《DSP芯片原理及应用》实验指导书.docx
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《DSP芯片原理及应用》实验指导书
《DSP芯片原理及应用》
实验指导书
唐山学院信息工程系
DSP实验室
2008年9月
前言
一．DSP原理及应用实验的任务
数字信号处理实验是数字信号处理理论课程的一部分，它的任务是：
1.通过实验进一步了解和掌握数字信号处理的基本理论及算法、数字信号处理的分析方法和设计方法。
2.学习和掌握数字信号处理的仿真和实现技术。
3.提高应用计算机的能力及水平。
二．实验设备
DSP原理及应用实验所使用的设备由计算机、CPU板、语音单元、开关量输入输出单元、液晶显示单元、键盘单元、信号扩展单元、CPLD模块单元、模拟信号源、直流电源单元等组成。
其中计算机是CCS软件的运行环境，是程序编辑和调试的重要工具。
语音单元是语音输入和输出模块，主要完成语音信号的采集和回放。
开关量输入输出单元可以对DSP输入或输出开关量。
液晶显示单元可以对运行结果进行文字和图形的显示。
模拟信号源可以产生频率和幅度可调的正弦波、方波、三角波。
直流电源单元可以提供3.3V、+5V、-12V和+12V的直流电源。
装有CCS软件计算机与整个实验系统共同构成整个的DSP软、硬件开发环境。
所有的DSP芯片硬件的实验都是在这套实验装置上完成的。
三．对参加实验学生的要求
1.阅读实验指导书，复习与实验有关的理论知识，明确实验目的。
2.按实验指导书要求进行程序设计。
3.在实验中注意观察，记录有关数据和图像，并由指导教师复查后才能结束实验。
4.实验后应断电，整理实验台，恢复到实验前的情况。
5.认真写实验报告，按规定格式做出图表、曲线、并分析实验结果。
字迹要清楚，画曲线要用坐标纸，结论要明确。
爱护实验设备，遵守实验室纪律。
第一章DSP原理及应用实验
实验一常用指令实验
一．实验目的
1.了解DSP开发系统的组成和结构；
2.熟悉DSP开发系统的连接；
3.熟悉DSP的开发界面，熟悉CCS的用户界面，学会CCS环境下程序编写、调试、编译、装载，学习如何使用观察窗口。
4.熟悉C54X系列的寻址系统；
5.熟悉常用C54X系列常用指令的用法。
二．实验设备
计算机，CCS2.0版以上软件，DSP仿真器，DSPCPU挂箱。
三．实验原理
外部标志输出（软件可控信号）XF可用于在多处理器结构中相互通信，也可作通用输出脚。
本实验中XF引脚先接到CPLD，然后把XF再通过CPLD输出给LED灯。
XF为低时LED亮，XF为高时LED灭。
DSP
XF
CPLD
LED
四．实验步骤与内容
1.系统连接
进行DSP实验之前，先必须连接好仿真器、DSPCPU挂箱及计算机，连接方法如下所示：
2.上电复位
在硬件安装完成后，确认安装正确、各实验部件及电源连接正常后，接通仿真器电源或启动计算机，此时，仿真盒上的“红色小灯”应点亮，否则DSP开发系统与计算机连接有问题。
3.运行CCS程序
待计算机启动成功后，DSPCPU挂箱220V电源置“ON”，DSPCPU挂箱上电，启动CCS。
成功运行程序后，首先应熟悉CCS的用户界面，然后学会CCS环境下程序编写、调试、编译、装载，学习如何使用观察窗口等。
4.修改样例程序，尝试DSP其他的指令。
5.样例程序实验操作说明
下面以exp01_xf的操作过程说明CCS的工程建立连接编译的方法：
（1）把”exp01_xf目录拷贝到”C:
\ti5x\myprojects”目录下,去掉其只读属性.
