南理工DSP應(yīng)用技術(shù)實驗四

1、DSP應(yīng)用技術(shù)實驗報告<四> 題目： DSP應(yīng)用技術(shù)實驗報告 院系： 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院 姓名（學(xué)號）： 指導(dǎo)教師： 李彧晟 實驗日期： 2015年12月11號 實驗四 FIR濾波器的DSP實現(xiàn)一、實驗?zāi)康?. 鞏固數(shù)字 FIR 濾波器的概念2. 理解定點 DSP 中數(shù)的定標(biāo)、有限字長、溢出等概念3. 理解算法實現(xiàn)中實時的概念4. 掌握 DSP 開發(fā)過程以及基本調(diào)試方法5. 理解匯編以及高級語言開發(fā) DSP 實現(xiàn)算法的區(qū)別二、實驗儀器計算機，C2000 DSP 教學(xué)實驗箱，XDS510 USB 仿真器，示波器，信號源三、實驗內(nèi)容針對FIR 算法，設(shè)計濾波器系數(shù)，完成數(shù)據(jù)的定標(biāo)，

2、查看濾波器特性曲線。建立工程，編寫DSP 的主程序，并對工程進行編譯、鏈接，利用現(xiàn)有 DSP 平臺實現(xiàn)FIR濾波器算法，通過信號源、示波器理解濾波器特性，驗證實現(xiàn)與理論設(shè)計的一致性。四、實驗準(zhǔn)備1、實驗流程實驗之前首先必須對FIR濾波器的設(shè)計、實現(xiàn)算法有所了解，必要時通過計算機算法仿真，理解FIR濾波器特性。由于計算機仿真屬于浮點運算，而 TMS320F2812 是定點DSP，因此需要針對所設(shè)計的FIR濾波器系數(shù)進行定標(biāo)，隨后對定標(biāo)后的數(shù)據(jù)再次進行仿真，以驗證定點實現(xiàn)的性能是否滿足系統(tǒng)指標(biāo)。根據(jù)FIR濾波器算法，編寫 C源程序或者匯編程序，實現(xiàn)算法功能。并驗證DSP實現(xiàn)時算法的正確性以及精度的

3、要求。這種算法功能上的仿真可以利用CCS集成開發(fā)環(huán)境中數(shù)據(jù)IO 來模擬信號的輸入，完成驗證算法精度與功能的正確。驗證了算法的功能正確之后，可以將程序下載到DSP上運行，觀察現(xiàn)象。更為重要的是，在硬件平臺上驗證系統(tǒng)的實時性，以及評估資源的使用情況。若滿足實時性要求，則測試各項指標(biāo)，應(yīng)該與原理設(shè)計相吻合。如果實現(xiàn)與理論不一致，則首先檢查算法的實時性，以及資源使用是否沖突等原因，對程序進行優(yōu)化后再次編譯鏈接，重新驗證直至正確。算法的優(yōu)化有時會貫穿于整個設(shè)計之中。圖4.1 算法流程實現(xiàn)2、程序流程FIR濾波器算法屬于典型的數(shù)據(jù)流處理方式，每到達一個新數(shù)據(jù)，就必須進行一次計算，更新輸出。因此，當(dāng)一次采樣

4、完成之后，就可以進行FIR核心算法，并將計算結(jié)果輸出給DAC。因此，和DSP的數(shù)據(jù)采集實驗類似，用 DSP實現(xiàn)實時的 FIR信號處理算法必須依賴于ADC、DSP以及 DAC三大基本部件。充分利用 DSP 片上 ADC外設(shè)，實現(xiàn)模擬信號的采樣，并由DSP完成FIR核心算法，由DSP2000 實驗箱中 DAC1（AD768）來完成數(shù)字到模擬的還原。在數(shù)據(jù)采集實驗基礎(chǔ)上，我們對程序流程稍加改動，就可實現(xiàn)完整數(shù)字FIR濾波器功能。程序流程如圖4.2 所示。圖二 FIR濾波器程序流程3、FIR濾波器設(shè)計數(shù)字濾波器用于完成信號的濾波處理功能，是用有限精度算法實現(xiàn)的離散時間非時變系統(tǒng)。用DSP實現(xiàn)數(shù)字FIR

