【導(dǎo)讀】用DSP實(shí)現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器進(jìn)行了分析，采用脈沖響應(yīng)不變法和雙線形變換法。在此基礎(chǔ)上，用DSP虛擬實(shí)現(xiàn)任意階IIR數(shù)字濾波器。此設(shè)計(jì)擴(kuò)展性好，便于。調(diào)節(jié)濾波器的性能。然后用MATLAB計(jì)算出IIR數(shù)字濾波器的系數(shù)，考慮到溢。出問題采用級(jí)聯(lián)型對(duì)濾波器進(jìn)行分解，最后在TMS320VC5402DSP上得以實(shí)現(xiàn)，并通過CCS的輸入輸出功能和RTDX的功能保證實(shí)現(xiàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的一致性。采用改進(jìn)的哈弗結(jié)構(gòu)指令流水線操作。計(jì)算和處理速度極高，系統(tǒng)單指令周期可。在片內(nèi)提供16k的RAM用作程序和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，其最大可擴(kuò)展尋址空。C5402由于其高性能低價(jià)格而成為當(dāng)前語言和靜態(tài)圖像處。讀數(shù)可以同時(shí)進(jìn)行，目前已達(dá)到90億次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒。每條指令的執(zhí)行劃分為取指令、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行等，有一組或多組獨(dú)立的DMA總線，與CPU. 數(shù)字信號(hào)處理僅受到兩化誤差和有限字長(zhǎng)的影響，處理過程不引入其他噪聲，因此具有較高的信噪比。程是一個(gè)計(jì)算過程，它將輸入信號(hào)的序列數(shù)字按照預(yù)定的要求轉(zhuǎn)換成輸出數(shù)列。

　　

【正文】 met hod 選擇 iir but terwort h , filterorder 默認(rèn)為 minimum ,采樣頻率 f s 選擇 2020Hz ,fpass fpass2 分別選擇300Hz 和 700Hz ,f stop f stop2 分別選擇 100Hz、 900Hz ,astop astop2 選擇 60 和 apass 選擇 1。結(jié)果如圖 13 所示。 ③ 用 simulink 仿真 將上述設(shè)計(jì)的 fda 濾波器進(jìn)行仿真 ,首先按照?qǐng)D 14 所示搭建好仿真框圖 ,單擊三個(gè)數(shù)字信號(hào)源 , 采樣頻率 f requency 分別設(shè)置為 100、 500、 900Hz ,sampletime 為 fda 的 2020Hz , samples per time 采用每幀 1024 個(gè)樣本。之后我們可以通過觀察頻譜分析儀的波形來看看我們的設(shè)計(jì)效果。濾波前后頻譜分析儀顯示的結(jié)果如圖 1 16。從兩幅圖中我們可以看到頻率分別為 100 和900Hz 的信號(hào)已經(jīng)衰減了 60 倍達(dá)到了我們之前設(shè)置的 As 的要求 ,而 500Hz 的信號(hào)沒有變化 ,于是該設(shè)計(jì)滿足我們最初的 FDA 設(shè)計(jì) ,說明濾波的效果不錯(cuò)。 圖 13 用 fda 進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的結(jié)果 圖 14 濾波器對(duì)三個(gè)頻率信號(hào)濾波的仿 真 圖 15 濾波器前頻譜分析儀顯示結(jié)果 圖 16 濾波后頻譜分析儀顯示結(jié)果 30 二． 基于 C5402DSP 的實(shí)現(xiàn) 簡(jiǎn)介 CCS，即 Code Composer Studio，是 TI 公司在 1999 年推出的一個(gè)開放、具有強(qiáng)大集成開發(fā)環(huán)境。它最初是由 GO DSP 公司為 TI的 C6000 系列 DSP 開發(fā)的。在 TI 收購了 GO DSP 后，將 CCS 擴(kuò)展到了其它系列?，F(xiàn)在所有 TI 的 DSP 都可以使用 CCS 進(jìn)行開發(fā)，但是其中的 DSPBIOS 功能只有 C5000 和 C6000 的 CCS中才提供。 以前的 DSP 軟件開發(fā)都 是在一個(gè)分散的開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行，程序的編寫、代碼的生成以及調(diào)試等都是要通過命令來完成，類似于以前的 DOS，十分煩雜。而 CCS 的出現(xiàn)是 DSP開發(fā)軟件的一次革命性的變化。 CCS 主要由代碼生成工具、 CCS 集成開發(fā)環(huán)境、 DSPBIOS和 API 函數(shù)以及 RTDX 組成。 