DSP基于TMS320C54XDSP设计简易数字示波器.docx
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DSP基于TMS320C54XDSP设计简易数字示波器
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：
指导老师：
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：
DSPTMS320C5402数字示波器频率
DSPTMS320C5402Oscilloscopefrequency
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,可以在单周期计算40位累加器中数值得到指数
●双地址生成器包括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
●192K字可寻址存储空间64K字程序存储器64K字数据存储器以及
64K字I/O空间
●片ROM可配置位程序/数据存储器
●片双寻址RAM（DARAM）
C5402中的DARAM分为若干块。
由于在每个机器周期,允许对同一DARAM块寻址2次，因此CPU可以在一个机器周期对同一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。
⏹指令系统
●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
⏹在片外围电路
●软件可编程等待状态发生器
●可编程分区转换逻辑电路
●带有部震荡器或者用外部时钟源的片锁相环（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
⏹电源
●可用IDLE1,IDLE2,IDLE3指令控制功耗使其工作在省电方式下
●CLKOUT输出信号可以关断
⏹在片仿真接口
●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比较频繁。
而在一般的情况下应首先使用间接寻址和存储器映像寄存器寻址因为这样可以节省指令周期。
在使用直接寻址时一般选用DP寄存器的直接寻址方式。
此时存储器被分为512页，页地址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带宽之的示波器，目前国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。
带宽是示波器最重要的指标之一。
模拟示波器的带宽是一个固定的值而数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围（示波器可以处理的围），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围的信号。
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——扫描时间因数，扫描一格所占用的时间亦称扫描速度。
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）的频率点。
没有足够的带宽示波器就不能观测到高频的变化。
幅值将会失真信号沿将会变得平缓细节将会丢失。
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:
存储容量又称记录长度,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。
数字存储器的存储容量通常采用256B、512B、1KB、4KB等。
存储容量愈大水平分辨率就愈高。
但存储容量并非越大越好，由于仪器最高取样速率的限制，若存储容量选取不恰当，往往会因时间窗口缩短而失去信号的重要成分，或者因时间窗口增大而使水平分辨率降低。
随着电子技术的发展，数字示波器凭借数字技术和软件大大扩展了工作能力，早期产品的取样率低、存在较大死区时间、屏幕刷新率低等不足得到较大改善，以前难以观察的调制信号、通讯眼图、视频信号等复合信号越来越容易观察。
数字示波器可以对数据进行运算和分析，特别适合于捕获复杂动态信号中产生的全部细节和异常现象，因而在科学研究、工业生产中得到了广泛的应用。
为了让示波器工作在合格的状态，对示波器定期、快速、全面的检定保证其量值溯源是摆在测试工程师面前的一项紧迫任务。
手工检定效率低，容易出错，对每一种示波器的检定需要测试工程师翻阅大量的资料，自动测试系统具有准确快速地测量参数、直观地显示测试结果、自动存储测试数据等特性是传统的手工测试无法达到的。
用自动测试系统实现对示波器的程控检定将会是仪器检定的趋势。
3.2设计目标及框图
目的主要是利用A/D转换模块、控制器（本文采用TMS320C5402）、液晶显示模块等配合外围电路实现对输入量的波形和频率显示，方框图如下图所示：
图3.1硬件方框图
用户只需要把待测信号输入转换器，不用其他的操作，示波器自动在显示器上显示波形和频率。
四.基本电路设计及软件实现方法
1.电路设计
（1）电源电压的要求
TMS320C5402的核工作电压为1.8V，外部I/O口工作电压为3.3V。
在设计的过程中需要采用双电源机制以获得良好的电源性能和功耗。
（2）电流要求
