dsp計(jì)算任意cos角度設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)及目的 ………………………………………………… 1</p><p>　　1. 目的…………………………………………………………………..1</p><p>　　2. 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求………………………………………………………..1</p><p&g

2、t;　　二、設(shè)計(jì)原理…………………………………………………………...1</p><p>　　三、設(shè)計(jì)過(guò)程…………………………………………………………...3</p><p>　　1. 硬件設(shè)計(jì)………………………………………………………………3</p><p>　　2. 軟件設(shè)計(jì)………………………………………………………………3</p><p&g

3、t;　　四、軟件編程…………………………………………………………...5</p><p>　　1. 設(shè)計(jì)步驟………………………………………………………………5</p><p>　　2. 程序清單………………………………………………………………5</p><p>　　五、仿真結(jié)果及討論…………………………………………………..8</p><p>

4、;　　六、結(jié)論………………………………………………………………..9</p><p>　　七、參考文獻(xiàn)…………………………………………………………..9</p><p>　　DSP計(jì)算任意COS角度</p><p>　　摘 要：介紹了TMS320C5402實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法。該信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦波波形清晰、穩(wěn)定性好，調(diào)頻、調(diào)幅功能均由軟件

5、現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：DSP；數(shù)模轉(zhuǎn)換；信號(hào)發(fā)生器</p><p>　　一、 設(shè)計(jì)任務(wù)及目的：</p><p><b>　　1．目的：</b></p><p>　?。?）學(xué)習(xí)一般算法在數(shù)字信號(hào)處理器上的實(shí)現(xiàn)</p><p>　?。?）加深對(duì)DSP的結(jié)構(gòu)原理的認(rèn)識(shí)和CCS5000平臺(tái)的掌握</p><p

6、>　?。?）通過(guò)動(dòng)手做軟件和硬件設(shè)計(jì)，熟練掌握數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，增加對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的消化和理解。</p><p>　　2．設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：</p><p>　?。?）完成余弦角度計(jì)算的編程</p><p>　　（2）完成硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)</p><p>　?。?）畫(huà)出算法與流程圖</p><p>　　（4）輸入不同

7、的角度值輸出結(jié)果</p><p>　?。?）完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)原理：</b></p><p>　　在通信、儀器和控制領(lǐng)域的信號(hào)處理系統(tǒng)中，經(jīng)常用到余弦信號(hào)發(fā)生器。通常有兩種方法可以產(chǎn)生余弦波。DSP常用三角函數(shù)(尤其是正余弦)在各種信號(hào)處理系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，且一般有實(shí)時(shí)性要求，因此有必要考慮這些函數(shù)的快速

8、計(jì)算。常用三角函數(shù)的近似計(jì)算方法主要有迭代法、級(jí)數(shù)法、查表法以及CORDIC法。這些算法的提出和應(yīng)用有著悠久的歷史，但是近年來(lái)集成電路與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的飛速發(fā)展，使得各種算法具有了與以往不同的特性與結(jié)論，需要依據(jù)體系結(jié)構(gòu)做適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整。</p><p><b>　　圖1 硬件電路框圖</b></p><p>　　圖2實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)框圖</p><p

9、>　　圖3 加窗處理的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖</p><p>　　圖4 數(shù)據(jù)和系數(shù)的存儲(chǔ)器分配圖</p><p>　　(1) 查表法。速度快，但在精度高的情況下要求的存儲(chǔ)器容量也要增大。此種方法應(yīng)用在對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。</p><p>　　(2) 泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)法。這是一種比查表法更為有效的方法。與查表法相比，這種方法需要的存儲(chǔ)單元很少，而且精度高。 &#

10、160;  </p><p>　　用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)式計(jì)算一個(gè)角度的余弦值：</p><p>　　cos(x)=1-x^2/2(1-x^2/(3*4)(1-x^2/(5*6)(1-x^2/(7*8)))</p><p>　　余弦信號(hào)的遞推公式如下：</p><p>　　cos(nx)=2cosxcos[(n-1)x]-cos[(n-2)

