基于TMS320F2812DSP處理器的FIR濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)

1、鄭州航空工業(yè)管理學院電子通信工程系DSP原理及應(yīng)用課程設(shè)計報告設(shè)計題目：基于TMS320F2812DSP處理器的FIR濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)學號：姓名：專業(yè)：物聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)計日期：指導老師:、引言在當今信息時代數(shù)字信號處理已成為一門極其重要的學科。數(shù)字信號處理在通信、語音、圖像等眾多相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號處理（DSP）包括兩重含義：數(shù)字信號處理技術(shù)（DigitalSignalProcessing）和數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor）。數(shù)字信號處理（DSP）是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)值計算的方法、對信號進行采集、濾波、增強、壓縮、估值和識別等加工處理，借以

2、達到提取信息和便于應(yīng)用的目的，其應(yīng)用范圍涉及幾乎所有的工程技術(shù)領(lǐng)域。二、在數(shù)字信號處理的應(yīng)用中，數(shù)字濾波器很重要而且得到了廣泛的應(yīng)用。按照數(shù)字濾波器的特性，它可以被分為線性與非線性、因果與非因果、無限長沖擊響應(yīng)（IIR）與有限長沖擊響應(yīng)（FIR）等等。其中，線性時不變的數(shù)字濾波器是最基本的類型；IIR濾波器的特征是具有無限持續(xù)時間沖激響應(yīng)，而FIR濾波器的沖激響應(yīng)只能延續(xù)一定時間，在工程實際中可以采用遞歸的方式實現(xiàn)也可以采用非遞歸的方式實現(xiàn)。三、目前FIR濾波器的實現(xiàn)方法大致可分為三種：利用單片通用數(shù)字濾波器集成電路、DSP器件或者可編程邏輯器件實現(xiàn)。其中以使用通用DSP芯片實現(xiàn)方式較為簡單，

3、是一種實時、快速、特別適合于實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理運算的微處理器，借助于通用數(shù)字計算機按濾波器的設(shè)計算法編出程序進行數(shù)字濾波計算。由于它具有豐富的硬件資源、改進的哈佛結(jié)構(gòu)、高速數(shù)據(jù)處理能力和強大的指令系統(tǒng)而在通信、航空、航天、雷達、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)及家用電器等各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。二、設(shè)計目的（1）掌握用窗函數(shù)法設(shè)計FIR濾波器的原理及方法，熟悉線性纖維FIR濾波器的幅頻特性和相頻特性，熟悉不同的窗函數(shù)對濾波器性能的影響。（2）掌握使用matlab編程的基本方法，學會利用fdatool工具來快速設(shè)計滿足需要的濾波器。（3）掌握TMS320F2812DSP處理器開發(fā)的程序框架結(jié)構(gòu)，學習驅(qū)動TMS32

4、0F2812DSP處理器程序編寫并能使其正常工作。實習驅(qū)動ADC模塊實現(xiàn)信號的實時采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換。（4）掌握使用TMS320F2812DSP處理器實現(xiàn)FIR數(shù)字低通濾波器的設(shè)計方法，并能夠?qū)崟r采集輸入信號并濾除高頻信號再通過SCI串口傳輸?shù)接嬎銠C顯示。三、設(shè)計要求1、利用Matlab軟件的FDATool工具設(shè)計FIR濾波器，并提取濾波器參數(shù)；2、 在CCS集成開發(fā)環(huán)境下，利用第1步得到的濾波器參數(shù)，利用窗函數(shù)法設(shè)計FIR濾波器程序，觀察輸入信號及濾波后得到的輸出信號的時域波形及FFTMagnitude波形；3、 利用TMS320F2812的ADC片內(nèi)外設(shè)的外圍電路實時采集的混頻信號數(shù)據(jù)，使用1

5、個51階的FIR低通濾波器，在CCS中設(shè)計FIR濾波器程序?qū)崿F(xiàn)濾波，觀察相關(guān)波形及濾波效果，通過SCI接口將數(shù)據(jù)傳送到計算機上；4、 （選做）利用TI公司的TLV320AIC23高性能立體聲音頻Codec芯片，通過MIC或音頻接口采樣音頻信號，對采樣的音頻信號做濾波運算，進行低音加重處理，再將運算過的音頻數(shù)據(jù)通過揚聲器播放出來四、總體設(shè)計4.1 利用Matlab軟件的FDATool工具設(shè)計FIR濾波器4.1.1 有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器的基礎(chǔ)理論濾波器就是在時間域或頻域內(nèi)，對已知激勵產(chǎn)生規(guī)定響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，使其能夠從信號中提取有用的信號，抑制并衰減不需要的信號。濾波器的設(shè)計實質(zhì)上就是對提出的要求給出

