【導(dǎo)讀】數(shù)字通信、譜分析、模式識別、自動控制等領(lǐng)域。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理中最重要的。組成部分之一，幾乎出現(xiàn)在所有的數(shù)字信號處理系統(tǒng)中。數(shù)字濾波器是指完成信號濾波處。取樣和量化的）數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過變換的另一組數(shù)字量。相對于模擬濾波器，數(shù)字濾?？梢赃_(dá)到很高，容易集成等，這些優(yōu)勢決定了數(shù)字濾波器的應(yīng)用越來越廣泛。的硬件實現(xiàn)提供了更多的選擇。本課題主要應(yīng)用MATLAB軟件設(shè)計IIR數(shù)字濾波器，并對所設(shè)計的濾波器進(jìn)行仿真；應(yīng)用DSP集成開發(fā)環(huán)境一CCS調(diào)試匯編程序，用TMS320LF2407A來實現(xiàn)IIR數(shù)字濾波。處理后的結(jié)果和MATLAB上仿真的結(jié)果相近，說明這次設(shè)計還是很成功的。

　　

【正文】 3．按用途分 按照 DSP 的用途來分，可分為通用型 DSP 芯片和專用型 DSP 芯片。通用型 DSP芯片適合普通的 DSP 應(yīng)用，如 TI 公司的一系列 DSP 芯片屬于通用型 DSP 芯片。專用 DSP 芯片是為特定的 DSP 運算而設(shè)計的，更適合特殊的運算，如數(shù)字濾波、卷積和 FFT，如 Motorola 公司的 DSP56200， Zoran 公司的 ZR34881， Inmos 公司的 IMSA100等就屬于專用型 DSP 芯片。 DSP 芯片 性能 ? DSP 芯 片的運算速度 ? 指令周期：即執(zhí)行一條指令所需的時間 ? TMS320LF2407 A， 40MHz， 10ns ? MAC時間：即一次乘法加上一次加法的時間 ? 大部分 DSP 芯片在一個指令周期完成 ? FFT執(zhí)行時間：即運行一個 N 點 FFT 程序所需的時間 ? 衡量 DSP 運算能力的一個指標(biāo) ? MIPS：即每秒執(zhí)行百萬條指令 ， TMS320LF2407 A， 40MIPS ? MOPS：即每秒執(zhí)行百萬次操作 ? MFLOPS：即每秒執(zhí)行百萬次浮點操作 ? BOPS：即每秒執(zhí)行十億次操作 ? DSP 芯片的價格 ? DSP 芯片的硬件資源 ? 片內(nèi) RAM， ROM，外擴空間， I/O 接口 … ? DSP 芯片的運算精度 ，一般 16，有些 24 ? DSP 芯片的開發(fā)工具 ? DSP 芯片的功耗 ? 其他：選擇 DSP 芯片還應(yīng)考慮到封裝的形式（ DIP、 PGA、 PLCC、 PQFP）、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、供貨情況、生命周期等 DSP 芯片的應(yīng)用 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 21 DSP 系統(tǒng)構(gòu)成 一個典型的 DSP 系統(tǒng)應(yīng)包括抗混疊濾波器、數(shù)據(jù)采集 A/D 轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器DSP、 D/A 轉(zhuǎn)換器和低通濾波器等。 DSP 系統(tǒng)的工作過程： (1) 將輸入信號 x(t)經(jīng)過抗混疊濾波，濾掉高于折疊頻率的分量，以防止信號頻譜的混疊。 (2) 經(jīng)過采樣和 A/D 轉(zhuǎn)換器，將濾波后的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 x(n)。 (3) 數(shù)字信號處理器對 x(n)進(jìn)行處理，得數(shù)字信號 y(n)。 (4) 經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器，將 y(n)轉(zhuǎn)換成模擬信號； (5) 經(jīng)低通濾波器，濾除高頻分量，得到平滑的模擬信號 y(t)。 本章小結(jié) 本 章主要介紹 DSP 芯片，主要包括 DSP 芯片的概念、 DSP 芯片的主要特點、 DSP 芯片的優(yōu)缺點以及 DSP 芯片的分類。