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基于 DSP 的虚拟仪器的设计

基于 DSP 的虚拟仪器的设计. DSP 简介 基于 DSP 的虚拟仪器的设计 基于 DSP 的虚拟仪器的发展前景 总结. DSP 的概念. 数字信号处理 (DSP): Digital Signal Processing 研究领域：算法实现 典型实例： FFT,1965 年 Cooley 和 Tukey. DSP 的概念. 数字信号处理器 (DSP): Digital Signal Processor 研究领域：硬件实现，产品设计 典型实例：调制解调器，移动电话. Harverd 结构 多总线结构 多处理单元 流水线结构 硬件乘法器

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Presentation Transcript

  1. 基于DSP的虚拟仪器的设计

  2. DSP简介 • 基于DSP的虚拟仪器的设计 • 基于DSP的虚拟仪器的发展前景 • 总结

  3. DSP的概念 • 数字信号处理(DSP): Digital Signal Processing 研究领域：算法实现 典型实例：FFT,1965 年 Cooley和Tukey

  4. DSP的概念 • 数字信号处理器(DSP): Digital Signal Processor 研究领域：硬件实现，产品设计 典型实例：调制解调器，移动电话

  5. Harverd结构 多总线结构 多处理单元 流水线结构 硬件乘法器 指令周期短 运算精度高 特殊的DSP指令 定点DSP 如:TMS320C54X系列 浮点DSP 如:TMS320C3X系列 混合DSP 如:TMS320C80 DSP核嵌入到其他芯片中 DSP器件的特点和分类 DSP芯片又称数字信号处理器，是一种特别适用于进行实时数字信号处理的微处理器

  6. 主要供应商和主要型号 • TI 定点：TMS320C2000系列、TMS320C5000系列 TMS320C6701 浮点：TMS320C3x/4X系列、TMS320C6201/6205 混合：TMS320C80 • Analog Devices： AD218X，AD2106X • Lucent：16210 • Motorola： 5600系列、9600系列

  7. TI DSP器件分类 • 1982年发表第一颗DSP器件---TMS320C10 5MIPS • 1984年发表第二代DSP器件--- TMS320C2x • 1985年发表DSP器件 ---- TMS320C25 10MIPS • 1988年发表第三代DSP器件--- TMS320C30 33MFLOPS • 1991年发表第四代DSP器件--- TMS320C40 40MFLOPS • 1994年发表多媒体DSP器件--- TMS320C80 2BOPS • 1997年发表第六代DSP器件--- TMS320C6201 • C2000系列：C203，F206，F240 控制领域 • C5000系列：C5402，C5409，C5410 低功耗器件 • C6000系列：C6201，C6205，C6701 高性能器件

  8. 虚拟仪器专家 — NI谈DSP DSP is the computation of signal or system transfer characteristics using numeric algorithms. Examples of areas where DSP techniques may be applied include: digital filters, echo detection or echo cancellation, speech synthesis, FFT for spectrum analysis, correlation computations, imagine recognition, and servo-feedback control. DSP techniques can be performed on dedicated, or general-purpose computers, whose floating-point units especially hardware help accelerate computations requiring high-dynamic range. In most cases, DSP is used together with A/D or D/A converters to permit interfacing with the analog world. DSP is a core technology in virtual instrumentation, which is based on the principle of performing as many instrument functions as possible in software. LabVIEW and LabWindows/CVI have extensive DSP libraries to make a wide range of functions possible.