5、濾波算法，具有穩(wěn)定性強、精度高、實時性好、靈活性大、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。有限長的單位沖擊響應(yīng)濾波器（FIR）差分方程可表示為：yn=k=0Nhkxn-k其中，h是濾波器系數(shù)，x為輸入的數(shù)字信號，y為 FIR濾波器計算輸出。N 為濾波器階數(shù)。由此可得，一個 N 階的濾波器計算，需要N+1個濾波器系數(shù)，N+1個數(shù)字輸入，每得到一個y值，需要N+1次乘法以及N次加法。另外，N階濾波器需要保存當(dāng)前的 N+1 個輸入信號數(shù)值，以及事先設(shè)計的 N+1 個濾波器系數(shù)。濾波器系數(shù)的設(shè)計有很多方式，這里我們采用MATLAB軟件來對FIR濾波器算法進行仿真并驗證性能。在MATLAB 界面中，利用 fir1 命令來設(shè)計

6、濾波器系數(shù)。fir1 的完整命令如下：h = fir1(n,Wn,'ftype',window)其中，n為濾波器階數(shù)，Wn為歸一化截止頻率（這里的歸一化指與采樣頻率一半進行歸一化），Wn對應(yīng)了在幅頻曲線上-6dB點的頻率數(shù)值，ftype為濾波器類型，可以是低通、帶通、高通、帶阻等形式。window 是使用的窗函數(shù)，可以是 hamming、hanning、chebwin等形式。h為產(chǎn)生的濾波器系數(shù)。詳細說明可在 MATLAB 中輸入 help fir1 或 doc fir1 查看。對產(chǎn)生的濾波器系數(shù)可以用freqz 命令查看幅頻、相頻特性曲線。具體命令如下：freqz(h),其中

7、h為設(shè)計的濾波器系數(shù)。當(dāng)然也可以使用 fvtool(h)命令，驗證濾波器設(shè)計是否滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求，例如通帶范圍、阻帶衰減、過渡帶寬度等。4、DSP的算法實現(xiàn)TMS320F2812 是定點型 DSP，存儲器字長 16bit，可進行 32bit 的運算。而仿真計算中得到的數(shù)據(jù)大多是浮點型，因此將算法用定點DSP實現(xiàn)時，必須進行數(shù)據(jù)格式的定標(biāo)。比如對FIR濾波器系數(shù)的定標(biāo)可以參照“實驗10任意信號發(fā)生器”中介紹的方法來完成。對系數(shù)定標(biāo)后，還要進行仿真以驗證性能。另外，由于TMS320F2812的數(shù)據(jù)字長只有32bit，DAC1接受的字長為 16bit，因此有限字長帶來精度的損失。更為重要的是當(dāng)加法的

8、結(jié)果超過16位表示范圍時，數(shù)據(jù)產(chǎn)生了溢出，這是有限字長帶來的第二個問題。再者，數(shù)據(jù)的計算結(jié)果存放在32bit的寄存器中，但DAC卻是16bit，取高位輸出還是低位輸出，還是取一個合適的范圍，這是數(shù)據(jù)截取的問題。因此在編寫程序時，必須考慮定點數(shù)據(jù)的運算效應(yīng)，由數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍來確定截取、定標(biāo)等問題。定點DSP內(nèi)部一般有溢出保護功能，可以查看溢出標(biāo)志位及時發(fā)現(xiàn)溢出現(xiàn)象，其次用溢出模式位來使ACC 結(jié)果控制在最大值范圍之內(nèi)，以達到防止溢出引起精度嚴重惡化的目的。具體的實現(xiàn)編程，可以采用C語言或者匯編語言。C語言描述算法較為簡單，在此不作詳細敘述。若用匯編語言實現(xiàn)，必須結(jié)合算法特點和匯編指令，充分利用片

9、內(nèi)多功能單元同時執(zhí)行的特點，提高程序的執(zhí)行效率，比如在TMS320F2812的匯編指令有XMACD指令，支持在單周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)的加、乘以及數(shù)據(jù)搬移功能，或者使用DMAC指令在單周期內(nèi)實現(xiàn)雙乘與雙加運算。采用不同的指令，必須輔以不同的數(shù)據(jù)編排方式，因此需要綜合考慮選取最優(yōu)的實現(xiàn)方案。5、算法實時性測試算法的實時性測試主要指該算法能否在規(guī)定的時間內(nèi)完成FIR運算，規(guī)定時間在此是指采樣周期。FIR的運算必須在兩次采樣間隔內(nèi)完成，否則會造成數(shù)據(jù)的丟失。這是數(shù)據(jù)流處理的特點，數(shù)據(jù)的運算速度必須大于數(shù)據(jù)的更新速度。在實驗平臺中，我們可以利用GPIO管腳來實測采樣周期和算法執(zhí)行時間。添加程序，當(dāng)程序進入斷點