TMS320C5402的电流消耗主要取决于器件的激活度，核电流主要取决于CPU的激活度，I/O的电流主要取决于正在工作的外设及其速度。
一般的与CPU相比外设消耗的电流很小。
时钟电路也消耗一部分电流，且这部分的电流恒定。
TMS320C5402的每MHz消耗的平均电流是0.45mA，峰值电流为每MHz1.1mA。
（3）上电次序
MS320C5402要I/O先上电核后上电也可同时上电。
在设计的过程中采用同时上电的电源管理芯片TPS73HD318。
（4）电源电压的设计TMS320C5402有两种产生3.3V和1.8V电压的方式在设计的过程中利用电源管理芯片TPS767D301来实现电源电压管理。
设计方案如图4.1所示。
图4.1电源设计图
（5）时钟电路的设计
DSP的工作是以时钟为基础的，时钟电路就是用来为DSP芯片提供时钟信号的电路，时钟的稳定运行是DSP系统稳定运行的基础，因此时钟电路的设计是DSP系统中一个重要的环节。
在C5402部有一个振荡器和一个锁相环PLL是用来产生时钟的。
只要外部扩展晶体振荡器结合部振荡器便可以产生基础时钟信号，该基础时钟信号也可以由外部输入。
有了基础时钟信号，结合部锁相环PLL就可以产生稳定的基础时钟信号的倍频和分频信号，这些倍频和分频信号就可以作为DSP的主时钟信号，在该主时钟信号的基础上，还可以产生部个片外设所需的各种时钟信号。
（6）复位电路的设计
对于实际的DSP应用系统，尤其是产品化的DSP应用系统，可靠性是一个不可忽略的问题。
由于DSP系统的时钟频率较高，在运行时有可能发生干扰和被干扰的现象，严重时系统有可能会出现死机。
为了克服这种情况，除了在软件上作一些保护之外，硬件上也必须作相应的处理。
硬件上最有效的保护措施就是采用局用监视功能的自动复位电路。
自动复位电路除了具有上电复位功能外，还具有监视系统运行并在系统发生故障或死机时再次进行复位的功能。
其基本原理就是通过电路提供一个用于监视系统运行的监视线，当系统正常运行时，应在规定的时间里给监视线提供一个高低点评变化的信号，如果在规定的时间这个信号不发生变化，自动复位电路就认为系统运行不正常并重新对系统进行复位。
其电路图如下：
2.软件设计
（1）数据处理模块
系统上电后，DSP部固化的加载程序检测到外部为16位并行加载方式有效，则将存储在flash中的源程序取出存入部SRAM中。
源程序占据FLASH的低32K地址空间，同时映射在DSP外部数据存储空间。
其主程序的流程如下：
（2）FFT算法的实现
快速傅氏变换，是离散傅氏变换（DFT）的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。
公式：
式中
FFT算法的部分程序：
voidfft（）
{
inti=0,j=0,k=0,l=0;
complexup,down,product;
change（）;//实现对码位的倒置for（i=0;i（2）;i++）//循环算出fft的结果{
l=1<for（j=0;j//算出第m=i级的结果【i从0到（log（size_x）/log
（2））-1】{
for（k=0;k{
mul（x[j+k+l],W[（size_x/2/l）*k],&product）;
/*size/2/l是该级W的相邻上标差，l是该级该组取的W总个数*/
add（x[j+k],product,&up）;sub（x[j+k],product,&down）;
x[j+k]=up;x[j+k+l]=down;
}
}
}
}
五．系统调试
系统的设计是不可能一次就完全实现的，刚开始时可能一点现象都没有，这就需要经过不断的调试、分析、再调试、再分析等步骤来逐步解决遇到的各个问题。
调试包括硬件和软件部分的调试：
硬件部分，首先应对制作完成的硬件电路进行检测，主要检查电路是否有短路、断路的地方。
检测时应该分块有序的进行，以免有漏检的地方。
若发现电路有问题，应及时修改，检查到一处便修改一处，以免忘记修改影响调试，耽误时间。
软件部分，首先是对所编的程序用编译软件进行编译，只有通过编译的程序才能加载到控制器中，进行仿真调试。
编译有问题，则要通过编译器给出的提示进行修改。
其次是仿真，仿真是将程序加载到仿真器中，对硬件电路进行在线调试，仿真的好处是可以边调试边修改，大大简化了调试流程。
若仿真成功，并能满足各方面的要求，就可以将程序烧入控制器了。
在仿真调试过程中，若出现问题，就应该将整个系统按功能分成几块然后分块调试，一步一步的解决问题。
当各个功能块都能实现之后，就可以将各个功能块组合然后进行综合调试整个系统得以实现。
六．总结
本设计利用A/D、D/A转换器、TMS320C5402、液晶显示模块实现对模拟信号的采样、对采样电压的数值处理和波形复现并利用单片机部定时器实现对输入模拟信号的频率测量即设计了一简易数字示波器。
设计中对于采集到的数字信号的处理可以采用DSP高速数字信号处理芯片，这样更能显示出系统的实时性和灵敏性，提高了运算速度，使波形和频率的显示更加精确。
但是，本设计还不能够对所有的信号进行检测。
在设计过程中，我也深感自己的知识的不足。
很多东西都还没接触过学习过程中心态很重要，遇到问题要敢于去面对并寻求解决方法，对于未知的领域要有求知的欲望。
由于本人的时间和能力有限，本文还存在一些不足之处，整个系统还需要进一步完善。
文中也难免有不足之处，恳请老师批评指正。
参考文献
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