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1DSP实验指导书
实验指导书
数字信号处理DSPCPU挂箱型教学实验系统
TMS320VC5509
第一章实验系统介绍
一、系统概述
DSPCPU挂箱主要用于插接不同的CPU模块,可以扩展DSPCPU模块,挂箱的CPU和扩展模块基于Techv总线设计,目前支持的CPU模块有:
TMS320VC5402、TMS320VC5409、TMS320VC5410、TMS320VC5416、TMS320LF2407、TMS320F2812、TMS320VC5509、TMS320C6726等。
挂箱上除CPU模块外,还有基本试验电路及系统扩展电路,可单独完成大部分的基本实验、算法实验。
通过电子创新设计平台的扩展总线接口,可以扩展机、电、声、光等不同领域的扩展模块,完成数据采集、图象处理、通讯、网络、控制等扩展实验。
二、硬件组成
该挂箱的硬件资源主要包括:
●CPU板接口(Techv总线)
●一组Techv总线接口
●一组电机控制接口
●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
●EL-NC2100电子创新设计平台扩展总线接口
●直流电源单元
5、语音单元
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
在“语音单元”中,有四个音频接口,两个输入,两个输出。
“线性输入”(J6)可以接入由电脑声卡产生的语音信号。
“麦克输入”(J7)可以通过MIC输入音频信号。
“耳机输出”(J8)可以通过耳机听取声音。
“扬声器输出”(J9)可以与音箱相接。
第二章调试软件安装说明
一、CCS的简介
利用CCS集成开发环境,用户可以在一个开发环境下完成工程定义、程序编辑、编译链接、调试和数据分析等工作环节。
下图为典型CCS集成开发环境窗口示例。
整个窗口由主菜单、工具条、工程窗口、编辑窗口、图形显示窗口、内存单元显示窗口和寄存器显示窗口等构成。
二、CCS5000的安装和设置
CCS软件安装系统要求
要使用CodeComposerStudio操作平台必须满足以下的要求:
●IBMPC(或兼容机)
●MicrosoftWindow95/98/NT4.0/2000/XP
●32M内存,100M硬盘空间,奔腾处理器,SVGA(800*600)
CodeComposerStudio的安装
1安装CCS到系统中。
将CCS安装光盘放入到光盘驱动器中,运行CCS安装程序setup.exe,出现以下画面。
如果在WindowsNT下安装,用户必须要具有系统管理员的权限。
2先点击”CodeComposerStudio”安装CCS5000集成开发环境。
按系统提示安装,默认安装路径是“C:
\ti”。
3再点击”ParallelPortDrivers”安装并口驱动程序,安系统提示安装,默认安装路径是“C:
\ti”。
4安装完成后,在桌面上会有“CCS2(‘C5000)”和“SetupCCS2(‘C5000)”以及SDConfig三个快捷方式图标。
分别对应CCS应用程序和CCS配置程序以及连接测试程序。
安装CCS软件与普通的程序安装类似,没有特殊要求。
下面介绍安装完成后如何设
置CCS软件。
如果CCS是在硬件目标板上运行,则先要安装目标板驱动程序,然后运行“CCSSetup”配置驱动程序,最后才能执行CCS。
除非用户改变CCS应用平台类型,否则只需运行一次CCS配置程序。
CCS的设置:
双击桌面上的SetupCCS(5000)图标,
弹出下图所示界面。
第一次打开CCSSetup的界面时,在系统配置(SystemConfiguration)一栏会显示多种配置。
可先全部删掉(鼠标选中—〉右键—〉Remove)将SystemConfiguration一栏的内容全部删除(如下图)。
删掉不合适的配置后,需要为系统选择正确的配置。
右键单击上图中ImportaConfigurationFile选项,弹出下图所示的选择框。
拖动滑动条,下拉找到适合的配置选项。
这里以并口仿真器为例(且假设使用的为5509DSP系统),找到C5509PPEmulator如上图所示(如果开发者使用的DSP是5510,则选择C5510PPEmulator),然后鼠标点击Import,CCS设置界面变为下图所示:
在SystemConfiguration一栏可以看到,选中的配置已经被加入进来了。
然后选择File—〉Save即可。
Usb仿真器55xxDSPCCS设置
在电脑桌面上打开SetupCCS2('C5000)
进入以下画面,点击右边的“InstallaDeviceDriver”
