基于基于 DSPDSP 的虚拟仪器的设的虚拟仪器的设计计

DSPDSP 简介简介

基于基于 DSPDSP 的虚拟仪器的设计的虚拟仪器的设计

基于基于 DSPDSP 的虚拟仪器的发展前景的虚拟仪器的发展前景

总结总结

DSPDSP 的概念的概念 数字信号处理数字信号处理 (DSP): Di(DSP): Di

gital Signal Processingital Signal Processingg

研究领域：算法实现研究领域：算法实现 典型实例：典型实例： FFT,1965 FFT,1965

年 年 CooleyCooley 和和 TukeyTukey

DSPDSP 的概念的概念 数字信号处理器数字信号处理器 (DSP): D(DSP): D

igital Signal Processorigital Signal Processor 研究领域：硬件实现，产研究领域：硬件实现，产

品设计品设计 典型实例：调制解调器，典型实例：调制解调器，

移动电话移动电话

DSPDSP 器件的特点和分类器件的特点和分类

HarverdHarverd 结构结构 多总线结构多总线结构 多处理单元多处理单元 流水线结构流水线结构 硬件乘法器硬件乘法器 指令周期短指令周期短 运算精度高运算精度高 特殊的特殊的 DSPDSP 指令 指令

定点定点 DSP DSP 如如 :TMS320C5:TMS320C54X4X 系列系列

浮点浮点 DSP DSP 如如 :TMS320C3:TMS320C3XX 系列系列

混合混合 DSP DSP 如如 :TMS320C8:TMS320C800

DSPDSP 核嵌入到其他芯片中核嵌入到其他芯片中

DSPDSP 芯片又称数字信号处理器，是一种特别适用于进行实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时数字信号处理的微处理器

主要供应商和主要型号主要供应商和主要型号 TI TI

定点：定点： TMS320C2000TMS320C2000 系列、系列、 TMS320C5000TMS320C5000 系列 系列 TMS320C6701 TMS320C6701

浮点：浮点： TMS320C3x/4XTMS320C3x/4X 系列、系列、 TMS320C6201/6205 TMS320C6201/6205

混合：混合： TMS320C80 TMS320C80 Analog DevicesAnalog Devices ： ： AD218XAD218X ，， AD2106XAD2106X LucentLucent ：： 1621016210 MotorolaMotorola ： ： 56005600 系列、系列、 96009600 系列系列

TI DSPTI DSP 器件分类器件分类 19821982 年发表第一颗年发表第一颗 DSPDSP 器件器件 ---TMS320C10 5MIPS---TMS320C10 5MIPS 19841984 年发表第二代年发表第二代 DSPDSP 器件器件 --- TMS320C2x --- TMS320C2x 19851985 年发表年发表 DSPDSP 器件 器件 ---- TMS320C25 10MIPS---- TMS320C25 10MIPS 19881988 年发表第三代年发表第三代 DSPDSP 器件器件 --- TMS320C30 33MFLOPS--- TMS320C30 33MFLOPS 19911991 年发表第四代年发表第四代 DSPDSP 器件器件 --- TMS320C40 40MFLOPS--- TMS320C40 40MFLOPS 19941994 年发表多媒体年发表多媒体 DSPDSP 器件器件 --- TMS320C80 2BOPS--- TMS320C80 2BOPS 19971997 年发表第六代年发表第六代 DSPDSP 器件器件 --- TMS320C6201--- TMS320C6201 C2000C2000 系列：系列： C203C203 ，， F206F206 ，， F240 F240 控制领域控制领域 C5000C5000 系列：系列： C5402C5402 ，， C5409C5409 ，， C5410 C5410 低功耗器件低功耗器件 C6000C6000 系列：系列： C6201C6201 ，， C6205C6205 ，， C6701 C6701 高性能器件高性能器件

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.

虚拟仪器专家 — 虚拟仪器专家 — NINI 谈谈 DSPDSP

虚拟仪器系统虚拟仪器系统

GPIBSerial

DAQ

VXI

Image Acquisition

MotionControl

PXI

ApplicationSoftwareHardware & Driver Software

• Measurement Studio

• LabVIEW

在虚拟仪器中数字信号处理（在虚拟仪器中数字信号处理（ DSPDSP ）十分重要，它可使出测量）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，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，DSPDSP 构成时域测量与频域测量的桥梁，可方便地实现时构成时域测量与频域测量的桥梁，可方便地实现时 -- 频频特性的变换。特性的变换。

