通過這些實驗，使學生對數字信號處理基本理論有了直觀的認識和理解。為了進一步說明這些理論在實際工程中的應用，還設計了量化效應、圖像處理、音頻處理以及DTMF(Dual Tone Multi-Frequency)雙音多頻信號檢測等擴展實驗，將理論與實際相結合，有力證明了數字信號處理理論的現實意義。

通過以上實驗內容分析，確定實驗平臺主要功能包括：① 真實信號的產生與采集，包括模擬信號、語音信號等，為數字信號處理算法提供處理對象；② 常用數字信號處理算法的實現；③ 與上位主控計算機之間進行數據與命令互傳。平臺技術指標為：④ 實驗平臺通過USB接口與上位機進行通訊，接口符合USB2.0標準；⑤ 具有2通道信號發生功能：精度：12 bits/8 bits可調，速率：100 kHz/s，電壓范圍：±5 V；⑥ 具有2通道數據采集功能：精度：12 bits/8 bits可調，速率：最大500 kHz/s，電壓范圍：±5 V；⑦ 實現FFT變換、濾波器等數字信號處理算法；⑧ 支持語音信號采集、處理和回放功能。

2 硬件設計

2.1 總體設計

根據實驗平臺的實驗內容和硬件技術指標要求，確定硬件總體結構如圖1所示。平臺主要由3部分組成：FPGA控制電路、數字信號處理單元以及外設電路。FPGA進行電路接口時序控制和數據緩沖；數字信號處理單元主要完成數字信號處理功能；外設電路包括USB接口電路、信號發生與采集電路以及語音信號控制電路。實驗平臺具體工作流程為：① 通過上位機程序界面選擇數字信號處理實驗，將控制命令通過USB接口發送給FPGA；② FPGA接收USB發送的控制命令，并傳送給DSP，按照相關指令，控制硬件通過數據采集通道和語音輸入通道獲得待處理數據；③ DSP按照命令進行相應數據處理；④ DSP將處理后的數據傳給FPGA，FPGA通過USB接口返回給上位機，如果需要通過硬件設備輸出，則控制設備輸出處理后的信號；⑤ 上位機程序顯示處理后的結果，并與仿真結果進行比對。

圖1 硬件電路總體結構

2.2 數字信號處理單元

2.2.1DSP最小系統設計

綜合分析片上資源、通用化程度和開發的難易程度，數字信號處理器選擇了TI公司的C55x系列的TMS320VC5509A，它包含2個17×17乘法器，12組獨立總線，片上存儲器為128 kHz×16 Bit，其中包括64 KB的雙端口RAM(DRAM)和192 KB的單端口RAM(SARAM)，外設接口包括3個多通道緩存串口(McBSP)和6個DMA通道[9]。具有低功耗、封裝小、價格低等優點。

本實驗平臺中，DSP負責所有的運算，是數字信號處理的硬件基礎，其最小系統是整個硬件系統的關鍵部分，主要由DSP、程序下載配置電路、時鐘電路、復位電路、供電電路和外部擴展程序存儲器電路組成。

2.2.2DSP與Flash的接口實現

TMS320VC5509A內部沒有非易失性存儲器，因此，要實現系統程序脫離仿真環境獨立運行，需要在片外擴展Flash 、EPROM或者通過USB接口從上位機下載程序。在系統上電復位后，DSP的引導加載器把應用程序從外部存儲器或上位機中引導到DSP芯片內RAM單元或外部擴展RAM中運行。5509A自帶的Bootloader程序支持11種引導模式，引導模式的選擇是通過四個模式選擇引腳BOOTM0～3完成的?？紤]到使用的方便性和節約系統電路板空間，本設計選用串行E2PROM引導模式，外擴Flash作為DSP的程序存儲器。

Flash選用Atmel公司的AT25F1024，通過McBSP0(配置為SPI)與TMS320VC5509A連接。AT25F1024是一款應用廣泛的高性能1 Mbits串行SPI閃存，接口簡單、體積小，可以滿足要求。