弹出对话框,在CCS的安装目录中找到drivers找到相应的设备,这里以55XX系列为例。
找到tixds55xx.drv,然后点击打开按钮,弹出下图所示对话框。
点击“OK”按钮,会发现在中的框中多了“tixds55xx”这个设备,
然后点击“AddToSystem”出现“BoardProperties”对话框
在Board下面的下拉菜单中选择第二项“Auto-generateboarddatafilewithextraconfiguratic”,这里“ConfiguraticFile”变成可见,点击“Browse…”
在CCS目录中的drivers目录中找到Techusb2.cfg这个文件,选中打开,然后点击“Next>”按钮。
出现下面的对话框后,将I/Oport的Value改成0x280。
点击“Next>”
选中”TMS320C5400”点击旁边的“AddSingle”按钮,在右边的框中会出现“CPU_1”,点击“Next>”
在“startupGEL”中点击右边的小按钮,
在打开对话框中选择你需要的文件。
完成上面的操作后。
出现信息如下
点“File”菜单中的“Save”存盘,然后退出,弹出对话点击是,就会启动CCS软件
实验一快速傅立叶变换(FFT)算法实验
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,CCS3.1版软件,DSPCPU挂箱,DSP仿真器,导线
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2FFT算法。
四.实验步骤
1.复习DFT的定义、性质和用DFT作谱分析的有关内容;
2.复习FFT算法原理与编程思想,并对照DIT-FFT运算流程图和程序框图,了解本实验提供的FFT子程序;
3.阅读本实验所提供的样例子程序;
4.运行CCS软件,对样例程序进行跟踪,分析结果;记录必要的参数。
5.填写实验报告。
6.提供样例程序实验操作说明
A.实验前准备
1、DSPCPU挂箱和5509CPU板拨码开关设置:
DSPCPU挂箱的拨码开关SW3.4置ON(BCS0片选有效,5509的基地址为0x20000);SW4.4置ON,其余置OFF;SW5.1置ON,SW5.2必须置OFF;SW1和SW2全部置ON;J100用短接帽短接;5509CPU板的SW1的1、4置OFF,2、3置ON,SW2全部置OFF;
2、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(J7)”输入音频信号,进行AD采集;
3、挂箱的拨码开关SW1、SW2设置:
语音接口板信号选择,使用语音接口单元时全部置为ON;
“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,在实验箱的背面)
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
B1.实验
1.系统硬件连接
a)系统连接
在进行DSP实验之前,需先连接好仿真器、DSPCPU挂箱及计算机,连接方法如下所示:
b)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无误后,启动计算机,接通仿真器电源,此时,仿真器上的“红色指示灯”应点亮,否则DSP开发系统与计算机连接存在问题。
c)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,此时仿真器上的“绿色指示灯”应点亮,CCS正常启动,表明系统连接正常;否则仿真器的连接、JTAG接口或CCS相关设置存在问题,这时需掉电检查仿真器的连接、JTAG接口连接是否正确,或检查CCS相关设置是否存在问题。
注:
如出现上述问题,原因有二:
其一,可能是系统连接错误或没有正常复位,应重新检查系统硬件并复位;其二,可能是软件安装或设置存在问题,应尝试调整软件系统设置,具体仿真器和仿真软件CCS的应用方法参见第三章。
●成功运行CCS程序后,首先应熟悉CCS的用户界面;
●学会在CCS环境下创建工程文件、添加程序文件、编写程序、编译、装载、调试,学习如何使用观察窗口等。
注:
实验系统连接及CCS相关设置是以后所有实验的基础,在以下实验中这部分内容将不再复述。
完成计算机、DSP仿真器和DSPCPU挂箱的连接后,在给系统上电。
2.CCS软件操作
打开ccs3.3链接仿真器与电脑点击Debug—connect;
打开已建立的项目点击project—open—fft.pjt;
双击“fft.pjt”及“Source”可查看各源程序;
对fft.c源文件编译后,装载编译好的程序fft.out,也即:
