基于DSP/BIOS的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

　　數(shù)字信號處理器(DSP)擁有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力，與其配套的集成可視化開發(fā)環(huán)境CCS(Coder Composer Stu-dio)更方便了 DSP應(yīng)用程序的開發(fā)。DSP／BIOS是CCS的重要組成部分，它實(shí)質(zhì)上是一種基于DSP平臺的規(guī)模可控的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。這里主要研究在DSP上利用DSP，BIOS實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器的方法。

　　2 TMS320F2812及DSP/BIOS內(nèi)核介紹

　　TMS320F2812是基于TMS320C2XXX內(nèi)核的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，具有數(shù)字信號處理及強(qiáng)大的事件管理和嵌入式控制功能，適于有大批量數(shù)據(jù)處理的控制系統(tǒng)。其性能可用于數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)。

　　TMS320F2812采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，時(shí)鐘頻率達(dá)150 MHz；低功耗(內(nèi)核電壓1．9 V，I／O口電壓3．3 V)；采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，片上集成許多片上外設(shè)，可實(shí)現(xiàn)更多功能。開發(fā)環(huán)境是集成開發(fā)環(huán)境CCS，支持C／C++／匯編嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP／BIOS，JTAG調(diào)試接口。

　　DSP／BIOS內(nèi)核是一個尺寸可伸縮的實(shí)時(shí)內(nèi)核，它是為實(shí)時(shí)信號處理應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，主要包括：(1)DSP／BIOS配置工具。該工具可用來創(chuàng)建和配置在應(yīng)用程序中使用的DSP／BIOS內(nèi)核對象，也可使用該工具配置存儲器，線程優(yōu)先權(quán)以及中斷處理；(2)DSP／BIOS實(shí)時(shí)分析工具。CCS中的分析丁具使用戶可測試和分析目標(biāo)DSP上應(yīng)用程序的運(yùn)行，包括監(jiān)測CPU負(fù)荷、日志、線程執(zhí)行情況等；(3)DSP／BIOS API函數(shù)。用戶在PC端采用C、C++或匯編語言編寫調(diào)用DSP／BIOS API函數(shù)的應(yīng)用程序；(4)器件支持庫。提供許多宏和函數(shù)，用來簡化片上外設(shè)的配置和管理。

　　3 數(shù)字濾波器分析

　　數(shù)字濾波器根據(jù)沖激響應(yīng)持續(xù)時(shí)間可分為有限沖激響應(yīng)濾波器(FIR)和無限沖激響應(yīng)濾波器(IIR)。其中FIR濾波器能夠保證嚴(yán)格的線性相位特性，且不存在穩(wěn)定性問題。窗函數(shù)法和頻率采樣法等是設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器的常用方法。窗函數(shù)法在時(shí)域中進(jìn)行，其原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但存在在相同設(shè)計(jì)指標(biāo)下濾波器的階數(shù)通常會偏大的問題。頻率采樣法對于只有少數(shù)幾個非零值采樣的窄帶選頻濾波器較有效。這里分析如何在DSK2812板上利用CCS本身所帶的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一種通過窗函數(shù)法實(shí)現(xiàn)的FIR濾波器。FIR濾波器的各項(xiàng)指標(biāo)可以通過現(xiàn)有的表查找，其設(shè)計(jì)步驟如下：

　　(1)給定所要求的理想頻率響應(yīng)函數(shù)Hd(ejw)；(2)對理想頻率響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行反傅里葉變換，則得到系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)為：hd(n)=IDFTFT[Hd(ejw)]；(3)根據(jù)過渡帶及阻帶衰減最小的要求查表，可選定窗ω(n)的形狀及除數(shù)，N的大小，一般N的值要做幾次試探才能最終確定；(4)得到所設(shè)計(jì)的FIR濾波器的單位抽樣響應(yīng)(該響應(yīng)逼近理想)：h(n)=hd(n)ω(n)，n=0，1…，N-1；(5)求H(ejw)=DTFT[h(n)]，檢查是否滿足設(shè)計(jì)要求，若不滿足，則需重新按照上述步驟設(shè)計(jì)。

　　4 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)

　　要實(shí)現(xiàn)的低通FIR濾波器：通帶邊緣頻率ωp=10 kHz，阻帶邊緣頻率ωs=22 kHz，阻帶衰減δ2=75 dB，采樣頻率fs=50 kHz。根據(jù)對濾波器的分析可求得系統(tǒng)的差分方程。所求得的h(n)在程序設(shè)計(jì)過程中可用一個數(shù)組存放。X(n)是A／D轉(zhuǎn)換器采樣值。讓其逐項(xiàng)相加，再輸出即可。實(shí)現(xiàn)濾波器所采用的硬件平臺為DSK2812，實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

