【正文】 在 DSP 上的實(shí)現(xiàn) IIR數(shù)字濾波器 在 DSP 上的實(shí)現(xiàn)步驟和條件 IIR數(shù)字濾波器在 DSP上的設(shè)計(jì)過(guò)程如下： (1)根據(jù)指標(biāo)確定濾波器的類(lèi)型，設(shè)計(jì)出濾波器的參數(shù)； (2)根據(jù) DSP的 特點(diǎn)（字長(zhǎng)、精度等）對(duì)參數(shù)進(jìn)行取舍、量化，然后進(jìn)行仿真； (3)根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)濾波器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)再次進(jìn)行調(diào)整 ,直到滿(mǎn)足要求為止； (4)在 DSP上用語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)濾波器功能。 定點(diǎn) DSP 芯片，既可以做定點(diǎn)運(yùn)算，也可以做浮點(diǎn)運(yùn)算。一個(gè)算法，既可以用匯編語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，也可以用高級(jí)語(yǔ)言（ C， C++）實(shí)現(xiàn)。而一個(gè) IIR 數(shù)字濾波器是否可以在 DSP 上實(shí)現(xiàn)，最終要看此算法是否滿(mǎn)足兩個(gè)條件：執(zhí)行時(shí)間和精度。一個(gè)算法的精度再高，如果做不到實(shí)時(shí)，也沒(méi)有實(shí)用價(jià)值；相反，如果執(zhí)行時(shí)間很快，但精度滿(mǎn)足不了要求，也就無(wú)從 實(shí)現(xiàn)濾波功能。 IIR數(shù)字濾波器在 DSP上的實(shí)現(xiàn)思路，應(yīng)該是在滿(mǎn)足上面兩個(gè)條件的前提下，找到盡可能簡(jiǎn)易的實(shí)現(xiàn)方法。 IIR數(shù)字濾波器在 TMS320VC5416 DSP上的實(shí)現(xiàn)過(guò)程 借助于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的仿真功能，在 MATLAB環(huán)境下設(shè)計(jì)一個(gè) IIR數(shù)字濾波器變得十分容易。但是要在 DSP 上實(shí)現(xiàn) 此濾波器 功能， 則需要對(duì)濾波器的結(jié)構(gòu) 、系數(shù) 等 參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。 下面以一個(gè)低通 IIR數(shù)字濾波器在 DSP芯片 TMS320VC5416上的實(shí)現(xiàn)為例，敘述其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。 TMS320VC5416 是 DSP 芯片的主要供應(yīng)商 TI 公司 最近推出的 5000 系列中的高性能 DSP，該處理器為 16位定點(diǎn) DSP，最高運(yùn)算速度可達(dá) 160MIPS，內(nèi)帶 256KB的 RAM，有 128KB的數(shù)據(jù)空間，最大程序容量高達(dá) 16MB，有 3 個(gè) McBSP 和 6 個(gè) DMA 通道并且支持外部 DMA， 內(nèi)核電壓低至 。其 CPU 由于運(yùn)算速度快、內(nèi)部資源充足、接口靈活、功耗低，非常適合做復(fù)雜算法運(yùn)算。 低通 IIR 數(shù)字濾波器的參數(shù)如下： 采樣頻率為 250KHz，通帶內(nèi)最大允許衰減 3dB，阻帶內(nèi)最小衰減大于 30dB，通帶上限頻率為 20Hz，阻帶下限截止頻率為 70Hz。 采用 butterworth模型設(shè)計(jì)時(shí)階數(shù)為 3 階 。從理論上說(shuō)，可以用高階 IIR 數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)良好的濾波效果。但由于 DSP本身有限字長(zhǎng)和精度的因素， 加上 IIR濾波器在結(jié)構(gòu)上存在反饋回路， 是遞歸型的，再者高階濾波器參數(shù)的動(dòng)態(tài)范圍大。 這樣導(dǎo)致算法無(wú)法在 DSP 上實(shí)現(xiàn)。 解決此問(wèn)題的有效方法是把高階 IIR數(shù)字濾波器簡(jiǎn)化成幾個(gè) 2階濾波器來(lái)設(shè)計(jì)，即采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 TMS320VC5416是 16位 DSP。在 CCS下，它的浮點(diǎn)數(shù)格式占用兩個(gè)字，即 CCS的數(shù)據(jù)輸入輸出功能和 RTDX功能，可以隨時(shí)觀察 DSP 結(jié)果和理論仿真 結(jié)果之間的差異，及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的溢出和計(jì)算誤差。 