【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 于 TMS320C5402 的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 的體系結(jié)構(gòu) TMS320VC5402 處理器在本系列中處于先進(jìn)水平。它具有運(yùn)算速度快，內(nèi)部存儲(chǔ)空間大，外部接口性能好等優(yōu)點(diǎn)。所以我選擇了技術(shù)上比較先進(jìn)，價(jià)格又較便宜的 C5402 作為硬件開(kāi)發(fā)對(duì)象。下面結(jié)合 C5402 的實(shí)際情況，介紹一下該芯片的體系結(jié)構(gòu)。 C5402 共有 144 個(gè)引腳，其中有 20 根地址線 AOA19， 16根數(shù)據(jù)線DOD15， 4個(gè)外部可屏蔽引腳 INTOINT3和一個(gè)不可屏蔽中斷引腳 BIO，剩下的引腳可以分成以下幾類：存儲(chǔ)器控制引腳，時(shí)鐘 /晶振引腳，多通道緩沖串口引腳，主機(jī)接口通訊引腳，電源引腳，初始化和復(fù)位引腳，通用輸入 /輸出引腳，以及用于測(cè)試的 IEEE1149. 1 標(biāo)準(zhǔn) JTAG 口。 3. 2 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)流程 在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)首先要有清晰的思路 ，因此流程圖的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)采用的是基于 DSP 的 IIR 數(shù)字濾波，針對(duì)其要完成的功能，對(duì)其流程進(jìn)行了初步規(guī)劃，如圖 8 所示： 13 開(kāi) 始系 統(tǒng) 初 始 化分 配 數(shù) 據(jù) 空 間設(shè) 置 數(shù) 據(jù) 指 針從 指 定 端 口 讀 數(shù) 據(jù) x （ n ） 并 從 數(shù) 據(jù)存 儲(chǔ) 器 讀 讀 取 系 數(shù)完 成 數(shù) 據(jù) 的 乘 加 運(yùn) 算修 改 數(shù) 據(jù) 指 針 為 下 一 次 乘 加 運(yùn) 算 做 準(zhǔn) 備保 存 結(jié) 果 從 指 定 端 口 輸 出結(jié) 果 圖 1 IIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)流程 根據(jù)設(shè)計(jì)流程，通過(guò) DSP 仿真軟件編譯出適合參數(shù)要求的匯編程序。運(yùn)用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫使其具有更好的實(shí)時(shí)性，此外運(yùn)用匯編語(yǔ)言編寫更有助于以后的設(shè)計(jì)拓展。 利用 TMS320C5402 實(shí)現(xiàn) IIR 的程序中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （ 1）數(shù)據(jù)存放要求。因?yàn)椴捎?MAC指令和循環(huán)尋址，所以輸入數(shù)據(jù)和濾波器系數(shù)的存放要按照一定的要求。數(shù)據(jù)塊和系數(shù)塊都要放在雙尋址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。 （ 2）循環(huán)尋址的使用。為了使用循環(huán)尋址，除了對(duì)數(shù)據(jù)的存放有要求外，先還要設(shè)置 BK 為塊長(zhǎng) N。由于使用了循環(huán)尋址，數(shù)據(jù)和系數(shù)的指針在操作后以循環(huán)的方式增加 1。 （ 3）數(shù)據(jù)的初始化。輸入數(shù)據(jù)塊要初始化為全 0。這樣在運(yùn)算中不會(huì)對(duì)輸入產(chǎn)生影響。 14 四 ． 基于 DSP 的 IIR 數(shù)字濾波器的軟件設(shè)計(jì) IIR 數(shù)字濾波器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器設(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 IIR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。 IIR 數(shù)字濾波器每個(gè)樣值的計(jì)算就是實(shí)現(xiàn)兩數(shù)組對(duì)應(yīng)項(xiàng)乘積的累加和。