　　(1)啟動CCS，新建一個丁程，命名為FILTER。

　　(2)新建一個DSP／BIOS的配置文件，命名為Fiher．cmd，并將其加入該工程中。在配置文件中設(shè)置所用到的硬件中斷，它對應(yīng)A／D采樣的硬件中斷。還需設(shè)置一個軟件中斷，用來對A／D轉(zhuǎn)換模塊采集到的數(shù)據(jù)濾波。因?yàn)闉V波器處理數(shù)據(jù)需一定時(shí)間，所以將其放到軟件中斷中，通過BIOS的任務(wù)調(diào)度實(shí)現(xiàn)對信號的濾波。

　　(3)配置系統(tǒng)時(shí)鐘，系統(tǒng)有基于PLL的時(shí)鐘模塊，為器件及各種外設(shè)提供時(shí)鐘信號。在X1／XCLKIN和X2兩個引腳間連接一個30MHz的晶體振蕩器(可采用外部時(shí)鐘)，將輸入的時(shí)鐘信號直接接到X1／XCLKIN引腳，而X2引腳懸空，這種情況下，不使用內(nèi)部振蕩器。然后經(jīng)PLL倍頻后，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘。通過PLLCR寄存器的值可配置15~150 MHz的時(shí)鐘。則TMS320F2812得到SYSCLKOUT，通過配置高速外設(shè)時(shí)鐘HISPCP和慢速外設(shè)時(shí)鐘LOSPCP控制外設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的時(shí)鐘系統(tǒng)控制。這里設(shè)置系統(tǒng)的時(shí)鐘HSPCLK為150 MHz。

　　(4)數(shù)字濾波器通過EVA1模塊設(shè)置采樣頻率。首先將該模塊配置為連續(xù)增計(jì)數(shù)模式。當(dāng)周期寄存器和定時(shí)器的值相等時(shí)，產(chǎn)生一個外設(shè)中斷請求，選擇其啟動A／D轉(zhuǎn)換器，則在中斷標(biāo)志位置位的同時(shí)將A／D轉(zhuǎn)換啟動信號送至A／D轉(zhuǎn)換模塊。故只需配置定時(shí)器的周期值，便可改變A／D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率。濾波器的通用定時(shí)器采用內(nèi)部CPU時(shí)鐘(HSPCLK)作為時(shí)鐘源，而內(nèi)部時(shí)鐘源可通過時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)參數(shù)寄存器設(shè)置。這里設(shè)置的內(nèi)部高速外設(shè)時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘。

　　(5)A／D轉(zhuǎn)換模塊的配置。A／D轉(zhuǎn)換模塊的A／D轉(zhuǎn)換器有16個通道，可配置為2個獨(dú)立的8通道模塊，分別服務(wù)于事件管理器A和B。兩個獨(dú)立的8通道模塊也可級聯(lián)構(gòu)成一個16通道模塊。盡管在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中有多個輸入通道和兩個排序器，但僅有一個轉(zhuǎn)換器。將其配置為兩個獨(dú)立8通道模塊，讓EVA事件管理器A觸發(fā)A／D轉(zhuǎn)換器、信號從ADINAO引腳輸入，從ADCRESULTO結(jié)果寄存器中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

　　(6)處理采集到的數(shù)據(jù)，即是對采集的信號進(jìn)行濾波。首先根據(jù)信號通過濾波器設(shè)計(jì)過程進(jìn)行運(yùn)算，得到系統(tǒng)差分方程的系數(shù)，用一個數(shù)組存放該系數(shù)，以方便計(jì)算。主程序的數(shù)據(jù)采集即硬件中斷所要完成的工作。

　　為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)濾波器的濾波效果，將其應(yīng)用于某電路實(shí)驗(yàn)的實(shí)測信號濾波，濾波前后波形如圖2所示。由圖2可看出，濾波效果較好。

　　5 結(jié)論

　　所設(shè)計(jì)的濾波器濾波效果理想，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在DSP／BIOS多任務(wù)的調(diào)度下，不但可在濾波算法的基礎(chǔ)上添加新任務(wù)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)系統(tǒng)，而且還能較好地滿足需進(jìn)行濾波處理的系統(tǒng)開發(fā)。