基于DSP正弦信号发生器设计

摘要：提出了一种基于TMS320C5402实现正弦信号发生器的设计原理与方法，介绍了所设计的正弦信号发生器硬件电路结构和软件程序流程图。结合DSP硬件特性，通过使用泰勒级数展开法得到设定参数的正弦波形输出，达到设计目的。该信号发生器弥补了通常信号发生器模式固定，波形不可编程的缺点，其具有实时性强，波形精度高，可方便调节频率和幅度、稳定性好等优点。
   关键词：数字信号处理器；信号发生器；多通道缓冲串行口；独立键盘
           随着计算机技术的飞速发展，对信号发生器波形的要求越来越高。目前，常用信号发生器大部分是由模拟电路构成，当这种模拟信号发生器用于低频输出时，由于需要较大的RC值，导致参数准确度难以保证，且造成体积和功耗偏大，而数字式波形发生器，因其输出幅值稳定、输出频率连续可调的优点，已逐渐取代了模拟电路信号发生器。由于其运算速度高，系统集成度强的优势，可以设计基于DSP的正弦信号发生器，该发生器实时性强、可扩展性好、波形精度高、可调节频率和幅度、稳定性好、用途广泛，各方面均优于模拟信号发生器和数字信号发生器。因此，本文提出了一种基于TMS320C5402的正弦信号发生器的设计方法。
   1 系统硬件设计

   1．1 系统硬件框图
           该正弦信号发生器的硬件结构框图如图1所示，主要由TMS320C5402芯片，D／A转换器，独立键盘等几部分组成。
   
   1．2 TMS320C5402简介
           TMS320C5402芯片采用先进的修正哈佛结构，片内有8条总线、在片存储器和在片外围电路等硬件，同时还有高度专业化的指令系统，具有功耗小、高度并行等优点。此外，其支持C语言和汇编语言混合编程，高效的流水线操作和灵活的寻址方式使其适合高速实时信号处理。
   1．3 数模转换部分设计
           McBSP(Multi-channel Buffered Serial)即多通道缓冲串口，包括一个数据通道和一个控制通道。数据通道通过DX引脚发送数据、DR引脚接收数据。控制通道完成的任务包括内部时钟的产生、帧同步信号的产生、对这些信号的控制以及多通路的选择等。此外还负责产生中断信号送往CPU，产生同步事件信号通知DMA控制器。控制信息则是通过控制通道以时钟和帧同步信号的形式传送。
           数模转换芯片采用TLC320AD50C，其是TI公司出品的一块将A／D和D／A转换功能集成在一起的接口芯片，采用∑-△技术在低系统成本下实现高精度的A／D和D／A转换。该芯片由一对16 bit同步串行转换通道组成，在A／D之后有一个抽取滤波器，在D／A之前有一个插值滤波器。
           TLC320AD50C可以与TMS320C5402 DSP的McBSP无缝串行连接进行数据采集、存储和处理。SCLK输出时钟，M／S主从模式选择(H为高电平，为主机模式)，DIN串行输入，DOUT串行输出，FS帧同步信号输出，对应DSP的各相应引脚。McBSP和D／A芯片的硬件电路连接如图2所示。
   
   1．4 独立键盘的设计
           本信号发生器采用独立键盘作为人机接口部分，即各个按键相互独立，按下相应的按键，就能输出对应幅度和频率的正弦波。
           图3所示为中断方式工作的独立式键盘的连接图，每个按键各接一根I／O接口线，每根I／O接口线上的按键都不影响其它的I／O接口线。因此，可以通过检测I／O的电平状态判断出哪个键按下。这4个独立按键分别接HD0～HD3口，并且使用4个220 Ω的上拉电阻接Vcc。
   
           当没有按下键时，对应的I／O接口线输入为高电平，当按下键时，对应的I／O接口线输入为低电平，则请求中断INT1。而在读键时，每一个键的状态通过读入键值的高低电平来反应。在中断服务程序中通过执行判键程序，判断是哪个键按下，从而设置对应的幅度和频率，执行产生正弦波形的程序。
           独立式键盘的电路配置灵活、软件简单。但每个按键要占用1根I／O接口线，在按键较多时，I／O接口线浪费较大。故在按键数量不多时采用这种方法，本系统采用4个独立按键，而DSP芯片有足够的I／O接口可供使用，设计时可以充分利用这一特点来连接硬件，至于对按键时抖动的消除可在软件中完成。使用中断，可提高CPU的效率，实现资源共享和并行处理，同时也可以在芯片运行过程中对突发故障做出及时发现和处理。
   2 系统软件设计