系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì) 在 DSP進(jìn)行數(shù)字濾波運(yùn)算前 必須進(jìn)行一些初始化程序。 在本系統(tǒng)中初始化程序主要 包括：DSP芯片的初始化 、 矢量表初始和兩個(gè)串行端口的初始化。 DSP5416共有三個(gè)控制和狀態(tài)寄存器，對(duì) CPU的控制是通過(guò) CPU狀態(tài)和控制寄存器來(lái)完成的。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不同條件 和模式下的 狀態(tài) 都包含 ST0 和 ST1； PMST 包含存儲(chǔ)器設(shè)置狀態(tài)和控制信息。 由于這些寄存器是存 儲(chǔ)器映像， 所以 像對(duì) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器操作那樣對(duì)它們進(jìn)行讀出和寫(xiě)入 。在調(diào)用子程序或中斷 服務(wù)子程序時(shí) ， 可以將它們保存下來(lái)，返回時(shí)再恢復(fù)。 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。 在調(diào)試軟件的過(guò)程中， 如果發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行不正確，應(yīng)首先查看芯片各寄存器的初始化狀態(tài) 設(shè)置是否正確， 然后 再 調(diào)試 用戶(hù)程序，否則就會(huì)降低調(diào)試效率。TMS320VC5416 芯片 加點(diǎn)復(fù)位之后處于 預(yù)先設(shè)定狀態(tài)，無(wú)論是狀態(tài)寄存器還是控制寄存器都有一個(gè)確定 的數(shù)值。 對(duì)寄存器進(jìn)行初始化主要包括 ：狀態(tài)寄存器 ST0、狀態(tài)寄存器 ST處理器模式控制寄存器 PMST、軟件等待狀態(tài)寄存器 SWWSR、 組交換控制寄存器 BSCR和時(shí)鐘模式寄存器 CLKMD。 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 : (l) 根據(jù) DSP芯片對(duì)各中斷矢量的設(shè)置位置編寫(xiě)一個(gè)子程序。在 TMS32OVC5402 中，要求每個(gè)中斷矢量占 4個(gè)字，如果跳轉(zhuǎn)指令不夠 4個(gè)字，可用 NOP指令填充，每個(gè) NOP占一 個(gè)字； (2) 設(shè)置 PMST控制寄存器。該寄存器的高 9位是 IPTR，用于設(shè)置矢量 表的起始地址； (3) 連接時(shí)將矢量表重定位到 IPTR指定的地址。 TMS32V0C5416芯片包含兩個(gè)多通道緩沖串行口，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中兩個(gè)串行口分別接 DA和 AD芯片。 McBSP通過(guò)一系列存儲(chǔ)器映射控制寄存器來(lái)進(jìn)行配置和操作。為了是 McBSP 接口工作在所希望的模式下，必須在初始化時(shí)多相關(guān)寄存器進(jìn)行正確的配置。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 數(shù)字濾波器 程序設(shè)計(jì)流程 程序流程圖如圖 41所示。 采用間接尋址指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元 , 主要指令為加法、乘法和循環(huán)實(shí)現(xiàn) , 這些都可以通過(guò) MAC 等指令直接實(shí)現(xiàn)。需注意的 是要對(duì)乘法運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行溢出保護(hù)。另外 , 因?yàn)橹鞒绦蚩蚣懿捎?C 結(jié)構(gòu) , 所以要注意不同環(huán)境下尋址方式的區(qū)別 , 當(dāng)從 C 環(huán)境進(jìn)入直接尋址時(shí) , 要先確定 DP 值 ,以免帶來(lái)不確定的計(jì)算結(jié)果。數(shù)據(jù)采集時(shí)要先通過(guò) DSP的 DMA 功能將輸入數(shù)據(jù)保存在外部 SRAM 中 , 采樣結(jié)束后再將要濾波的數(shù)據(jù)通過(guò) DMA 載入內(nèi)部 RAM 中 , 從而提高處理速度。考慮到 IIR 數(shù)字濾波器的運(yùn)算特點(diǎn) ,某一時(shí)刻的輸入數(shù)據(jù)參加一次運(yùn)算后不再參與下次運(yùn)算 , 只有各級(jí)濾波器輸出結(jié)果需要參與多次運(yùn)算 , 因此濾波結(jié)果和輸入數(shù)據(jù)可以共用同一存儲(chǔ)地址 , 從 而節(jié)省存儲(chǔ)空間。 除此之處，還要注意以下問(wèn)題： (1) IIR數(shù)字濾波器是針對(duì)采樣率固定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，更改系統(tǒng)或系統(tǒng)采樣率改變時(shí)應(yīng)重新設(shè)計(jì)。 (2) 用到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，程序開(kāi)始時(shí)應(yīng)對(duì)這些單元進(jìn)行初始化。如果要進(jìn)行連續(xù)濾波，應(yīng)保存上一次濾波的結(jié)果。 (3) IIR數(shù)字濾波器的濾波結(jié)果會(huì)引起相位的延遲，故對(duì)相位嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，需加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行較正，或選用 FIR濾波器實(shí)現(xiàn)濾波功能。 在 CCS軟件環(huán)境下編寫(xiě)實(shí)現(xiàn) IIR濾波器 的程序 命名為 “ ” （見(jiàn)附錄一）和鏈接命令文件“ ”（見(jiàn)附錄二）。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 開(kāi)始輸入低通濾波器各頻率參數(shù)構(gòu)造濾波器頻域特性波形調(diào)用低通濾波器設(shè)計(jì)子程序完成濾波器a和 b參 數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)用濾波器濾波子程序?qū)斎胄盘?hào)循環(huán)執(zhí)行濾波結(jié)束 圖 41 程序設(shè)計(jì)流程圖 IIR數(shù)字濾波器在 DSP上的實(shí)現(xiàn) 圖 42 為 IIR 濾波器 實(shí)現(xiàn)的電路方框圖，其核心部分為 TI 公司生產(chǎn)的 DSP 芯片TMS320C5416， E2PROM和 RAM 是其外圍電路。 DSP送給 A/D抽樣時(shí)鐘，對(duì)輸入的模擬信號(hào)抽樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成 數(shù)字信號(hào)，然后由 CPLD提供時(shí)序，讀取每次的抽樣信號(hào)，送到 DSP中進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，最后仍由按照 CPLD提供的時(shí)序?qū)⑦\(yùn)算結(jié)果送到 D/A中 ， 由 D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。 圖 42 IIR 濾波器實(shí)現(xiàn)的電路方框圖 采用兩路正弦波信號(hào)的混疊信號(hào)作為輸入信號(hào) ；低頻正弦波信號(hào)：幅度 5V，頻率CPLDD S PTMS320C5416A/DE 2 PROMD/AROM 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 20KHz；高頻正弦波信號(hào)：幅度 ，頻率 70KHz。 在 ，加載 “ ” ，在中程序 flag=0 處設(shè)置斷點(diǎn)，單擊“ Run”運(yùn)行程序，程序?qū)⑦\(yùn)行至斷點(diǎn)處停止。 用 View/Graph/Time/Frequency 打開(kāi)一個(gè)圖形觀察窗口 （如圖 43 所示） ；采用雙綜觀察在起始地址分別為 x和 y，長(zhǎng) 度為 256的單元中數(shù)值的變化，數(shù)值類(lèi)型為 32 位浮點(diǎn)型變量，這兩個(gè)數(shù)組分別存放的是經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換的混疊信號(hào)和對(duì)該信號(hào)進(jìn)行 IIR 低通濾波后的輸出信號(hào)（如圖 44所示） 。 圖 43 圖形編輯窗口 圖 44 濾波前 、 后 信號(hào)的波形 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 5 總結(jié) 通過(guò)對(duì)數(shù)字濾波器的理論研究、 MATLAB 軟件在數(shù)字信號(hào)處理的研究、對(duì) DSP 技術(shù)的學(xué)習(xí)和研究，本課題最終 完成的主要成果具體如下： 研究了數(shù)字濾波器的 理論知識(shí)， 為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ) 。 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間摸索學(xué)會(huì)了 MATLAB 軟件在數(shù)字 信號(hào)處理，尤其是 IIR 數(shù)字濾波器處理中的應(yīng)用，并利用所學(xué)完成了一個(gè)低通 IIR 數(shù)字濾波器和一個(gè)帶通 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和仿真。 