在計(jì)算時(shí)有前向通道和反饋通道兩部分，因此在計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮 x(n)、 y(n)和 h(n)系數(shù)的存放位置，并正確初始化這兩個(gè)存儲(chǔ)塊指針 ,這樣在計(jì)算中才能夠準(zhǔn)確的提取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算。下 圖是 IIR 濾波器數(shù)據(jù)存放和系數(shù)表 : X 0X 1X 2B 2B 1B 0A 1A 2數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器X :數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器C O E F :A R 2A R 1 上 圖 IIR 濾波器數(shù)據(jù)存放和系數(shù)表 在程序設(shè)計(jì)中，首先將數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的段中， X數(shù)據(jù)指針 AR2 指向 X0，同時(shí)將 H（ n）的指針 AR1 指向 B0，利用乘加指令 完成前向通道的一次運(yùn)算；接著修改指針， AR2 指針增 1， H（ n）的指針 AR1減 1，依次完成前向通道的乘加運(yùn)算；反饋通道應(yīng)用同樣的方法進(jìn)行乘加。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用先增益后衰減 15 的方法，亦可采用先衰減后增益的方法。但是采用先衰減后增益的方式其系統(tǒng)動(dòng)態(tài) 范圍和魯棒性較好，因此在設(shè)計(jì)中采用了后一種方法。 IIR 濾波器的 MATLAB 輔助設(shè)計(jì) 具體在 MATLAB 中設(shè)計(jì) IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟如下：按一定規(guī)則將給出的數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)；根據(jù)轉(zhuǎn)換后的技術(shù)指標(biāo)使用濾波器選擇函數(shù)，確 定最小階數(shù) N 和固有頻率 Wn；運(yùn)用最小階數(shù) N 產(chǎn)生模擬低通濾波器原型，運(yùn)用固有頻率把模擬低通濾波器原型轉(zhuǎn)換成模擬低通、高通、帶通、帶阻濾波器。本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用產(chǎn)生低通濾波器，運(yùn)用脈沖響應(yīng)不變法或雙線性不變法把模擬濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器。 對(duì)于脈沖響應(yīng)不變法，它是將 s 域內(nèi)的 H（ s）轉(zhuǎn)換成 z 域內(nèi)的 H（ z），但是在映射時(shí)， S 域內(nèi)不能一一對(duì)應(yīng)到 Z域內(nèi)的單位圓上，因此容易在仿真中易產(chǎn)生混疊現(xiàn)象，影響實(shí)驗(yàn)效果?；诖?，本次設(shè)計(jì)在 MATLAB 的仿真中優(yōu)先考慮應(yīng)用雙線性變換法。 MATLAB 工具箱提供了幾種模擬濾波器的原型產(chǎn)生函 數(shù)， Butterworth 濾波器原型， Chebyshev（ I 型、 II 型）濾波器原型、橢圓濾波器原型等不同的模擬濾波器原型，從模擬濾波器向數(shù)字濾波器轉(zhuǎn)換的雙線性變換法和脈沖響應(yīng)不變法等方法，模擬 IIR數(shù)字濾波器階數(shù)選擇函數(shù)以及數(shù)字濾波器直接設(shè)計(jì)函數(shù)等等。另外，MATLAB 信號(hào)處理工具箱提供了幾個(gè)直接設(shè)計(jì) IIR 數(shù)字濾波器的函數(shù)。這一整套設(shè)計(jì)函數(shù)給在 MATLAB 中設(shè)計(jì) IIR 數(shù)字濾波器帶來(lái)了極大的方便。 IIR 低通數(shù)字濾波器根據(jù)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行 matlab 仿真，從而計(jì)算出相應(yīng)的傳輸函數(shù)。其仿真結(jié)果結(jié)果如圖 下 所示： 16 上 圖利用 matlab 仿真圖 根據(jù)以上仿真結(jié)果及相應(yīng)的系數(shù)和 N 值，在相關(guān)技術(shù)指標(biāo)不變的情況下，我選用了 ChebyshevI 型雙線性變換法。 