（2）删除除了”.asm、.cmd”后缀外的其它所有文件和文件夹；
（3）打开CCS的“Project\new”菜单；
（4）建立工程”exp01_xf”；
（5）打开”addfilestoproject”菜单，把”exp01_xf”目录下的.asm、.cmd文件添加到exp01_xf的工程中。
（6）点击“rebuldall”按钮，编译连接工程。
（7）在”file\loadprogram”菜单，并加载“exp01_xf.out”；加载完毕，单击“Run”运行程序；观察实验结果。
五．思考题及实验报告要求
1．思考题
（1）XF直接驱动LED和XF通过CPLD驱动LED的区别？
（2）修改程序，改变闪烁频率。
2．实验报告要求
（1）给出自行设计的程序清单、程序流程图。
（2）总结实验过程中调试所遇到的问题和解决方法，写出编程调试的经验和体会。
实验二数据存储实验
一．实验目的
1.掌握TMS320C54的程序空间的分配；
2.掌握TMS320C54的数据空间的分配；
3.熟悉操作TMS320C54数据空间的指令。
二．实验设备
计算机，CCS2.0版软件，DSP仿真器，DSPCPU挂箱。
三．实验原理
C54x的存贮空间分为三个部分，分别是程序空间，数据空间和输入输出（I/O）空间。
程序空间的大小为1M字，数据和输入输出空间大小都是64K字。
存贮空间的配置有两种模式，一种是微处理器方式（MP），另一种是微计算机方式，而这两种方式主要影响程序空间的分配。
微处理器模式，程序地址空间FF80~FFFF是外部的，也就是我们可以配置的。
微计算机模式，程序地址空间FF80~FFFF是被系统占用了的，用于存放系统中断向量表，同时F000~FEFF地址空间也被系统使用，这段地址里面包含了引导程序。
由此可以看出，微计算机方式就是把该DSP看成了独立的一个系统，要自己能够单独工作起来，因此需要引导程序。
数据空间分成了6个部分。
其中00～5F是存贮器映射空间。
这段地址空间的值和DSP内部寄存器的值是一致的，访问这个地址空间就等于访问DSP内部的相对应寄存器。
而这段空间是在DSP的片上RAM内。
60～7F是一个散空间，相当于系统给自己保留了一个空间用于特殊之用。
80～3FFF是DSP的片上RAM所映射的地址空间，如果我们程序的代码比较小时，可以不用外扩RAM。
4000～EFFF，这段空间是外部寻址空间。
假如程序比较大，片上RAM放不下下的时候，可以外扩一个RAM，然后将程序放在这段空间里执行。
F000~FEFF，这段空间可以是外部，也可以是片上ROM，主要受CPU的控制寄存器DROM位的控制。
FF00~FFFF，可以是外部也可以是保留不能使用。
主要受DROM位影响。
输入输出（I/O）空间的64K字全部是外部的。
另外，C54x的程序空间采用了分页机制。
每64K字为一页。
因此程序空间1M字可以划分为16页。
四．实验步骤与内容
1.连接好DSP开发系统，运行CCS软件；
2.在CCS的Memory窗口中查找C54各个区段的数据存储器地址，在可以改变的数据地址随意改变其中内容；
3.在CCS中装载实验示范程序，单步执行程序，观察程序中写入和读出的数据存储地址的变化；
4.结合其他寻址方式一起使用。
5.样例程序实验操作说明
（1）启动CCS2.0，并加载“NORMAL\EXP02_MEM\DEBUG\”；
（2）用“View”下拉菜单中的“Memory”查看内存单元；
（3）输入要查看的内存单元地址，本实验要查看0x1000H~0x100FH单元的数值变化，输入地址0x1000H；查看0x1000H~0x100FH单元的初始值，单击“Run”运行程序，也可以“单步”运行程序；
（4）单击“Halt”暂停程序运行；查看0x1000H~0x100FH单元内数值的变化；
（5）关闭各窗口，本实验完毕。
6.源程序查看：
