濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)課程設(shè)計

1、鄭州航空工業(yè)管理學(xué)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TMS320F2812 DSP處理器的FIR濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)姓名 王 泳學(xué)號： 091307229專業(yè)：通信工程設(shè)計日期：2012 年 6月 15 日指導(dǎo)老師：趙成張松煒基于TMS320F2812 DSP處理器的FIR濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)一.引言數(shù)字信號處理是電路系統(tǒng)從模擬時代向數(shù)字時代前進的理論基礎(chǔ)，為數(shù)字信號處理的應(yīng)用而專門設(shè)計的可編程處理器，即數(shù)字信號處理器也應(yīng)運而生。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(xué)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

2、義：數(shù)字信號處理技術(shù)（Digital Signal Processing）和數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor）。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。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，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

3、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及其圖像。2、 掌握使用matlab編程的基本方法，學(xué)會利用fdatool 工具來快速設(shè)計滿足需要的濾波器。3、 掌握TMS320F2812 DSP處理器開發(fā)的程序框架結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)驅(qū)動TMS320F2812 DSP處理器程序編寫并能使其正常工作。實習(xí)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TMS320F2812

4、DSP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FFT Magnitude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；四、總體

5、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： （1）由此得到系統(tǒng)的差分方程：（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

6、階濾波器時工作量特別大。這里應(yīng)用MATLAB 設(shè)計FIR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（） 首先在命令窗口鍵入FDAtool命令，啟動濾波器設(shè)計分析器，調(diào)出FDAtool界面，如下圖所示。FDATool界面（） 在Filter Type選項中選Lowpass，在Design Method中選擇FIR濾波

7、器，接著在FIR中選擇Window (窗函數(shù)) 法。（） 然后在Filter Order 中選擇Specify Order (為指定階數(shù))，輸入數(shù)值為“51”；在Opitions框中選中“Scale Passband”；在窗類型（Window:）下拉框選擇“Blackman”。（） 在Frenquency Specification選項中，將fs(為采樣頻率)、fc (為通帶截止頻率)中分別鍵入250000 Hz和20000Hz。（） 點擊“Design Filter”按鈕，完成濾波器的設(shè)計。（） 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Analysis 中的M

8、agnitude Response和Phase Response 對幅頻和相頻響應(yīng)進行分析。如下圖所示（） 在FDATool 中，選擇Targets -> Generate C Header.，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。（） 在Matlab中打開得到的fdacoefs.h的文件，如下圖所示從Matlab中打開的fdacoefs.h文件4.1.3提取濾波器參數(shù)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：Const floatB52=0.000,0.000,0.000,0.00

9、0,0.000,0.000,0.000,0.000, 0.001,0.003,0.004,0.004,0.003,0,-0.006,-0.013, -0.019,-0.021,-0.017,-0.005,0.018,0.048,0.083,0.116,0.143,0.158,0.158,0.143,0.116,0.083,0.048,0.018,-0.005, -0.017,-0.021,-0.019,-0.013,-0.006,0,0.003,0.004,0.004,0.003,0.001,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.0004.2

10、CCS環(huán)境下FIR濾波器的設(shè)計及軟件仿真4.2.1 程序流程圖初始化輸入低通濾波器各頻率參數(shù)構(gòu)建濾波器頻域特性波形使用FDATool提取濾波器參數(shù)或用FIR濾波器計算程序計算得到濾波器參數(shù)構(gòu)建FIR濾波器進行濾波無限循環(huán)4.2.2 在CCS集成開發(fā)環(huán)境下新建FIR濾波器工程（）實驗準備設(shè)置軟件仿真模式，啟動CCS。（）建立工程建立一個文件夾，存放在D:FIR，將D:課程設(shè)計FIR濾波器Fir源程序文件夾下的工程全部復(fù)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。4.2.3觀察濾波前后的信號的時域波形及FFT Magnitude波形（1）編

11、譯工程文件生成fir.out文件，并通過File->Load Program裝載該文件。（2）設(shè)置波形時域觀察窗口。選擇菜單ViewGraphTime/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。 輸入數(shù)據(jù)時域波形觀察 輸出數(shù)據(jù)時域波形觀察選擇菜單ViewGraphTime/Frequency ，分別進行如下圖所示進行設(shè)置以便觀察輸入/輸出頻域波形。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。左上

12、角：輸入數(shù)據(jù)時域圖(Start Address : input) 右上角：輸入數(shù)據(jù)頻譜（Display Type : FFT Magnitude） 左下角：輸出數(shù)據(jù)時域圖(Start Address : output) 右下角：輸出數(shù)據(jù)頻譜（Display Type : FFT Magnitude）4.2.4 程序清單fir.c 程序/#include "DSP281x_Device.h" / DSP281x Headerfile Include File/#include "DSP281x_Examples.h" / DSP281x Examples

13、Include File/#include "f2812a.h"#include"math.h"#define FIRNUMBER 52/#define SIGNAL1F 1000/#define SIGNAL2F 4500/#define SAMPLEF 10000#define PI 3.1415926float InputWave();float FIR();float fHnFIRNUMBER= 0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000, 0.001,0.003,0.004,0.004,0.0

14、03,0,-0.006,-0.013, -0.019,-0.021,-0.017,-0.005,0.018,0.048,0.083,0.116,0.143,0.158,0.158,0.143,0.116,0.083,0.048,0.018,-0.005, -0.017,-0.021,-0.019,-0.013,-0.006,0,0.003,0.004,0.004,0.003,0.001,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000 ;float fXnFIRNUMBER= 0.0 ;float fInput,fOutput;float fSig