濾波器的幅頻和相頻曲線 17 在 Simulink 下進(jìn)行設(shè)計(jì) MATLAB 命令行鍵入，進(jìn)入 Simulink 界面； 選擇 Signal Processing Blockset 模塊下 DSP sources 中 Sine Wave 來(lái)產(chǎn)生信號(hào)； 選擇 Sum來(lái)疊加三個(gè)正弦信號(hào)； 選擇 DSP sinks 下的 Vector Scope 進(jìn)行示波； 選擇 Filtering 下的 DigitalFilter Design 模塊進(jìn)行濾波器的導(dǎo)入。 18 基于 DSP 的 IIR 數(shù)字濾波器的 硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)總體方案 TI 公司的 2020 系列和 5000 系列的 DSP 都通用型的芯片，考慮到 2020 系列的DSP 多用于控制方面，而 5000 系列較 2020 系列具有更高的時(shí)鐘頻率、更低的價(jià)格和更加強(qiáng)大的運(yùn)算功能，所以在數(shù)字濾波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了 TI 公司的一款高性能、低功耗的定點(diǎn) DSP: TMS320VC5402。該 DSP具有較快的運(yùn)算速度 :運(yùn)算速度最快可達(dá) 532MIPS；采用了低功耗設(shè)計(jì)方式：內(nèi)核電壓為 ， I/O 電壓為 V。數(shù)字濾波系統(tǒng)的具體方案框圖如 下 圖所示： 19 ADCDACT M S 320 VC 5402F L A S HS R A MJ T A G 時(shí)鐘 電源 圖 4 數(shù)字濾波器系統(tǒng)方案框圖 通常的設(shè)計(jì)中會(huì)采用 SV 供電并行的 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）和 DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）芯片與 DSP 連接，傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中會(huì)占用總線的時(shí)間，而且需要采用多片電平轉(zhuǎn)換器件將 SV 電平轉(zhuǎn)換為 的邏輯電平。考慮到 TMS320VC5402 的片上包含兩個(gè)McBSP(多通道緩沖串行口 )接口，可以將這兩個(gè)通道模仿實(shí)現(xiàn) SPI 的時(shí)序，因此本設(shè)計(jì)中采用了 SPI 接口器件， ADC芯片采用的是 TLV 1570，實(shí)現(xiàn)將需要濾波信號(hào)從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯 片采用的是 TLV 5608，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)。 JTGA 口供 DSP 芯片下載程序調(diào)試。 為了確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，復(fù)位電路是系統(tǒng)中必不可少的電路。電源剛加上電時(shí)， TMS320VC5402 芯片處于復(fù)位狀態(tài)，瓜 S 為低使芯片復(fù)位。為使芯片初始化正確，一般應(yīng)保證爪 s為低至少持續(xù) 3 個(gè) CLKOuT 周期。但是，在上電后，系統(tǒng)的晶體振蕩器一般需要幾百毫秒的穩(wěn)定期，～般為 100200ms。對(duì)于實(shí)際的DSP 應(yīng)用系統(tǒng)，特別是產(chǎn)品化的 DSP系統(tǒng)，其可靠性是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。 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。為了克服這種情況，除了在軟件上做一些保護(hù)措施外，硬件上也必須做相應(yīng)的處理。硬件上最有效的保護(hù)措施就是采用具有監(jiān)視(Watchdog)功能的自動(dòng)復(fù)位電路。自動(dòng)復(fù)位電路除了具有上電復(fù)位功能外，還具有監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行并在系統(tǒng)發(fā)生故障或死機(jī)時(shí)再次復(fù)位的功能。其基本原理就是通 20 過(guò)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。根據(jù)上述原理，在本系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了 ADM706TAR 芯片。