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DSP信号采集处理与控制系统设计总结实验报告(卷积 FFT FIR 滤波算法源码)

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楼主
ID:275213 发表于 2018-1-12 15:05 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

dsp高速数字处理系统设计总结与实验报告

（2017-2018 学年第 1 学期）

题    　目 ：_高速数字处理系统设计__

专业班级 ：___电子15-2班_______

学生姓名 ：________　王　宇_________

学　　号 ：＿＿    1505020223_______

指导教师 ：____宋华军、周卫东_____

设计成绩 ：_________________________


一设计目的

通过对基于TMS320VC5416的信号采集处理与控制系统的设计掌握PCB设计软件AD(Altium Designer) 的使用方法，以及卷积、FFT、FIR 滤波器等数字信号处理算法并熟悉 TI 的 DSP 集成开发环境 CCS软件的使用，掌握基于 DSP的系统设计流程。


二系统分析2.1 设计要求

①设计一个功能完备，能够独立运行的精简 DSP 硬件系统。绘制出系统的功能框图、使用AD（Altium Designer）绘制出系统的原理图和PCB 版图。

②利用实验箱的模拟信号产生单元产生不同频率的信号，或者产生两个频率的信号的叠加。在 DSP 中采集信号，并且对信号进行频谱分析，滤波等。通过键盘或者串口命令选择算法的功能，将计算的信号频率或者滤波后信号的频率在LCD 上显示。

主要功能如下：

一、  对外部输入的模拟信号采集到DSP 内存，会用CCS 软件显示采集的数据波形。

二、  对采集的数据进行如下算法分析：

（1） 频谱分析：使用fft 算法计算信号的频率。

（2） 对信号进行IIR 滤波或FIR 滤波，并且计算滤波前后信号的频率。

三、  外部键盘或者从计算机来的串口命令选择算法功能，并且将结果在LCD 上显示。

2.2 主要任务

①绘制出DSP系统的功能框图、使用AD（Altium Designer）绘制出系统的原理图和PCB 版图。

②在 DSP 中采集信号，用CCS 软件显示采集的数据波形，以及对采集的数据进行算法分析。

三 硬件设计3.1 硬件总体结构



3.2 DSP 模块设计


3.3 电源模块设计

将5V电源电压转换为3.3V和1.6V电源


3.4 时钟模块设计

此处由外部晶振提供时钟信号

3.5 存储器模块设计

3.6 JTAG模块设计


3.7 TMS320VC5416 最小系统 PCB 版图

板上包括了支持TMS320VC5416独立运行的时钟电路、复位电路、Flash模块、JTAG仿真接口电路以及电源模块等。

四软件设计

4.1 软件总体流程


4.3 程序运行效果

①：采集的数据及其FFT计算结果：


②：51阶滤波器波形：

③：滤波前后信号频谱图：

④：采集数据波形和滤后波形比较：



LCD显示结果：

五课程设计总结

为期两周的课程设计结束了。此次课程设计包含硬件设计以及软件设计两个方面，从PCB板的绘制，到CCS软件的使用，利用软件实现卷积，FFT算法，滤波器等实验。 首先，感谢两位老师：宋老师，周老师的辛勤付出。

在此次课程设计中，在硬件设计部分，首先从硬件整体模块的设计，到PCB板原理图的绘制，再到最后PCB板的绘制，收获颇丰。真正的理解了实际中做一件东西的具体流程，也学会了些许步骤。在拿到一项设计任务时，首先应当了解实际目的，设计要求，从最终的要求出发，一步一步的去完成，同时也要查阅各种资料，找到对应的参照项目，这样会省去很多的时间。而一个典型的硬件设计应当包括复位电路，时钟电路，存储器接口，模数接口，通讯接口。在硬件设计的第一步整体模块的设计中，我们应当确定整体的芯片需求以及外围电路的设计，选择合适的芯片，设计恰当的外围电路已达到设计的最终要求。而在画PCB板原理图时，应当详细的画出各个模块，细节部分不能忽视，包括一个电阻，电容，学会新建元器件库，会画部分器件的封装，打到最后的编译无错误。在最后的绘制PCB板的过程中，首先确定元器件的封装无错误，然后进行元器件的摆放以及链接。而在此过程中，要注意规则的设置，以及层数的设计，到达利用最少的层数去完成所需的硬件。