研究了 TI 公司 TMS320VC5416 數(shù)字信號(hào)處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及片上資源， 以及 TI 公司DSP系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具的應(yīng)用，結(jié)合平時(shí)積累的 系統(tǒng)程序 調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有資源對(duì) 一個(gè)IIR低通濾波器 的設(shè)計(jì)實(shí)例 進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)試，使得軟件程序能在硬件平臺(tái)上得以穩(wěn)定的運(yùn)行。 由于本人的時(shí)間和能力有限，文中難免有不足之處，誠(chéng)懇希望各位老師 批評(píng)指正。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 參考文獻(xiàn) [1] 王世 一 ，數(shù) 字信號(hào)處理 ,北京： 北京理工大學(xué)出版社 ， 1997 年 12 月第二版 [2] 丁玉美，高西全 ，數(shù)字信號(hào)處理，西安：西安電子科技大學(xué)出版社， [3] 汪安民，《 TMS320C54XX DSP 實(shí)用技術(shù)》， 北京： 清華大學(xué)出版社， [4] 程佩青，《數(shù)字信號(hào)處理教程》， 北京： 清華大學(xué)出版社， [5] 胡廣書(shū)，數(shù)字信號(hào)處理、理論、算法與實(shí)現(xiàn)，北京：清華大學(xué)出版社， 1997 [6] 蔣志凱，數(shù)字濾波器與卡爾曼濾波，北京 ： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社， 1993 [7] 樓順天，李博菡，基于 MATLAB 的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 信號(hào)處理，西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 1998 [8] 李海濤，鄧櫻， MATLAB 程序設(shè)計(jì)課程，北京： 高等教育出版社， [9] 郭仕劍，王寶順，賀志國(guó)，楊可心等， 數(shù)字信號(hào)處理，北京：人民郵電出版社， [10] 鄒彥， DSP 原理與應(yīng)用，北京：電子工業(yè)出版社， [11] 常華，袁剛，常敏嘉，仿真軟件教程 Multisim 和 MATLAB，北京：清華大學(xué)出版社， [12] 彭啟宗，管慶等 ,DSP 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 — CCS 及 DSP/BIOS 的原理與應(yīng)用 ,北京 ： 電子 工 業(yè)出版社， [13] 戴明禎，周建江， TMs320C54xDSP 結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用 ， 北京 ： 北京航空航天大學(xué)出版社， [14] 劉敏等 ,MATLAB 通信仿真與應(yīng)用 ， 北京 ： 北京國(guó)防 t 業(yè)出版社 ， 2022 [15] 張志涌，精通 MATLAB，北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2022 [16] 陳桂明，應(yīng)用 MATLAB 語(yǔ)言處理數(shù)字信號(hào)與數(shù)字圖象，北京：科學(xué)出版社， 2022 [17] 管致中，夏恭格，信號(hào)與線性系統(tǒng)，北京：高等教育出版社， 1992 年 10 月第三版 [18] 李昌立，李雙田， DSP 的發(fā)展概況和應(yīng)用前景，中興新通信， [19] 劉和平 ， TMS320LF240x DSP C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)應(yīng)用 ， 北京 ： 北京航空航天大學(xué)出版社 ， 2022 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 致 謝 近四年的大學(xué)生活即將結(jié)束，在此期間得到了很多老師和同學(xué)的關(guān)心與支持，借此機(jī)會(huì)向所有他們表示忠心的感謝 ! 謹(jǐn)向長(zhǎng)春工程學(xué)院電子信號(hào)工程系教研室在我攻讀大學(xué)學(xué)習(xí)期間給予我?guī)椭完P(guān)懷表示最真摯的感謝！ 在此，特向 倪虹霞老師表示衷心的感謝！在學(xué)習(xí)和生活上給予我許多的關(guān)懷和幫助，謝謝您！對(duì)我給予了無(wú)微不至的 關(guān)懷，尤其是遇到問(wèn)題時(shí)，老師給予了極大的幫助。 最后，還要感謝在百忙之中抽出時(shí)間審閱本文的專(zhuān)家和評(píng)委們，謝謝你們！ 劉峰 2022年 6月 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 附錄一 ： pragma CODE_SECTION(ve