【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(jié)果對濾波器的結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu) 、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(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(jié)構(gòu)。 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(jié)果和理論仿真 結(jié)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(jié)果進行溢出保護。另外 , 因為主程序框架采用 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(jié)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(jié)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(jié)果需要參與多次運算 , 因此濾波結(jié)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(jié)果。 (3) IIR數(shù)字濾波器的濾波結(jié)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(gòu)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(jié)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(jié)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(jié) 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(jié)構(gòu)及片上資源， 以及 TI 公司DSP系統(tǒng)開發(fā)工具的應用，結(jié)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 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近四年的大學生活即將結(jié)束，在此期間得到了很多老師和同學的關心與支持，借此機會向所有他們表示忠心的感謝 ! 謹向長春工程學院電子信號工程系教研室在我攻讀大學學習期間給予我?guī)椭完P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