在软件部分的设计中，从刚开始的熟悉CCS编译环境，到AD采样，再到对采样的数据进行快速傅里叶运算，进行频谱分析，以及后来的对采样的信号进行滤波，设计IIR和FIR滤波器对AD采样的信号进行处理，观察处理后的信号的频谱，掌握利用软件进行卷积运算，FFT运算，FIR滤波器的设计等。在这一部分的设计过程中，发现由于自己的C语言知识不够牢固，对软件部分的实现产生了很大的阻碍，一定的编程能力本来对于电子的学生来说是很重要的，但是在长期的学习中很多人只侧重于理论知识的学习，而忽略的实际的动手能力，我们都是这一群人中的一个，导致了最后的动手能力，编程能力急剧下降。

在这次的课程设计中，由于自己比较喜欢干货，不太喜欢理论知识的学习，所以在动手这一方面，自己是较为感兴趣的，也真正的全身心的投入进去，同时又学到了很多东西，接触之前未曾接触过的知识，不断地提升自己，在实践中成长。同时在此次设计中，发现了自己的许多不足，虽然自己对于动手方面比较感兴趣，但是自己的理论知识的储备不够完善，编程能力较为低下等，这都是对于自身发展的很大的阻碍，希望在今后的学习生活中能够不断地完善自己，充实自己，学习更多的知识，更大程度的增强自己的动手能力。最后，再次感谢两位老师的辛勤付出。

六参考文献

【1】 吴镇扬.数字信号处理[J] 2009,(第1期).

【2】 邹理和.数字信号处理.上册.北京：国防工业出版社，1985.

【3】 张雄伟，曹铁勇.DSP芯片的原理与开发应用.第二版.北京：电子工业出版社 2000.

4.2 核心模块及实现代码

FFT算法程序：

  1. void kfft(double pr[LEN],double pi[LEN],int n,int k,double fr[LEN],double fi[LEN],int l,int il)
  2. {
  3.                 int it,m,is,i,j,nv,l0;
  4.     double p,q,s,vr,vi,poddr,poddi;
  5.     for (it=0; it<=n-1; it++)
  6.       { m=it; is=0;
  7.         for (i=0; i<=k-1; i++)
  8.           { j=m/2; is=2*is+(m-2*j); m=j;}
  9.         fr[it]=pr[is]; fi[it]=pi[is];
  10.       }
  11.     pr[0]=1.0; pi[0]=0.0;
  12.     p=6.283185306/(1.0*n);
  13.     pr[1]=cos(p); pi[1]=-sin(p);
  14.     if (l!=0) pi[1]=-pi[1];
  15.     for (i=2; i<=n-1; i++)
  16.       { p=pr[i-1]*pr[1]; q=pi[i-1]*pi[1];
  17.         s=(pr[i-1]+pi[i-1])*(pr[1]+pi[1]);
  18.         pr[i]=p-q; pi[i]=s-p-q;
  19.       }
  20.     for (it=0; it<=n-2; it=it+2)
  21.       { vr=fr[it]; vi=fi[it];
  22.         fr[it]=vr+fr[it+1]; fi[it]=vi+fi[it+1];
  23.         fr[it+1]=vr-fr[it+1]; fi[it+1]=vi-fi[it+1];
  24.       }
  25.     m=n/2; nv=2;
  26.     for (l0=k-2; l0>=0; l0--)
  27.       { m=m/2; nv=2*nv;
  28.         for (it=0; it<=(m-1)*nv; it=it+nv)
  29.           for (j=0; j<=(nv/2)-1; j++)
  30.             { p=pr[m*j]*fr[it+j+nv/2];
  31.               q=pi[m*j]*fi[it+j+nv/2];
  32.               s=pr[m*j]+pi[m*j];
  33.               s=s*(fr[it+j+nv/2]+fi[it+j+nv/2]);
  34.               poddr=p-q; poddi=s-p-q;
  35.               fr[it+j+nv/2]=fr[it+j]-poddr;
  36.               fi[it+j+nv/2]=fi[it+j]-poddi;
  37.               fr[it+j]=fr[it+j]+poddr;
  38.               fi[it+j]=fi[it+j]+poddi;
  39.             }
  40.       }
  41.     if (l!=0)
  42.       for (i=0; i<=n-1; i++)
  43.         { fr[i]=fr[i]/(1.0*n);
  44.           fi[i]=fi[i]/(1.0*n);
  45.         }
  46.     if (il!=0)
  47.       for (i=0; i<=n-1; i++)
  48.         { pr[i]=sqrt(fr[i]*fr[i]+fi[i]*fi[i]);
  49.           if (fabs(fr[i])<0.000001*fabs(fi[i]))
  50.             { if ((fi[i]*fr[i])>0) pi[i]=90.0;
  51.               else pi[i]=-90.0;
  52.             }
  53.           else
  54.             pi[i]=atan(fi[i]/fr[i])*360.0/6.283185306;
  55.         }
  56.    }
复制代码