2.3 外設電路設計

2.3.1USB通信接口設計

綜合考慮實驗平臺電路板的面積和實現的難易程度，本設計采用Cypress公司的EZ-USB FX2LP系列中的CY7C68013A實現USB接口。

CY7C68013A芯片是世界上第一款集成USB 2.0協議的微處理器接口控制芯片，它支持12 Mb/s的全速以及480 Mb/s高速傳輸。CY7C68013A上集成有16 KB的片內RAM、增強的8051微處理器、16位并行地址總線、8位數據總線、I2C總線、雙串口、4K FIFO的可配置存儲器以及通用可編程接口(GPIF)、智能串行接口引擎(SIE)和USB2.0收發器[10-11]。

CY7C68013A提供Slave FIFO和GPIF兩種接口模式，Slave FIFO模式是從機模式，外部控制器可以像對普通FIFO存儲器一樣對其多層緩沖FIFO存儲器進行讀寫；GPIF模式是主機模式，可以由軟件設置讀寫的控制波形，靈活性很大。為了減小開發難度，本設計采用Slave FIFO模式，在這種模式下，與FPGA之間的控制信號如圖2所示。FPGA通過改變FIFOADR引腳電平，對其內部FIFO進行選擇，并通過讀取CY7C68013A的FIFO狀態引腳電平，來判斷何時讀取FIFO以及是否可以向FIFO寫入數據。

圖2 CY7C68013A控制信號連接圖

2.3.2信號發生電路設計

信號發生模塊由數/模轉換電路、濾波電路以及偏置放大電路組成。為了滿足設計精度和速率要求，并節約電路板空間，數/模轉換芯片采用AD公司的12位串行數/模轉換器AD5320。信號發生電路如圖3所示。

采用運算放大器AD820實現差分電路，將AD5320輸出的模擬信號與參考電壓做差分，將單極性輸出轉化為雙極性，輸出范圍為±3 V，輸出電壓與輸入二進制代碼的轉換關系為

UOUT=UDD×(2D/4 096-1)

濾波電路采用可程控的集成低通濾波器，濾波器選擇8階低通橢圓開關電容濾波器MAX293，該濾波器可單/雙電源供電，可程控轉角頻率范圍0.1 Hz～25 kHz，過渡比fs/f0=1.5，時鐘頻率對轉角頻率的比為100∶1，即fosc=100f0，FPGA根據輸出信號頻率改變MAX293的時鐘fosc來控制其轉角頻率，實現濾波。

圖3 數/模轉換電路

放大電路采用差分比例運算電路，放大器反相輸入端接偏置電路，通過調節電位器來提供直流偏置，以消除濾波器產生的直流偏置電壓。

2.3.3信號采集電路設計

選擇模/數轉換芯片時考慮的主要兩個指標是轉換速率和轉換精度。根據技術指標要求，本設計選用AD公司的低功耗、四通道同步采樣、12位分辨率模/數轉換器AD7864。AD7864為+5 V單電源供電，參考電壓+2.5 V，其內部帶有參考電源，也允許外部輸入。時鐘可由內部時鐘或外部時鐘提供，由INT*/EXT CLK引腳電平決定。在使用內部時鐘條件下，單通道采樣率最高可以達到500 kHz。輸入范圍為±10 V或±5 V可選，輸出數據編碼為二進制補碼。電路圖如圖4所示：本設計采用一二通道輸入、內部參考源、內部時鐘、輸入電壓范圍±5 V。另外，為了增加輸入信號的驅動能力，提高輸入阻抗，降低輸出阻抗，在A/D前端設計增加了射隨電路。

圖4 AD7864電路原理圖

2.3.4語音電路設計

語音電路由DSP和語音編解碼芯片TLV320AIC23組成， TLV320AIC23是TI公司的一種高性能立體聲音頻編解碼器，該編碼器的數字傳輸字長可以是16、20、24、32 bits，支持8～96 kHz的采樣率[12]，與TMS320VC5509A能夠達到無縫連接。

利用TMS320VC5509A的I2C模塊配置語音編解碼芯片的內部寄存器；并通過其內部的McBSP接口接收和發送采樣的音頻數據[13]。TLV320AIC23通過麥克風輸入或者立體聲音頻輸入采集模擬信號，并將模擬信號轉化為數字信號，存儲到DSP的內部RAM中，供DSP處理。當DSP完成對音頻數據的處理以后，TLV320AIC23再把數字信號轉化為模擬信號，通過耳機或立體聲音頻輸出端輸出。