用下拉菜单中Project/Open，打开“NORMAL\EXP02_MEM\”，双击“Source”，可查看源程序。
五．实验说明：
本实验程序将对0x1000开始的8个地址空间，填写入0xAAAA的数值，然后读出，并存储到0X1008开始的8个地址空间。
在CCS中可以观察DATA存储器空间地址0X1000~0X100F值的变化。
六．思考题及实验报告要求
1．思考题
54X访问内部RAM和访问外部RAM的区别？
2．实验报告要求
（1）给出自行设计的程序清单、程序流程图。
（2）总结实验过程中调试所遇到的问题和解决方法，写出编程调试的经验和体会。
实验三I/O实验
一．实验目的
1.了解I/O口的扩展；掌握I/O口的操作方法；
2.熟悉PORTR，PORTW指令的用途；
3.了解数字量与模拟量的区别和联系。
二．实验设备
计算机，CCS2.0版软件，DSP仿真器，DSPCPU挂箱。
三．实验原理
8位的数字量输入（由八拨码开关产生）当拨码开关打到靠近LED时为低，相反为高，通过74LS244缓冲连接到DSP的数据总线的低8位。
8位的数字量输出（通过八个LED灯显示）当对应LED点亮时说明输出为低，熄灭时为高，通过74LS273缓冲连接到DSP的数据总线的低8位。
四．实验步骤与内容
1.运行CCS软件，编写、调试下载自己编写程序，分别调整数字输入单元的开关K1～K4，观察LED7~LED10亮灭的变化，以及输入和输出状态是否一致。
2.样例程序实验操作说明
启动CCS2.0，并加载“normal\exp03_io\debug\”；单击“Run”运行程序；
任意调整K1～K4开关，可以观察到对应LED7~LED10灯“亮”或“灭”；单击“Halt”，
暂停持续运行，开关将对灯失去控制；
五．实验说明
实验中采用简单的一一映射关系来对I/O口进行验证，在本实验中，提供的IO空间分配如下：
CPU的I/O空间：
地址0x0004按键input（X）8，通过74LS244扩展
CPU的I/O空间：
地址0x0004灯output（X）8，通过74LS273扩展
六．思考题及实验报告要求
1．思考题
（1）XF直接驱动LED和XF通过CPLD驱动LED的区别？
（2）怎样判断5402内部的PLL已经切换到分频模式？
2．实验报告要求
（1）给出自行设计的程序清单、程序流程图。
（2）总结实验过程中调试所遇到的问题和解决方法，写出编程调试的经验和体会。
实验四定时器实验
一．实验目的
1.熟悉C54x的定时器；
2.掌握C54x定时器的控制方法；
3.学会使用定时器中断方式控制程序流程。
二．实验设备
计算机，CCS2.0版软件，DSP硬件仿真器，DSPCPU挂箱。
三．实验原理
54x片上定时器只有一个输出引脚TOUT。
每次片上定时器到零后，该脚就产生一个输出负脉冲，脉冲的宽度是CLKOUT输出的一个周期。
这个脚可用于外部计数器的时钟输入。
片上定时器对应了三个寄存器，分别是定时寄存器（TIM），定时周期寄存器（PRD）和定时器控制寄存器（TCR）。
它们在存贮空间的映射地址如下图所示：
定时器的时钟输入是CPU的工作时钟，也就是CLKOUT。
一旦定时器开始工作，TIM就装入PRD里面的值，然后在CPU时钟的触发下减一，直到减到零，然后TOUT引脚输出一个宽度等于CLKOUT时钟周期的脉冲，接下来，根据TCR的设置，TIM可能继续从PRD里面装入一个值，然后又开始减一计数。
从图可以看出，CPU时钟和TSS反位进行与操作才进入时钟输入端，所以TSS必须为零，CPU时钟才能正常进入。
PSC和TIM的功能一样，而TDDR和PRD的功能一样。
使用TRB
可以对定时器复位，导致数值重新装入。
最后，定时器输出一个中断，一个进入DSP内部，所以大家可以在IFR寄存器里面找到TIMER的中断标志位，另一个从TOUT引脚出来。