該芯片具有上電復(fù)位功能，電壓監(jiān)測(cè)功能和看門狗功能。IN1E N 2OUT4PG3T P S 7 6818Q DT1IN2OUT3E N 1T P S 7 5733K T TT2M R 1V c c4R E S E T 3W D I2P S 38 23 33D B V TT3V C C1 2U 20A74F 04S1S W S P S T/ R S TXFre s e t 復(fù)位電路U?GND 圖 5 復(fù)位電路 給 DSP 芯片提供時(shí)鐘一般有兩種方法。一種是利用 DSP芯片內(nèi)部所提供的晶振電路，在 DSP 芯片的 X1和 x2／ cuⅡ N之閫連接一晶體可啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器， 晶體應(yīng)為基本模式，且為并聯(lián)諧振。另一種方法是將外部的時(shí)鐘源直接輸入 X2／CLKIN 引腳， X1懸空。采用封裝好的晶體震蕩器，這種方法使用方便，因此得到了廣泛的應(yīng)用，只要在引腳 4 上加電壓，引腳二接地，就可以在引腳 3上得到所需的時(shí)鐘 。早期的 DSP 芯片一般工作頻率較低，因此其工作頻率與外部提供的頻率相等或者是外部頻率的 2分頻和 4分頻。隨著 DSP 芯片速度的提高，如果仍然采用這種方式，則要求夕 }部頻率很高，這樣會(huì)引發(fā)高頻干擾，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，現(xiàn)在的 DSP 芯片一般提供多種工作方式。不僅具有傳統(tǒng)的分頻方式，而且采用更加靈活的可編程 PLL 方式。 1MS320Vc5402 內(nèi)部具有一個(gè)可編程鎖相環(huán) (PLL)，可以配置為以下兩種工作模式： PLL 模式，輸入時(shí)鐘乘以一個(gè) 1≈ 1 之間的常數(shù)： DIV 模式，輸入時(shí)鐘除以 2或 4。軟件可編程 Pu。受一個(gè)存儲(chǔ)器映 射(地址為 58h)的時(shí)鐘模式寄存器 CLKMD 控制， CLKMD 用于定義 Pu。時(shí)鐘模塊的配置。復(fù)位后 CLKMD 的值根據(jù) DSP芯片三根輸入引腳 Cu(MDl 一 Cu(MD3 確定從而確定 DSP 的工作時(shí)鐘。表中是 DSP 復(fù)位時(shí)鐘模式設(shè)定，從表中可以看出，不同的CLKMDl 一 CLKMD3 值對(duì)應(yīng)相應(yīng)的時(shí)鐘模式。例如：設(shè) CIKMDl 一 CLKMD3=010，則 21 時(shí)鐘模式是 PLL*5，如果外部的晶體頻率是 20MHz，則復(fù)位后 DSP 的工作頻率為5X20=100MHz。由于 DSP 的程序需要從外部低速 EPROM 中調(diào)入，可以采用較低工作頻率的 DSP 復(fù)位時(shí)鐘模式，待程序全部調(diào)入內(nèi)部快速 RAM 后，再用軟件重新配置 CLKMD 的值，使芯片工作在較高的頻率上。 C L O C K 時(shí)鐘電路C3C A PC2C A PY1C R Y S T A LX1 圖 6 時(shí)鐘電路 為了降低芯片的功耗， DsP5402 芯片采用低電壓供電方式，并且采用內(nèi)核電壓和 I／ O電壓分開(kāi)的方式。 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／ O電源一般采用 3． 3V電壓，而內(nèi)核電源電壓為1． 8V。 TMS320VC5402 的電流消耗主要取決于器件的激活度， CVdd 消耗的電流主要取決于 CPU 的激活度。外設(shè) 消耗的電流取決于正在工作的外設(shè)及其速度。一般的，與 CPU 相比，外設(shè)消耗的電流比較小。時(shí)鐘電路也需要消耗一小部分的電流，而且這部分電流是恒定的，與 CPU 和外設(shè)的激活度無(wú)關(guān)。 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)。 DVdd 只為外部接口引腳提供電壓，消耗的電流取決于外部輸出的速度和數(shù)量，以及在這些輸出上的負(fù)載電容。根據(jù)設(shè)計(jì)的具體電路可一計(jì)算出 3． 3V 電源所消耗的電流 60mA， 1． 8V電源所消耗的電流 30mA，因此可以得出該系統(tǒng)在全速工作的狀態(tài)下，最大功耗為250mA。在本系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)中采用了兩片 AMSlll7 來(lái)提供 DSP 芯片的加電源和內(nèi)核電源。 AMSlll7 為最大輸出電流可達(dá) 800mA 的 LDO(Low Dropout Voltage Regulator)，包含 1． 8V、 3． 3V 等固定電壓輸出幾種類型。由于 LDO 的