的特點(diǎn) 集成可視化代碼編輯界面，可以方便地直接編寫 C、匯編、 .h 文件、 .cmd 文件等。集成代碼生成工具，包括匯編器、優(yōu)化的 C 編譯器和連接器等。具有完整的基本調(diào)試工具，可以載入執(zhí)行文件 (.out)，查看寄存器窗口、存儲(chǔ)器窗口和變量窗口、反匯編窗口等 ，支持在 C 源代碼級(jí)進(jìn)行調(diào)試。支持多片 DSP 聯(lián)合調(diào)試。斷點(diǎn)工具，支持硬件斷點(diǎn)、數(shù)據(jù)空間讀 /寫斷點(diǎn)、條件斷點(diǎn)等。探針工具，用于進(jìn)行算法仿真，數(shù)據(jù)監(jiān)視等。剖析工具，用于評(píng)估代碼執(zhí)行的時(shí)間。數(shù)據(jù)圖形顯示工具，可繪制時(shí)域 /頻域波形、眼圖、星座圖等，并可以自動(dòng)刷新。提供 GEI 工具，用戶可以根據(jù)需要編寫自己的控制面板 /菜單，從而方 便直觀地修改變量，配置參數(shù)。 3. 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)過程如下 : (1)根據(jù)指標(biāo)確定濾波器的類型 , 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 ,直到滿足要求為止 。 (4)在 DSP 上用語言實(shí)現(xiàn)濾波器功能。 31 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 , 既可以用匯編語言編程實(shí)現(xiàn) , 也可以用高級(jí)語言 ( 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) , 也沒有實(shí)用價(jià)值 。 相反 , 如果執(zhí)行時(shí)間很快 , 但精度滿足不了要求 , 也就無從實(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。 數(shù)字濾波器在 TMS320VC5402 DSP 上的實(shí)現(xiàn)過程 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 [5]。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TMS320VC5402 上的實(shí)現(xiàn)為例 , 敘述其實(shí)現(xiàn)過程。 TMS320VC5402 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。 程序流程如圖 2。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 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) , 而算法由匯編語言實(shí)現(xiàn) , 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 ,以免帶來不確定的計(jì)算結(jié)果。數(shù)據(jù)采集時(shí)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(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。 32 軟件流程如下： 系統(tǒng)軟件框圖 中仿真的源程序 33 .data .include .include .include .include .global_c_int00 .def IIR_Start .def IIR_Middle .def IIR_degin .def IIR_last .def cofAfirst .def cofAlast .def cofBfirst .def FirstIn .def lastIn .text _c_int00 c28OBJ c28ADDR .c28_amode movl XAR6,IIR_Middle movl XAR7,cofAfirst movl XAR2,FirstIn 。movl XAR3,IIR_Middle movl XAR5,LastIn+1 mov @AR),511 mov @AR16 loop1: movl XAR7,cofAfirst nop nop ZAPA RPT 6 ||MAC P,*XAR6%++,*XAR7++ ADDL ACC,PPM mov *XAR5++,AH 。subb XAR3,1 。mov AL,*XaR3 。mov *XAR6,*XAR2++ mov *XAR6%++,AL BANZ loop,AR0 movl XAR6,IIR_last movl XAR7,cofBfirst 。 movl XAR2,LastIn+1 34 。