6、相應(yīng)的性能指標，再通過計算，使物理可實現(xiàn)的實際濾波器頻率響應(yīng)特性逼近給出的頻率響應(yīng)特性。FIR數(shù)字濾波器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：10)()()(H(z)NnnznbzXzY(1)由此得到系統(tǒng)的差分方程：)1()1()1()1()()0()(NnxNbnxbnxbny(2)若FIR數(shù)字濾波器的單位沖激響應(yīng)序列為h(n),它就是濾波器系數(shù)向量b(n)。傳統(tǒng)的濾波器分析與設(shè)計均使用繁瑣的公式計算，改變參數(shù)后需要重新運算，從而在分析與設(shè)計濾波器尤其是高階濾波器時工作量特別大。這里應(yīng)用MATLAB設(shè)方fFIR濾波器，根據(jù)給定的性能指標設(shè)計一個H(z),使其逼近這一指標，進而計算并確定濾波器的系數(shù)b(n),再將

7、所設(shè)計濾波器的幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)曲線作為輸出，與設(shè)計要求進行比較，對設(shè)計的濾波器進行優(yōu)化。設(shè)計完成之后將得到FIR濾波器的單位沖激響應(yīng)序列h(n)的各個參數(shù)值。4.1.2 利用Matlab軟件的FDATool設(shè)計FIR濾波器(1)首先在命令窗口鍵入FDAtool命令，啟動濾波器設(shè)方t分析器，調(diào)出FDAtool界面，如下圖所示。FDATool界面(2)在FilterType選項中選Lowpass,在DesignMethod中選擇FIR濾波器，接著在FIR中選擇Window(窗函數(shù))法。(3)然后在FilterOrder中選擇SpecifyOrder(為指定階數(shù)),輸入數(shù)值為"24”;在

8、Opitions框中選中"ScalePassband'在窗類型(Window:)下拉框選擇"Blackman"。(4)在FrenquencySpecification選項中，將fs(為采樣頻率卜fc(為通帶截止頻率)中分別鍵入30000Hz和9600Hz。(5)點擊“DesignFilter”按鈕，完成濾波器的設(shè)計。具體參數(shù)及設(shè)計成功后的結(jié)AleEditT«rgtt&ViewWifldowHelpDAR依回0£(XtER國團熱姿田日血!0國目行-Cu，en( Filter TofmertionFilter Mauser ._ R

9、esponds Typer畫枷pStrucMeOrderStMSoutteOirect-FamFf? 34Yes OeugnedJ緲 IW：_ F(bf Cueitaents0.0OOOHDOOCOOOOOO00031060526748157597-0.0000$17S5?22«£ll»«k ODQ打能和XE7HQUQMY.glMSfimS 前翟 434$叩，QOUQSMl 幻HUE?”kQ】如O39Q2&49卯 QIC-QitOBCfif4Z2fH37»12tS7Mg播價MM那上倒0.04tl44441»7Z09tMZ-O.

10、tt04JWS1801?£5175叩09503047門於40.280013635«46110130.14£144422*440.2$001333584£11013AlF«er OrderF Specify onfer:即-廣 Mini酒umordtr-OnionsIsM _s .Frecpency SpetJhc4lorisFS1 POP®The atiesuMhon 批 cutotiirtfluenclei 芯 iKfld tA 6 d6FIR低通濾波器設(shè)計(6)通過菜單選項Analysis來分析濾波器的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)特性。點擊

11、Analysis中的MagnitudeResponse和PhaseResponse寸幅頻和相頻響應(yīng)進行分析。如下圖所幅頻和相頻響應(yīng)進行分析(7)在FDATool中，選擇Targets->GenerateCHeader.,單擊Generate按鈕，選擇路徑，即可輸出前一步設(shè)計出的FIR濾波器的系數(shù)表。(默認的系數(shù)表文件為fdacoefs.h。如下圖所示。HGenerateCHeaderiVariablenamesinCheaderfile.KI-IliII賽而理宜 Close I Help I rib，m = rr，ivia-inaar導出濾波器系數(shù)(8) 在 Matlab 中打開得到的