基于基于 DSPDSP 的虚拟仪器的设计的虚拟仪器的设计11 DSPDSP 型号的选择型号的选择

22 软件开发工具软件开发工具

33 基于基于 DSPDSP 的虚拟频谱分析仪的设计的虚拟频谱分析仪的设计

44 其他实例其他实例

DSPDSP 型号的选择型号的选择

DSPDSP 型号 型号 算法 算法 采样点数 采样点数 执行时间（单执行时间（单位：位： mmss ） ）

TMS320C67TMS320C6701 01

DITDIT 基基 2 FFT 2 FFT 20482048 0.213 0.213

TMS320C67TMS320C6701 01

DIFDIF 基基 4 FFT 4 FFT 20482048 0.186 0.186

TMS320C67TMS320C6701 01

分裂基 分裂基 20482048 0.125 0.125

TMS320C30TMS320C3000 00

FFTFFT 20482048 2~4 2~4

CCS CCS SimulatoSimulator r

FFTFFT 20482048 至少至少 1*101*10³³

FFT 算法性能的比较 :

软件开发工具软件开发工具CCSCCS （（ Code Composer SCode Composer S

tudio tudio ）） CCSCCS 是是 TITI 公司推出的一个集公司推出的一个集

成性成性 DSPsDSPs 软件开发工具。软件开发工具。 在一个在一个开放式的插件（开放式的插件（ plug -inplug -in ）结构下，）结构下，CCSCCS 内部集成了代码产生工具、软内部集成了代码产生工具、软件模拟器、实时基础软件 件模拟器、实时基础软件 DSP/BIDSP/BIOS™, hostOS™, host 与目标机之间的实时数与目标机之间的实时数据交换软件 据交换软件 RTDX™RTDX™ 以及实时分析以及实时分析（（ real-time analysisreal-time analysis ）和数据可）和数据可视化（视化（ data visualization capabidata visualization capabilitieslities ）软件。）软件。

在在 CCSCCS 下，开发者可以对软件下，开发者可以对软件进行编程、编译、调试、代码性能进行编程、编译、调试、代码性能测试（测试（ profileprofile ）和项目管理等所）和项目管理等所有工作。有工作。

LabVIEWLabVIEW LabVIEWLabVIEW 由于能够为用户由于能够为用户

提供简明、直观、易用的图形提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的编程方式，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，并且用线条将方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。简便，深受用户青睐。

基于基于 DSPDSP 虚拟频谱分析仪整体功能框图虚拟频谱分析仪整体功能框图

PCI

总线

P CP C

EVM 板EVM 板 TMS320C6701 DSPTMS320C6701 DSP

信号

硬件部分 软件部分

host 端软件host 端软件

DSP 端软件DSP 端软件

EVM 板硬件功能框图

双通道 A/D 采集双通道 A/D 采集 FPGAFPGA 双口 RAM （ CE1 ）双口 RAM （ CE1 ）

模拟信号模拟信号

EPLD CE1EPLD CE1Boot 模式选择Boot 模式选择

电 源电 源

外部 JTAG 接口外部 JTAG 接口 SDRAM （ CE2 ）SDRAM （ CE2 ）

SBSRAM （ CE0 ）SBSRAM （ CE0 ）

PCI 控制器PCI 控制器

浮点 DSPTMS320C6701

浮点 DSPTMS320C6701

时钟频率为133MHz

时钟频率为133MHz

基于基于 DSPDSP 虚拟频谱分析仪软件功能框图虚拟频谱分析仪软件功能框图DSP 端软件的加载模块

HOST 和 DSP 通信模块

界面数据显示模块

HOST 端软件

DSP 端软件 A/D 数据采集模块

信号处理模块

通信

基于基于 DSPDSP 虚拟频谱分析仪的界面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

附例附例 11 ：：混场源电磁法接收机混场源电磁法接收机

总体设计：总体设计：

模拟调理模块

数据采集模块

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

用户应用模块

大地电磁数据处理算法的实现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：

附例附例 22 ： ： SPSP 实验系统实验系统 SPSP 实验系统（实验系统（ DSP Experiment SystemDSP Experiment System ，简称，简称 DESDES ）是一套基于）是一套基于 TMTM

S320C542S320C542 的的 DSPDSP 开发、教学实验系统。它包括内部信号源、输入开发、教学实验系统。它包括内部信号源、输入 //输出接口、输出接口、 TMS320C542TMS320C542 －－ 4040 、双口、双口 RAMRAM 、虚拟示波器和频谱仪、虚拟示波器和频谱仪以及相关配套软件组成，可以用于以及相关配套软件组成，可以用于 DSPDSP 教学、语音处理算法研究、教学、语音处理算法研究、各种调制各种调制 // 解调算法的模拟与仿真等场合。 解调算法的模拟与仿真等场合。