10、時，將GPIO的某一個引腳輸出置高，完成算法退出中斷時再置低。由此當(dāng)全速執(zhí)行程序時，測量該GPIO引腳上的周期，便是采樣周期，高電平持續(xù)時間即為 FIR濾波器算法執(zhí)行時間，由此判斷計算法實現(xiàn)是否實時。TMS320F2812 的通用數(shù)字輸入輸出引腳是復(fù)用的，即可以作為通用 IO口使用，又可以作為外設(shè)引腳使用，這是由GPxMUX寄存器來控制切換。如果是數(shù)字IO模式，方向控制寄存器GPxDIR用來配置引腳信號的傳輸方向，另外GPxDAT寄存器用來反映當(dāng)前對應(yīng)引腳的電平，GPxSET用來設(shè)置引腳的高電平（置高），GPxCLEAR 寄存器用來設(shè)置引腳的低電平（清零），GPxTOGGLE 寄存器用來反相引

11、腳電平（取反）。C2000 實驗箱中可用的 GPIO口在“附錄C3 C2000 DSP 教學(xué)實驗箱介紹”中有所介紹，下面以 GPAIO 為例簡單介紹一下相關(guān)寄存器含義。（1） 通用 IO 口多路切換控制寄存器 GPAMUX（地址0x70C0）如果GPAMUX.y 位0，則對應(yīng)引腳配置為通用 IO 口；如果GPAMUX.y 位1，則對應(yīng)引腳配置為專用功能外設(shè)口；（2） 通用 IO 口方向控制寄存器 GPADIR（地址0x70C1）如果GPADIR.y 位0，則對應(yīng)通用 IO 口配置為輸入；如果GPADIR.y 位1，則對應(yīng)通用 IO 口配置為輸出；（3）通用 IO 數(shù)據(jù)寄存器 GPADAT（地址

12、0x70E0）這是一個可讀可寫的寄存器，讀訪問能返回當(dāng)前輸入IO引腳的信號電平狀態(tài)，寫操作能設(shè)置對應(yīng)輸出IO引腳的電平。如果GPADAT.y 位0，則表示引腳為低電平；如果GPADAT.y 位1，則表示引腳為高電平；由于不同引腳讀寫的同時發(fā)生，引起沖突，所以一般不使用該寄存器改變輸出引腳的電平，而使用下述GPASET、GPACLEAR、GPATOGGLE 寄存器來解決。（4）通用 IO 口置位寄存器 GPASET（地址0x70E1）這是一個只寫寄存器，讀操作總是返回0。如果GPASET.y 位0，則表示引腳沒有變化；如果GPASET.y 位1，則表示引腳電平置高（前提是該端口作為輸出）；（5）

13、通用 IO 口清零寄存器 GPACLEAR（地址0x70E2）這是一個只寫寄存器，讀操作總是返回0.如果GPACLEAR.y 位0，則表示引腳沒有變化；如果GPACLEAR.y 位1，則表示引腳電平清零（前提是該端口作為輸出）；（6）通用 IO 口反相寄存器 GPATOGGLE（地址0x70E3）這是一個只寫寄存器，讀操作總是返回0.如果GPATOGGLE.y 位0，則表示引腳沒有變化；如果GPATOGGLE.y 位1，則表示引腳電平反轉(zhuǎn)（前提是該端口作為輸出）；五、實驗步驟1.系數(shù)設(shè)計利用MATLAB 設(shè)計濾波器系數(shù)，并對系數(shù)進行數(shù)據(jù)定標(biāo)，完成浮點到定點的轉(zhuǎn)換。分別作出兩組系數(shù)的幅頻、相頻特

14、性曲線，看是否滿足設(shè)計要求。2.設(shè)備檢查檢查仿真器、C2000 DSP 實驗箱、計算機之間的連接是否正確，打開計算機和實驗箱電源。3.啟動集成開發(fā)環(huán)境點擊桌面CCS 2（C2000）快捷方式，進入集成開發(fā)環(huán)境 CCS。4. 建立工程新建一個DSP工程，編輯源程序、配置命令等相關(guān)文件，并在工程中添加這些程序文件。在上次實驗程序的基礎(chǔ)上加以修改，在中斷程序內(nèi)添加FIR算法模塊，完成 FIR算法程序。設(shè)置GPIO的輸出控制，使之能夠完成算法執(zhí)行時間測量的工作。 建立工程（build），若出錯，則根據(jù)錯誤提示，修改源程序文件或者配置命令文件，直至編譯鏈接正確，生成可執(zhí)行的.out 文件。5.加載程序在