12、fdacoefs.h 的文件，如下圖所示1«1UXLk».搜索I翻譯I百科I分享I二維碼、DatatypetouseinexportDouble-precisionE即口rtsuggested:的騎1g.M巾Single-precisionlloatFractionallength:fileEdaCellTook加bugDesktop'Ando*Belp，X8一口向工*信柄f.粕電，3上鶴Sluk9u«,由cn日序口目Ediuxfuarotfs.h25/7326 Warning-Filtercoefficientsweretruncatectofitspe

13、cifieddatatype.27 Theresultingresponsemaynotmatchgeneratedtheoreticalresponse.28 UsetheFilterDesign&AnalysisIooftocesignaccurate29 single-precisionfiltercoefficients.30 731 constintBL=25;32constreal32_TB25=333.10905257e-019,-2,291755663e-005.00000169659413,-0,001606689151,-0,0019040340,010043390

14、1,*0,008689423092.*0.01796567254,0,04924444854,*0.02041105181135Q1095080301,C.2800138295,0.6399B24619,0,2000138295.01095080301,36-0,02041105181,0.04924444854,*0.01796567254.-0.000609423092,0,0100433901,37-0.001904095162,-0,001609688151hO.OOC9169659413,-2,291755663e-005,3J0805257e陽!；39d'11IJIC/CP

15、TiwcterhttlurfiltL&1Ctl1O,lJ從Matlab中打開的fdacoefs.h文件取系數(shù)表中的數(shù)據(jù)小數(shù)點后3位有效值，得到如下內(nèi)容:ConstfloatB25=0.0,0.0,0.001,-0.002,-0.002,0.01,-0.009,-0.018,0.049,-0.02,-0.11,0.28,0.64,0.28,-0.11,-0.02,0.049,-0.018,-0.009,0.01,-0.002,-0.002,0.001,0.0,0.04.2CCS環(huán)境下FIR濾波器的設(shè)計及軟件仿真4.2.1 程序流程圖4.2.2 在CCS集成開發(fā)環(huán)境下新建FIR濾波器工程(

16、1)實驗準備設(shè)置軟件仿真*II式，啟動CCS。(2)建立工程建立一個文件夾，存放在D:FIR,將課程設(shè)計FIR濾波器Fir源程序文件夾下的工程全部復制到D:FIR,在CCS中打開D:FIRfirfir.pjt工程，打開的CCS集成開發(fā)環(huán)境如下圖所示。，/3,磔一牌GJ-三!.“,又嗝配”,士 re 為事三名時巴 白電氣flMt lopiiCWe.-wO；flwt FiR(jil'C：tic2OD0cgtwlfibi y 12000" "f'Defeug.Ikf*jJ耿ii 14 Caqtltttf 0 ErrorsF B Wianiags. 0 -srki,

17、tiaelgdfe"DSP28Dievie&.h-，LSP2BlxHMdarfil*I&ciudFils(恥ulod®*DS?281xwEiMple5,h"/DSP281工Exdnplasloclud#File/ineliid*f28l2®Tf*iieludeMtbA9N史門MFimMSES25財蟾工皿SIQailF1ODDdefineSIQiMSF4500“赳gfl口后SWLEF1DDD0*tie;itwPI3.H15926floatfHaFIMUMeR3>(0.0JX0.001rM>.tM)2002P0,01r-4)m00

18、9.- thm&tk恒九-ELULTJ工.Eh2S用工丸52斤.- 配U.4.Ql2.Mr口.G1九麗JML- (LM20.QKJLOOLUm.。；rieetfXilHMMBhC0.0：flmIapiit>fO«tpat；flMtfSignal1vfSigMilli門8tfSt鄴$畤21LfStepSigvalZifloatfZPI;在CCS集成開發(fā)環(huán)境中打開工程4.2.3觀察濾波前后的信號的時域波形及FFTMagnitude波形(1)編譯工程文件生成fir.out文件，并通過File->LoadProgram，裝載該文件。(2)設(shè)置波形時域觀察窗口。選擇菜單Vi

19、ewGraph一Time/Frequency,分別進行如下圖所示進行設(shè)置以便觀察輸入/輸出時域波形。HGraphPropertyDie0g日Gr4PhiPropertyDlog«g|SingleTine百BisfltyTyptTi«GrtphTitltInput*phTill*Ont押Addr兇fb|StirtAdirm|EDutfagshla仲ht*:Ac®uHlionSufferSn«IndtxIncrmtnt2%1Jkqiamti如BuffuShiIhdtxIkotatnl2S61BisplayDataSize256如呼1中B*hSirt256DS