---- DES---- 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，频率从准信号源能产生正弦、方波和三角波，频率从 100HZ100HZ 到到 10KHZ10KHZ ；而；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、三角波以及波、三角波以及 FSKFSK 、、 BPSKBPSK 、、 QPSKQPSK 等调制波形，频率从等调制波形，频率从 30HZ30HZ 到到5KHZ5KHZ 。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。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。 信号源。

---- DES---- 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，频率从标准信号源能产生正弦波、方波和三角波，频率从 100HZ100HZ 到到 10KHZ10KHZ ；；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、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、三角波以及方波、三角波以及 FSKFSK 、、 BPSKBPSK 、、 QPSKQPSK 等调制波形，频率从等调制波形，频率从 30HZ30HZ到到 5KHZ5KHZ 。用户可以通过控制面板随时改变波形，也可以自己编程控。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制信号源。。

---- DES---- DES 采用采用 TLC320AC01TLC320AC01 （（ AICAIC ）作为模拟接口。外部信号或内部）作为模拟接口。外部信号或内部信号源通过信号源通过 AC01AC01 的的 A/DA/D 变换后，经变换后，经 C542C542 的的 TDMTDM串口进串口进 DSPDSP ；； DSDSPP 处理后的数据通过处理后的数据通过 TDMTDM串口送到串口送到 AC01AC01 ，由该芯片的，由该芯片的 D/AD/A 转换为转换为模拟信号输出，也可以将数据送到模拟信号输出，也可以将数据送到 PCPC 机由虚拟示波器或频谱仪来显机由虚拟示波器或频谱仪来显示。另外，示。另外， C542C542 的另一个串口（的另一个串口（ BSPBSP ）直接连到）直接连到 DESDES 板的板的 DB9DB9 接接头上。通过该串口，可以方便与其它外设通讯。 头上。通过该串口，可以方便与其它外设通讯。

---- DES---- DES 利用双口利用双口 RAMRAM建立数据显示缓冲，当数据存满时，建立数据显示缓冲，当数据存满时， C542C542 通通过中断通知过中断通知 PCPC 机，机， PCPC 机收到 中断信号后，在屏幕上画出这些数据机收到 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DSPDSP 的处理结果。目前，示波器的处理结果。目前，示波器 // 频谱仪可以同时普示两个波形，一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。 个是输入数据波形，另一个是结果数据波形。

---- DES---- DES 配套软件运行环境为配套软件运行环境为 Windows95/98Windows95/98 。在该环境下用户可以。在该环境下用户可以装入自己编写的装入自己编写的 DSPDSP 程序，运行并通过虚拟示波器程序，运行并通过虚拟示波器 // 频谱仪查看运行频谱仪查看运行结果。通过设置断点，用户可以查看并修改结果。通过设置断点，用户可以查看并修改 DSPDSP 的寄存器、的寄存器、 RAMRAM区区数据，还可以通过反汇编窗口查看数据，还可以通过反汇编窗口查看 DSPDSP 代码程序。同时，用户还可代码程序。同时，用户还可以使用如信号源控制面板、保存以使用如信号源控制面板、保存 //恢复恢复 DSPDSP 的的 RAMRAM 中数据，保存中数据，保存 AADD 的采样数据，显示的采样数据，显示 RAMRAM 数据波形其它功能。 数据波形其它功能。

DSP 声卡

基于基于 DSPDSP 的虚拟仪器的发展前的虚拟仪器的发展前景景

NI&TINI&TI 的紧密合作 — 公司简介的紧密合作 — 公司简介

NI:NI: National Instruments National Instruments （美国国家仪器有限公司，简称（美国国家仪器有限公司，简称 NINI ）创立于）创立于 11976976年，总部设于年，总部设于 TexasTexas 州首府州首府 AustinAustin，是一家测量行业的上市公司 ，是一家测量行业的上市公司 (( 纳斯纳斯达克挂牌代号 达克挂牌代号 NATI) NATI) 。早在八十年代，随着金牌产品。早在八十年代，随着金牌产品 NI LabVIEWNI LabVIEW的诞生，的诞生，NINI 提出“软件就是仪器”的口号，开辟了“提出“软件就是仪器”的口号，开辟了“虚拟仪器虚拟仪器”的崭新测量概念。”的崭新测量概念。 2525年以来，年以来， NINI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展目标保证 NINI 的产品具有长期的兼容性，并享有完善的技术支持。的产品具有长期的兼容性，并享有完善的技术支持。