   2．1 正弦波形产生原理
           常见产生正弦波的方法有6种：(1)采样回放法；(2)实时计算法；(3)查表法；(4)查表结合插值法；(5)数值迭代法；(6)泰勒级数展开法。
           采样回放法容易实现，但系统的扩展性差，且并没有充分利用DSP的数据计算处理能力。实时计算法需要花费较多时间，只能产生较低频率的正弦波，而且存在计算精度与计算时间的矛盾。查表法的精度受表的大小影响较大，表越大精度越高，但是存储量也越大。查表结合插值法亦称混合法，用它产生的正弦波达不到理想的精度。数值迭代法较难编写出清晰的程序来。泰勒级数展开法是一种有效的方法，与查表法和查表结合插值法相比，该方法需要的存储单元很少，而且精度更高。一个角度为的正弦和余弦函数，展开成5项泰勒级数如下
   
           式中，x为θ的弦度值，正弦波的波形可以看成是由无数个点组成，这些点与x轴的每个角度值相对应，利用DSP可大量重复计算的优势来计算出x轴每一点对应的y值，然后通过D／A转换即可输出连续的正弦模拟信号。
   2．2 变频调幅的方法
   (1)16位定时模块。
           C5402 DSP芯片片内定时器是一个软件可编程的计数器，它包括以下3个16位存储器映射寄存器：定时寄存器TIM，定时器周期寄存器PRD和定时控制寄存器TCR。片内定时器中，4位的预定标计数器PSC和16位定时计数器TIM组成一个20位的计数器，定时器每个CPU时钟周期减1，每次计数器减到0将产生定时器中断(TINT)，同时PSC和TIM重新载入预设的值。定时器中断TINT的速率可由式(3)计算。
   
   (2)变频调幅实现方法。
           调幅的实现相对简单，只需在所有采样值前乘以一个调幅因子A1就可得到相应的正弦波幅值A。而调频的实现必须依赖于C5402芯片内的16位定时器。DSP芯片不断向D／A芯片送出采样值，然后经模数转换后可在示波器上观察到连续的正弦波形。先预设要产生的正弦信号频率为f，根据正弦波生成原理可知，向D／A送出采样值的间隔，即向D／A送值的周期T1=T／N(N为采样点数)，那么向D／A送值的频率为f1=N×f，即向D／A送值的频率是期待产生的正弦波信号频率的N倍。
           因此，为了能够调节产生正弦信号的频率，实际上改变向D／A芯片送值的频率即可。而改变向D／A芯片送值的频率就得用到C5402芯片内的16位定时器。根据式(3)将需要的频率值换算成PRD内的初值和TDDR的初值，并将该初值分别置入PRD和TDDR。
   2．3 软件设计
           软件系统采用模块化结构设计，主要包括DSP主程序，中断程序和键盘驱动程序。DSP系统的主程序流程图如图4所示。先对系统进行检测、配置MeBSP端口等，开启中断调用键盘驱动程序读取键值并处理，进入中断后根据相应的键值设置相应的信号参数，并通过D／A转换，产生不同幅度、频率的正弦波。
   
           中断程序流程图如图5所示。首先根据键盘的按键值选择已设置好的正弦波的幅度与频率，然后按以下步骤执行：(1)计算0°～45°的正弦和余弦值；(2)利用正弦函数倍角公式sin2x=2sinx cosx，计算0°～90°的正弦值；(3)通过复制，获得0～359°的正弦值；(4)将0°～359°的正弦值重复输出，便可以得到正弦波。
   
           在CCS开发环境下编程，通过仿真器将程序下载到DSP芯片中，选择不同的按键产生相应的中断，即可在示波器中观察到相应的正弦波形。所产生的波形具有精度高，幅值稳定的特点，同时具有较强的实时性和灵活性。
   3 结束语
           DSP芯片具有的特殊软硬件结构和指令系统，使其能高速处理各种数字信号处理算法。基于此设计的正弦信号发生器具有速度高、精度高的特点。同时该系统依靠简洁的外部硬件电路设计和合理的软件程序设计，能够产生幅度和频率可调的高稳定度正弦波。而且该系统的可扩展性良好，只需要在中断服务程序中改变送往D／A芯片中的采样值，而不改动任何硬件电路，就可以实现三角波、方波乃至更复杂波形的输出。鉴于DSP不断提高的性价比，故在传统产品中采用DSP作为主控制器已成为一种趋势。