【導讀】北京科技大學遠程與成人教育學院。畢業(yè)設計（論文）任務書。請你于2020年11月1日--2020年4月6日期間完成。學號20838712087學生李維鑫：。指導教師評分參考標準。2基本理論的掌握及外語、計算機應用15. 3數(shù)據(jù)（事實）真實可靠，綜合分析、解決問題能力30. 4設計（論文）水平、創(chuàng)新意識15. 5完成的工作量和工作態(tài)度15. 6全文規(guī)范、圖紙、圖表、文字表達能力及書寫質量15. 數(shù)字濾波技術是數(shù)字信號處理的核心技術，而FIR數(shù)字濾波器因其具有嚴格的線。本文主要研究了數(shù)字濾波器的基本理論，并對有限沖擊響應數(shù)字濾波器FIR的設。計和實現(xiàn)進行了分析和研究，尤其是在MATLAB環(huán)境下FIR數(shù)字濾波器的設計，主要。以選擇濾波器四種類型及七種窗函數(shù)的仿真程序，進行了具體的仿真分析。方法，主要是在MATLAB中調試仿真DSP程序來尋找系數(shù)的快速傳遞法。TMS320C55x為主芯片設計了一個高性能的FIR數(shù)字濾波器系統(tǒng)，主要是時鐘信號產

　　

【正文】 源為 ，為包括 CPU、時鐘電路和所有外設的器件的所有內部邏輯提供電流 。I/O 電源為 V，為外部接口引腳提供電壓。 C55X 的電流消耗主要取決于器件的激活度，內核電源消耗的電流主要取決于 CPU 的激活度，外設消耗的電流決定于正在工作的外設及其速度，一般與 CPU 相比，外設消耗的電流是比較小的。時鐘電路也需要消耗一部分電流，而且這部分電流是恒定的，與 CPU 和外設的激活度無關。本設計中采用 TI 公司的芯片 TPS73HD318 來提供電源。該芯片電源輸入為 5V，可提供兩路輸出電壓，一路為 V，一路為 ，每路最大輸出電流為 750mA，還提供兩個寬度為 200ms 的低電平復位信號，可直接與C55X 的復 位引腳連接。與 C55X 連接圖如下 : 圖 電源連接電路 模數(shù) /數(shù)模轉換電路設計 模數(shù) /數(shù)模轉換采用芯片 TLC320AD50C(下面簡稱 AD50C)，該芯片最高采樣速率可達北京科技大學遠程與成人教育學院畢業(yè)設計（論文） 第 16 頁 共 35 頁 ，通過 DSP編程設置，可進行 16 位 A/D和 D/A 的高分辨率、低速信號轉換。該芯片內部 ADC 之后有抽樣濾波器， DAC之前有插值濾波器，接收和發(fā)送可同時進行。 TLC320AD50C 與 C55X 的 McBSP 串行口直接相連，不需要外圍電路不，占用并行總線，避免了總線沖突。連接圖如下 : 圖 C55X 和 ADSOC 的硬件連接 C55X 工作于 SPI 方式的從機模式，它的 BFSX, BCLKR, BCLKX 通過寄存器配置為外部輸入 。AD50 工作在主機模式 (M/S=1)，它的 SCLK 配置為內部產生，這樣數(shù)據(jù)接收 /發(fā)送幀同步信號 (FS)、移位時鐘信號 (SCLK)均由 AD50C 產生。串行口的接收 /發(fā)送過程受AD50C 的控制。該種連接方式不占并行總線，避免了總線沖突。 FLASH接口設計 FLASH 芯片采用使用 SST39VF040，該芯片是 SST 公司的 39 系列多用途閃存，它是單電壓讀寫操作， 有極高的可靠性，功耗較低，具有塊區(qū)域擦除能力。 DSP的 I/O 端口8000H 映射為 SST39VF040 的 A15~A8 地址的控制信號使能，即當對 I/O端口 8000H 寫數(shù)據(jù)的時候， A15~A18 分別等于數(shù)據(jù)的低 4 位，當對外部存儲空間操作時，首先向 Il0端口 8000H 寫入數(shù)據(jù)。