基于TMS320X2812x的FIR数字滤波器设计

数字信号处理器（DSP）应用小论文题目：基于TMS320X2812x的FIR数字滤波器设计学院：机械工程及自动化学院专业：机械电子工程姓名：童俊海学号：140220029任课老师：倪霞林2014年5月21日基于TMS320X2812x的FIR数字滤波器设计1基于TMS320X2812x的FIR数字滤波器设计摘要：DSP技术一般指将DSP处理器用于完成数字信号处理的方法与技术。目前的DSP芯片以其强大的数据处理功能在通信和其他信号处理领域得到广泛注意并已成为开发应用的热点技术。美国德州仪器TI开发的DSP处理器芯片占据目前DSP市场50以上的份额。许多领域对于数字信号处理器的应用都是围绕美国德州仪器所开发的DSP处理器来进行的。DSP芯片是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速的实现各种数字信号处理算法，如卷积，相关以及各种变换等。其中:利用DSP来实现数字滤波器就是很重要的一种应用。本文深入研究基于美国仪器公司(TI)TMS3202812，DSP芯片的滤波器系统软件实现方法，由C语言编写。完成的主要工作如设计法实现FIR滤波器。和利用TI公司提供的CCS软件（CodeComposerStudio2.21）进行数字滤波器设计的方法,并给出在CCS软件中实现的滤波器设计实验波形。此设计法实现的滤波器不同的按键来实现不同的滤波功能。关键词：DSP;TMS3202812x;FIR滤波器;CCSABSTRACT:DSPtechnologymeansthetechnologytoaccomplishdigitalsignalprocessing.NowadaysDSParegettingmoreandmoreattentionsintheinformationfield,duetoitspowerfulsignalprocessingability,becomingahot-pointtechniqueincommunicationandotherrelatingsignalprocessingareas.DSPchipsproducedbyTI(TexasInstrument)hold50percentinwholeDSPmarket,manyapplicationsofdigitalsignalprocessingarecarriedoutaroundTIDSP.DSPchipisespeciallyfitfordigitalsignalprocessing,itsmainapplicationisrealizingallkindsofdigitalsignalprocessingarithmetic,suchasclovehitch,correlationallkindsoftransformsetc.RealizingdigitalfilterswithDSPisanimportantapplication.Thepaperdiscussesthefilter’ssoftwarerealizationbasedonTMS320C5402,andfinishedthehardwaresystemofnoise-restraining.ThearithmeticsystemwascompiledwithClanguage.ThemainworksaccomplishedtorealizingFIRfilterwithClanguage.AndusethesoftwareprovidedbyTICCS(CodeComposerStudio2.21)carriedoutamethodofdigitalfilterdesign,filterdesignandgivestheexperimentalwaveformsachievedinCCSsoftware.Thisdesignmethodtoachievedifferentkeysfilterstoachievedifferentfiltering.Keywords：DSP;TMS320C54x;FIRfilter;CCS（一）引言在数字信号处理中滤波占有极其重要的地位。数字滤波是语音和图象处理模式识别谱分析等应用中的一个基本的处理计术，与模拟滤波相比数字滤波具有很多突出的优点。它可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，可以避免模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。目前数字信号处理DSP应用系统的开发中,绝大部分都采用CCS环境,CCS是TI公司推出的功能强大的软件开发环境，现在该集成软件环境可以用于TI各系列DSP系统的软件程序开发。然而C语言编程本身固有的灵活性及其较强的可移植性极大的促进了DSP的开发速度,C语言是一种用于数值计算的高性能语言,集数值分析、矩阵运算、图形显示于一体。利用C语言的高效性及其灵活性的运算功能,辅助设计DSP应用程序,将大大缩减程序的开发时间。由于CCS集成可视化代码编辑界面，可以直接编写C/C＋＋、汇编、头文件以及CMD文件，集成了代码生成工具，包括汇编器、C编译器、C＋＋编译器和链接器。本文研究了在TMS320F2812DSP实验系统中利用CCS的可编写、编译、链接C语言功能,以FIR滤波器为例，设计了基于TMS320F2812DSP实验系统的数字滤波器。（二）FIR滤波器原理数字滤波器(DigitalFilter.简称DF)是数字信号处理的重要基础。在对信号的检测与参数的估计等信号处理中,数字滤波器是使用最为广泛的重要部件。一个时域离散系统的频率特性可以表示为:Y(ejw)=X(ejw)H(ejw)其中Y(ejw)、X(ejw)分别是数字滤波器的输出序列和输入序列频域特性。可以看出,处理信号的目的,就是选择适当的H(ejw),使得滤波后的X(ejw)H(ejw)满足设计的要求。