数字信号处理(DSP)开放实验教学探讨

维普资讯 http://www.cqvip.com 实　验　技　术　与　管　理　Ｖ。１．１９　Ｎ。．５　２００２　７１　数字信号处理（ＤＳＰ）开放实验教学探讨　吴　冠　（北京航空航天大学电．Ｙ－电子中心，１０００８３）　摘要：数字信号处理（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓ，简称ＤＳＰ）是利用专用或通用数字信处理芯片，　通过数字计算的方法进行处理。ＴＩ公司提供的ＤＳＫ（ＤＳＰ　ＳＴＡＲＴＥＲ　ＫＩＴ）套板是基于　ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２数字信号处理器的ＤＳＰ开发、教学实验系统。本文对利用这一系统开发的实　验内容和实验教学方法等进行了详细的阐述。　关键词：数字信号处理（ＤＳＰ）；ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２；ＤＳＫ；ＣＣＳ　中图分类号：ＴＮ９１１．７２文献标识码：Ｂ文章编号：１００２—４９５６（２００２）０５—００７１—０３　１　ＤＳＰ实验系统简介　ＤＳＰ实验系统是由ＴＩ公司提供的１套基于ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２的ＤＳＫ板，并配以１套　ｃｃｓ（Ｃ０ＤＥＣ０ＭＰ０ＳＥＲＳＴＵＤ１０）开发软件包共同组成。在ＰＣ上汇编后的程序，可以通过　串口或并口下载到ＤＳＰ芯片内部的ＲＡＭ中执行。它可以作为硬件的参考设计。ＣＣＳ　（Ｃ５４０２ＤＳＫ　１．１　１）软件是基于Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统下，支持ＤＳＫ板的集编译、连接、实时调　试、跟踪和分析应用程序为一体的开发软件。软件实时运行在ＤＳＰ芯片上，在线编制和　调试应用程序。ＣＣＳ支持３种软件设计方式：①完全用ｃ语言开发；②完全用汇编语言开　发；③用ｃ语言和汇编语言混合编程开发。该软件系统包含了优化的ＡＮＳＩ　Ｃ编译器和　针对ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ系列的汇编语言编译器。ＣＣＳ集成开发环境窗口由主菜单、工具条、工　程窗口、编辑窗口、图形显示窗口、内存单元窗口和ＣＰＵ寄存器显示窗口等构成。　２实验内容　（１）认识实验练习对ＣＣＳ的设置和并口初始化，编译、链接和运行系统中的程序　例程，练习ＣＣＳ集成开发环境的操作命令和断点的设置。加载到ＤＳＰ上几个ｃ语言程　序，学习Ｃ程序的调试过程和探针的设置。　（２）定点算术运算ＤＳＰ中提供了大量的指令来实现数字信号处理中最基本的算术　运算，ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２　ＤＳＰ是１６位的定点ＤＳＰ，它是用１个１６进制的数来表示不同的１０　进制数，如整数、小数（如果表示小数，必须小于１）。但仅仅在整数乘、除或小数乘、除时，　系统对它们才有所区别加、减运算时，系统都当成整数来处理。本实验是实现ＤＳＰ中的　定点算术运算，通过ＣＣＳ中的存贮器显示窗口观察运算结果，了解定点数在ＤＳＰ中的存　收稿日期：２００１—１２—２８　作者简介：吴冠（１９６１一）男，工程师　维普资讯 http://www.cqvip.com ７２　实验技术与管理　贮方式。　（３）浮点数的算术运算在数字信号处理过程中，为了扩大数据的范围和精度，需要　采用浮点运算。虽然ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２　ＤＳＰ是定点器件，但它支持浮点运算。在ＤＳＰ中浮点　数是由尾数和指数两部分组成，它与定点数的关系为：定点数＝尾数×２＿（指数）。实现浮点　数运算是一个数据格式的转换问题，是将浮点数的操作数转换成定点数，将尾数右移（指　数为负时是左移）就可以实现ＤＳＰ浮点数运算的算法，同时在编程中学习ＤＳＰ程序流程　控制的方法。　（４）用定时器实现数字振荡器实验要求用ＤＳＰ的定时器产生１个２ｋＨｚ的正弦信　号。