file--loadprogram—fft.out。
在k++处设置断点。
然后采集语音信号,运行程序,观察采集到的语音信号的时域波形和频域波形。
也即:
点击view—graph—time/Frequency打开一个观察窗口,设置该观察窗口变量参数:
采用双踪观察,在启动地址分别为px和pz,长度为128,数值类型为16为整型。
这两段存储单元中分别存放的是进过A/D转换后的输入信号进行FFT变换的结果。
实验结果:
在CCS3.1环境,同步观察输入信号波形及其FFT变换结果;
B2.利用MATLAB编程完成计算,绘出下式时域图形,并用FFT求取其傅里叶变换画出相应的频谱图,并分析、说明实验结果。
x=0.5*sin(2*pi*15*t)+2*sin(2*pi*40*t);
采样频率fs=100Hz,采样点数为128点。
五.思考题
1.对于不同的N,幅频特性会相同吗?
为什么?
2.FFT进行谱分析,可以应用的什么方面?
六.实验报告要求
1.简述实验原理及目的;
2.结合实验中所给定典型序列幅频特性曲线,与理论结果比较,并分析说明误差产生的原因以及用FFT作谱分析时有关参数的选择方法;
3.总结实验所得主要结论。
七.程序参数说明
voidkfft(pr,pi,n,k,fr,fi,l,il):
基2快速傅立叶变换子程序,n为变换点数,应满足2的整数次幂,k为幂次(正整数);
八.子程序流程图:
实验二无限冲击响应滤波器(IIR)算法实验
一、实验目的
1.熟悉设计IIR数字滤波器的原理与方法;
2.掌握数字滤波器的计算机仿真方法;
3.通过观察对实际信号的滤波作用,获得对数字滤波的感性认识。
二、实验设备
计算机,CCS3.1版软件,DSPCPU挂箱,DSP仿真器,导线
三、实验原理
1.无限冲击响应数字滤波器的基础理论;
2.模拟滤波器原理(巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器);
3.双线性变换的设计原理。
四、实验步骤
1.复习有关巴特沃斯滤波器设计和用双线性变换法设计IIR数字滤波器的知识;
2.阅读本实验所提供的样例子程序;
3.运行CCS软件,对样例程序进行跟踪,分析结果;
4.填写实验报告。
5.样例程序实验操作说明
A.实验前准备
1、DSPCPU挂箱和5509CPU板拨码开关设置:
DSPCPU挂箱的拨码开关SW3.4置ON(BCS0片选有效,5509的基地址为0x20000);SW4.4置ON,其余置OFF;SW5.1置ON,SW5.2必须置OFF;SW1和SW2全部置ON;J100用短接帽短接;5509CPU板的SW1的1、4置OFF,2、3置ON,SW2全部置OFF;
2、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(J7)”输入音频信号,进行AD采集;
3、挂箱的拨码开关SW1、SW2设置:
语音接口板信号选择,使用语音接口单元时全部置为ON;
“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,在实验箱的背面)
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
B.实验
启动CCS3.1,Project/Open打开“Algorithm”目录中“exp03_iir”子目录下“iir.pjt”工程文件;双击“iir.pjt”及“Source”可查看各源程序;加载“iir.out”;在中断程序中,在“k++;”处设置断点;单击“Run”运行程序,程序将运行至断点处停止;
用View/Graph/Time/Frequency打开一个图形观察窗口;采用双踪观察在启始地址分别为px和py,长度为128的单元中数值的变化,这两个数组分别存放的是语音输入信号和对该信号进行IIR低通滤波后的输出信号;
单击“Animate”运行程序,或按F10运行程序;调整观察窗口,并观察滤波结果;
单击“Halt”暂停程序运行,激活“iir.c”的编辑窗口;
该iir低通滤波器滤波性能参数为:
采样频率为250KHz,通带内最大允许衰减3dB,阻带内最小衰减大于30dB,过渡带宽度约为50KHz;通带上限频率:
20KHz;阻带下限截止频率:
70KHz。
可以修改以上参数的归一化参数“nlpass”和“nlstop”来改变滤波器性能。
修改“iir.c”程序中“nlpass”和“nlstop”参数可改变IIR低通滤波器的滤波性能。
重新“RebuildAll”后,加载,单击“Animate”,可得到不同的结果。
实验结果:
在CCS3.1环境下,同步观察输入信号及其IIR低通滤波结果。
五、思考题
1.试述用双线性变换法设计数字滤波器的过程?