再介紹 DSP 芯片的性能和應(yīng)用，最后介紹了一個 DSP系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。這樣就對 DSP 芯片有了一個系統(tǒng)的了解，在設(shè)計算法時，可以根據(jù)對DSP 芯片的了解來選擇定時器，計算周期等。 吳春輝：基于 DSP 的 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計 22 5 在 DSP 上的實現(xiàn) CCS 軟件簡介 CCS 是一種針對 TMS320 系列 DSP 的集成開發(fā)環(huán)境 ,在 Windows 操作系統(tǒng)下，采用圖形接口界面，提供有環(huán)境配置、源文件編輯、程序調(diào)試、跟蹤和分析等工具。 CCS 有兩種工作模式 ，即軟件仿真器模式：可以脫離 DSP 芯片，在 PC 機上模擬 DSP的指令集和工作機制，主要用于前期算法實現(xiàn)和調(diào)試。硬件在線編程模式：可以實時運行在 DSP 芯片上 ,與硬件開發(fā)板相結(jié)合在線編程和調(diào)試應(yīng)用程序。 CCS 的開發(fā)系統(tǒng)主要由以下組件構(gòu)成： TMS320C54x 集成代碼產(chǎn)生工具； CCS 集成開發(fā)環(huán)境； DSP/BIOS 實時內(nèi)核插件及其應(yīng)用程序接口 API；實時數(shù)據(jù)交換的 RTDX 插件以及相應(yīng)的程序接口 API；由 TI 公司以外的第三方提供的各種應(yīng)用模塊插件。 CCS 的功能十分強大，它集成了代碼的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試 等諸多功能，而且支持 C/C++和匯編的混合編程，其主要功能：具有集成可視化代碼編輯界面，用戶可通過其界面直接編寫 C、匯編、 .cmd 文件等；含有集成代碼生成工具，包括匯編器、優(yōu)化 C 編譯器、鏈接器等，將代碼的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試等諸多功能集成到一個軟件環(huán)境中；高性能編輯器支持匯編文件的動態(tài)語法加亮顯示，使用戶很容易閱讀代碼，發(fā)現(xiàn)語法錯誤； 工程項目管理工具可對用戶程序?qū)嵭许椖抗芾?。在生成目?biāo)程序和程序庫的過程中，建立不同程序的跟蹤信息，通過跟蹤信息對不同的程序進(jìn)行分類管理；基本調(diào)試工具具有裝入執(zhí)行代碼、查看寄 存器、存儲器、反匯編、變量窗口等功能，并支持 C 源代碼級調(diào)試； 斷點工具，能在調(diào)試程序的過程中，完成硬件斷點、軟件斷點和條件斷點的設(shè)置；探測點工具，可用于算法的仿真，數(shù)據(jù)的實時監(jiān)視等；分析工具，包括模擬器和仿真器分析，可用于模擬和監(jiān)視硬件的功能 ??2 。 對 DSP 工程應(yīng)用的開發(fā)者來說，要想縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)難度，就必須有一套完整的軟硬件開發(fā)工具，構(gòu)成其高效的開發(fā)平臺。實驗開發(fā)板是一個比較好的選擇，其結(jié)構(gòu)框圖如圖，由于 F2407 要 求 ?？捎?20MHZ 外部四腳有源晶振或 10MHZ 經(jīng)鎖相環(huán) 4倍頻至 40mhz. 在線調(diào)試與仿真通過 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)測試接口及相應(yīng)的控制器，從而不但能控制和觀察系統(tǒng)中處理器的運行，測試每一塊芯片，還可以用此接口下載程序。在 TMS320 系列中，與JTAG 測試端口同時工作的還有一個分析模塊，他支持?jǐn)帱c的設(shè)置和程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器及 DMA 的訪問，程序單布運行和跟蹤以及程序的分支和外部中斷的計數(shù)等。通過結(jié)合 TI 公司的集成開發(fā)環(huán)境（ ）給我們學(xué)習(xí)和應(yīng)用 DSP 提供了很大方便 ??3 。 CCS 集成環(huán)境和主要菜單 集成調(diào)試不能直接將匯編源代碼或 C 語言源代碼文件 BUILD 生成 DSP 可執(zhí)行代碼。