11、x]</p><p>　　它分兩步產(chǎn)生余弦信號(hào)。第一步計(jì)算cos(nx)的值，第二步使用n控制乘法和減法運(yùn)算，產(chǎn)生信號(hào)，延時(shí)的cos[(n-1)x]和cos[(n-2)x]必須預(yù)先計(jì)算好，并儲(chǔ)存在DSP存儲(chǔ)空間。本實(shí)例中首先輸入的值為Pi/4，并以此循環(huán)計(jì)算多個(gè)余弦值。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)過(guò)程：</b></p><p><

12、;b>　　1．硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　這是一個(gè)以TMS320C5402為核心DSP系統(tǒng)，硬件電路框圖如下：發(fā)生波形時(shí)，DSP通過(guò)接口電路實(shí)現(xiàn)對(duì)波形參數(shù)的控制，產(chǎn)生高精度的正弦波，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出。 </p><p>　?。?）1DSP </p><p>　　DSP芯片采用的是TI公司性價(jià)比良好的TSM320C5402［１］。

13、它采用修正的增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)存放，內(nèi)部具有8組高度并行總線，一組程序總線、3組數(shù)據(jù)總線和4組地址總線，從而保證完成并行指令操作。40位算術(shù)邏輯單元ALU以及17位×17位并行乘法器與40位專用加法器相連，可用于非流水線式單周期乘法/累加運(yùn)算。雙地址生成器，包括8個(gè)輔助寄存器和2個(gè)輔助寄存器算術(shù)運(yùn)算單元RARU，使得周期定點(diǎn)指令的執(zhí)行時(shí)間達(dá)到100MIPS。 片上集成有192K存儲(chǔ)空間：64K字程序空間、64

14、K數(shù)據(jù)空間、64K字I/O空間，它具有23條外部程序地址線，可尋址1M字的外部程序空間，因此增設(shè)了額外的存儲(chǔ)映射程序技術(shù)擴(kuò)展寄存器XPC，以及6條擴(kuò)展程序空間尋址指令，整個(gè)程序空間分成16頁(yè)。同時(shí)可尋址64K外部數(shù)據(jù)空間、64K外部I/O空間。RAM包括兩種類型，一是只可以一次尋址的SARAM，二是可以兩次尋址的DARAM。此外，還有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器0頁(yè)映射的25個(gè)特殊功能寄存器。 IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)掃描邏輯電路(JTAG)用于

15、仿真和測(cè)試，它提供對(duì)所連設(shè)備邊界掃描。同時(shí)，它也能用來(lái)測(cè)試引腳</p><p><b>　　（2) D/A</b></p><p>　　由于信號(hào)發(fā)生器的精度要求高，數(shù)模轉(zhuǎn)換部分采用了AD767。它是12位的并行數(shù)字接口苡片。該芯片在單片內(nèi)包括了輸入鎖存和高穩(wěn)定的電壓參考源。電壓參考源具有低噪聲、小溫度漂移、高穩(wěn)定度等優(yōu)點(diǎn)，鎖存脈沖寬度位40ns；轉(zhuǎn)換器用12位精度高速

16、雙極性電流調(diào)整開(kāi)關(guān)和激光調(diào)整薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供高精度；整個(gè)工作溫度區(qū)域內(nèi)具有±1/2LSB最大線性誤差。</p><p><b>　　2．軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。?) 基本算法</b></p><p>　　產(chǎn)生余弦波的方法很多，這里采用的是泰勒級(jí)數(shù)法，與查表法和查表結(jié)合插值法相比，該法具有

17、節(jié)約存儲(chǔ)空間，精度高等優(yōu)點(diǎn)，而且展開(kāi)的級(jí)數(shù)越多，失真度就越小。但因其運(yùn)算量較大，所以適用于對(duì)速度要濟(jì)南市不嚴(yán)格的場(chǎng)合。一個(gè)角度為θ的正弦和余弦函數(shù)，都可以展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)，取其前五項(xiàng)進(jìn)行近似：</p><p>　　式中：x為θ的弦度值，x=f×2π/fs(fs是采樣頻率，f是所要發(fā)生的信號(hào)頻率)。余弦波的波形可以看成是由無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)組成，這些點(diǎn)與x軸的每個(gè)角度值相對(duì)應(yīng)，利用DSP可大量重復(fù)計(jì)算的優(yōu)勢(shì)來(lái)計(jì)算