2.实验中,计算每个二阶滤波器的输出序列时,如何确定计算点数?
3.对滤波前后的信号波形,说明数字滤波器的滤波过程与滤波作用。
六、实验报告要求
1.简述IIR滤波器的基本原理;
2.对比FIR滤波器与IIR滤波器的异同;
3.描绘出输入、输出数组的曲线。
七、IIR程序参数说明
系统函数:
对应的常系数线性差分方程:
程序参数说明:
voidbiir2lpdes(doublefs,doublenlpass,doublenlstop,doublea[],doubleb[]):
IIR低通滤波器参数设计子程序参数说明:
fs:
采样频率;nlpass:
通带上限频率归一化参数;nlstop:
阻带下限截止频率归一化参数;
设置时,采样频率对应为1,应使“nlpass”和“nlstop”两参数均要小于0.5,且“nlpass”要比“nlstop”小0.2,否则,将不能满足阻带的最大衰减大于30dB。
数组a:
存放IIR低通滤波器传递函数的极点计算结果;
数组b:
存放IIR低通滤波器传递函数的零点计算结果;
输入信号:
输入信号经A/D转换后,写入数组px,长度128;
输出信号:
滤波后信号,写入数组py,长度128。
八、子程序流程图
实验三基于FDATool的数字滤波器设计
一、实验目的
1、加深对数字滤波器的常用指标和FDATool数字滤波器设计过程的理解。
2、熟悉matlab软件工具箱的应用
二、实验原理
低通滤波器的常用指标:
通带边缘频率:
,阻带边缘频率:
,通带起伏:
,通带峰值起伏:
,阻带起伏:
,最小阻带衰减:
。
数字滤波器有IIR和FIR两种类型,它们的特点和设计方法不同。
三、实验内容:
带通滤波器设计实例:
将以一个IIR滤波器的设计为例来说明如何使用matlab设计数字滤波器:
在小电流接地系统中注入500hz的正弦信号,对其进行跟踪分析,要求设计一带通数字滤波器,滤除工频及其他整次谐波,以便在非常复杂的信号中分离出该注入信号。
参数要求:
最小阶iir数字滤波器,采样频率10000hz。
1、在Matlab中键入fdatool运行FilterDesignandAnalysisTool。
首先在filtertype中选择bandpass(带通滤波器);在designmethod选项中选择iirwindow;指定filterorder项中的最小阶;给出fstop1=250hz,fpass1=300hz和fpass2=600hz,fstop2=650hz。
设置参数可以参考下边图形。
设置完以后点击designfilter即可得到所设计的iir滤波器。
通过菜单选项analysis可以在特性区看到所设计滤波器的幅频响应、相频响应、零极点配置和滤波器系数等各种特性。
在设计过程中,可以对比滤波器幅频相频特性和设计要求,随时调整参数和滤波器类型,以便得到最佳效果。
其它类型的fir滤波器和iir滤波器也都可以使用fdatool来设计。
2 simulink仿真
本文通过调用simulink中的功能模块构成数字滤波器的仿真框图,在仿真过程中,可以双击各功能模块,随时改变参数,获得不同状态下的仿真结果。
例如构造以基波为主的原始信号:
,通过simulink环境下的simulink和signalprocessingblockset模块如下仿真图和滤波效果图如图2所示。
图2simulink仿真图及滤波效果图
可以看到经过离散采样、数字滤波后分离出了500hz的频率分量(scope1)。
3、实验步骤
步骤:
1、打开simulink
2、选择离散正弦信号
右键Addtountitled(或者某个文件名字)
加三个正弦波,频率分别为50、500、1200hz(通过双击正弦图形,可以设置参数)。
3、选择求和器,实现三个正弦信号的相加
