【正文】 在 DSP 上的實現(xiàn) IIR數(shù)字濾波器 在 DSP 上的實現(xiàn)步驟和條件 IIR數(shù)字濾波器在 DSP上的設計過程如下： (1)根據(jù)指標確定濾波器的類型，設計出濾波器的參數(shù)； (2)根據(jù) DSP的 特點（字長、精度等）對參數(shù)進行取舍、量化，然后進行仿真； (3)根據(jù)仿真結果對濾波器的結構、參數(shù)再次進行調(diào)整 ,直到滿足要求為止； (4)在 DSP上用語言實現(xiàn)濾波器功能。 定點 DSP 芯片，既可以做定點運算，也可以做浮點運算。一個算法，既可以用匯編語言編程實現(xiàn)，也可以用高級語言（ C， C++）實現(xiàn)。而一個 IIR 數(shù)字濾波器是否可以在 DSP 上實現(xiàn)，最終要看此算法是否滿足兩個條件：執(zhí)行時間和精度。一個算法的精度再高，如果做不到實時，也沒有實用價值；相反，如果執(zhí)行時間很快，但精度滿足不了要求，也就無從 實現(xiàn)濾波功能。 IIR數(shù)字濾波器在 DSP上的實現(xiàn)思路，應該是在滿足上面兩個條件的前提下，找到盡可能簡易的實現(xiàn)方法。 IIR數(shù)字濾波器在 TMS320VC5416 DSP上的實現(xiàn)過程 借助于計算機強大的仿真功能，在 MATLAB環(huán)境下設計一個 IIR數(shù)字濾波器變得十分容易。但是要在 DSP 上實現(xiàn) 此濾波器 功能， 則需要對濾波器的結構 、系數(shù) 等 參數(shù)進行改進。 下面以一個低通 IIR數(shù)字濾波器在 DSP芯片 TMS320VC5416上的實現(xiàn)為例，敘述其實現(xiàn)過程。 TMS320VC5416 是 DSP 芯片的主要供應商 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 DSP，最高運算速度可達 160MIPS，內(nèi)帶 256KB的 RAM，有 128KB的數(shù)據(jù)空間，最大程序容量高達 16MB，有 3 個 McBSP 和 6 個 DMA 通道并且支持外部 DMA， 內(nèi)核電壓低至 。其 CPU 由于運算速度快、內(nèi)部資源充足、接口靈活、功耗低，非常適合做復雜算法運算。 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模型設計時階數(shù)為 3 階 。從理論上說，可以用高階 IIR 數(shù)字濾波器實現(xiàn)良好的濾波效果。但由于 DSP本身有限字長和精度的因素， 加上 IIR濾波器在結構上存在反饋回路， 是遞歸型的，再者高階濾波器參數(shù)的動態(tài)范圍大。 這樣導致算法無法在 DSP 上實現(xiàn)。 解決此問題的有效方法是把高階 IIR數(shù)字濾波器簡化成幾個 2階濾波器來設計，即采用級聯(lián)結構。 長春工程學院畢業(yè)設計（論文） 31 TMS320VC5416是 16位 DSP。在 CCS下，它的浮點數(shù)格式占用兩個字，即 CCS的數(shù)據(jù)輸入輸出功能和 RTDX功能，可以隨時觀察 DSP 結果和理論仿真 結果之間的差異，及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的溢出和計算誤差。 系統(tǒng)初始化程序設計 在 DSP進行數(shù)字濾波運算前 必須進行一些初始化程序。 在本系統(tǒng)中初始化程序主要 包括：DSP芯片的初始化 、 矢量表初始和兩個串行端口的初始化。 DSP5416共有三個控制和狀態(tài)寄存器，對 CPU的控制是通過 CPU狀態(tài)和控制寄存器來完成的。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 包含存儲器設置狀態(tài)和控制信息。 