在本設計中，使用外部數(shù)據(jù)空間 8000H~FFFFH，所以寫入的是數(shù)據(jù) 0,實際對應 SST39VF040 數(shù)據(jù)空間的 OOOOH~7FFFH。這樣設置以后，將 DSP 上使用的外部數(shù)據(jù)空間映射到了 SST39VF040 的數(shù)據(jù)空間。接口電路如下圖所示。 在編 寫引導程序之前，要編制一個引導表，內容包括 :引導方式標識、預置 SWWSR和 BSCR 寄存器的值、程序入口 (XPC)、程序入口地址 (PC)、用戶程序長度、首塊存放目標 (XPC)、首塊存放目標地址 (PC)等。 北京科技大學遠程與成人教育學院畢業(yè)設計（論文） 第 17 頁 共 35 頁 圖 C55X 與 FLASH 接口電路 FLASH 控制管腳的邏輯關系如下 :(其中，“十”表示邏輯或 ) DSCE? , WRM S T RBOE /?? , WRM ST R BWE /?? , 外部存貯器接口設計 外擴 RAM 芯片采用 IS61LV6416，該芯片是一種高速 CMOS 靜態(tài) RAM 存儲容量為64Kx16 位，數(shù)據(jù)存取時間為 10ns，能滿足高速運行需要。其工作電壓為 ，與 C55X工作電壓一致，無需電平轉換。與 C55X 連接圖如圖 。這是一種優(yōu)化的混和程序和數(shù)據(jù)區(qū)外接 RAM 的方法，省去了 C55X 的地址線 A15，這種方法可充分利用外部擴展 RAM，不會因內部 RAM 和外部 RAM的地址重疊而造成外部 RAM 的浪費。 圖 C55X 與 RAM 連接電路 北京科技大學遠程與成人教育學院畢業(yè)設計（論文） 第 18 頁 共 35 頁 5 FIR濾波器的 DSP程序實現(xiàn) 使在初期階段，因 DSP 的性能指標較低，主要用匯編語言來編寫高效、專用的程序代碼，后來隨著 DSP 運算速度的提高，采用 C 語言編程來降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期，但關鍵程序段仍結合 DSP 硬件編寫 DSP 匯編程序。如今，高效的信號處理工具MATLAB 逐漸滲透到 DSP 設計中。利用 MATLAB 輔助 DSP 程序開發(fā)，提高了程序開發(fā)效率，縮短了軟件開發(fā)周期。 TMS320C55x 對數(shù)字濾波器算法的實現(xiàn)在指令集和硬件結構上都有考慮。它有 MAC指令，該指令將數(shù)據(jù)區(qū)的兩個數(shù)相乘，然后再與累加器中的值累加，運算結果仍存在累加器中為下次操 作準備 。在硬件上有間接尋址時的循環(huán)尋址功能，即將濾波器系數(shù)保存在一個可循環(huán)尋址的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，尋址指針由低地址自動增長，當達到緩沖區(qū)頂部時，自動返回低地址重新尋址，這樣，配合單指令重復指令 RPT，就可以快速實現(xiàn)卷積操作。 傅氏級數(shù)法的 DSP 程序實現(xiàn) 在第三章最后算出了濾波器四種類型的系數(shù)表達式?？梢愿鶕?jù)系數(shù)表達式采用 C語言來編程實現(xiàn)濾波算法。下面是 FIR 帶通濾波器算法程序段 : void firbpf(double lpass, double hpass) { int t。 for（ t=O。tFLen。t++) { double m。 m=sin((t(FLen1)/)*hpass*pi)/((t(FLen1)/)*pi)。 h(t)=msin((t(FLen1 )/)*lpass*pi)/((t(FLen1 )/)*pi)。 } if(t==((FLen1)12)) h[t]=hpasslpass。 } 相應的其它三種類型 FIR 濾波器算法程序都可以由對應的系數(shù)表達式編寫出來。 利用匯編程序實現(xiàn) FIR 濾波器 匯編程序調試首先在 CCS 中建立新的工程 , 然后將匯編語言源文件 (.asm或 . c)文件以及中斷向量文件 (. asm)、位文件 (. cmd)添加到工程中。 編譯通過后，生成可執(zhí)行文件 (*.out 文件 )，下載到 DSP 程序存儲器中， 這時打開 Momery 窗口 , 可以看到數(shù)據(jù)存儲器已經被劃分 coff_ fir, d_ data_ buffer, in_ buffer,out_ buffer等區(qū)。編譯并將整個 FIR 項目成功地下載到目標系統(tǒng)板后 , FIR 程序就可以在 EVM 板上運行 進行調試（程序見附錄 A） 。下圖為程序流程圖。 北京科技大學遠程與成人教育學院畢業(yè)設計（論文） 第 19 頁 共 35 頁 圖 程序流程圖 在主程序中，在 flag = 0 處設置斷點；單擊“ Run”運行程序，程序將運行至斷點處停止；用 View / Graph / Time/Frequency 打開一個圖形觀察窗口如圖 示。 圖 圖形參數(shù)設置窗口 主程序 系統(tǒng)初始化 輸入緩沖區(qū)初始化為零 根據(jù)指標生成系數(shù) 開放中斷 等待中斷 中斷程序 是否采集到256 個數(shù)據(jù) 輸入信號值歸一化 輸入緩沖區(qū)值下移一位，加入最新輸入信號 進行乘加運算 返回 是 否 北京科技大學遠程與成人教育學院畢業(yè)設計（論文） 第 20 頁 共 35 頁 設置觀察圖形窗口變量及參數(shù)為：采用雙蹤觀察啟始地址分別為 x 和 y，長度為256 的單元中數(shù)值的變化，數(shù)值類型為 32 位浮點型變量，這兩個數(shù)組中分別存放的是經 A/D轉換后的輸入混疊信號（輸入信號）和對該信號進行 FIR濾波的結果；單擊“ Animate”運行程序，調整觀察窗口并觀察濾波結果如下圖 圖 輸入混頻與濾波后信號 比較濾波前與濾波后的信號，可以看到， 通過測試波形可以看到， 濾波后的信號比濾波前的信號要平滑很多，確實達到了濾波效果。 在實驗中，還可通過改變混頻信號的混疊情況，來觀察濾波器的濾波情況，如加大或減小高頻率的幅度 (頻率 )或者改變?yōu)V波器的長度及采樣頻率來觀察 DSP 芯片的濾波效果。圖為 加大高頻率信號的幅度時濾波效果。圖 為加大濾波器階數(shù)到 80的濾波效果。圖 為減小濾波器階數(shù)到 30 階的濾波效果，可看出濾波器的階數(shù)越高，濾波效果相對越好。 圖 加大濾波的濾波情況 北京科技大學遠程與成人教育學院畢業(yè)設計（論文） 第 21 頁 共 35 頁 圖 80 階濾波效果 圖 30 階濾波效果 小結 一般用 DSP 芯片實現(xiàn) FIR 濾波器，都是先在 MATLAB 里設計相應的濾波器，得到濾波器系數(shù)，然后在 DSP匯編程序中，對相應的系數(shù)進行 Q15格式轉換處理，如系數(shù) ，轉換成 Q15 格式，采用偽指令寫成 .word *32768 形式，再采用相關的匯編指令來實現(xiàn) FIR 濾波器算法。 得到濾波器系數(shù)的方法很多，但在調試仿真階段，每改變一次濾波器參數(shù)，相關的系數(shù)就會改變，在 DSP 程序中也要做相應修改，這給調試仿真帶來很大麻煩，濾波器設計效率低，這樣就想尋求更快更便捷的設計方法。如果在 MATLAB 中生成濾波器系數(shù)后，以某種形式建立一種連接，把系數(shù)傳到 CCS 中，供 DSP 濾波算法程序使用，當MATLAB 中設計的濾波器系數(shù)改變時，相應在 CCS 中也改變，這樣就可達到快速設計的目的。