摘要：提出了一種基于TMS320C5402實現正弦信號發生器" title="正弦信號發生器">正弦信號發生器的設計原理與方法，介紹了所設計的正弦信號發生器硬件電路結構和軟件程序流程圖。結合DSP" title="DSP">DSP硬件特性，通過使用泰勒級數展開法得到設定參數的正弦波形輸出，達到設計目的。該信號發生器彌補了通常信號發生器模式固定，波形不可編程的缺點，其具有實時性強，波形精度高，可方便調節頻率和幅度、穩定性好等優點。
關鍵詞：數字信號處理器；信號發生器；多通道緩沖串行口；獨立鍵盤
隨著計算機技術的飛速發展，對信號發生器波形的要求越來越高。目前，常用信號發生器大部分是由模擬電路構成，當這種模擬信號發生器用于低頻輸出時，由于需要較大的RC值，導致參數準確度難以保證，且造成體積和功耗偏大，而數字式波形發生器，因其輸出幅值穩定、輸出頻率連續可調的優點，已逐漸取代了模擬電路信號發生器。由于其運算速度高，系統集成度強的優勢，可以設計基于DSP的正弦信號發生器，該發生器實時性強、可擴展性好、波形精度高、可調節頻率和幅度、穩定性好、用途廣泛，各方面均優于模擬信號發生器和數字信號發生器。因此，本文提出了一種基于TMS320C5402的正弦信號發生器的設計方法。
1 系統硬件設計
1．1 系統硬件框圖
該正弦信號發生器的硬件結構框圖如圖1所示，主要由TMS320C5402芯片，D／A轉換器，獨立鍵盤等幾部分組成。
1．2 TMS320C5402簡介
TMS320C5402芯片采用先進的修正哈佛結構，片內有8條總線、在片存儲器和在片外圍電路等硬件，同時還有高度專業化的指令系統，具有功耗小、高度并行等優點。此外，其支持C語言和匯編語言混合編程，高效的流水線操作和靈活的尋址方式使其適合高速實時信號處理。
1．3 數模轉換部分設計
McBSP(Multi-channel Buffered Serial)即多通道緩沖串口，包括一個數據通道和一個控制通道。數據通道通過DX引腳發送數據、DR引腳接收數據。控制通道完成的任務包括內部時鐘的產生、幀同步信號的產生、對這些信號的控制以及多通路的選擇等。此外還負責產生中斷信號送往CPU，產生同步事件信號通知DMA控制器。控制信息則是通過控制通道以時鐘和幀同步信號的形式傳送。
數模轉換芯片采用TLC320AD50C，其是TI公司出品的一塊將A／D和D／A轉換功能集成在一起的接口芯片，采用∑-△技術在低系統成本下實現高精度的A／D和D／A轉換。該芯片由一對16 bit同步串行轉換通道組成，在A／D之后有一個抽取濾波器，在D／A之前有一個插值濾波器。
TLC320AD50C可以與TMS320C5402 DSP的McBSP無縫串行連接進行數據采集、存儲和處理。SCLK輸出時鐘，M／S主從模式選擇(H為高電平，為主機模式)，DIN串行輸入，DOUT串行輸出，FS幀同步信號輸出，對應DSP的各相應引腳。McBSP和D／A芯片的硬件電路連接如圖2所示。
1．4 獨立鍵盤的設計
本信號發生器采用獨立鍵盤作為人機接口部分，即各個按鍵相互獨立，按下相應的按鍵，就能輸出對應幅度和頻率的正弦波。
圖3所示為中斷方式工作的獨立式鍵盤的連接圖，每個按鍵各接一根I／O接口線，每根I／O接口線上的按鍵都不影響其它的I／O接口線。因此，可以通過檢測I／O的電平狀態判斷出哪個鍵按下。這4個獨立按鍵分別接HD0～HD3口，并且使用4個220 Ω的上拉電阻接Vcc。
當沒有按下鍵時，對應的I／O接口線輸入為高電平，當按下鍵時，對應的I／O接口線輸入為低電平，則請求中斷INT1。而在讀鍵時，每一個鍵的狀態通過讀入鍵值的高低電平來反應。在中斷服務程序中通過執行判鍵程序，判斷是哪個鍵按下，從而設置對應的幅度和頻率，執行產生正弦波形的程序。
獨立式鍵盤的電路配置靈活、軟件簡單。但每個按鍵要占用1根I／O接口線，在按鍵較多時，I／O接口線浪費較大。故在按鍵數量不多時采用這種方法，本系統采用4個獨立按鍵，而DSP芯片有足夠的I／O接口可供使用，設計時可以充分利用這一特點來連接硬件，至于對按鍵時抖動的消除可在軟件中完成。使用中斷，可提高CPU的效率，實現資源共享和并行處理，同時也可以在芯片運行過程中對突發故障做出及時發現和處理。