必須使用項目 PROJECT 來管理整個設(shè)計和調(diào)試過程。項目文件保存時為 *.PJT 文件。PROJECT 菜單中主要有以下命令： PROJECT/NEW 新建一個項目，將該項目保存至新建項目文件夾中， PROJECT/OPEN 打開一個已有的項目。 PROJECT/ADD FILE TO PROJECT 將文件加載到該項目中。 項目中可以加入的文件的擴展有： *.C 源程序文件， *.ASM 匯編源程序文件， *.OBJ 目標(biāo)文件， *.LIB 庫文件，*.CMD 鏈接命令文件。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 23 設(shè)計過程中，我們可以通過 View 菜單，選擇各種工具欄，窗口和對話框是否打開，其中 view 菜單中比較重要的命令有 view/watch windou，在 watch windou 中可以觀察調(diào)試過程中的變量， C 語言表達(dá)式，地址和寄存器的值。同時還可以選擇 VIEW/GRAPH/TIME FREQUENCE 更直觀的觀察數(shù)據(jù)，在彈出的 Graph property dialog對話框中，將 Graph Title，Start Address， acquisition buffer size， display date size， dsp date type 根據(jù)具體需要進(jìn)行設(shè)置。 在 CCS 集成開發(fā)環(huán)境中，常用的工作窗口有 file 窗口， disassembly（反匯編程序）窗口， cpu 寄存器窗口以及 watch 觀察窗口等。根據(jù)用戶需要，用戶可對這些窗口分別打開，關(guān)閉，調(diào)整大小，移動和瀏覽窗口的內(nèi)容等。其中在 file 窗口中包括當(dāng)前系統(tǒng)用到的 gel文件和項目。通常在 gel 文件中包括缺省的 文件。在項目中包括用戶用到的頭文件，用 include 定義的引用文件和用戶建立或添加的 c 源程序 *.c，匯編源程序文件 *.asm，目標(biāo)文件 *.obj，庫文件 *.lib 和鏈接命令文件 *.cmd。把鼠標(biāo)移到相應(yīng)的 *.pjt 文件夾處，單吉右鍵，可以從彈出的快捷菜單中選擇 add file to project 選項，選擇添加適當(dāng)?shù)奈募Ｈ绻麆h除文件，則把鼠標(biāo)移到相應(yīng)的文件處，單吉右鍵，從彈出的快捷菜單選擇 remove from project 選項 ??2 。 在 DSP 上編程實現(xiàn) 前面經(jīng)過一系列的 MATLAB 的設(shè)計，可以清楚的知道這個濾波器是可以實現(xiàn)的，我們在 CCS 上實現(xiàn)的算法就是實現(xiàn)一個差分方程，其中差分方程里頭有 4 個系數(shù)，分別是 a,b,x,y，因此我們在 CCS 編程中要注意這 4 個數(shù)據(jù)的來源，并且給他們相應(yīng)的空間。在前面的 MATLAB 仿真中我們知道我們設(shè)計的是 3 階的橢圓濾波器，并且在執(zhí)行中生成了相應(yīng)的 a,b 的系數(shù) ，也編寫了 MATLAB 上的算法程序。那么只要將算法移植到 CCS 上 ??3 ，調(diào)試就可以了，程序流程圖如圖 51 所示： 開 始關(guān) 中 斷系 統(tǒng) 初 始 化A/D初 始 化啟 動 定 時 器 ， 觸 發(fā) A/D轉(zhuǎn) 換等 中 斷 中斷入口讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)送A/D轉(zhuǎn)換復(fù)位排序開中斷中返回 主程序 中斷服務(wù)程序 圖 51 編程流程圖 吳春輝：基于 DSP 的 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計 24 根 據(jù) 編 程 流 程 圖 進(jìn) 行 程 序 編 寫 ， 經(jīng) 調(diào) 試 無 誤 后 ， 用 CSS 軟 件 仿 真 并 用VIEW/GRAPH/TIME FREQUENCE 窗口觀察， 調(diào)節(jié)輸入信號的頻率，觀察結(jié)果。 