  9. 虚拟仪器系统 • Measurement Studio • LabVIEW Application Software Hardware & Driver Software GPIB Serial DAQ VXI Image Acquisition Motion Control PXI

  10. 在虚拟仪器中数字信号处理（DSP）十分重要，它可使出测量在虚拟仪器中数字信号处理（DSP）十分重要，它可使出测量 的重复性和稳定性提高，它的计算能力可使虚拟仪器以算法为基础 实现多种功能，并使其测量精度和速度仅受信号调理的影响。同时， DSP构成时域测量与频域测量的桥梁，可方便地实现时-频 特性的变换。

  11. 基于DSP的虚拟仪器的设计 • DSP型号的选择 • 软件开发工具 • 基于DSP的虚拟频谱分析仪的设计 • 其他实例

  12. DSP型号的选择 FFT算法性能的比较:

  13. CCS（Code Composer Studio ） CCS是TI公司推出的一个集成性DSPs软件开发工具。在一个开放式的插件（plug -in）结构下，CCS内部集成了代码产生工具、软件模拟器、实时基础软件 DSP/BIOS™, host与目标机之间的实时数据交换软件 RTDX™以及实时分析（real-time analysis）和数据可视化（data visualization capabilities）软件。 在CCS下，开发者可以对软件进行编程、编译、调试、代码性能测试（profile）和项目管理等所有工作。 LabVIEW LabVIEW由于能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。 软件开发工具

  14. 基于DSP虚拟频谱分析仪整体功能框图 host端软件 P C PCI总线 信号 DSP端软件 EVM板 TMS320C6701 DSP 硬件部分 软件部分

  15. EVM板硬件功能框图 模拟信号 时钟频率为133MHz 双通道A/D采集 FPGA 双口RAM（CE1） SDRAM（CE2） 浮点DSP TMS320C6701 外部JTAG接口 电 源 SBSRAM（CE0） Boot模式选择 EPLD CE1 PCI控制器

  16. 基于DSP虚拟频谱分析仪软件功能框图 DSP端软件的加载模块 HOST端软件 HOST和DSP通信模块 界面数据显示模块 通信 A/D数据采集模块 DSP端软件 信号处理模块

  17. 基于DSP虚拟频谱分析仪的界面 频谱分析仪界面 采样数据时域、频域波形图

  18. 附例1：混场源电磁法接收机 总体设计： 模拟 调理 模块 数据 采集 模块 用户 应用 模块 数据处理模块 采集 控制 模块 数据 通讯 模块 GPS同步模块 混场源电磁法接收机模块图

  19. 大地电磁数据处理算法的实现 1．加噪声方波的实现（信噪比接近16，周期数256） 2. 信噪比接近12的4096点周期为256的方波自相关后的信号波形：

  20. 附例2： SP实验系统 • SP实验系统（DSP Experiment System，简称DES）是一套基于TMS320C542的DSP开发、教学实验系统。它包括内部信号源、输入/输出接口、TMS320C542－40、双口RAM、虚拟示波器和频谱仪以及相关配套软件组成，可以用于DSP教学、语音处理算法研究、各种调制/解调算法的模拟与仿真等场合。 • ---- DES系统自带两个信号源：标准信号源和任原形发生器。基中标准信号源能产生正弦、方波和三角波，频率从100HZ到10KHZ；而任意波形发生器可以根据用户的要求产生不同的信号，如正弦波、方波、三角波以及FSK、BPSK、QPSK等调制波形，频率从30HZ到5KHZ。用户可以通过控制面板随时改变波形，也可以自己编程控制信号源。 • ---- DES系统自带两个信号源：标准信号源和任意波形发生器。其中标准信号源能产生正弦波、方波和三角波，频率从100HZ到10KHZ；而任意波形发生器可以根据用户的要求产生不同的信号，如正弦波、方波、三角波以及FSK、BPSK、QPSK等调制波形，频率从30HZ到5KHZ。用户可以通过控制面板随时改变波形，也可以自己编程控制信号源。