定时器被设置成每２５ｕｓ产生１次中断，在中断服务程序中用叠代算法计算出１个正　弦值，然后将计算结果送到存贮缓冲区，利用ＣＣＳ的“图形显示窗口”观察缓冲区中的正　弦波形。实验的核心是对ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２　ＤＳＰ定时器的操作，ＤＳＰ的片内定时器是利用　ＣＬＫＯＵＴ时钟计数，要使用３个寄存器（ＴＩＭ、ＰＲＯ、ＴＣＲ）来控制定时器，下面是设置定时　器的程序片断。　ＳＴＭ＃１０ｈ．ＴＣＲ　ＳＴＭ＃９９９．ＰＲＤ　ＳＴＭ＃２０ｈ，ＴＣＲ　在程序加载到ＤＳＫ系统板上进行调试时，需要在反汇编代码中设置断点，并通过　ＣＰＵ窗口和存贮器窗口内检查或修改其内容，观察中断服务程序的执行情况。　（５）ＦＩＲ滤波器数字滤波是ＤＳＰ最基本的应用领域。１个ＤＳＰ芯片执行数字滤波　算法的能力反映了这种芯片功能的大小。学习数字滤波器的ＤＳＰ实现原理和编程技巧，　主要利用ＤＳＰ芯片的ＦＩＲＳ指令来编程实现，ＦＩＲ滤波器的差分方程表达式：　＾　２—１　Ｙ（ｎ）＝ｙ。ｉ『　（ｎ—ｉ）＋　（ｎ—Ｎ＋１＋ｉ）］　蜀　由上式可见，ＦＩＲ滤波算法实际上是一种乘法累加运算，不断输入样本Ｘ（ｎ）经延时　（Ｚ　）作乘法累加，再输出滤波结果ｙ（ｎ）。ＦＩＲ滤波器结构框图如图１所示。　在输入缓冲区首地址设置探针，载入外部正弦信号程序所产生的，符号ＣＣＳ数据格　式的数据文件作为输入信号，然后在图形显示窗口观察输入和滤波输出的波形。　图１　ＦＩＲ滤波器结构框图　（６）正弦信号发生器似的表达式为：　角度０的正弦和余弦函数，可以展开成台劳级数，取前５项近　维普资讯 http://www.cqvip.com 数字信号处理（ＤＳＰ）开放实验教学探讨　７３　Ｓｉｎ　＝　（　一　１一告１一为１一　））））　Ｃｏｓ　一譬（卜蠡１一　１一焘）））　式中的ｘ为０的弧度值，实验编程要点是：通过台劳级数展开，编程计算Ｏ＿＿４５。（间　隔为０．５。）的ｓｉｎ和Ｃｏｓ值，再利用Ｓｉｎ２ｃ￣＝２ｓｉｎ　ｃｏｓ　求出０　０。的ｓｉｎ值（间隔为１。），　然后通过复制获得０—３５９。的正弦值，重复向ＤＳＰ的ＰＡＯ口和输出数据缓冲区输出。改　变程序中每个正弦周期的样点数和样点之间的延迟时间，产生不同频率的正弦波。　（７）快速傅立叶变换（ＦＦＴ）的实现在数字信号处理系统中，ＦＦＴ是非常重要的工　具，成为考核ＤＳＰ运算能力的重要因素。ＦＦＴ是一种高效实现离散傅氏变换的算法，其　核心就是把信号由时域变换到频域，从而可以在频域分析处理信息，得到的结果再由傅氏　逆变到时域。通过实验掌握存贮器管理、辅助寄存器的使用和位倒序寻址方式等技巧。　３实验教学方法　本实验是作为本科生和研究生的选修课，对全校同学开放。做为ＤＳＰ理论课的后续　课程，学生具备了一定的相关理论知识。数字信号处理ＤＳＰ的学习是理论和实践相结合　的过程，实验目标的实现都要经过一番努力才能达到，因此在实验的安排上不能简单地限　定实验时间和固定内容，必须采取全面开放式和自主式的实验教学方法。实验进程包括　初始阶段和提高阶段。　（１）初始阶段要求教师先讲解操作步骤，给出程序清单，使实验按着先简单后复杂　的顺序进行。　（２）提高阶段要求同学完成较为复杂的应用和算法编程，并独立完成实验内容。　对于能力强的同学可以根据自己的兴趣来完成自己的题目。研究生可以结合自己的课　题，利用实验室的资源完成课程的内容，最后写出一份完整的总结报告。　结束语为了使《数字信号处理ＤＳＰ实验》内容上一个新的台阶，将逐步增加“串口　通信”“语音应答”和“混合编程”等新的实验内容，促进学生不断学习新知识，综合运用已　学过的知识分析和解决问题，全面提高学生的综合素质。　［参考文献］　：１］ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ　Ｃｏｄｅ　Ｃｏｍｐｏｓｅｒ　Ｓｔｕｄｉｏ　Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　１９９９．　［２］戴明桢．ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ数字信号处理器结构、原理及应用［Ｍ］．南京航空航天大学出版社，２０００，６　３］张雄伟，等．ＤＳＰ芯片的原理与开发应用（第二版）［Ｍ］．电子工业出版社，２０００．９．