初始化定时器的步骤如下：
第一：
向TCR的TSS位写入1，停止定时器工作。
第二：
向PRD内写入想要的值。
第三：
向TCR中的TDDR位写入想要的分频系数，再打开定时器，即向TCR的TSS位写入0。
在本系统中，如果设置时钟频率为20MHZ，令PRD=0x4e1f，这样得到每1/1000秒中断一次，通过累计1000次，就能定时1秒钟。
四．实验步骤和内容
1.运行CCS软件，编写程序程序，装载并运行；
2.定时器实验通过数字量输入输出单元的LED7~LED10来显示；可观察到LED灯（LED7~LED10）以一定的间隔时间不停摆动；
五．思考题及实验报告要求
1．思考题
（1）54X定时器在嵌入式系统可以做什么使用？
（2）TOUT引脚在嵌入式系统可以做什么使用？
2．实验报告要求
（1）给出自行设计的程序清单、程序流程图。
（2）总结实验过程中调试所遇到的问题和解决方法，写出编程调试的经验和体会。
实验五外部中断实验
一．实验目的
1.掌握中断技术，学会对外部中断的处理方法；
2.掌握中断对程序流程的控制，理解DSP对中断的响应时序。
二．实验设备
计算机，CCS2.0版软件，DSP仿真器，DSPCPU挂箱
三．实验原理
中断在C54x中有内部中断源和外部中断源，内部中断源包括一些片上外设产生的中断和软件产生的中断。
外部中断源包括经由外部中断引脚产生的中断。
在C54x中，中断有两种分类方法，第一种是按照是否可屏蔽，第二种是按照中断产生方式。
按照是否可屏蔽分类，分为可屏蔽和不可屏蔽。
所谓屏蔽是指DSP可以接受这个中断，但是却不作任何反映，也就是说对应的中断服务指令被屏蔽了，从而得不到执行，这种中断就叫做可屏蔽中断，相反的，如果一个中断只要产生，那么就必须有中断服务指令相应，这种中断叫做不可屏蔽中断。
按照中断产生的方式可以分为软件中断和硬件中断。
软件中断是指由指令产生的中断，硬件
中断是指由外部中断源产生或者片上外设产生。
硬件中断中，用户可以自定义仅有NMI，INT[0:
3]，其它的硬件中断都已经指定给了DSP的片上外设，比如编号为19的中断，TINT0/SINT3，它是片上定时器中断或者软件中断，当片上定时器0到点后，就会产生一个中断，相应就会执行这个地址里面的东西。
而在系统初始化时，IPTR的值刚好映射到了程序空间FF80处。
在处理中断时，系统使用了两个主要的寄存器，中断标志寄存器（IFR），中断屏蔽寄存器（IMR）。
对于非可屏蔽中断和复位信号，系统直接相应，没有什么判断处理，也就不设计这两个寄存器。
图5-1IFR寄存器的的各位描述
这个寄存器的每一位对应一个中断，相应的中断发生后，这个位就会被置位。
显然，这里面没有NMI和RESET对应的标志位。
图5-2IMR寄存器的各位位描述
IMR的值完全由程序员控制，假如想屏蔽掉某个中断，那么就需要对IMR的相应中断位置位。
在这个阶段，系统回检查如下条件。
第一：
检查所有同时发生的中断的优先级，高优先级首先得到相应。
第二：
检查ST1中的中断模式位（INTM），如果该位为1，所有中断全部被屏蔽。
INTM是一种快速屏蔽所有可屏蔽中断的方法。
第三：
检查IMR中相应中断的屏蔽位，如果置位，则不能得到执行。
如果以上三条检查都通过，那么系统进入中断服务程序。
具体内容如下。
第一：
把程序计数器（PC）压栈。
第二：
把相应中断向量的地址装入程序计数器（PC）。
第三：
从中断向量地址中取到跳转指令，把IACK信号置低，同时对相应中断的IFR位清零，执行跳转指令。
IACK变低的时候，在紧接着的CLKOUT时钟上升沿，A6~A2表明了中断向量的编号，因此，可以通过IACK和A6~A2对中断进行检测，但必须将地址可见模式位（AVIS）置位。
第四：
执行中断服务指令直到一个返回语句。
第五：
正常返回，把栈里的内容弹出重新装入PC。
第六：