movl XAR3,IIR_last movl XAR5,LastIn+1 mov 2AR0511 mov @AR1,6 mov AL,*XAR5 mov *XAR6,AL SPM4 loop:movl XAR7,3cofBfirst nop nop ZAPA RPT 6 ||MAC P,*XAR6%++,*XAR7++ ADDL ACC,PPM 。movl p,*XAR5++ add *XAR5++,AH 。mov *XAR5,AH 。subb XAR3,1 。mov AL,*XAR5 。mov *XAR6,AL mov AL,*XAR5 mov *XAR6%++,AL BANZ loop1,AR0 movl XAR7,cofBfirst IDLE MEMORY { PAGE 0:PROG(R) :origin=0x3E8000,length=0x10000 PAGE 1:RAM(RW):origin=0x000000,length=0x00800 } SECTIONS } .text:PROG,PAGE=0 .data:RAM,PAGE=1 } （圖 17 為輸入信號(hào)頻率、圖 18 為輸出信號(hào)頻率） 35 圖 17 輸入信號(hào)頻率 圖 18 輸出信號(hào)頻率 36 第五部分 TMS320C5402 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 一、 系統(tǒng)硬件組成 基于 TMS320C5402 最小系統(tǒng) 主要由時(shí)鐘及復(fù)位電路、 JTAG 仿真調(diào)試接口電路以及供電系統(tǒng)，外加看門狗電路等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如下： 最小系統(tǒng)框圖 二、各功能模塊設(shè)計(jì) 電源控制電路（系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)） TMS320VC5402 采用了雙電源供電機(jī)制，以獲得更好的電源性能，其工作電壓為 和 。其中， 主要為該器件的內(nèi)部邏輯提供電壓，包括 CPU和其他所有的外設(shè)邏輯。與 供電相比， 供電大大降低功耗。外部接口引腳仍然采用 電壓，便于直接與外部低壓器件接口，而無需額外的電平變換電路。 為 TPS73HD318 提供 5V 輸入，就可以得到輸出電壓分別為 ， ，每路的最大輸出電流為 750mA，并且提供 兩個(gè)寬度為 200ms 的低電平復(fù)位脈沖。[10] 37 用 7805 實(shí)現(xiàn)的 220v 轉(zhuǎn)換為 5v 的電路圖 電源控制電路圖 復(fù)位電路和看門狗電路設(shè)計(jì) 通過按鈕實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。當(dāng)按鈕按下時(shí)，將電容 C12 上的電荷通過按鈕串接的電阻 R3 釋放掉，使電容 C12 上的電壓降為 0。當(dāng)按鈕松開時(shí)，由于電容 C12上的電壓不能突變，所以通過電阻 R2 進(jìn)行充電，充電時(shí)間由 R2C12 的乘積值決定，一般要求大于 5個(gè)外部時(shí)鐘周期，可根據(jù)具體情況選擇。這樣就可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)按鈕復(fù)位。 看門狗電路起著監(jiān)視 DSP 動(dòng)作的作用。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中通過 I/O 輸出給看門狗的 輸入端 WDI 腳正脈沖，兩次脈沖時(shí)間間隔不大于 ，則WDO引腳永遠(yuǎn)為高電平，說明 DSP 程序執(zhí)行正常。但如果程序跑飛，就不可能按時(shí)通過 I/O 38 輸出發(fā)出正脈沖。當(dāng)兩次發(fā)出正脈沖的 時(shí)間間隔 大于 時(shí)，看門狗便使WDO置為低電平，將使系統(tǒng)復(fù)位。 兩模塊 的連接方式如圖所示。 復(fù)位電路圖 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 利用 DSP 芯片內(nèi)部的振蕩器構(gòu)成時(shí)鐘電路，在芯片的 Xl 和 X2/CLKIN 引腳之間接入一個(gè)晶體，用于啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器。 系統(tǒng)中采用外部時(shí)鐘 ,根據(jù)使用的晶振不同 ,采用的晶體振蕩起振電容也不同 ,這 里采用 10 MHz 晶振 ,起振電容選用 22 pF。系統(tǒng)中讓 DSP 工作在 20 MHz的頻率 ,因此根據(jù) 5402 的主時(shí)鐘配置規(guī)則 ,只要將 5402 的 CLKMD CLKMDCLKMD3 這 3個(gè)引腳分別選擇為高電平、低電平、低電平即可。 時(shí)鐘電路圖 JTAG 仿