在解決的過程中，發(fā)現(xiàn)可通過 FDATooI 中的 Export to code poser studio(IDE)，把濾波器的系數(shù)以頭文件形式傳到 CCS 中，頭文件中包含濾波器的階數(shù)和系數(shù)數(shù)組。在 DSP 程序中包含該頭文件，便于采用 C 語言來實現(xiàn)程序。頭文件名不變，每當 MATLAB 中的系數(shù)改變時，相應的頭文件中系數(shù)也改變，方便了調試仿真。 本文中采用 匯編語言編寫 FIR 濾波子程序，在主程序中用 C 語言調用。這樣就需要了解 DSP 匯編程序與 C語言之間的參數(shù)傳遞及有關的調用關系。通過 TI相關英文文北京科技大學遠程與成人教育學院畢業(yè)設計（論文） 第 22 頁 共 35 頁 檔，知道在 C55X 自帶的 dsplib 庫中有相應的用匯編語言編寫并已優(yōu)化的 FIR 濾波器源程序，這些程序都符合 TI 的軟件編程規(guī)范，在 CCS 中的對選項 build options 進行設置就可直接調用，另外還要把 C55X 的 dsplib 加到工程中，在程序中包含 頭文件。下面是庫的幾種 FIR 函數(shù)。 （ 1） hort fir(data *x, data *h,*r, data ,*dbuffer, ushort nh, ushort nx) 這是一種直接型的濾波器函數(shù)， x 為輸入樣本向量， h為系數(shù)向量， r為輸出向量，dbuffer 為緩沖區(qū)， nh 為系數(shù)個數(shù)， nx為輸入樣本數(shù)。 （ 2） firdec(data *x, data *h, data *r, data *dbuffer, ushort nh, ushort nx)采用抽取法。 （ 3） firinterp(data*x, data*h, data*r, data *dbuffer, ushort nh, ushort nx)采用插入法。 （ 4） int firs(data *x, data *r, data *dbuffer, ushort nh2,ushort nx)對稱、均衡型。 （ 5） int firs2(data *x, data *h, data *r, data *dbuffer, ushort nh2,ushort nx)一般型。 也可以把庫的函數(shù)復制到自己的工程名下，再進行編譯，這跟函數(shù)調用一樣，直接使用。在 C 程序中，參數(shù)是以指針形式建立的 。在匯編程序中，通過建立局部幀的形式來從右到左接受參數(shù)的地址，即建立了 匯編與 C 的調用關系。其中，由 FDATooI 得到的頭文件的數(shù)據(jù)類型與 dsplib庫中函數(shù)的類型不同， C55X的數(shù)據(jù)是 16位，由 FDATool傳遞系數(shù)給 CCS 時，應選擇有符號的 16位整數(shù)，還有相應的修改。 版本以上的 MATLAB 中都集成了 MATLAB Link to Code Composer Studio(tm)功能，可以通過特殊函數(shù) run， reset， write， read, create 等在 MATLAB 中直接調試目標系統(tǒng)，并能將目標系統(tǒng)的輸出結果返送給 MATLAB。具體過程為 :先在 MATLAB 中設計 FIR 濾波器，編寫模擬信號，通過濾波器濾波，得到相應的濾波信號，以數(shù)據(jù)文件的形式保存模擬信號與濾波后的信號。然后在 CCS 中編寫 DSP 程序，編譯并修改，直到沒有錯誤，然后 MATLAB 把模擬信號寫給 DSP 程序，經 DSP芯片濾波后， MATLAB 把濾波信號讀回，跟 MATLAB 中的濾波信號進行比較，即 MATLAB 直接控制運行 CCS 中的 DSP程序。此方法在仿真、調試中非常有用。