继续执行正常指令。
C54XDSP的中断为低电平沿触发。
键盘模块单元的按键产生低电平脉冲，输出给VC54X的INT0引脚，每按一次，产生一个低电平脉冲，用来控制DSPCPU挂箱上LED灯的亮灭。
四．实验步骤和内容
实验前准备：
用短接线连接跳线“J100”,使DSP产生的中断给键盘模块单元的按键，对应的中断是外
部中断0。
1.低电平单脉冲触发DSP中断INT0；该中断由键盘模块单元的按键产生。
按一次，产生一个中断。
2.运行CCS软件，调入样例程序，装载并运行；
3.每按一次键盘模块单元的按键，LED7~LED10灯亮灭变化一次；
4.填写实验报告。
5.样例程序实验操作说明
（1）启动CCS2.0，并加载“NORMAL\EXP05_int\DEBUG\”；
（2）单击“Run”运行程序，反复按开关“单脉冲输出”，观察LED7~LED10灯亮灭变化；
（3）单击“Halt”暂停程序运行，反复按键盘模块单元的按键，LED7~LED10灯亮灭不变化；
（4）关闭所有窗口，本实验完毕。
（5）源程序查看：
用下拉菜单中Project/Open，打开“NORMAL\EXP05_int\”，双击“Source”，可查看各源程序。
五．思考题及实验报告要求
1．思考题
（1）54软件中断和硬件中断的区别？
各自的应用场合？
2．实验报告要求
（1）给出自行设计的程序清单、程序流程图及中断程序流程图。
（2）总结实验过程中调试所遇到的问题和解决方法，写出编程调试的经验和体会。
实验六语音采集回放
一．实验目的
1.熟悉ADC/DAC的性能及TLV320AIC23的接口和使用；
2.熟悉McBSP多通道缓冲串口配置为SPI模式的通信的应用；
3.掌握一个完整的语音输入、输出通道的设计；
4.了解语音信号的采集、回放及滤波处理。
二．实验设备
计算机，CCS2.0版软件，DSPCPU挂箱、DSP仿真器、音频对录线、音频信号源。
三．实验原理
TLV320AIC23（以下简称AIC23）是TI推出的一款高性能的立体声音频Codec芯片，内置耳机输出放大器，支持MIC和LINEIN两种输入方式（二选一），且对输入和输出都具有可编程增益调节。
AIC23的模数转换（ADCs）和数模转换（DACs）部件高度集成在芯片内部，采用了先进的Sigma－delta过采样技术，可以在8K到96K的频率范围内提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样，ADC和DAC的输出信噪比分别可以达到90dB和100dB。
与此同时，AIC23还具有很低的能耗，回放模式下功率仅为23mW，省电模式下更是小于15uW。
由于具有上述优点，使得AIC23是一款非常理想的音频模拟I/O器件，可以很好的应用在随声听（如CD，MP3……）、录音机等数字音频领域。
图6-1TLV320AIC23与5402的接口原理图：
四．实验步骤与内容
1.采集回放实验
（1）利用自备的音频信号源，或把计算机当成音源，从DSPCPU挂箱的“语音单元”的音频接口“麦克输入”输入音频信号，进行AD采集。
（2）语音信号采集；
（3）输出音频信号，（可以用示波器观察或用耳机听）实现语音信号的回放；
（4）具体的硬件接口连线参见样例程序实验操作说明；
（5）运行CCS软件，加载示范程序，运行程序，扬声器有声音输出；
（6）写实验报告。
（7）样例程序实验操作说明
①实验前准备
“语音接口”模块小板的拨码开关设置：
（缺省设置已设置好，不需用户设置）
拨码开关SW1、SW2：
语音接口板信号选择，使用语音接口单元时全部置为ON，不使用语音接口单元时全部置为OFF。
语音2号孔接口：
（最大允许输入电压范围0~+3.3V，超出此范围，易引起器件损坏）
2号孔接口名称
备注
ROUT
右声道信号输出端子
LOUT
左声道信号输出端子
IN1