4、选择数字滤波器实现信号的滤波。
(右键Addtountitled),然后在其相应窗口进行参数设置。
(具体FDATool的设计参考文件“fdatool参考资料.doc”)
5、选择示波器观察波形。
可选择两种示波器一种是scope,可以直接观察输出信号,该示波器在simulink—sinks—scope;另一种为spectrumscope,可以观察时域信号的频谱,该示波器的位置是signalprocessingblockset—signalprocessingsinks—spectrumscope。
四、实验要求:
设计高通IIR数字滤波器和FIR数字滤波器
滤除去500hz的正弦信号。
并绘出它们的冲激响应、幅度响应曲线,分析它们各自的实现特点。
参考资料:
MATLAB滤波器设计工具FDATool
FDATooI(FilterDesignandAnalysisTool)是MATLAB信号处理工具箱提供的一种综合、简便的图形用户工具。
通过该工具提供的先进可视化滤波器集成设计环境,用户可以方便地设计儿乎所有的常规滤波器,包括FIR和IIR的各种设计方法。
本节主要介绍FDATooI的各项功能以及设计一款滤波器的关键步骤。
1、FDATooI启动
在MATLAB命令窗口下,执行“FDATooI”命令,按“回车”调出FDATooI用户图形界面,如图7-4-1所示。
fdatool(filterdesign&analysistool)是matlab信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具,matlab6.0以上的版本还专门增加了滤波器设计工具箱(filterdesigntoolbox)。
fdatool可以设计几乎所有的基本的常规滤波器,包括fir和iir的各种设计方法。
它操作简单,方便灵活。
fdatool界面总共分两大部分,一部分是designfilter,在界面的下半部,用来设置滤波器的设计参数,另一部分则是特性区,在界面的上半部分,用来显示滤波器的各种特性。
designfilter部分主要分为:
Øfiltertype(滤波器类型)选项,包括lowpass(低通)、highpass(高通)、bandpass(带通)、bandstop(带阻)和特殊的fir滤波器。
Ødesignmethod(设计方法)选项,包括iir滤波器的butterworth(巴特沃思)法、chebyshevtypei(切比雪夫i型)法、chebyshevtypeii(切比雪夫ii型)法、elliptic(椭圆滤波器)法和fir滤波器的equiripple法、least-squares(最小乘方)法、window(窗函数)法。
Øfilterorder(滤波器阶数)选项,定义滤波器的阶数,包括specifyorder(指定阶数)和minimumorder(最小阶数)。
在specifyorder中填入所要设计的滤波器的阶数(n阶滤波器,specifyorder=n-1),如果选择minimumorder则matlab根据所选择的滤波器类型自动使用最小阶数。
Øfrenquencyspecifications选项,可以详细定义频带的各参数,包括采样频率fs和频带的截止频率。
它的具体选项由filtertype选项和designmethod选项决定,例如bandpass(带通)滤波器需要定义fstop1(下阻带截止频率)、fpass1(通带下限截止频率)、fpass2(通带上限截止频率)、fstop2(上阻带截止频率),而lowpass(低通)滤波器只需要定义fstop1、fpass1。
采用窗函数设计滤波器时,由
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