2.4 邏輯設計

本設計中FPGA選擇ALTERA公司的Cyclone系列芯片EP1C12Q240C8實現，其主要完成的控制功能為：控制USB接口芯片，完成與上位機的通信；與DSP通信，將上位機的命令和數據傳遞給DSP，并接收DSP處理后的實驗結果；控制模/數轉換芯片AD7864，對外部模擬信號進行采集；控制數/模轉換芯片AD5320，將上位機、DSP處理的實驗結果或ADC采集的數字信號轉化為模擬信號輸出。邏輯總體功能包括USB接口控制模塊，上位機命令、參數譯碼模塊，DSP通信模塊，ADC和DAC控制模塊以及一些輔助功能模塊等。

3 軟件設計

3.1 DSP程序設計

DSP程序的設計開發環境采用TI公司的CCStudio，編程語言為標準C語言[14]。

DSP程序完成的主要任務為：接收FPGA傳遞的上位機的命令和數據并執行相應命令，完成各種數字信號處理運算，并將處理的結果傳送到FPGA內部FIFO中。其工作過程為：DSP首先配置內部寄存器，初始化EMIF接口和CPU頻率，然后從相應地址讀取上位機的命令字、根據命令字判斷實驗類別，讀取原始數據、調用相應實驗子程序，最終將處理的實驗結果傳回FPGA，并由FPGA經USB接口返回給上位機，同時通過信號發生或語音模塊輸出。

3.2 上位機應用程序設計

實驗平臺上位機程序是基于PC機的一個實驗界面程序，主要功能是為用戶提供對實驗平臺硬件進行控制和操作的界面。上位機程序開發環境采用NI公司的LabWindows/CVI軟件平臺[15]。根據平臺實驗需求，上位機程序主要功能劃分如圖5所示，主要包括實驗和數據選擇、命令編碼、數據發送、數據上傳、數據存儲及結果顯示等功能。

根據上位機程序功能劃分，確定實驗平臺上位機主界面如圖6所示。

上位機具體工作流程為：首先由用戶選擇實驗及實驗數據，并設置相應的實驗參數；然后上位機對用戶設置的內容進行編碼，并通過USB接口傳送給實驗板；實驗結束后，將數據傳回計算機，存儲到對應的文件中，并進行顯示。

圖5 上位機程序功能結構圖

圖6 實驗平臺上位機主界面

4 實驗平臺測試

根據數字信號處理課程實驗需要和技術指標要求，對平臺進行了全面測試。

信號發生電路測試方法：由上位機產生一組正弦波數據，經USB接口傳給D/A輸出。輸出波形及濾波放大后結果如圖7所示，信號發生速率100 KB/s，輸出波形頻率10 kHz，峰峰值10 V。USB向下傳輸數據正確，信號發生電路滿足設計指標要求。

圖7 信號發生濾波前后結果

數據采集電路測試方法：對-5～+5 V直流信號進行多次采樣，并將結果傳回上位機顯示。表1為數據采集結果，采樣速率500 kHz/s，最大偏差小于1%。USB上傳數據正確，數據采集電路滿足設計要求。

表1 AD7864測試結果分析

測試結果表明：USB接口功能正常，數據通信正確；FPGA邏輯工作穩定，能按照上位機指令實現對各電路模塊的靈活控制；DSP程序工作正常，能夠完成設定的數字信號處理實驗；上位機程序與實驗板配合良好，并且用戶界面友好，操作靈活。平臺功能和各項技術指標達到設計要求，實驗結果與軟件仿真結果相同，與理論分析結果吻合，達到了驗證數字信號處理理論的目的。

5 結 語

本實驗平臺專門針對大學本科數字信號處理課程開發，具有體積小、功耗低等特點，學生可隨身攜帶，脫離了實驗地點的束縛；此外，用普通計算機作為控制平臺，操作簡便，實驗結果直觀，并可以與仿真結果對比分析。作者所在課程組于2011和2012學年度，借助于該平臺展開綜合性實驗教學方法的嘗試工作。實際教學情況以及學生課后反饋意見表明，該平臺可以加強對學生對于數字信號處理器的理解，積累了工程實踐經驗，是課堂教學的有益補充。

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