15、主菜單下，選擇“File Load Program”，將程序下載到 DSP 內(nèi)部。6.算法功能驗證在中斷服務(wù)子程序恰當(dāng)?shù)牡胤剑O(shè)置探針點，利用文件IO 的方式，輸入 x 數(shù)據(jù)（具體方法參見“實驗9 DSP 開發(fā)基礎(chǔ)實驗”）；在 FIR 算法結(jié)束處設(shè)置斷點，驗證 FIR 濾波器算法的正確性。輸入的數(shù)據(jù)可具有一定的特殊性，進行特例驗證。若計算結(jié)果不正確，則進行程序的調(diào)試。調(diào)試關(guān)鍵在于現(xiàn)象重現(xiàn)、錯誤定位，可以利用各種調(diào)試手段，比如打開寄存器窗口、變量窗口等輔助手段，根據(jù)數(shù)值以及實驗原理，查找錯誤原因，修改程序直至正確為止。解決錯誤后，再重新恢復(fù)原錯誤程序，觀察錯誤現(xiàn)象是否重現(xiàn)，以確定錯誤的唯一性。7

16、.算法實時性驗證去除程序中的探針點以及斷點重新全速運行程序，測量采樣頻率以及FIR 算法的核心執(zhí)行時間，判斷該系統(tǒng)是否實時。若非實時，則優(yōu)化程序，甚至修改濾波器系數(shù)，直至滿足實時要求。8.連接外部電路打開信號源，產(chǎn)生一個合適頻率（ADC 的采樣頻率必須滿足奈奎斯特采樣定律）的正弦信號，信號幅度控制在±0.5V 以內(nèi)，驗證后將信號通過 INPUT1 接口輸入到 DSP 中。打開示波器，將C2000 實驗箱中的 OUT3 接口輸出到示波器上，并正確設(shè)置。全速運行程序，調(diào)節(jié)信號源（正弦信號）的輸出頻率（正弦信號），記錄各頻點的示波器上輸出幅度。描點作圖，與理論幅頻特性曲線比較，分析是否滿足

17、設(shè)計要求。六、數(shù)據(jù)、波形記錄與分析1、50階帶阻濾波器圖三 50階帶阻濾波器幅頻相頻曲線（定標(biāo)前）圖三 50階帶阻濾波器幅頻相頻曲線（定標(biāo)后）二者除了在增益上有所差別外，波形幾乎一致，說明定標(biāo)后的系數(shù)滿足要求。用MATLAB生成N=50，歸一化截止頻率為0.3,0.5的帶阻濾波器的系數(shù)，并用Q15定標(biāo)，得到數(shù)據(jù)如下：h=-67,-21,56,51,-13,0,22,-136,-236,132,554,199,-538,-471,114,0,-163,977,1628,-896,-3813,-1448,4413,4898,-1989,26265,-1989,4898,4413,-1448,-38

18、13,-896,1628,977,-163,0,114,-471,-538,199,554,132,-236,-136,22,0,-13,51,56,-21,-67;MATLAB程序如下：h=fir1(50,0.3,0.5,'stop');h=h*215;A=round(h);freqz(A);2、在程序中實現(xiàn)FIR濾波器功能，其中核心代碼如下： void filter() y=0; for(j=0;j<N;j+) y+=(int)xj*hj void shift() for(k=N-1;k>0;k-) xk=xk-1; interrupt void adc_isr

19、(void) EALLOW; GpioDataRegs.GPASET.all = 0xFFFF; filter(); shift(); AdIndex = 0; xAdIndex=(AdcRegs.ADCRESULT0>>4); * DA1OUT= (unsigned int)(y>>10)+0x8000); AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1=1; AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR=1; PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP1; GpioDataRegs.GPACLEAR.all =

20、0xFFFF; EDIS;  3、調(diào)試程序，驗證濾波器功能輸入信號為正弦信號時，改變正弦信號頻率，觀察示波器，記錄各頻點對應(yīng)的幅度。采樣頻率為：27.91KHz圖四 采樣頻率顯示圖正弦信號頻率為1KHz：圖五 1KHz正弦信號頻率通過FIR濾波器正弦信號頻率為2KHz：圖六 2KHz正弦信號頻率通過FIR濾波器正弦信號頻率為3KHz：圖七 3KHz正弦信號頻率通過FIR濾波器正弦信號頻率為4KHz：圖八 4KHz正弦信號頻率通過FIR濾波器正弦信號頻率為5KHz：圖八 5KHz正弦信號頻率通過FIR濾波器正弦信號頻率為6KHz：圖八 6KHz正弦信號頻率通過FIR濾波器正弦信號頻率為