卷积程序：


  2. void Convolveok(           //卷积函数
  3.      double *x,                                          //              原始输入数据
  4.      double *h,                                          //              冲击响应
  5.      double *y,                                          //              卷积输出结果
  6.      UINT16 Leng,                                           //  序列长度
  7.      UINT16 h_Len)                          
  8. {
  9.                             UINT16 m,p,j;
  10.                             double r,rm;
  11.                             double xmean = 0.0;
  12.                             double xmid[100];
  13.                             for(m=0;m<h_Len;m++)
  14.                             {
  15.                                           xmid[m] = 0.0;
  16.                             }
  17.                   for (m=0; m<Leng; m++)
  18.                             {
  19.                                           xmean = x[m] + xmean;
  20.                             }                           
  21.                             xmean = 1.0*xmean/Length;
  22.                            
  23.                             for (m=0; m<Leng; m++)
  24.                             {
  25.                                           x[m] = x[m] - xmean;
  26.                             }
  27.                             for (m=0; m<Leng; m++)
  28.                             {
  29.                                           for (p=0; p<h_Len; p++)
  30.                                              {
  31.                                                            xmid[h_Len-p-1] = xmid[h_Len-p-2];
  32.                                              }
  33.                                              xmid[0] = x[m];
  34.                                           r = 0.0;
  35.                                           rm= 0.0;
  36.                                           for (j=0; j<h_Len; j++)
  37.                                           {            
  38.                                                         r  = xmid[j] * h[j];
  39.                                                         rm = rm + r;
  40.                                              }
  41.                                           y[m] = rm;
  42.                                }
  43. }
复制代码


频谱函数，求最大值和次大值函数：

  2. void pinpu(double pr[Length])
  3. {
  4.               num1=0;
  5.               num2=0;
  6.               v=0;
  7.               for(k=0;k<128;k++)
  8.               {
  9.                             value[k]=0;
  10.                             number[k]=0;
  11.               }
  12.               for(k=1;k<127;k++)
  13.               {
  14.                             if(pr[k]>=pr[k-1]&&pr[k]>=pr[k+1])
  15.                             {
  16.                                           value[v]=pr[k];
  17.                                           number[v]=k;
  18.                                           v++;
  19.                             }
  20.               }
  21.               max1=value[0];
  22.               max2=value[0];
  23.               for(k=1;k<=127;k++)
  24.               {
  25.                             if(value[k]>=max1)
  26.                             {
  27.                                           max2=max1;
  28.                                           max1=value[k];
  29.                                           num2=num1;
  30.                                           num1=number[k];
  31.                             }
  32.                             else if(value[k]>=max2)
  33.                             {
  34.                                           max2=value[k];
  35.                                           num2=number[k];
  36.                             }
  37.                             fk1=250000/256*num1;
  38.                             fk2=250000/256*num2;
  39.                             if(fk1>fk2)
  40.                             {
  41.                                           fk3=fk1;
  42.                                           fk1=fk2;
  43.                                           fk2=fk3;
  44.                             }
  45.               }
  46. }
复制代码


FIR滤波器设计函数

void firdes(double npass)  //FIR滤波器子程序
  {
                int t;
                 for (t=0; t<51; t++)
                {
if (t == ((51-1)/2))
              h[t]=2*npass;
else
              h[t] = sin((t-(51-1)/2.0)*npass*2*pii)/(pii*(t-(51-1)/2.0));
                }

  }

LCD显示函数：
  1. void transform()//databuff转换函数
  2. {
  3.               data_buff3[0]=0xb8;
  4.     data_buff3[1]=0xdf;
  5.     data_buff3[2]=0xc6;
  6.     data_buff3[3]=0xb5;
  7.     number1[0]=fk1/10000;
  8.     number1[1]=fk1/1000-number1[0]*10;
  9.     number1[2]=fk1/100-number1[0]*100-number1[1]*10;
  10.     number1[3]=fk1/10-number1[0]*1000-number1[1]*100-number1[2]*10;
  11.     ffk1=fk1-number1[0]*10000-number1[1]*1000-number1[2]*100;
  12.     ffk1=ffk1*10;
  13.     asm(" nop ");
  14.     number1[4]=ffk1/10;
  15.     data_buff3[4]=number1[0]+0x30;
  16.     data_buff3[5]=number1[1]+0x30;
  17.     data_buff3[6]=number1[2]+0x30;
  18.     data_buff3[7]=number1[3]+0x30;
  19.     data_buff3[8]=number1[4]+0x30;
  20.     //******************************//