由于這些寄存器是存 儲器映像， 所以 像對 數(shù)據(jù)存儲器操作那樣對它們進行讀出和寫入 。在調(diào)用子程序或中斷 服務子程序時 ， 可以將它們保存下來，返回時再恢復。 DSP芯片的初始化是設定 DSP芯片工作狀態(tài)的重要步驟，只 有正確 進行 DSP芯片 的初始化，才能保證芯片的正確運行。 在調(diào)試軟件的過程中， 如果發(fā)現(xiàn)程序運行不正確，應首先查看芯片各寄存器的初始化狀態(tài) 設置是否正確， 然后 再 調(diào)試 用戶程序，否則就會降低調(diào)試效率。TMS320VC5416 芯片 加點復位之后處于 預先設定狀態(tài)，無論是狀態(tài)寄存器還是控制寄存器都有一個確定 的數(shù)值。 對寄存器進行初始化主要包括 ：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和時鐘模式寄存器 CLKMD。 中斷矢量表是每個 DSP 系統(tǒng)必須用到的，對中斷矢量表進行初始化是 DSP 初始化的一個重要的組成部分，正確設置中斷矢量包括 : (l) 根據(jù) DSP芯片對各中斷矢量的設置位置編寫一個子程序。在 TMS32OVC5402 中，要求每個中斷矢量占 4個字，如果跳轉(zhuǎn)指令不夠 4個字，可用 NOP指令填充，每個 NOP占一 個字； (2) 設置 PMST控制寄存器。該寄存器的高 9位是 IPTR，用于設置矢量 表的起始地址； (3) 連接時將矢量表重定位到 IPTR指定的地址。 TMS32V0C5416芯片包含兩個多通道緩沖串行口，在本系統(tǒng)的設計中兩個串行口分別接 DA和 AD芯片。 McBSP通過一系列存儲器映射控制寄存器來進行配置和操作。為了是 McBSP 接口工作在所希望的模式下，必須在初始化時多相關寄存器進行正確的配置。 長春工程學院畢業(yè)設計（論文） 32 數(shù)字濾波器 程序設計流程 程序流程圖如圖 41所示。 采用間接尋址指向數(shù)據(jù)存儲單元 , 主要指令為加法、乘法和循環(huán)實現(xiàn) , 這些都可以通過 MAC 等指令直接實現(xiàn)。需注意的 是要對乘法運算結果進行溢出保護。另外 , 因為主程序框架采用 C 結構 , 所以要注意不同環(huán)境下尋址方式的區(qū)別 , 當從 C 環(huán)境進入直接尋址時 , 要先確定 DP 值 ,以免帶來不確定的計算結果。數(shù)據(jù)采集時要先通過 DSP的 DMA 功能將輸入數(shù)據(jù)保存在外部 SRAM 中 , 采樣結束后再將要濾波的數(shù)據(jù)通過 DMA 載入內(nèi)部 RAM 中 , 從而提高處理速度?？紤]到 IIR 數(shù)字濾波器的運算特點 ,某一時刻的輸入數(shù)據(jù)參加一次運算后不再參與下次運算 , 只有各級濾波器輸出結果需要參與多次運算 , 因此濾波結果和輸入數(shù)據(jù)可以共用同一存儲地址 , 從 而節(jié)省存儲空間。 除此之處，還要注意以下問題： (1) IIR數(shù)字濾波器是針對采樣率固定的系統(tǒng)設計的，更改系統(tǒng)或系統(tǒng)采樣率改變時應重新設計。 (2) 用到的數(shù)據(jù)存儲單元，程序開始時應對這些單元進行初始化。如果要進行連續(xù)濾波，應保存上一次濾波的結果。 (3) IIR數(shù)字濾波器的濾波結果會引起相位的延遲，故對相位嚴格要求的場合，需加全通網(wǎng)絡進行較正，或選用 FIR濾波器實現(xiàn)濾波功能。 在 CCS軟件環(huán)境下編寫實現(xiàn) IIR濾波器 的程序 命名為 “ ” （見附錄一）和鏈接命令文件“ ”（見附錄二）。 