【正文】 可高達(dá)800MIPS(每秒執(zhí)行百萬條指令)。Kalman濾波是20世紀(jì)60年代初提出的一種濾波方法。當(dāng)假設(shè)Wiener濾波器的單位脈沖響應(yīng)為有限長時(shí)，可以采用自適應(yīng)濾波的方法得到濾波器的最佳響應(yīng)。另外，當(dāng)信號(hào)和噪聲之間為卷積關(guān)系的時(shí)候，在一定條件下可以利用同態(tài)濾波把信號(hào)有效地分離開來，由同態(tài)濾波理論引申出的復(fù)時(shí)譜也成為現(xiàn)代信號(hào)處理中極為重要的概念。另外它對(duì)脈沖噪聲也有良好的清除作用。這種方法的缺點(diǎn)是速度太慢，不能用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，主要用于DSP算法的模擬與仿真。單片機(jī)的接口性能良好容易實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。它利用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有硬件乘法器、累加器，使用流水線結(jié)構(gòu)，具有良好的并行特點(diǎn)，并有專門設(shè)計(jì)的適用于數(shù)字信號(hào)處理的指令系統(tǒng)等。使用相關(guān)開發(fā)工具和VHDL等硬件開發(fā)語言，通過軟件編程用硬件實(shí)現(xiàn)特定的數(shù)字濾波算法。本論文研究的重點(diǎn)集中在利用DSP來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的硬件電路。④研究高速電路中如何進(jìn)行走線，使系統(tǒng)具有良好的信號(hào)完整性和電源完整性，從而使系統(tǒng)能夠更加穩(wěn)定的工作。3 數(shù)字濾波器理論研究 數(shù)字濾波器的定義和分類數(shù)字濾波器是指完成信號(hào)濾波處理功能的，用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí)間線性非時(shí)變系統(tǒng)，其輸入是一組數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過變換的另一組數(shù)字量。從數(shù)字濾波器的單位沖擊響應(yīng)來看，可以分為兩大類:有限沖擊響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器和無限沖擊響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器。FIR濾波器轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu)圖將式中的系統(tǒng)函數(shù)H(z)分解成若干一階和二階多項(xiàng)式的連乘積: (3)則可構(gòu)成如下圖所示的級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的每一節(jié)都便于控制零點(diǎn)，在需要控制傳輸零點(diǎn)時(shí)可以采用。軟件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)函數(shù)具有可變性，僅依賴于算法結(jié)構(gòu)，并且易于獲得較理想的濾波性能，所以軟件濾波在濾波器的使用中起到了越來越重要的作用。工具箱提供了豐富而簡單的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)FIR和IIR的方法，使原來繁瑣的程序設(shè)計(jì)簡化成函數(shù)的調(diào)用，特別是濾波器的表達(dá)方式和濾波器形式之間的相互轉(zhuǎn)換顯得十分簡便，為濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)開辟了一片廣闊的天地。設(shè)計(jì)一個(gè)H(z)使其逼近所需要的技術(shù)指標(biāo):實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的H(z)。 一個(gè)線性時(shí)不變(LTI)數(shù)字濾波器可以用以下的長系數(shù)線性差分方程來表示： (4)式中x(n)和y(n)分別表示輸入和輸出信號(hào)序列，和是濾波器系數(shù)。這種系統(tǒng)在MATLAB當(dāng)中可以用其分子和分母的系數(shù)，即濾波器系數(shù)構(gòu)成的兩個(gè)向量來唯一確定:可以對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行首一化處理，在傳遞函數(shù)的上下同時(shí)除以則可以得到首一化的兩向量: FIR濾波器的MATLAB輔助設(shè)計(jì) FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有Fourier級(jí)數(shù)展開設(shè)計(jì)方法、窗函數(shù)法、頻率采樣法（1）Fourier級(jí)數(shù)展開法設(shè)所希望的數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)是，它是頻域的周期函數(shù)，周期為2因此可以將它展開為Fourier級(jí)數(shù): (9)式中是Fourier系數(shù)，當(dāng)然它也是一個(gè)單位沖激響應(yīng)序列。窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的基本思想，是根據(jù)給定的濾波器技術(shù)指標(biāo)，選擇濾波器長度和窗函數(shù)，使其具有最窄的主瓣和最小的旁瓣。即在Z平面單位圓上按角度等分的取樣值等于的各相應(yīng)值，就以次值作為實(shí)際FIR數(shù)字濾波器頻率特性的取樣值H(k)，或者說H(k)正是所要求的頻率響應(yīng)的N個(gè)等間隔的取樣值。用有限制條件的最小二乘逼近法設(shè)計(jì)線性相位FIR濾波器fircls()，語法格式為B=fircls (N，F(xiàn)，A，UP，LP)返回的是一個(gè)長度為N+l的線性相位FIR濾波器，其期望逼近的頻率響應(yīng)為分段恒定的，由向量F和A指定，各段幅度波動(dòng)的上下限由向量UP和LO給定，A中的各個(gè)元素分別為各恒定段的頻率響應(yīng)的理想幅值。插值用FIR濾波器設(shè)計(jì)intfilt()，語法格式為B=intfilt(R，L，ALPHA) 設(shè)計(jì)一線性相位FIR濾波器，用于插值時(shí)在插入零后對(duì)信號(hào)的平滑。復(fù)數(shù)非線性相位等紋波FIR濾波器的設(shè)計(jì)cremez，語法格式為B=cremez(N，F(xiàn)，‘frest’，W)返回一個(gè)對(duì)理想頻率響應(yīng)最佳逼近的N+l階FIR濾波器。Hamming窗函數(shù)hamming()，語法格式為hamming(N)返回一N點(diǎn)Hamming窗，結(jié)果為列向量。如果N為偶數(shù)，則返回的是一N+1點(diǎn)Chebyshev窗。程序代碼和仿真結(jié)果如下:Fs=16000。plot(f*Fs/(2*pi),abs(h))。ylabel(39。采用了低功耗設(shè)計(jì)方式:，I/。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用的是TLV5608，實(shí)現(xiàn)濾波后的信號(hào)從數(shù)字信號(hào)恢復(fù)為所需要的模擬信號(hào)。它采用先進(jìn)的修正哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有8條16位的總線，其中包括4條程序/數(shù)據(jù)總線和4條地址總線。③比較、選擇和存儲(chǔ)單元(CSSU)，用于加法/比較選擇。RAM一般映射在數(shù)據(jù)空間。這塊區(qū)域包含的是存儲(chǔ)器映像寄存器，它包含了DSP中所有的寄存器，可以通過讀這塊存儲(chǔ)器來了解各個(gè)寄存器的值，或者通過寫這塊寄存器來改變寄存器的值。電源剛加上電時(shí)，TMS320VC5402芯片處于復(fù)位狀態(tài)，/RS為低使芯片復(fù)位。由于DSP系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率較高，在運(yùn)行時(shí)極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。其基本原理就是通過電路提供一個(gè)高低電平發(fā)生變化的信號(hào)，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)這個(gè)信號(hào)不發(fā)生變化，自動(dòng)復(fù)位電路就認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行不正常并重新對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。一種是利用DSP芯片內(nèi)部所提供的晶振電路，在DSP芯片的Xl和X2/CLKIN之間連接一晶體可啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器，晶體應(yīng)為基本模式，且為并聯(lián)諧振。TMS320VC5402芯片電源分為兩種，即內(nèi)核電壓(CVdd)和I/O電壓(DVdd)，其中，I/。CVdd為器件的所有內(nèi)部邏輯提供電流，包括CPU、時(shí)鐘電路和所有外設(shè)。AMSl1l7為最大輸出電流可達(dá)800mA的LDO(Low Dropout Voltage Regulator)，、。理想情況下，DSP芯片上的兩個(gè)電源同時(shí)加電，但是在一些場合很難做到。通過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)具有JTAG接口的芯片的硬件電路進(jìn)行邊界掃描和故障檢測。TMS為測試模式選擇，TMS用來設(shè)置JTAG接口處于某種特定的測試模式。設(shè)計(jì)仿真接口比較簡單，只要根據(jù)DSP芯片所提供的接口類型按照相應(yīng)的接口標(biāo)準(zhǔn)即可。其中RAM又可以分為兩種類型:單訪問RAM(SARAM)和雙訪問RAM(DARAM)。外部存儲(chǔ)器一般有兩種，一種是存儲(chǔ)程序和固定數(shù)據(jù)的EPROM/PROM，一種是可讀可寫的快速RAM。TMS320VC5402通過外部總線與外部存儲(chǔ)器以及拍設(shè)備相連。它有兩個(gè)互相排斥的選通信號(hào):MSTRB和IOSTRB。當(dāng)與慢速器件通信時(shí)，CPU處于等待狀態(tài)，直到慢速器件完成了它的操作并發(fā)出READY信號(hào)才繼續(xù)運(yùn)行。