15、nal1,fSignal2;float fStepSignal1,fStepSignal2;float f2PI;int i;float fIn256,fOut256;int nIn,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;while ( 1 )fInput=InputWave();fInnIn=fInput;nIn+; nIn%=256;fOutput=FIR();fOutnOut=fOutput;nOut+;

16、if ( nOut>=256 )nOut=0;/* 請在此句上設(shè)置軟件斷點 */ float InputWave()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 )fSignal2-=f2PI;return(fXn0);float FIR()float fSum

17、;fSum=0;for ( i=0;i<FIRNUMBER;i+ )fSum+=(fXni*fHni);return(fSum);fir.cmd 程序-l rts2800_ml.lib-stack 400h-heap 100MEMORY PAGE 0 : PROG(R) : origin = 0x80000, length = 0x10000 PAGE 0 : BOOT(R) : origin = 0x3FF000, length = 0xFC0 PAGE 0 : RESET(R) : origin = 0x3FFFC0, length = 0x2 /*PAGE 0 : VECTORS(

18、R) : origin = 0x3FFFC2, length = 0x3E*/ PAGE 1 : M0RAM(RW) : origin = 0x000000, length = 0x400 PAGE 1 : M1RAM(RW) : origin = 0x000400, length = 0x400 PAGE 1 : L0L1RAM(RW) : origin = 0x008000, length = 0x2000 PAGE 1 : H0RAM(RW) : origin = 0x3F8000, length = 0x2000SECTIONS /* 22-bit program sections *

19、/ .reset : > RESET, PAGE = 0 /*vectors : > VECTORS, PAGE = 0*/ .pinit : > PROG, PAGE = 0 .cinit : > PROG, PAGE = 0 .text : > PROG, PAGE = 0 /* 16-Bit data sections */ .const : > L0L1RAM, PAGE = 1 .bss : > L0L1RAM, PAGE = 1 .stack : > M1RAM, PAGE = 1 .sysmem : > M0RAM, PAGE

20、 = 1 /* 32-bit data sections */ .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)4.3.1 程序清單#include "DSP281x_Device.h" / DSP281x Headerfile Include File#include "DSP281x_Examples.h" / DSP281x Examples Include File

21、#include <math.h>#define pi 3.1415927int px256;int py256;double npass,h51, x, y, xmid51;int m=50;int n=256;/ Prototype statements for functions found within this errupt void adc_isr(void);/ Global variables used in this example:Uint16 LoopCount;Uint16 ConversionCount;void firdes(int m,

22、 double npass) int t; 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;void main(void) int xm,ym; double fs,fstop,r,rm; int i,j,p,k;/ PLL, WatchDog, enable Peripheral Clocks/ This example function is found in the DSP281x_SysCtrl.c file. InitSysCtrl();/ For this e

23、xample, set HSPCLK to SYSCLKOUT / 6 (25Mhz assuming 150Mhz SYSCLKOUT) EALLOW; SysCtrlRegs.HISPCP.all = 0x3; / HSPCLK = SYSCLKOUT/6 EDIS; / Disable CPU interrupts DINT;/ Initialize the PIE control registers to their default state. InitPieCtrl();/ Disable CPU interrupts and clear all CPU interrupt fla

24、gs: IER = 0x0000; IFR = 0x0000;/ Initialize the PIE vector table with pointers to the shell Interrupt / Service Routines (ISR). InitPieVectTable();/ Interrupts that are used in this example are re-mapped to/ ISR functions found within this file. EALLOW; / This is needed to write to EALLOW protected

25、register PieVectTable.ADCINT = &adc_isr; EDIS; / This is needed to disable write to EALLOW protected registersInitAdc(); / For this example, init the ADC/ Enable ADCINT in PIE PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx6 = 1; IER |= M_INT1; / Enable CPU Interrupt 1 EINT; / Enable Global interrupt INTM ERTM; /

26、Enable Global realtime interrupt DBGM LoopCount = 0; ConversionCount = 0; / Configure ADC AdcRegs.ADCTRL1.bit.SEQ_CASC = 1; AdcRegs.ADCMAXCONV.all = 0x0000; / Setup 2 conv's on SEQ1 AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV00 = 0x4; / Setup ADCINA0 as 1st SEQ1 conv. AdcRegs.ADCTRL2.bit.EVA_SOC_SEQ1 = 1; / E

27、nable EVASOC to start SEQ1 AdcRegs.ADCTRL2.bit.INT_ENA_SEQ1 = 1; / Enable SEQ1 interrupt (every EOS)/ Configure EVA/ Assumes EVA Clock is already enabled in InitSysCtrl(); EvaRegs.T1CMPR = 0x0380; / Setup T1 compare value EvaRegs.T1PR = 0x07FF; / Setup period register EvaRegs.GPTCONA.bit.T1TOADC = 1

28、; / Enable EVASOC in EVA EvaRegs.T1CON.all = 0x1042; / Enable timer 1 compare (upcount mode)/ Wait for ADC interrupt k=0; fs = 250000; fstop = 20000; npass = fstop/fs; for (i=0; i<=m; i+) xmidi=0; for(;) firdes(m, npass);for (i=0; i<=n-1; i+) xm = pxi; x = xm/1023.0; for (p=0; p<=m; p+) xmi

29、dm-p = xmidm-p-1; xmid0 = x; r = 0; rm= 0; for (j=0; j<=m; j+) r = xmidj * hj;rm = rm + r; y = rm; ym = (int)(1023.0 * y); pyi = ym; k+; /加斷點，觀察波形 interrupt void adc_isr(void) pxConversionCount = AdcRegs.ADCRESULT0 >>4; if(ConversionCount = 256) ConversionCount = 0; else ConversionCount+; / Reinitialize for next ADC sequence AdcRegs.ADCTRL2.bit.RS