  22.     data_buff4[0]=0xb5;
  23.     data_buff4[1]=0xcd;
  24.     data_buff4[2]=0xc6;
  25.     data_buff4[3]=0xb5;
  26.     number2[0]=fk2/10000;
  27.         number2[1]=fk2/1000-number2[0]*10;
  28.         number2[2]=fk2/100-number2[0]*100-number2[1]*10;
  29.         number2[3]=fk2/10-number2[0]*1000-number2[1]*100-number2[2]*10;
  30.         ffk2=fk2-number2[0]*10000-number2[1]*1000-number2[2]*100;
  31.         ffk2=ffk2*10;
  32.         asm(" nop ");
  33.         number1[4]=ffk2/10;
  34.         data_buff4[4]=number2[0]+0x30;
  35.         data_buff4[5]=number2[1]+0x30;
  36.         data_buff4[6]=number2[2]+0x30;
  37.         data_buff4[7]=number2[3]+0x30;
  38.         data_buff4[8]=number2[4]+0x30;
  39. }
  40. void display()  //显示函数
  41. {
  42.                 UINT16  temp,i;

  44.               //----------系统初始化-------------------------------
  45.                  asm(" nop ");
  46.                  cpu_initt();          //初始化CPU
  47.                  asm(" nop ");

  49.               //-----------LCD初始化--------------------------------
  50.                  asm(" nop ");
  51.                  Initlcm();
  52.               //------------LCD显示---------------------------------
  53.               for(;;)
  54.               {

  56.                  Delay(500);
  57.               //-----------------------------------------------------------
  58.                  SendCMD(0x0080);      //设定DDRAM的地址在第一行 82H
  59.                  delay_100us();
  60.                  for(i =0;i<16;i++)
  61.                  {

  63.                     SendDat(data_buff1[i]);
  64.                     delay_100us();
  65.                     asm(" nop ");
  66.                  }
  67.                  asm(" nop ");

  69.                  //------------------------------
  70.                  SendCMD(0x0092);      //设定DDRAM的地址在第二行 92H
  71.                  delay_100us();
  72.                  for(i =0;i<10;i++)
  73.                  {

  75.                     SendDat(data_buff2[i]);
  76.                     delay_100us();
  77.                  }
  78.                  asm(" nop ");
  79.                 //--------------------------------
  80.                  SendCMD(0x008a);      //设定DDRAM的地址在第三行 8AH
  81.                  delay_100us();
  82.                  transform();
  83.                  for(i =0;i<10;i++)
  84.                  {

  86.                     SendDat(data_buff3[i]);
  87.                     delay_100us();
  88.                  }
  89.                  asm(" nop ");
  90.                  //--------------------------------
  91.                  SendCMD(0x009a);      //设定DDRAM的地址在第四行 9AH
  92.                  delay_100us();
  93.                  for(i =0;i<10;i++)
  94.                  {

  96.                     SendDat(data_buff4[i]);
  97.                     delay_100us();
  98.                  }
  99.                  asm(" nop ");
  100.               //-------------------------------------------------------------
  101.                  delay_100us();
  102.                  Delay(500);
  103.                  delay_100us();
  104.                  SendCMD(CLEAR);       //清除显示

  106.                  }
复制代码


外部中断2服务函数（包含归一化函数）：

  1. interrupt void ExtInt2()           //中断2中断子程序
  2. {

  4.      *(unsigned int*)IFR=0xFFFF;   //清除所有中断标志,"写1清0" ,这个语句可以省略，响应中断自动清除中断标志

  6.      //----读AD7822的转换结果----------------

  8.    data_buff[i] = port8002 & 0x00ff;

  10.    i++;

  12.    if(i == 256)
  13.    {sum=0;
  14.    for(i2=0;i2<256;i2++) //归一化函数
  15.                  {sum=sum+data_buff[i2];}
  16.    ave=sum/256;
  17.    for(i3=0;i3<256;i3++)
  18.    {pr[i3]=data_buff[i3]-ave;
  19.    data_buff[i3]=pr[i3];
  20.     pi[i3]=0.0;
  21.    fr[i3]=0.0;
  22.    fi[i3]=0.0;}
  23. kfft(pr,pi,256,8, fr, fi,0,1);
  24. pinpu(pr);
  25. npass=(fk1+fk2)/500000;
  26. firdes(npass);
  27. Convolvevok(data_buff,h,y,256,51);
  28.               for(j=0;j<256;j++)
  29. {
  30.               pi[j]=0;
  31. }
  32. kfft(y,pi,256,8,fr,fi,0,1);
  33. display();
  34.       i = 0; //在此设断点
  35.       }
  36.      return;
  37. }
复制代码

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沙发
ID:940788 发表于 2021-6-20 10:28 | 只看该作者
大神厉害，666
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板凳
ID:521065 发表于 2021-11-5 14:50 | 只看该作者
学习到了好东西，感谢分享
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