輸入信號頻率為 50Hz 時的執(zhí)行結(jié)果如圖 52 所示： 圖 52 50Hz輸入執(zhí)行結(jié)果 輸入信號頻率為 90Hz 時的執(zhí)行結(jié)果如圖 53 所示： 圖 53 90Hz輸入執(zhí)行結(jié)果 輸入信號頻率為 400Hz 時的執(zhí)行結(jié)果如圖 54 所示： 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 25 圖 54 400Hz輸入執(zhí)行結(jié)果 通 過 DSP 處理 后 ，用 D/A 將數(shù)字信號轉(zhuǎn) 換 成模擬信號送 示波器，通過 調(diào)節(jié) 輸入不同頻率的正弦信號， 觀察 其輸出信號 的峰峰值 與平均值。 輸入正弦信號的峰峰值為 ，頻率為 100Hz 時，其輸入信號和 DA 輸出信號如圖55 所示，圖中示波器上半面的信號為輸入信號，下半面的信號為 DA 輸出。 圖 55 100Hz輸入與 DA輸出 輸入正弦信號的峰峰值為 ，頻率為 400Hz 時，其輸入信號和 DA 輸出信號如圖 56吳春輝：基于 DSP 的 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計 26 所示，圖中示波器上半面的信號為輸入信號，下半面的信號為 DA 輸出 圖 55 400Hz輸入與 DA輸出 各頻率輸入信號峰峰值和平均值對應(yīng)和對應(yīng)的輸出信號峰峰值和平均值如表 51 所示： 表 51 iir濾波器其不同頻率其峰值和平均值 對比以上執(zhí)行結(jié)果可以很清晰的發(fā)現(xiàn)：所設(shè)計的濾波器對 200Hz 以下的低頻率信號的衰減輸入信號 輸出信號 輸入頻率 峰峰值 平均值 輸出頻率 峰峰值 平均值 20Hz 20Hz 35Hz 35Hz 45Hz 45Hz 60Hz 60Hz 70Hz 70Hz 80Hz 80Hz 100Hz 100Hz 120Hz 120Hz 140Hz 140Hz 200Hz 200Hz 250Hz 250Hz 400mv 300Hz 300Hz 240mv 400Hz 400Hz 400mv 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 27 很微弱，而對 200Hz 以上的高頻率信號卻能起到很好的濾除效果，到了 300Hz、 400Hz 幾乎就衰減到零了。與 MATLAB 仿真時的結(jié)果相差無幾，與幅頻特性曲線雖然有點差別，但是總體來說此次濾波器設(shè)計是成功的。 本章小結(jié) 本章首先系統(tǒng)地介紹了 CCS 軟件，之后又介紹了 CCS 軟件中的主要文件和常用的窗口。在介紹了 CCS 之后，主要講述在 DSP 上實現(xiàn) IIR 數(shù)字濾波器，首先介紹程序流程圖，并根據(jù)編程流程圖編寫了程序，在經(jīng) CCS 軟件仿 真并觀察結(jié)果，同時就 DSP 處理的數(shù)據(jù)經(jīng) DA 轉(zhuǎn)換后送示波器觀察，記錄數(shù)據(jù)并分析了各圖與數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn) CCS 上的結(jié)果去MATLAB 上的結(jié)果相近。最后得出結(jié)論： IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計是成功的。 吳春輝：基于 DSP 的 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計 28 總結(jié) 數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理領(lǐng)域的重點內(nèi)容，應(yīng)用非常廣泛，幾乎任何信號處理系統(tǒng)都涉及到各種各樣的濾波。 IIR 數(shù)字濾波器能以較少的階數(shù)實現(xiàn)較好的濾波性能，應(yīng)用較多。在本次設(shè)計中，主要的任務(wù)是完成數(shù)字濾波器算法的設(shè)計，在設(shè)計濾波器算法的過程中，充分利用 MATLAB 的強大運算能力，分析選擇模擬濾波器原型，計算數(shù)字濾波器系數(shù)，仿真 濾波器效果，這些都是對 MATLAB 的充分利用。由于 MATLAB 上的算法不能直接在 CCS 上實現(xiàn)，所以，要將算法改寫成 CCS 能夠識別的 C 語言程序。還要和 AD 轉(zhuǎn)換程序、 DA 轉(zhuǎn)換程序結(jié)合起來，完成整體算法