這些不同的BOOT方式可以滿足用戶不同的應(yīng)用場合，對(duì)于以DSP5402為核心的獨(dú)立系統(tǒng)中并口加載方案被認(rèn)為是最佳的，因?yàn)榍叭N方案適用于由其他處理器為DSP5402提供運(yùn)行代碼的多處理器系統(tǒng)中，后兩種方案雖然都可以適應(yīng)以DSP5402為核心的獨(dú)立系統(tǒng)，但是串口EEPROM啟動(dòng)模式中只支持價(jià)格偏高的SPI端口EEPROM，而并口啟動(dòng)模式卻可以采用EPROM，而且并行EPROM和FALSH種類很多，有的價(jià)格很低，因而可以充分體現(xiàn)系統(tǒng)的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。BOOT在運(yùn)行搬移程序之前，首先進(jìn)行初始化，初始化工作包括:使中斷無效(INTM=1)，內(nèi)部RAM映射到程序/數(shù)據(jù)區(qū)(OLVY=1)，對(duì)程序和數(shù)據(jù)區(qū)均設(shè)置7個(gè)等待狀態(tài)等。判斷是8位BOOT方式后，BOOT程序就進(jìn)入相應(yīng)的子程序。因此，一般的A/D轉(zhuǎn)換過程是通過取樣、保持、量化和編碼這四個(gè)步驟完成的。因?yàn)槊看伟讶与妷恨D(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時(shí)間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時(shí)間。因此，在用數(shù)字量表示取樣電壓時(shí)，也必須把它化成這個(gè)最小數(shù)量單位的整倍數(shù)，這個(gè)轉(zhuǎn)化過程就叫做量化。這個(gè)二進(jìn)制代碼就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)。在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。例如給出相對(duì)誤差1LSB，這就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的一個(gè)字。下圖為TLV1570的功能時(shí)序圖。 D/A轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計(jì)數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，對(duì)于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)。①分辨率，D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。N位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為。該誤差值應(yīng)低于LSB/2。一個(gè)高速的10位ADC，一個(gè)內(nèi)部的電壓參考源和一個(gè)高速的串行接口。②可與SPI、AC97等兼容設(shè)備直接接口。當(dāng)將McBSP配置為時(shí)鐘停止模式時(shí)，發(fā)送器和接收器在內(nèi)部得到同步，這時(shí)McBSP可作為SPI的主設(shè)備或從設(shè)備。對(duì)于低頻設(shè)計(jì)，線跡互連和板層的影響可以不考慮，當(dāng)頻率超過50MHZ時(shí)，互連關(guān)系必須一傳輸線考慮，而在評(píng)定系統(tǒng)性能時(shí)也必須考慮印刷電路板材的電參數(shù)。反之，當(dāng)信號(hào)不能正常響應(yīng)時(shí)，就出現(xiàn)了信號(hào)完整性問題。設(shè)計(jì)中將模擬電路的地通過單點(diǎn)接地到一點(diǎn)，數(shù)字電路的地通過單點(diǎn)接地到一點(diǎn)，然后二者最后連接到一塊。而且在PCB布局時(shí)將去禍電容放到了引腳的最近處，采用較寬的走線連接到電源和地，有效的實(shí)現(xiàn)了電源的濾波。由于本系統(tǒng)是一個(gè)基于DSP的系統(tǒng)，在系統(tǒng)的調(diào)試中主要測試步驟和實(shí)際結(jié)果如下:①首先測量電路板的電源和地是否有短路現(xiàn)象，如有短路現(xiàn)象會(huì)對(duì)電路板上的器件造成損壞，出現(xiàn)短路情況應(yīng)該及時(shí)檢查電阻電容以及芯片的焊接(電路板上所采用器件多為小封裝器件，管腳間距教小，容易出現(xiàn)短路現(xiàn)象，焊接完成后要認(rèn)真檢查)。通過實(shí)際的測量本系統(tǒng)各點(diǎn)電壓均正常，有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過實(shí)際檢測，本系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)波形良好，沒有嚴(yán)重的過沖現(xiàn)象。一個(gè)整型的最大表示范圍取決于DSP芯片所給定的字長，一般為16位或24位。每個(gè)16位數(shù)用一個(gè)符號(hào)位來表示數(shù)的正負(fù)(0表示數(shù)值為正，1則表示數(shù)值為負(fù))，其余15位表示數(shù)值的大小。那么DSP芯片如何處理各種小數(shù)呢?這其中關(guān)鍵就是由程序員來定一個(gè)數(shù)的小數(shù)點(diǎn)處于16位中的哪一位。