基于TMS320X2812x的FIR数字滤波器设计

1、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

2、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（Code Composer Studio 2.21）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

3、能。关键词： DSP; TMS3202812x; FIR滤波器; CCS ABSTRACT : DSP technology means the technology to accomplish digital signal processing. Nowadays DSP are getting more and more attentions in the information field, due to its powerful signal processing ability, becoming a hot-point technique in communication and

4、other relating signal processing areas. DSP chips produced by TI(Texas Instrument) hold 50 percent in whole DSP market, many applications of digital signal processing are carried out around TI DSP. DSP chip is especially fit for digital signal processing, its main application is realizing all kinds

5、of digital signal processing arithmetic, such as clove hitch, correlation all kinds of transforms etc. Realizing digital filters with DSP is an important application. The paper discusses the filters software realization based on TMS320C5402, and finished the hardware system of noise-restraining. The

6、 arithmetic system was compiled with C language. The main works accomplished to realizing FIR filter with C language. And use the software provided by TI CCS (Code Composer Studio 2.21) carried out a method of digital filter design, filter design and gives the experimental wave forms achieved in CCS

7、 software. This design method to achieve different keys filters to achieve different filtering.Keywords：DSP; TMS320C54x; FIR filter; CCS（1） 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CC

8、S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F

9、IR滤波器为例，设计了基于TMS320F2812DSP实验系统的数字滤波器。（2） FIR滤波器原理 数字滤波器(Digital Filter.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(e jw) =X (e jw) H(e jw)其中Y(e jw)、X (e jw)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(e jw), 使得滤波后的X (e jw) H(e jw)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

10、无限脉冲响应(Infinite Impulse Response,IIR)系统和有限脉冲响应(Finite Impulse Response,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

11、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。（3） 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

12、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。（4） TMS320F2812 的基本特点TMS320

13、F2812 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,

14、 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filter library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。（5） FIR 滤

15、波器设计原理5.1 FIR 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，F

16、IR 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。5.2 FIR 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

17、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。（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。（6） FIR滤波实验 6.

18、1 FIR 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)。混频的波形通过FIR 滤波器，得到输出波形。低通滤波时，输入频率在500Hz-1kHz 之间的才能通过滤波器。高通滤波时，输入频率在高于1kHz 的才能通过滤波器。 6.3程序流程图：6.4实验结果 打开“Debug”菜单，选择“Run”选项运行程序（或按F5 键），此时观

19、察液晶屏上显示两路ad 采集后显示的波形。按数字键“1”也会完成以上功能；按数字键“2”是两路ad 采集后信号混叠的显示；数字键“4”是对混叠后信号进行低通滤波，此时会把高于1k 的信号滤掉，保留小于1k 的信号；数字键“5”是对混叠后信号进行高通滤波，高于1k 的信号被保留，低于1k 信号被滤掉。 我们利用DSP内部的A/D转换端口，直接采集波形发生器产生的各种波形，然后通过A/D转换为数字信号。利用FIR数字滤波模快进行滤波处理。最后通过串行的液晶显示和键盘来控制。最后可以得到混叠，低通，高通的波形情况。便于我们直观的理解滤波器的工作原理。（1） 将波形输出A 波形选择调为正弦波，频率调整调至100-1KHz。将波形输出B 波形选择调为正弦波，频率调整调至1K-10KHz。观察到结果如图二a. 两路ad 采集后波形b. 两路ad 采集后信号混叠的显示波形c. 混叠后信号低通滤波显示图d. 混叠后信号高通滤波显示图图二 两正弦信号产生的实验结果 对比上面CCS 下