  21. ---- DES采用TLC320AC01（AIC）作为模拟接口。外部信号或内部信号源通过AC01的A/D变换后，经C542的TDM串口进DSP；DSP处理后的数据通过TDM串口送到AC01，由该芯片的D/A转换为模拟信号输出，也可以将数据送到PC机由虚拟示波器或频谱仪来显示。另外，C542的另一个串口（BSP）直接连到DES板的DB9接头上。通过该串口，可以方便与其它外设通讯。 • ---- DES利用双口RAM建立数据显示缓冲，当数据存满时，C542通过中断通知PC机，PC机收到 中断信号后，在屏幕上画出这些数据的波形或频谱，并且以每秒十屏的速度刷新，这样用户便可以观察到DSP的处理结果。目前，示波器/频谱仪可以同时普示两个波形，一个是输入数据波形，另一个是结果数据波形。 • ---- DES配套软件运行环境为Windows95/98。在该环境下用户可以装入自己编写的DSP程序，运行并通过虚拟示波器/频谱仪查看运行结果。通过设置断点，用户可以查看并修改DSP的寄存器、RAM区数据，还可以通过反汇编窗口查看DSP代码程序。同时，用户还可以使用如信号源控制面板、保存/恢复DSP的RAM中数据，保存AD的采样数据，显示RAM数据波形其它功能。

  22. DSP声卡

  23. 基于DSP的虚拟仪器的发展前景 NI&TI的紧密合作 —公司简介 NI: National Instruments （美国国家仪器有限公司，简称NI）创立于1976年，总部设于Texas州首府Austin，是一家测量行业的上市公司 (纳斯达克挂牌代号 NATI) 。早在八十年代，随着金牌产品NI LabVIEW的诞生，NI提出“软件就是仪器”的口号，开辟了“虚拟仪器”的崭新测量概念。25年以来，NI不断致力于开发基于计算机的测试测量与自动化平台。长远的发展目标保证NI的产品具有长期的兼容性，并享有完善的技术支持。 TI: 自1982年以来，TI成为数字信号处理（DSP）解决方案全球的领导厂商及先驱，为全球超过30,000个客户提供创新的DSP和混合信号/模拟技术，应用领域涵盖无线通讯、宽带、网络家电、数字马达控制与消费类市场。为协助客户更快进入市场抢得先机，TI提供简单易用的开发工具及广泛的软硬件支持，并与DSP解决方案供应商组成庞大的第三方网络，帮助他们利用TI技术发展出超过1,000种产品，使服务支持更加完善。

  24. NI&TI的紧密合作 —产品介绍 至今，NI公司已推出了多种基于TI的DSP硬件设备。左上图是NI公司的NI5911/5912，是一种典型的采用了柔性精度技术的数字化仪。它由一个专门的数字滤波器、高速ADC、DAC和用于抽取与线性化的DSP组成。 对于4～100MHz带宽的信号，系统工作在传统模式下，采样精度为8-bit。当输入信号带宽在4MHz以下时，系统将进入柔性精度状态，采用信号中的宽带量化噪音，对噪音进行电路滤除，然后数据被送到DSP进行线性化处理，并由DSP中的抗混叠滤波器进一步滤除高频噪音，最后用抽取技术按较低速率重构波形，使有效垂直精度达到8～21bit。

  25. NI&TI的紧密合作 — NI LabVIEW DSP测试工具包 2002年12月4日，National Instruments（美国国家仪器公司，简称NI）宣布LabVIEW DSP测试工具包（DSP Test Integration Toolkit）正式上市。有了这个软件，工程师们可以将NI LabVIEW图形化开发环境与德州仪器（TI）代码编译器套件（Code Composer Studio）开发工具结合使用，从而大大地缩短TI的数字信号处理（DSP）系统的测试和开发时间。LabVIEW DSP测试工具包可以与TMS320C6000、TMS320C5000、TMS320C2800及OMAP平台连用。 集成了TI代码编译器套件的NI LabVIEW缩短了DSP设计周期 。

  26. 总 结 DSP芯片，尤其是浮点DSP的计算能力可使虚拟仪器以算法为基础实现多种功能，并使其测量精度和速度仅受信号调理的影响。同时，DSP构成时域测量与频域测量的桥梁，可方便地实现时-频特性的变换。 但是，随着信号分析带宽的增长、精度要求的提高，DSP处理瓶颈问题成为虚拟仪器实现的关键问题。一种有效的办法是采用多DSP并行处理。在虚拟仪器系统中如何实现多DSP并行处理，以及多DSP并行处理算法是研究的热点之一。

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