2 系統軟件設計
2．1 正弦波形產生原理
常見產生正弦波的方法有6種：(1)采樣回放法；(2)實時計算法；(3)查表法；(4)查表結合插值法；(5)數值迭代法；(6)泰勒級數展開法。
采樣回放法容易實現，但系統的擴展性差，且并沒有充分利用DSP的數據計算處理能力。實時計算法需要花費較多時間，只能產生較低頻率的正弦波，而且存在計算精度與計算時間的矛盾。查表法的精度受表的大小影響較大，表越大精度越高，但是存儲量也越大。查表結合插值法亦稱混合法，用它產生的正弦波達不到理想的精度。數值迭代法較難編寫出清晰的程序來。泰勒級數展開法是一種有效的方法，與查表法和查表結合插值法相比，該方法需要的存儲單元很少，而且精度更高。一個角度為的正弦和余弦函數，展開成5項泰勒級數如下
式中，x為θ的弦度值，正弦波的波形可以看成是由無數個點組成，這些點與x軸的每個角度值相對應，利用DSP可大量重復計算的優勢來計算出x軸每一點對應的y值，然后通過D／A轉換即可輸出連續的正弦模擬信號。
2．2 變頻調幅的方法
(1)16位定時模塊。
C5402 DSP芯片片內定時器是一個軟件可編程的計數器，它包括以下3個16位存儲器映射寄存器：定時寄存器TIM，定時器周期寄存器PRD和定時控制寄存器TCR。片內定時器中，4位的預定標計數器PSC和16位定時計數器TIM組成一個20位的計數器，定時器每個CPU時鐘周期減1，每次計數器減到0將產生定時器中斷(TINT)，同時PSC和TIM重新載入預設的值。定時器中斷TINT的速率可由式(3)計算。
(2)變頻調幅實現方法。
調幅的實現相對簡單，只需在所有采樣值前乘以一個調幅因子A1就可得到相應的正弦波幅值A。而調頻的實現必須依賴于C5402芯片內的16位定時器。DSP芯片不斷向D／A芯片送出采樣值，然后經模數轉換后可在示波器上觀察到連續的正弦波形。先預設要產生的正弦信號頻率為f，根據正弦波生成原理可知，向D／A送出采樣值的間隔，即向D／A送值的周期T1=T／N(N為采樣點數)，那么向D／A送值的頻率為f1=N×f，即向D／A送值的頻率是期待產生的正弦波信號頻率的N倍。
因此，為了能夠調節產生正弦信號的頻率，實際上改變向D／A芯片送值的頻率即可。而改變向D／A芯片送值的頻率就得用到C5402芯片內的16位定時器。根據式(3)將需要的頻率值換算成PRD內的初值和TDDR的初值，并將該初值分別置入PRD和TDDR。
2．3 軟件設計
軟件系統采用模塊化結構設計，主要包括DSP主程序，中斷程序和鍵盤驅動程序。DSP系統的主程序流程圖如圖4所示。先對系統進行檢測、配置MeBSP端口等，開啟中斷調用鍵盤驅動程序讀取鍵值并處理，進入中斷后根據相應的鍵值設置相應的信號參數，并通過D／A轉換，產生不同幅度、頻率的正弦波。
中斷程序流程圖如圖5所示。首先根據鍵盤的按鍵值選擇已設置好的正弦波的幅度與頻率，然后按以下步驟執行：(1)計算0°～45°的正弦和余弦值；(2)利用正弦函數倍角公式sin2x=2sinx cosx，計算0°～90°的正弦值；(3)通過復制，獲得0～359°的正弦值；(4)將0°～359°的正弦值重復輸出，便可以得到正弦波。
在CCS開發環境下編程，通過仿真器將程序下載到DSP芯片中，選擇不同的按鍵產生相應的中斷，即可在示波器中觀察到相應的正弦波形。所產生的波形具有精度高，幅值穩定的特點，同時具有較強的實時性和靈活性。
3 結束語
DSP芯片具有的特殊軟硬件結構和指令系統，使其能高速處理各種數字信號處理算法。基于此設計的正弦信號發生器具有速度高、精度高的特點。同時該系統依靠簡潔的外部硬件電路設計和合理的軟件程序設計，能夠產生幅度和頻率可調的高穩定度正弦波。而且該系統的可擴展性良好，只需要在中斷服務程序中改變送往D／A芯片中的采樣值，而不改動任何硬件電路，就可以實現三角波、方波乃至更復雜波形的輸出。鑒于DSP不斷提高的性價比，故在傳統產品中采用DSP作為主控制器已成為一種趨勢。