18、出x軸每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的y值，然后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換即可輸出連續(xù)的余弦模擬信號(hào)。調(diào)頻可以通過(guò)調(diào)節(jié)x值來(lái)進(jìn)行，調(diào)幅時(shí)可將輸出的離散波形值乘以相應(yīng)的縮放因子。</p><p><b>　?。?) 軟件流程圖</b></p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)軟件是由主程序和調(diào)頻、調(diào)幅的子程序組成。由于實(shí)驗(yàn)采用的是小數(shù)形式，所以得不到弧度大于1的正弦值。但由于正弦信號(hào)的特殊對(duì)稱形式，完全可以實(shí)

19、現(xiàn)正弦波的完整輸出。π/4的弧度為0.7854<1，即0～π/4之間的任意正弦、余弦值均可以得到，又可利用公式cos2α=2sinαcosα得到0～π/2之間的正弦值，而0～π/2的正弦曲線與π/2～π的正弦曲線關(guān)于x=π/2左右對(duì)稱，于是得到π/2～π的正弦值0～π的正弦曲線的相反數(shù)通過(guò)x=π又與π～2π的曲線左右對(duì)稱。這樣，一個(gè)周期內(nèi)完整正弦波就得到了。</p><p><b>　　圖5主流

20、程圖</b></p><p>　　圖6正弦余弦波程序流程圖</p><p><b>　　四、軟件編程：</b></p><p><b>　　1．設(shè)計(jì)步驟</b></p><p>　?。?) 按照實(shí)驗(yàn)的步驟建立相應(yīng)工程、原文件(ASM文件)、命令文件(CMD文件)</p>&

21、lt;p>　?。?) 在原文件中輸入兩個(gè)程序，注釋部分不用輸入，在命令文件中輸入命令</p><p>　　文件的內(nèi)容，并把兩個(gè)文件加入到工程中</p><p>　?。?) 對(duì)工程進(jìn)行編譯，裝入輸出文件(OUT文件)</p><p>　?。?) 單步執(zhí)行，觀察寄存器和內(nèi)存的變化</p><p><b>　　2. 程序清單：<

22、;/b></p><p>　　程序原文件：     </p><p>　　.title     "cosx.asm"</p><p><b>　　.mmregs</b></p><p>　　.de

23、f     Start，_c_int00</p><p>　　.ref cos_start,d_x,d_cox</p><p>　　STACK   .usect     "STACK",10</p><p>　　.sect

24、 ".vectors"</p><p>　　_c_int00 B start</p><p><b>　　Start:</b></p><p>　　STM     #STACK+10,SP</p><p>　　LD  &#

25、160;   #d_x,DP</p><p>　　ST #6487H,x       </p><p>　　CALL cos_start</p><p>　　end: B     

26、0; end</p><p>　　cos_start:</p><p>　　.def cos_start</p><p>　　d_coeff .usect “coeff”,4</p><p><b>　　.data</b></p><p>　　table: .word 0249h

27、 ;c1=1/(7*8)</p><p>　　.word 0444h ;c2=1/(5*6)</p><p>　　.word 0aabh ;c3=1/(3*4)</p><p>　　.word 4000h ;c4=1/2</p><p>　　d_x .usect “cos_vars”,

28、1</p><p>　　d_squr_x .usect “sin_vars”,1</p><p>　　d_temp .usect “sin_vars”,1</p><p>　　d_cosx .usect “sin_vars”,1</p><p>　　c_1 .usect

29、 “sin_vars”,1</p><p><b>　　.text</b></p><p>　　SSBX    FRCT</p><p>　　STM     #d_coeff,AR5      ;AR5指向系數(shù)表</p&

30、gt;<p>　　RPT #3</p><p>　　MVPD #table,*AR5+</p><p>　　STM    #d_coeff,AR3          </p><p>　　STM  

31、   #d_x,AR2</p><p>　　STM     #c_1,AR4</p><p>　　ST #7FFFh,c_1</p><p>　　SQUR    *AR2+,A       

32、0; ;A=x^2</p><p>　　ST      A,*AR2          ;(AR2)=x^2  </p><p>　　||LD    *AR4,B    &