左声道信号输入端子
IN2
右声道信号输入端子
语音扩展板拨码开关的设置：
SW1拨码开关：
状态
备注
1
ON，MODE=1SPI模式、用SPI模式配置AIC23
2
OFF
3
ON
4
ON
SW2拨码开关：
状态
备注
1
ON
2
ON
3
ON
4
空脚，OFF
底板拨码开关的设置：
用音频对录线，连接DSPCPU挂箱的“语音单元”的音频接口“麦克输入”接口和外部音源输入接口；连接耳机和“耳机输出”接口。
②启动CCS2.0,打开“exp08_audio\”工程文件；双击“”及
“Source”可查看各源程序；并加载“exp08_audio\debug\”中的；打开音频源，输出音频，单击“Run”运行程序，或按F5运行程序；通过耳机，可听到连续音频信号。
在
“i=0”处设置断点：
在View→Graph→Time/Frequency打开一个图形观察窗口，以观察程序采集到的左右声道的声音波形，设置观察窗口参数，起始地址为readaudio1和readaudio2，长度为256，16位整型；该实验完成模拟音频信号的数字化采集、A/D及D/A转换和回放。
单击“Halt”暂停程序运行，选择“Close”关闭“”工程文件，关闭各程序显示窗口。
2.重低音处理实验
启动CCS2.0；打开“\super_bass\super_bass”文件夹中的“”工
程文件；双击“”及“source”可查看各源程序；并加载“”下载文件；
打开音频源，输入音频信号，建议输入随程序附带的“东邪西毒”MP3，单击“Run”运
行程序，或按F5运行程序；
程序中对左声道的输入信号做了“低音滤波”，右声道不做处理直接输出，调节左右声道
调节旋钮，比较“低音滤波”声音和原始输入声音的区别，在mode=1时，小号声音被滤掉，主要输出为鼓的低音mode=2时，与mode=0时比较，低音有明显加强。
在View→Graph→Time/Frequency打开一个图形观察窗口，以观察程序采集到的左声道的原
始声音波形和滤波后的波形，设置观察窗口参数，起始地址为in和out，长度为256，16位整型；
实验说明：
程序中mode的说明
Amode=0时，直通；输入与输出相同；
Bmode=1时，低音滤波，输出为输入信号的低音部分
Cmode=2时，对输入信号做低音加重处理，请注意与mode=0时输出结果比较
建议采用耳机监听处理结果。
由于程序主要完成低音加重处理，建议选用低音丰富的乐曲或歌曲作为音源进行处理。
实验时，输入及输出音量应视情况做适当调整，以避免溢出。
五．思考题及实验报告要求
1．思考题
（1）McBSP多通道缓冲串口工作方式如何进行配置？
2．实验报告要求
（1）给出程序流程图。
（2）总结实验过程中调试所遇到的问题和解决方法，写出编程调试的经验和体会。
实验七语音信号的FFT分析
一．实验目的
1.加深对DFT算法原理和基本性质的理解；
2.熟悉FFT算法原理和FFT子程序的应用；
3.学习用FFT对连续信号和时域信号进行谱分析的方法，了解可能出现的分析误差及其原因，以便在实际中正确应用FFT。
二．实验设备
计算机，CCS2.0版软件，DSPCPU挂箱，DSP仿真器，音频线，音源。
三．基本原理
1．离散傅立叶变换DFT的定义：
将时域的采样变换成频域的周期性离散函数，频域的采样也可以变换成时域的周期性离散函数，这样的变换称为离散傅立叶变换，简称DFT。
2．FFT是DFT的一种快速算法，将DFT的N2步运算减少为（N/2）log2N步，极大的提高了运算的速度。
3．旋转因子的变化规律。
4.蝶形运算规律。
5.基2时域抽取法FFT算法。
四．实验前准备：
1．利用自备的音频信号源，或把计算机当成音源,从DSPCPU挂箱的“语音单元”
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