20、FhtaType$flingEltle(Ki)32-bitpotM1DSFD*uTptSwtpbafUtt笈-bitfltthnfpMid1HotDaUFrwLefttoRightfUtht*?rcaLiftUlilLtfr*由DtUDispltyThLtfCskifltJDiUliipitylaiAntascdtAaUsedtOnDCVduf此恒m0觸舔DisphyTi»DisplayKnithsAi<iTimIh印IhitgfSlstnsEarDisplay(hShbuJtrOnM版匕MhD】W*7ScdeLineur911聞DnplvrSctltbbttfBit*Plot

21、StjleLimDttin«ts(ji«UfitGri1StyleZeroLineGridStjrl*Ztr«LmCWMTHodtUH*Cursor叫ICui蕤1|xdp；Curiorf«44DtUC«ri«r醒|Cuwtl|Nfclp輸入數(shù)據(jù)頻域波形觀察輸出數(shù)據(jù)頻域波形觀察(3)設(shè)置斷點。在程序fir.c中，有注釋斷點的語句上設(shè)置軟件斷點。(4)運行并觀察結(jié)果。選擇Debug菜單的Run項，或按F5鍵運行程序。觀察到的圖形如下圖所示。.+：GELfilti?jJProject!-atk.pjt(Mbug)Dtpnid«nt

22、Pro口斯眥(jSWrJftd由Indudc_JLibrN”t'J$our(tJflu固Ardd"C：xtic2000VgtooIsxbinc12000"D«bug,lkfC!11J門r*B*,濾波前后的數(shù)據(jù)波形及FFT分析的對比圖4.2.4程序清單fir.c程序/#include"DSP281x_Device.h"/DSP281xHeaderfileIncludeFile/#include"DSP281x_Examples.h"/DSP281xExamplesIncludeFile/#include"f2

23、812a.h"#include"math.h"#defineFIRNUMBER25/#defineSIGNAL1F1000/#defineSIGNAL2F4500/#defineSAMPLEF10000#definePI3.1415926floatInputWave();floatFIR();floatfHnFIRNUMBER=0.0,0.0,0.001,-0.002,-0.002,0.01,-0.009,-0.018,0.049,-0.02,-0.11,0.28,0.64,0.28,-0.11,-0.02,0.049,-0.018,-0.009,0.01,-0.

24、002,-0.002,0.001,0.0,0.0;floatfXnFIRNUMBER=0.0;floatfInput,fOutput;floatfSignal1,fSignal2;floatfStepSignal1,fStepSignal2;floatf2PI;inti;floatfIn256,fOut256;intnIn,nOut;main(void)nIn=0;nOut=0;f2PI=2*PI;fSignal1=0.0;fSignal2=PI*0.1;fStepSignal1=2*PI/30;fStepSignal2=2*PI*1.4;WhilefInput=InputWave();fIn

25、nIn=fInput;nIn+;nIn%=256;fOutput=FIR();fOutnOut=fOutput;nOut+;if(nOut>=256)nOut=0;/*請在此句上設(shè)置軟件斷點*/floatInputWave()for(i=FIRNUMBER-1;i>0;i-)fXni=fXni-1;fXn0=sin(fSignal1)+cos(fSignal2)/6.0;fSignal1+=fStepSignal1;if(fSignal1>=f2PI)fSignal1-=f2PI;fSignal2+=fStepSignal2;if(fSignal2>=f2PI)fSig

26、nal2-=f2PI;return(fXn0);floatFIR()floatfSum;fSum=0;for(i=0;i<FIRNUMBER;i+)fSum+=(fXni*fHni);return(fSum);fir.cmd程序-lrts2800_ml.lib-stack400h-heap100MEMORYPAGE0:PROG(R):origin=0x80000,length=0x10000PAGE0:BOOT(R):origin=0x3FF000,length=0xFC0PAGE0:RESET(R):origin=0x3FFFC0,length=0x2/*PAGE0:VECTORS(R