33、#160;     ;B=7FFFH/10000H=0.999969482421875約等于1</p><p>　　MASR   *AR2+,*AR3+,B,A ;A=1- x^2/56 ;T=x^2</p><p>　　MPYA    A    

34、;           ;A=T*A=x^2(1-x^2/56)</p><p>　　STH     A,*AR2          ;(d_temp)=x^2(1-x^2/56)<

35、;/p><p>　　MASR    *AR2-,*AR3+,B,A ;A=1-x^2/30(1-x^2/56) ;T=x^2(1-x^2/56)</p><p>　　MPYA    *AR2+       ;B=x^2*(1-x^2/30(1-x^2/56)) &

36、lt;/p><p>　　ST B,*AR2 ;(d_temp)=x^2(1-x^2/30(1-x^2/56)) </p><p>　　||LD &

37、#160;  *AR4,B ;B=1</p><p>　　MASR    *AR2-,*AR3,B,A ;A=1-x^2/12*(1-x^2/30(1-x^2/56))</p><p>　　SFTA A,-1,A ;-1/2</p><p><b>　　NEG A</b></p&

38、gt;<p>　　MPYA    *AR2+          ;B=-x^2/2(1-x^2/12(1-x^2/30(1-x^2/56)))</p><p>　　MAR *AR2+</p><p><b>　　RETD</

39、b></p><p>　　ADD *AR4,16,B ;B=(1-x^2/2(1-x^2/12)(1-x^2/30(1-x^2/56)))</p><p>　　STH   B,*AR2 ;cos(theta)          ;</

40、p><p><b>　　RET</b></p><p><b>　　.end</b></p><p><b>　　余弦波程序：</b></p><p><b>　　.mmregs</b></p><p>　　.def cos_ge

41、nerate,end_of_cose</p><p>　　.def d_cos_delay1,d_cos_delay2,d_theta,d_cosx</p><p>　　d_cos_delay1 .usect "cos_vars",1</p><p>　　d_cos_delay2 .usect "cos_v

42、ars",1</p><p>　　d_theta .usect "cos_vars",1</p><p>　　d_cosx .usect "cos_vars",1 </p><p>　　k_cos_delay_1 .set 06602h

43、 </p><p>　　k_cos_delay_2 .set 064d8h </p><p>　　k_cos_theta .set 07f83h </p><p>　　k_2 .set 2h </p>

44、<p>　　k_256 .set 256 </p><p>　　COSDATA .usect "cos_data",256</p><p><b>　　.text</b></p><p>　　SSBX FRCT&l

45、t;/p><p>　　ST COSDATA,AR5</p><p><b>　　NOP</b></p><p>　　STM #600H,SP</p><p>　　LD #d_cos_delay1,DP</p><p><b>　　NOP &l

46、t;/b></p><p>　　STM #d_cos_delay1,AR3</p><p>　　STM #d_theta,AR4</p><p>　　RPTZ A, #3h</p><p>　　STL A,*AR3+ </p><p&

47、gt;　　STM #1,AR0</p><p>　　STM #d_cosx,AR2</p><p>　　STM #k_2,BK </p><p>　　STM #k_256-1,BRC </p><p><b>　　NOP </b></p><p&

48、gt;　　STM #d_cos_delay1,AR3</p><p>　　ST #k_cos_delay_1,*AR3+</p><p>　　ST #k_cos_delay_2,*AR3</p><p>　　STM #d_cos_delay1,AR3 </p><p>　　S

49、T #k_cos_theta,d_cosx </p><p>　　cos_generate:</p><p>　　RPTB end_of_cose-1</p><p>　　MPY *AR2,*AR3+0%,A </p><p>　　SUB *AR3,15,A </p>

50、<p>　　SFTA A,1,A</p><p>　　STH A,*AR3 </p><p>　　MVDD *AR3,*AR5+; MVDD *AR3,XSR0</p><p><b>　　NOP</b></p><p>　　e

51、nd_of_cose: B cos_generate ; 可以在此加入指令用于改變輸出信號(hào)</p><p>　　cosend: .end</p><p>　　程序所使用的配置文件如下。</p><p><b>　　MEMORY</b></p><p><b>　　{</b>&

