基于DSP的網(wǎng)絡(luò)式數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的研究

劉 靜

（青海水電技師學(xué)院，西寧 810007）

信號(hào)發(fā)生器是一種能提供各種頻率、波形和輸出電平電信號(hào)的設(shè)備。測(cè)試測(cè)量通常要求信號(hào)發(fā)生與信號(hào)采集同時(shí)進(jìn)行，采集數(shù)據(jù)占用較高的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬，若信號(hào)發(fā)生數(shù)據(jù)由上位機(jī)計(jì)算提供，數(shù)據(jù)傳輸上行下行并用，可能因?yàn)閹挷蛔愣鴮?dǎo)致系統(tǒng)性能受限，甚至測(cè)試失敗。若信號(hào)發(fā)生器具有足夠的計(jì)算能力，獨(dú)立實(shí)時(shí)產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)，則上位機(jī)與信號(hào)發(fā)生器之間交換命令及參數(shù)即可，大大節(jié)約傳輸帶寬。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

這種信號(hào)發(fā)生器使用基于DSP及其外圍電路組成的硬件系統(tǒng)，上位機(jī)通過(guò)RJ45網(wǎng)絡(luò)接口與硬件系統(tǒng)通信連接，可以根據(jù)測(cè)試要求實(shí)時(shí)改變信號(hào)類(lèi)型和參數(shù)，DSP依據(jù)上位機(jī)指令，獨(dú)立運(yùn)行程序，計(jì)算產(chǎn)生信號(hào)數(shù)據(jù)，并通過(guò)DA芯片轉(zhuǎn)換后輸出信號(hào)波形。

本文的研究選擇了McASP（Multichannel Audio Serial Port多通道音頻串口）。音頻接口多通道大數(shù)據(jù)處理能力滿(mǎn)足信號(hào)發(fā)生器高速實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的要求。

2 硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用TI公司推出的低功耗高性能定浮點(diǎn)兼容TMS320-C6748 DSP芯片為核心，獨(dú)立運(yùn)行信號(hào)發(fā)生程序并產(chǎn)生信號(hào)數(shù)據(jù)。

以太網(wǎng)PHY（指物理層）部分采用TI公司的DP83640芯片。（DP83640是一款為基于IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)工業(yè)互聯(lián)提供高級(jí)精確時(shí)鐘同步的以太網(wǎng)收發(fā)器芯片）。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC采用TI公司的PCM1795，分辨率32位，采樣頻率高達(dá)192kHz。

3 McASP配置

此系統(tǒng)中使用了I2S協(xié)議。它的優(yōu)點(diǎn)在于獨(dú)立時(shí)鐘與數(shù)據(jù)信號(hào)的導(dǎo)線傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)，并且通過(guò)將時(shí)鐘數(shù)據(jù)和信號(hào)進(jìn)行分離，從而避免因時(shí)差而引起的信號(hào)失真，保證了信號(hào)的完整性。

此系統(tǒng)中我們選用了內(nèi)部時(shí)鐘，DSP的時(shí)鐘為24M，在此基礎(chǔ)上由McASP對(duì)DSP進(jìn)行時(shí)鐘分配。數(shù)據(jù)引腳類(lèi)型是McASP，數(shù)據(jù)傳輸?shù)念?lèi)型為I2S并由EDMA控制的。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由初始化、主控、信號(hào)波形數(shù)據(jù)生成、EDMA傳輸和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊組成，主控模塊負(fù)責(zé)根據(jù)不同的命令及參數(shù)調(diào)用不同的信號(hào)生成函數(shù)。

初始化模塊的功能主要包括系統(tǒng)初始化、存儲(chǔ)器分配、MCASP接口，網(wǎng)絡(luò)傳輸初始化等。

信號(hào)波形數(shù)據(jù)生成模塊主要負(fù)責(zé)生成各種信號(hào)波形。

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊負(fù)責(zé)與上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)互傳數(shù)據(jù)。

EDMA傳輸模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)向MCASP左右通道發(fā)送信號(hào)數(shù)據(jù)。

5 信號(hào)的生成（可編程性，高精度）

本信號(hào)發(fā)生器通過(guò)程序算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)生成，屬于虛擬信號(hào)發(fā)生裝置。根據(jù)常用信號(hào)的如正弦信號(hào)，三角信號(hào)，方波信號(hào)等的函數(shù)特征進(jìn)行函數(shù)代碼的編寫(xiě)，以此作為信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)生成源代碼。DSP運(yùn)行程序生成大量信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)采樣D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出波形。此類(lèi)方式具有很好的可編程性，可以根據(jù)實(shí)際的需要及時(shí)修改程序，不斷提升性能，增加實(shí)用功能。

下面以正弦信號(hào)為例說(shuō)明信號(hào)生成程序基本原理：

正弦信號(hào)的基本表達(dá)式為：

而實(shí)際上用到的是這樣的表達(dá)式

（其中Y為實(shí)際輸出幅值大小，A為給定幅值大小，φ為初始相位，b為偏移量，fout為信號(hào)輸出的頻率）

如果采樣周期為T(mén)s，則采樣頻率為fs，Δt為每次采樣的間隔時(shí)間1/fs。那么，得到離散的實(shí)際信號(hào)幅值為：

同時(shí)，瞬時(shí)時(shí)刻的相位為

根據(jù)以上的公式，我們?cè)诰帉?xiě)代碼時(shí)，將初相位，幅值，偏移，信號(hào)頻率，采樣頻率作為變量，它們都通過(guò)上位機(jī)來(lái)根據(jù)需要來(lái)賦值，然后就由DSP進(jìn)行處理。

6 測(cè)試結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)及其失真度分析，可見(jiàn)其失真度僅為0.0077%。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)及其失真度測(cè)試

其他形式的波形不再贅述。

7 結(jié)束語(yǔ)

DSP具有高速運(yùn)算能力，利用音頻接口McASP和EDMA技術(shù)傳輸信號(hào)數(shù)據(jù)，有效解決了大數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)碾y題?；谝陨嫌布拖嚓P(guān)技術(shù)的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器具備高精度，低失真等優(yōu)點(diǎn)，方便控制操作，實(shí)用性強(qiáng)等各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，DSP數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的采用已成為一種趨勢(shì)。