27、):origin=0x3FFFC2,length=0x3E*/PAGE1:M0RAM(RW):origin=0x000000,length=0x400PAGE1:M1RAM(RW):origin=0x000400,length=0x400PAGE1:L0L1RAM(RW):origin=0x008000,length=0x2000PAGE1:H0RAM(RW):origin=0x3F8000,length=0x2000SECTIONS/*22-bitprogramsections*/.reset:>RESET,PAGE=0/*vectors:>VECTORS,PAGE=0*/.pi

28、nit:>PROG,PAGE=0.cinit:>PROG,PAGE=0.text:>PROG,PAGE=0/*16-Bitdatasections*/.const:>L0L1RAM,PAGE=1.bss:>L0L1RAM,PAGE=1.stack:>M1RAM,PAGE=1.sysmem:>M0RAM,PAGE=1/*32-bitdatasections*/.ebss:>H0RAM,PAGE=1.econst:>H0RAM,PAGE=1.esysmem:>H0RAM,PAGE=14.3對實時采樣信號進行濾波的FIR濾波器的實現(xiàn)4.3.

29、1程序清單#include"DSP281x_Device.h"/DSP281xHeaderfileIncludeFile#include"DSP281x_Examples.h"/DSP281xExamplesIncludeFile#include<math.h>#definepi3.1415927intpx256;intpy256;doublenpass,h51,x,y,xmid51;intm=50;intn=256;/Perruptvo

30、idadc_isr(void);/Globalvariablesusedinthisexample:Uint16LoopCount;Uint16ConversionCount;voidfirdes(intm,doublenpass)intt;for(t=0;t<=m;t+)ht=sin(t-m/2.0)*npass*pi)/(pi*(t-m/2.0);if(t=m/2)ht=npass;voidmain(void)intxm,ym;doublefs,fstop,r,rm;inti,j,p,k;/PLL,WatchDog,enablePeripheralClocks/Thisexample

31、functionisfoundintheDSP281x_SysCtrl.cfile.InitSysCtrl();/Forthisexample,setHSPCLKtoSYSCLKOUT/6(25Mhzassuming150MhzSYSCLKOUT)EALLOW;for(t=0;t<=m;t+)ht=sin(t-m/2.0)*npass*pi)/(pi*(t-m/2.0);if(t=m/2)ht=npass;voidmain(void)intxm,ym;doublefs,fstop,r,rm;inti,j,p,k;/PLL,WatchDog,enablePeripheralClocks/T

32、hisexamplefunctionisfoundintheDSP281x_SysCtrl.cfile.InitSysCtrl();/Forthisexample,setHSPCLKtoSYSCLKOUT/6(25Mhzassuming150MhzSYSCLKOUT)EALLOW;4.3.2測試效果,f/FSSeiII>55I(Ewslator/CTTl_126，點Codt:CDHpoyerStudio13回區(qū)口h£dU中占g亡.小宜工肛式式2cL安七調(diào)n1香力1DF/BIKJitiAtn*向百三R晶電:工心*本/2皿審三鴨廟Fi&es搬m畫悒麻|0時白蜀國苜目閩世國口

33、露犀安Ml”_|斑1fiUx-_jFt&尸uLh-氫t_Ii49*dd«n£Ft力jh口EF/BIQSr«=.f4n_|iHiurtttdFilta+I±clu.dvLibru-atr+_S4'ife«5£出人_小3日t拗虎兩加"C:tixgZOGOygtsolsbinl2000*'-e&bugBlk£|aBuildCp3etflPXSIUAUk：H中”"工FL:為密- 二 國 / /Kfcnc 1KS5LC &ILlU 第u聾如息17 4H如上圖所示，可以發(fā)現(xiàn)使用

34、DSP芯片實現(xiàn)的的FIR濾波器已經(jīng)成功的將設(shè)定的混合頻率信號中的高頻部分串口調(diào)試助學 SCciAssistant 12.2 For flMWWT/2000回回國串口網(wǎng)1 口 波脖率?而m 校登位網(wǎng)引 數(shù)據(jù)位處1 停止窗p3 遒 關(guān)閉串口 1 濯交提取圖 停止顯示|r后十六進制顯耒限不旻水數(shù)劇便朗PCACOfflBATA35FCJ-CB5 S329SDOE7ic6CAn23 1 9 D B 9 D ea B即EE3SC93BD3SFTB ,98152DdnoD-43D2CF4 E19FKE113C6非ED 8388C8S6 0Fg£00wa 3159EA2C 543Eoko6C098E5EC曲四5F1D O4ACOOAC 5