基于DSP/BIOS的FIR數字濾波器設計與實現

1 引言

　　數字信號處理器(DSP)擁有強大的數字信號處理能力，與其配套的集成可視化開發環境CCS(Coder Composer Stu-dio)更方便了 DSP應用程序的開發。DSP／BIOS是CCS的重要組成部分，它實質上是一種基于DSP平臺的規模可控的實時操作系統內核。這里主要研究在DSP上利用DSP，BIOS實現FIR數字濾波器的方法。

　　2 TMS320F2812及DSP/BIOS內核介紹

　　TMS320F2812是基于TMS320C2XXX內核的定點數字信號處理器，具有數字信號處理及強大的事件管理和嵌入式控制功能，適于有大批量數據處理的控制系統。其性能可用于數字濾波器設計。

　　TMS320F2812采用高性能的靜態CMOS技術，時鐘頻率達150 MHz；低功耗(內核電壓1．9 V，I／O口電壓3．3 V)；采用哈佛總線結構，片上集成許多片上外設，可實現更多功能。開發環境是集成開發環境CCS，支持C／C++／匯編嵌入式實時操作系統DSP／BIOS，JTAG調試接口。

　　DSP／BIOS內核是一個尺寸可伸縮的實時內核，它是為實時信號處理應用而設計的，主要包括：(1)DSP／BIOS配置工具。該工具可用來創建和配置在應用程序中使用的DSP／BIOS內核對象，也可使用該工具配置存儲器，線程優先權以及中斷處理；(2)DSP／BIOS實時分析工具。CCS中的分析丁具使用戶可測試和分析目標DSP上應用程序的運行，包括監測CPU負荷、日志、線程執行情況等；(3)DSP／BIOS API函數。用戶在PC端采用C、C++或匯編語言編寫調用DSP／BIOS API函數的應用程序；(4)器件支持庫。提供許多宏和函數，用來簡化片上外設的配置和管理。

　　3 數字濾波器分析

　　數字濾波器根據沖激響應持續時間可分為有限沖激響應濾波器(FIR)和無限沖激響應濾波器(IIR)。其中FIR濾波器能夠保證嚴格的線性相位特性，且不存在穩定性問題。窗函數法和頻率采樣法等是設計FIR數字濾波器的常用方法。窗函數法在時域中進行，其原理簡單，易于實現，但存在在相同設計指標下濾波器的階數通常會偏大的問題。頻率采樣法對于只有少數幾個非零值采樣的窄帶選頻濾波器較有效。這里分析如何在DSK2812板上利用CCS本身所帶的操作系統實現一種通過窗函數法實現的FIR濾波器。FIR濾波器的各項指標可以通過現有的表查找，其設計步驟如下：

　　(1)給定所要求的理想頻率響應函數Hd(ejw)；(2)對理想頻率響應函數進行反傅里葉變換，則得到系統單位脈沖響應為：hd(n)=IDFTFT[Hd(ejw)]；(3)根據過渡帶及阻帶衰減最小的要求查表，可選定窗ω(n)的形狀及除數，N的大小，一般N的值要做幾次試探才能最終確定；(4)得到所設計的FIR濾波器的單位抽樣響應(該響應逼近理想)：h(n)=hd(n)ω(n)，n=0，1…，N-1；(5)求H(ejw)=DTFT[h(n)]，檢查是否滿足設計要求，若不滿足，則需重新按照上述步驟設計。

　　4 數字濾波器的實現

　　要實現的低通FIR濾波器：通帶邊緣頻率ωp=10 kHz，阻帶邊緣頻率ωs=22 kHz，阻帶衰減δ2=75 dB，采樣頻率fs=50 kHz。根據對濾波器的分析可求得系統的差分方程。所求得的h(n)在程序設計過程中可用一個數組存放。X(n)是A／D轉換器采樣值。讓其逐項相加，再輸出即可。實現濾波器所采用的硬件平臺為DSK2812，實現流程如圖1所示。

　　(1)啟動CCS，新建一個丁程，命名為FILTER。

　　(2)新建一個DSP／BIOS的配置文件，命名為Fiher．cmd，并將其加入該工程中。在配置文件中設置所用到的硬件中斷，它對應A／D采樣的硬件中斷。還需設置一個軟件中斷，用來對A／D轉換模塊采集到的數據濾波。因為濾波器處理數據需一定時間，所以將其放到軟件中斷中，通過BIOS的任務調度實現對信號的濾波。

　　(3)配置系統時鐘，系統有基于PLL的時鐘模塊，為器件及各種外設提供時鐘信號。在X1／XCLKIN和X2兩個引腳間連接一個30MHz的晶體振蕩器(可采用外部時鐘)，將輸入的時鐘信號直接接到X1／XCLKIN引腳，而X2引腳懸空，這種情況下，不使用內部振蕩器。然后經PLL倍頻后，為系統提供時鐘。通過PLLCR寄存器的值可配置15~150 MHz的時鐘。則TMS320F2812得到SYSCLKOUT，通過配置高速外設時鐘HISPCP和慢速外設時鐘LOSPCP控制外設，從而實現整個系統的時鐘系統控制。這里設置系統的時鐘HSPCLK為150 MHz。

　　(4)數字濾波器通過EVA1模塊設置采樣頻率。首先將該模塊配置為連續增計數模式。當周期寄存器和定時器的值相等時，產生一個外設中斷請求，選擇其啟動A／D轉換器，則在中斷標志位置位的同時將A／D轉換啟動信號送至A／D轉換模塊。故只需配置定時器的周期值，便可改變A／D轉換器的采樣頻率。濾波器的通用定時器采用內部CPU時鐘(HSPCLK)作為時鐘源，而內部時鐘源可通過時鐘預定標參數寄存器設置。這里設置的內部高速外設時鐘為系統時鐘。

　　(5)A／D轉換模塊的配置。A／D轉換模塊的A／D轉換器有16個通道，可配置為2個獨立的8通道模塊，分別服務于事件管理器A和B。兩個獨立的8通道模塊也可級聯構成一個16通道模塊。盡管在模數轉換模塊中有多個輸入通道和兩個排序器，但僅有一個轉換器。將其配置為兩個獨立8通道模塊，讓EVA事件管理器A觸發A／D轉換器、信號從ADINAO引腳輸入，從ADCRESULTO結果寄存器中讀取轉換結果。

　　(6)處理采集到的數據，即是對采集的信號進行濾波。首先根據信號通過濾波器設計過程進行運算，得到系統差分方程的系數，用一個數組存放該系數，以方便計算。主程序的數據采集即硬件中斷所要完成的工作。

　　為驗證所設計濾波器的濾波效果，將其應用于某電路實驗的實測信號濾波，濾波前后波形如圖2所示。由圖2可看出，濾波效果較好。

　　5 結論

　　所設計的濾波器濾波效果理想，達到了設計要求。在DSP／BIOS多任務的調度下，不但可在濾波算法的基礎上添加新任務，實現多任務系統，而且還能較好地滿足需進行濾波處理的系統開發。