52、lt;/p><p>　　PAGE0: PARAM: org=0800h len=1780h</p><p>　　PAGE1: DARAM: org=080h len=1780h</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　SECTIONS</b></p

53、><p><b>　　{</b></p><p>　　.text :> PARAM PAGE0</p><p>　　.bss :> DARAM PAGE1</p><p>　　.data :> DARAM PAGE1</p><p>

54、　　.cos_vars :> DARAM PAGE1</p><p>　　.coeff :> DARAM PAGE1</p><p>　　.cos_data :> DARAM PAGE1</p><p><b>　　}</b></p><p>　　五、仿真結(jié)果及討論：<

55、;/p><p>　　1.在程序cosx.asm中，給出x值為pi/3＝8610H弧度，在執(zhí)行結(jié)果中cos（pi/3）＝4FFFH(0.4999694約等于0.5)</p><p>　　2.但由于沒(méi)有硬件設(shè)施的連接，所以無(wú)法看到變成實(shí)現(xiàn)的結(jié)果</p><p>　　3.用DSP設(shè)計(jì)的正弦信號(hào)發(fā)生器電路簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，誤差在萬(wàn)分之一以內(nèi)，產(chǎn)生的波形失真度較小，而且還有進(jìn)一步拓

56、展功能，如產(chǎn)生三角波信號(hào)、方波信號(hào)、直流信號(hào)、調(diào)制信號(hào)等，從而使其能應(yīng)用到更加廣泛的領(lǐng)域中。</p><p>　　4 .本實(shí)例產(chǎn)生一個(gè)余弦信號(hào)，例子中在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生了180個(gè)數(shù)據(jù)，也就是在0度到180度中每一度對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)，如果進(jìn)一步提高信號(hào)的分辨率，可以改變程序，實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生360個(gè)甚至更多的數(shù)據(jù)。匯編程序代碼提高了輸出信號(hào)的頻率。</p><p>　　5.我們看到，在查找表采樣

57、點(diǎn)為16K的情況下，理論上的最大相對(duì)誤差為：2*2*2/16384=4.8828*10^(-4)我們運(yùn)算得到的最大相對(duì)誤差約為 5.2 * 10 ^ (-4)，在精度不是要求十分高的情況下，已經(jīng)可以完全滿足我們的需要。 在經(jīng)過(guò)脈沖壓縮之后對(duì)比，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可以看出。兩者的結(jié)果的誤差已經(jīng)十分小，完全達(dá)到了可以忽略的地步。 </p><p><b>　　圖7絕對(duì)誤差示意圖</b></

58、p><p><b>　　六、結(jié)論：</b></p><p>　　通過(guò)上面的分析，可以得出級(jí)數(shù)法不受存儲(chǔ)空間的限制，但是需要?dú)w一化后才能保證收斂，并且對(duì)不同的點(diǎn)收斂速度不均衡；迭代法最快，但是應(yīng)用范圍相對(duì)較窄；查表法雖然也可以快速實(shí)現(xiàn)，但是受限于存儲(chǔ)設(shè)備的大小和速度?？傊?，各種算法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，理想的方式是結(jié)合各種算法的優(yōu)點(diǎn)寫(xiě)出快速而節(jié)省空間的專用算法。具體采用哪種算法

59、或者哪種組合取決于精度與性能的權(quán)衡。</p><p>　　結(jié)合各種算法的優(yōu)點(diǎn)在DSP實(shí)現(xiàn)的結(jié)果比一般的庫(kù)函數(shù)速度可以提高3-4倍，并且精度也滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。對(duì)于數(shù)據(jù)極有規(guī)律且對(duì)精度要求不高的應(yīng)用速度可以提高10倍以上，且不需要額外的空間。</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　［1］鄭紅，吳冠編著.TMS

60、320C54XDSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2002.</p><p>　?。?］陳杰美，古天祥編著.電子儀表［M］.國(guó)防工業(yè)出版社，1986.</p><p>　?。?］汪安民編著.TMS320C54XXDSP實(shí)用技術(shù)［M］.清華出版社.2002.</p><p>　?。?］TI. TMS320C54x DSP CPU and Peripher