数字滤波器按照单位取样响应h(n)的时域特性可分为无限脉冲响应(InfiniteImpulseResponse,IIR)系统和有限脉冲响应(FiniteImpulseResponse,FIR)系统。我们这里主要看下FIR滤波器。在进入FIR滤波器前，首先要将信号通过A/D器件进行模数转换，把模拟信号转化为数字信号；为了使信号处理能够不发生失真，信号的采样速度必须满足奈奎斯特定理，一般取信号频率上限的4-5倍做为采样频率；一般可用速度较高的逐次逼进式A/D转换器，不论采用乘累加方法还是分布式算法设计FIR滤波器，滤波器输出的数据都是一串序列，要使它能直观地反应出来，还需经过数模转换，因此由FPGA构成的FIR滤波器的输出须外接D/A模块。FPGA有着规整的内部逻辑阵列和丰富的连线资源，特别适合于数字信号处理任务，相对于串行运算为主导的通用DSP芯片来说，其并行性和可扩展性更好，利用FPGA乘累加的快速算法，可以设计出高速的FIR数字滤波器。FIR滤波器工作原理如图一所示。基于TMS320X2812x的FIR数字滤波器设计3（三）FIR滤波器的硬件实现FIR滤波器的硬件实现有以下几种方式：1.集成电路一种是使用单片通用数字滤波器集成电路，这种电路使用简单，但是由于字长和阶数的规格较少，不易完全满足实际需要。虽然可采用多片扩展来满足要求，但会增加体积和功耗，因而在实际应用中受到限制。2.DSP芯片另一种是使用DSP芯片。DSP芯片有专用的数字信号处理函数可调用，或者根据芯片指令集的结构自行设计代码实现FIR的功能；由于FIR设计时其系数计算及其量化比较复杂，因此一般都采用MATLAB软件作为辅助设计，计算出FIR的系数；然后进行代码设计实现。实现FIR滤波器相对简单，但是由于程序顺序执行，速度受到限制。而且，就是同一公司的不同系统的DSP芯片，其编程指令也会有所不同，开发周期较长。3.可编程还有一种是使用可编程逻辑器件，FPGA/CPLD。FPGA有着规则的内部逻辑块阵列和丰富的连线资源，特别适合用于细粒度和高并行度结构的FIR滤波器的实现，相对于串行运算主导的通用DSP芯片来说，并行性和可扩展性都更好。（四）TMS320F2812的基本特点TMS320F2812是美国德州仪器公司TI最新研制的一代32位定点数字信号处理器(DSP)芯片,主要面向逆变器控制、电机控制等自动控制领域,可以很方便地实现诸如AD采样、PWM输出、非屏蔽中断、脉冲测量等功能。而且,由于拥有工作频率达150MHz的32位DSP内核处理器,可以高效可靠地实现诸如自适应控制、卡尔曼滤波和状态控制等先进控制技术。因此,TMS320F28X系列DSP越来越成为自动控制领域的首选控制芯片。TMS320F2812采用哈佛总线结构,利用多总线在存储器、外围模块和CPU之间转移数据。程序读总线有22根地址线和32根数据线,数据读写线都是32位,这种多总线结构使得它可以在一个周期内并行完成取指令、读数据和写数据,同时它采用了指令流水线技术,使得信号的处理速度明显提高。DSP中的专用硬件乘法器和特殊指令DMAC的采用,使得在一个处理器时钟周期里可以得到两个数据(操作数)相乘的结果。此外,TMS320F2812片内拥有高达128K×16位的FLASH程序存储器,可以满足大多数情况下程序存储的需要。通常,设计一个基于TMS320F2812的数字滤波器是繁琐的,但我们利用TI公司提供的filterlibrary函数库,可以快速方便地进行任意数字滤波器的设计,提高产品开发速度。（五）FIR滤波器设计原理5.1FIR滤波器设计原理分析设hi(i=0，1，2，…，N-1)为滤波器的冲激响应,输入信号为x(n)，则FIR滤波器的输入输出关系为：在数字信号处理应用中往往需要设计线性相位的滤波器，FIR滤波器在保证幅度特性满足技术要求的同时，很容易做到严格的线性相位特性。为了使滤波器满足线性相位条件，要求其单位脉冲响应为实序列，且满足偶对称或奇对称条件即h(n)=h(N-1-n)或者h(n)=-h(N-1-n)。这样，当N为偶数时，偶对称线性相位FIR滤波器的差分方程表达式为：由上可见，FIR滤波器不断对输入样本x(n)延时后，再做乘法累加算法，将滤波器结果y(n)输出。因此，FIR实际上是一种乘法累加运算。对于线性相位FIR而言，利用线性相位FIR滤波器系数的对称特性，可以采用结构精简的FIR结构将乘法器数目减少一半。5.2FIR滤波器的设计方法FIR数字滤波器最主要特点是没有反馈回路，因此是无条件稳定系统。如前所述，FIR滤波算法实际上是一种乘法累加运算它不断地输入样本x(n)，经延时z-1，然后做乘法累加运算，再输出滤波结果y(n)，即：5.3数字滤波器设计的基本步骤(1)确定指标在设计一个滤波器之前，必须首先根据工程实际的需要确定滤波器的技术指标。在很多实际应用中，指标的形式一般在频域中给出幅度和相位响应。幅度指标主要以两种方式给出，相对于对幅度响应函数的要求，分贝值这种指标最受欢迎。对于相位响应指标形式，通常希望系统在通频带中只有线性相位。本文中滤波器的设计就以线性相位FIR滤波的设计为例以窗函数进行设计。基于TMS320X2812x的FIR数字滤波器设计5（2）逼近技术指标确定后，就可以建立一个目标的数字滤波器模型。通常，首先采用理想的数字滤波器模型，然后利用数字滤波器的设计方法，设计出一个实际滤波器模型来逼近给定的目标。（3）性能分析和计算机仿真上两步的结果是得到以差分或系统函数或冲激响应描述的滤波器。根据这个描述就可以分析其频率特性和相位特性，以验证设计结果是否满足指标要求；或者利用计算机仿真实现设计的滤波器，再分析滤波结果来判断设计的效果。（六）FIR滤波实验6.1FIR滤波器工作原理及参数计算滤波器参数：采样频率15kHz，带通滤波500Hz-1kHz，增益40dB，阶数25。分别用低通和高通两种方式进行滤波。6.2波形的产生本实验程序在AD中断中对AD进行连续采样。由于需要进行实时混频，所以交替转换通道0和通道1(2000实验箱上ADCIN0和ADCIN1)。混频的