下表中列出了一個(gè)16位數(shù)的16種Q表示、S表示及它們所能表示的十進(jìn)制數(shù)值的范圍。Q越大，數(shù)值范圍越小，但精度越高。浮點(diǎn)數(shù)與定點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以表示為:浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù): (14)定點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù): (15)為了最大限度的保持?jǐn)?shù)的精度，在將浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)時(shí)，可以采用上取整的方法，在取整運(yùn)算前，即浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù): (16) 系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)之后，軟件設(shè)計(jì)就成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，一個(gè)DSP系統(tǒng)在很大程度上取決于軟件設(shè)計(jì)是否合理與可靠。分別為狀態(tài)寄存器0(ST0)、狀態(tài)寄存器1(ST1)和處理器模式狀態(tài)寄存器(PMST)。DSP芯片的初始化是設(shè)定DSP芯片工作狀態(tài)的重要步驟，只有正確進(jìn)行DSP芯片的初始化，才能保證芯片的正確運(yùn)行。中斷矢量表是每個(gè)DSP系統(tǒng)必須用到的，對(duì)中斷矢量表進(jìn)行初始化是DSP初始化的一個(gè)重要的組成部分，正確設(shè)置中斷矢量包括:（1）根據(jù)DSP芯片對(duì)各中斷矢量的設(shè)置位置編寫一個(gè)子程序。（3)連接時(shí)將矢量表重定位到IPTR指定的地址。 FIR程序設(shè)計(jì)TMS320C54x定點(diǎn)DSP提供了單周期乘/累加指令MAC和循環(huán)尋址方式，使FIR數(shù)字濾波器每個(gè)樣值的計(jì)算可以在一個(gè)周期內(nèi)完成。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)項(xiàng)相乘，輸入樣值x(n)和濾波器系數(shù)h(n)必須合理存放，并正確初始化這兩個(gè)存儲(chǔ)塊指針。這樣，輸出和輸入的Q值就一致了。為了使用循環(huán)尋址，除了對(duì)數(shù)據(jù)餓存放有要求外，先還要設(shè)置BK為塊長N。 軟件開發(fā)環(huán)境及實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)流程 軟件開發(fā)環(huán)境DSP芯片的開發(fā)需要一套完整的軟、硬件開發(fā)工具。它們使用的是同一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境。CCS使用工程來管理整個(gè)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的所有文檔，工程中可包含C語言源代碼、匯編源代碼、庫文件、鏈接命令文件、頭文件和目標(biāo)文件。使用Probe Point工具在主機(jī)與目標(biāo)系統(tǒng)間傳輸數(shù)據(jù)。然后AR3的值減一。開始DSP初始化McBSP0初始化McBSP1初始化將h（n）的值賦給相應(yīng)的循環(huán)緩沖區(qū)將x(n)對(duì)應(yīng)循環(huán)緩沖區(qū)的值清零TLV5608初始化TLV1507初始化循環(huán)執(zhí)行濾波程序DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器流程圖設(shè)計(jì)的程序工程中包含4個(gè)文件:。 軟硬件聯(lián)調(diào)與結(jié)論進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后一步，是檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可行性的重要方法。③下載程序到目標(biāo)系統(tǒng)，通過設(shè)置斷點(diǎn)和單步運(yùn)行，檢查DSP相關(guān)寄存器的值是否配置為所需要的值。在系統(tǒng)的研究和開發(fā)過程中利用了DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成了對(duì)模擬信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣和濾波，將濾波后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。②研究了MATLAB軟件在數(shù)字信號(hào)處理，尤其是數(shù)字濾波器處理中的應(yīng)用，得出了幾種數(shù)字濾波器的基本模型。編寫一套可行的高效的數(shù)字濾波器程序。劉老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、一絲不茍的工作作風(fēng)、敏銳的科研洞察力和淵博的知識(shí)給我留下了深刻的印象。附 錄