21、7KHz：圖九 7KHz正弦信號頻率通過FIR濾波器正弦信號頻率為8KHz：圖十 8KHz正弦信號頻率通過FIR濾波器正弦信號頻率為9KHz：圖十一 9KHz正弦信號頻率通過FIR濾波器經(jīng)過對不同頻率下，電壓的幅值衰減情況如下表：信號頻率（KHz）電壓峰峰值（V）信號頻率(KHz)電壓峰峰值(V)17.3627.2837.3640.3650.7160.3677.4487.2897.52圖十二 實測的幅頻曲線實測的幅頻曲線如上所示，根據(jù)設(shè)計參數(shù)可得，我們設(shè)計的帶阻濾波器的截止頻率為：4.2KHz,7KHz，參考圖表發(fā)現(xiàn)，基本符合設(shè)計的要求。信號失真的原因：TMS320F2812的數(shù)據(jù)字長只有32

22、bit，DAC1接受的字長為16bit，首先在yn計算的過程中，對便產(chǎn)生了一定的數(shù)據(jù)損失，關(guān)鍵是在于對y移位以達到DA接受的字長時，移位過大會導(dǎo)致信號的急劇失真，移位的過小會導(dǎo)致濾波器設(shè)計的失敗。而即便移位達到了理想的最大位置，但是經(jīng)過而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)損失已經(jīng)是存在了的。這些都導(dǎo)致了信號的失真。4、實時性驗證圖十三 采樣頻率顯示圖采樣頻率為27.9KHz，采樣周期為35.84us，指令執(zhí)行時間為20us，滿足實時性要求。七、實驗思考題1.觀察各種輸入信號通過數(shù)字濾波器系統(tǒng)之后的輸出波形，解釋信號失真原因。信號失真的原因：TMS320F2812的數(shù)據(jù)字長只有32bit，DAC1接受的字長為16bit

23、，首先在yn計算的過程中，對便產(chǎn)生了一定的數(shù)據(jù)損失，關(guān)鍵是在于對y移位以達到DA接受的字長時，移位過大會導(dǎo)致信號的急劇失真，移位的過小會導(dǎo)致濾波器設(shè)計的失敗。而即便移位達到了理想的最大位置，但是經(jīng)過而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)損失已經(jīng)是存在了的。這些都導(dǎo)致了信號的失真。2加載其他格式編寫程序所產(chǎn)生的FIR 濾波器程序，測量運算時間，比較分析C語言效率低的原因。經(jīng)過加載實驗所給的參考匯編程序，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理速度大大提高，幾乎和比自己的程序處理速度快了一個數(shù)量級。經(jīng)過參考匯編程序和自己編寫的C語言程序所轉(zhuǎn)成的匯編程序的對比，發(fā)現(xiàn)C語言程序所轉(zhuǎn)成的匯編程序里面所產(chǎn)生的冗余操作依舊過多，根本無法參考匯編程序

24、相比。分析原因認為，C語言程序所轉(zhuǎn)成的匯編程序只是將C語言的程序機械的逐句翻譯了一遍而已，而直接使用匯編語言來編寫，每一個操作都是針對算法的要求采用的最優(yōu)的指令和存儲空間，是軟件和硬件的最大程度的利用。這樣將會使得計算時間大大降低。3.以該FIR 濾波器系統(tǒng)為例，總結(jié)分析系統(tǒng)實時性的取決因素。（1） 芯片速度：顯然，在采樣率不變的情況下，DSP芯片的處理速度越快，必然使得數(shù)據(jù)處理時間的降低，使得實時性更為可靠。（2） 運算量：a.數(shù)據(jù)率yn=k=0Nhkxn-k由上式可知，運算量必定和算法的復(fù)雜程度有關(guān)系，即和N有關(guān)。這里通過改變采樣速率和h因子的參數(shù)，均會改變運算量，即改變數(shù)據(jù)率能夠影響系統(tǒng)的實時性。b.算法負載程度與實驗三對比，當(dāng)程序中不添加算法，僅是ADC輸入DAC輸出時，中斷程序處理的速度為1us<<20us，可見，算法的復(fù)雜程度也會影響到程序處理時間,從而影響實時性。八、實驗總結(jié) 至此5次實驗課，一共4個實驗全部結(jié)束了，回顧四次實驗，在充分預(yù)習(xí)的前提下，前三個實驗較為輕松的完成了實驗要求，第四個實驗第一次花了很多的時間在編寫程序上，所編的程序在CCS上運行仿真后還是有點問題，最后還是按照設(shè)計要求實現(xiàn)了帶阻濾波器的功能。從第一次的基礎(chǔ)實驗到任意信號發(fā)生器，再由數(shù)據(jù)采集到最后的FIR帶阻濾波器，由淺入深的讓我體驗了一個數(shù)字信號處理