長春工程學院畢業(yè)設計（論文） 33 開始輸入低通濾波器各頻率參數(shù)構造濾波器頻域特性波形調(diào)用低通濾波器設計子程序完成濾波器a和 b參 數(shù)設計調(diào)用濾波器濾波子程序?qū)斎胄盘栄h(huán)執(zhí)行濾波結束 圖 41 程序設計流程圖 IIR數(shù)字濾波器在 DSP上的實現(xiàn) 圖 42 為 IIR 濾波器 實現(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抽樣時鐘，對輸入的模擬信號抽樣，將模擬信號轉(zhuǎn)換成 數(shù)字信號，然后由 CPLD提供時序，讀取每次的抽樣信號，送到 DSP中進行實時處理，最后仍由按照 CPLD提供的時序?qū)⑦\算結果送到 D/A中 ， 由 D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號。 圖 42 IIR 濾波器實現(xiàn)的電路方框圖 采用兩路正弦波信號的混疊信號作為輸入信號 ；低頻正弦波信號：幅度 5V，頻率CPLDD S PTMS320C5416A/DE 2 PROMD/AROM 長春工程學院畢業(yè)設計（論文） 34 20KHz；高頻正弦波信號：幅度 ，頻率 70KHz。 在 ，加載 “ ” ，在中程序 flag=0 處設置斷點，單擊“ Run”運行程序，程序?qū)⑦\行至斷點處停止。 用 View/Graph/Time/Frequency 打開一個圖形觀察窗口 （如圖 43 所示） ；采用雙綜觀察在起始地址分別為 x和 y，長 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)組分別存放的是經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換的混疊信號和對該信號進行 IIR 低通濾波后的輸出信號（如圖 44所示） 。 圖 43 圖形編輯窗口 圖 44 濾波前 、 后 信號的波形 長春工程學院畢業(yè)設計（論文） 35 5 總結 通過對數(shù)字濾波器的理論研究、 MATLAB 軟件在數(shù)字信號處理的研究、對 DSP 技術的學習和研究，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， 為系統(tǒng)整體設計奠定了理論基礎 。 經(jīng)過長時間摸索學會了 MATLAB 軟件在數(shù)字 信號處理，尤其是 IIR 數(shù)字濾波器處理中的應用，并利用所學完成了一個低通 IIR 數(shù)字濾波器和一個帶通 IIR 數(shù)字濾波器的設計和仿真。 研究了 TI 公司 TMS320VC5416 數(shù)字信號處理器的內(nèi)部結構及片上資源， 以及 TI 公司DSP系統(tǒng)開發(fā)工具的應用，結合平時積累的 系統(tǒng)程序 調(diào)試經(jīng)驗，利用實驗室的現(xiàn)有資源對 一個IIR低通濾波器 的設計實例 進行了長時間的調(diào)試，使得軟件程序能在硬件平臺上得以穩(wěn)定的運行。 由于本人的時間和能力有限，文中難免有不足之處，誠懇希望各位老師 批評指正。 長春工程學院畢業(yè)設計（論文） 36 參考文獻 [1] 王世 一 ，數(shù) 字信號處理 ,北京： 北京理工大學出版社 ， 1997 年 12 月第二版 [2] 丁玉美，高西全 ，數(shù)字信號處理，西安：西安電子科技大學出版社， [3] 汪安民，《 TMS320C54XX DSP 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倪虹霞老師表示衷心的感謝！在學習和生活上給予我許多的關懷和幫助，謝謝您！對我給予了無微不至的 關懷，尤其是遇到問題時，老師給予了極大的幫助。 最后，還要感謝在百忙之中抽出時間審閱本文的專家和評委們，謝謝你們！ 劉峰 2022年 6月 長春工程學院畢業(yè)設計（論文） 38 附錄一 ： pragma CODE_SECTION(ve