TI: TI: 自自 19821982年以来，年以来， TITI 成为数字信号处理（成为数字信号处理（ DSPDSP ）解决方案全球的领导）解决方案全球的领导厂商及先驱，为全球超过厂商及先驱，为全球超过 30,00030,000个客户提供创新的个客户提供创新的 DSPDSP 和混合信号和混合信号 //模拟技模拟技术，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。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，为协助客户更快进入市场抢得先机， TITI 提供简单易用的开发工具及广泛的软提供简单易用的开发工具及广泛的软硬件支持，并与硬件支持，并与 DSPDSP 解决方案供应商组成庞大的第三方网络，帮助他们利用解决方案供应商组成庞大的第三方网络，帮助他们利用TITI技术发展出超过技术发展出超过 1,0001,000种产品，使服务支持更加完善。种产品，使服务支持更加完善。

NI&TINI&TI 的紧密合作 — 产品介绍的紧密合作 — 产品介绍 至今，至今， NINI 公司已推出了多种基于公司已推出了多种基于

TITI 的的 DSPDSP 硬件设备。左上图是硬件设备。左上图是 NINI 公公司的司的 NI5911/5912NI5911/5912 ，是一种典型的采，是一种典型的采用了柔性精度技术的数字化仪。它由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、高速一个专门的数字滤波器、高速 ADCADC 、、DACDAC 和用于抽取与线性化的和用于抽取与线性化的 DSPDSP组成。组成。

对于对于 44～～ 100MHz100MHz带宽的信号，带宽的信号，系统工作在传统模式下，采样精度为系统工作在传统模式下，采样精度为8-bit8-bit 。当输入信号带宽在。当输入信号带宽在 4MHz4MHz 以下以下时，系统将进入柔性精度状态，采用时，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，然后数据被送到电路滤除，然后数据被送到 DSPDSP 进行进行线性化处理，并由线性化处理，并由 DSPDSP 中的抗混叠滤中的抗混叠滤波器进一步滤除高频噪音，最后用抽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，使有效取技术按较低速率重构波形，使有效垂直精度达到垂直精度达到 88～～ 21bit21bit 。。

NI&TINI&TI 的紧密合作 —的紧密合作 — NI LabVIEW DSPNI LabVIEW DSP 测试工具包测试工具包

20022002 年年 1212 月月 44 日，日， National InstrumentsNational Instruments（美国国家仪器公司，简称（美国国家仪器公司，简称 NINI ）宣布）宣布 LabVILabVIEW DSPEW DSP 测试工具包（测试工具包（ DSP Test Integration ToDSP Test Integration Toolkitolkit ）正式上市。有了这个软件，工程师们）正式上市。有了这个软件，工程师们可以将可以将 NI LabVIEWNI LabVIEW 图形化开发环境与德州图形化开发环境与德州仪器（仪器（ TITI ）代码编译器套件（）代码编译器套件（ Code ComposeCode Composer Studior Studio ）开发工具结合使用，从而大大地缩）开发工具结合使用，从而大大地缩短短 TITI 的数字信号处理（的数字信号处理（ DSPDSP ）系统的测试和）系统的测试和开发时间。开发时间。 LabVIEW DSPLabVIEW DSP 测试工具包可以与测试工具包可以与TMS320C6000TMS320C6000 、、 TMS320C5000TMS320C5000 、、 TMS320CTMS320C28002800 及及 OMAPOMAP平台连用。平台连用。

集成了集成了 TITI 代码编译器套件的代码编译器套件的 NI LabVIENI LabVIEWW缩短了缩短了 DSPDSP 设计周期 。设计周期 。

总 结总 结 DSPDSP 芯片，尤其是浮点芯片，尤其是浮点 DSPDSP 的计算能力可使的计算能力可使

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，量精度和速度仅受信号调理的影响。同时， DSPDSP构成时域测量与频域测量的桥梁，可方便地实现构成时域测量与频域测量的桥梁，可方便地实现时时 -- 频特性的变换。频特性的变换。

但是，随着信号分析带宽的增长、精度要求但是，随着信号分析带宽的增长、精度要求的提高，的提高， DSPDSP 处理瓶颈问题成为虚拟仪器实现的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关键问题。一种有效的办法是采用多 DSPDSP 并行处并行处理。在虚拟仪器系统中如何实现多理。在虚拟仪器系统中如何实现多 DSPDSP 并行处理，并行处理，以及多以及多 DSPDSP 并行处理算法是研究的热点之一。并行处理算法是研究的热点之一。