基于DSP/BIOS的FIR数字滤波器设计与实现
基于dsp/bios的fir数字滤波器设计与实现
1 引言
数字信号处理器(dsp)拥有强大的数字信号处理能力，与其配套的集成可视化开发环境ccs(coder composer stu-dio)更方便了 dsp应用程序的开发。dsp／bios是ccs的重要组成部分，它实质上是一种基于dsp平台的规模可控的实时操作系统内核。这里主要研究在dsp上利用dsp，bios实现fir数字滤波器的方法。
2 tms320f2812及dsp/bios内核介绍
tms320f2812是基于tms320c2xxx内核的定点数字信号处理器，具有数字信号处理及强大的事件管理和嵌入式控制功能，适于有大批量数据处理的控制系统。其性能可用于数字滤波器设计。
tms320f2812采用高性能的静态cmos技术，时钟频率达150 mhz；低功耗(内核电压1．9 v，i／o口电压3．3 v)；采用哈佛总线结构，片上集成许多片上外设，可实现更多功能。开发环境是集成开发环境ccs，支持c／c++／汇编嵌入式实时操作系统dsp／bios，jtag调试接口。
dsp／bios内核是一个尺寸可伸缩的实时内核，它是为实时信号处理应用而设计的，主要包括：(1)dsp／bios配置工具。该工具可用来创建和配置在应用程序中使用的dsp／bios内核对象，也可使用该工具配置存储器，线程优先权以及中断处理；(2)dsp／bios实时分析工具。ccs中的分析丁具使用户可测试和分析目标dsp上应用程序的运行，包括监测cpu负荷、日志、线程执行情况等；(3)dsp／bios api函数。用户在pc端采用c、c++或汇编语言编写调用dsp／bios api函数的应用程序；(4)器件支持库。提供许多宏和函数，用来简化片上外设的配置和管理。
3 数字滤波器分析
数字滤波器根据冲激响应持续时间可分为有限冲激响应滤波器(fir)和无限冲激响应滤波器(iir)。其中fir滤波器能够保证严格的线性相位特性，且不存在稳定性问题。窗函数法和频率采样法等是设计fir数字滤波器的常用方法。窗函数法在时域中进行，其原理简单，易于实现，但存在在相同设计指标下滤波器的阶数通常会偏大的问题。频率采样法对于只有少数几个非零值采样的窄带选频滤波器较有效。这里分析如何在dsk2812板上利用ccs本身所带的操作系统实现一种通过窗函数法实现的fir滤波器。fir滤波器的各项指标可以通过现有的表查找，其设计步骤如下：
(1)给定所要求的理想频率响应函数hd(ejw)；(2)对理想频率响应函数进行反傅里叶变换，则得到系统单位脉冲响应为：hd(n)=idftft[hd(ejw)]；(3)根据过渡带及阻带衰减最小的要求查表，可选定窗ω(n)的形状及除数，n的大小，一般n的值要做几次试探才能最终确定；(4)得到所设计的fir滤波器的单位抽样响应(该响应逼近理想)：h(n)=hd(n)ω(n)，n=0，1…，n-1；(5)求h(ejw)=dtft[h(n)]，检查是否满足设计要求，若不满足，则需重新按照上述步骤设计。
4 数字滤波器的实现
要实现的低通fir滤波器：通带边缘频率ωp=10 khz，阻带边缘频率ωs=22 khz，阻带衰减δ2=75 db，采样频率fs=50 khz。根据对滤波器的分析可求得系统的差分方程。所求得的h(n)在程序设计过程中可用一个数组存放。x(n)是a／d转换器采样值。让其逐项相加，再输出即可。实现滤波器所采用的硬件平台为dsk2812，实现流程如图1所示。
(1)启动ccs，新建一个丁程，命名为filter。
(2)新建一个dsp／bios的配置文件，命名为fiher．cmd，并将其加入该工程中。在配置文件中设置所用到的硬件中断，它对应a／d采样的硬件中断。还需设置一个软件中断，用来对a／d转换模块采集到的数据滤波。因为滤波器处理数据需一定时间，所以将其放到软件中断中，通过bios的任务调度实现对信号的滤波。
(3)配置系统时钟，系统有基于pll的时钟模块，为器件及各种外设提供时钟信号。在x1／xclkin和x2两个引脚间连接一个30mhz的晶体振荡器(可采用外部时钟)，将输入的时钟信号直接接到x1／xclkin引脚，而x2引脚悬空，这种情况下，不使用内部振荡器。然后经pll倍频后，为系统提供时钟。通过pllcr寄存器的值可配置15~150 mhz的时钟。则tms320f2812得到sysclkout，通过配置高速外设时钟hispcp和慢速外设时钟lospcp控制外设，从而实现整个系统的时钟系统控制。这里设置系统的时钟hspclk为150 mhz。
(4)数字滤波器通过eva1模块设置采样频率。首先将该模块配置为连续增计数模式。当周期寄存器和定时器的值相等时，产生一个外设中断请求，选择其启动a／d转换器，则在中断标志位置位的同时将a／d转换启动信号送至a／d转换模块。故只需配置定时器的周期值，便可改变a／d转换器的采样频率。滤波器的通用定时器采用内部cpu时钟(hspclk)作为时钟源，而内部时钟源可通过时钟预定标参数寄存器设置。这里设置的内部高速外设时钟为系统时钟。
(5)a／d转换模块的配置。a／d转换模块的a／d转换器有16个通道，可配置为2个独立的8通道模块，分别服务于事件管理器a和b。两个独立的8通道模块也可级联构成一个16通道模块。尽管在模数转换模块中有多个输入通道和两个排序器，但仅有一个转换器。将其配置为两个独立8通道模块，让eva事件管理器a触发a／d转换器、信号从adinao引脚输入，从adcresulto结果寄存器中读取转换结果。
(6)处理采集到的数据，即是对采集的信号进行滤波。首先根据信号通过滤波器设计过程进行运算，得到系统差分方程的系数，用一个数组存放该系数，以方便计算。主程序的数据采集即硬件中断所要完成的工作。
为验证所设计滤波器的滤波效果，将其应用于某电路实验的实测信号滤波，滤波前后波形如图2所示。由图2可看出，滤波效果较好。
5 结论
所设计的滤波器滤波效果理想，达到了设计要求。在dsp／bios多任务的调度下，不但可在滤波算法的基础上添加新任务，实现多任务系统，而且还能较好地满足需进行滤波处理的系统开发。
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dsp／bios内核是一个尺寸可伸缩的实时内核，它是为实时信号处理应用而设计的，主要包括：(1)dsp／bios配置工具。该工具可用来创建和配置在应用程序中使用的dsp／bios内核对象，也可使用该工具配置存储器，线程优先权以及中断处理；(2)dsp／bios实时分析工具。ccs中的分析丁具使用户可测试和分析目标dsp上应用程序的运行，包括监测cpu负荷、日志、线程执行情况等；(3)dsp／bios api函数。用户在pc端采用c、c++或汇编语言编写调用dsp／bios api函数的应用程序；(4)器件支持库。提供许多宏和函数，用来简化片上外设的配置和管理。
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(1)给定所要求的理想频率响应函数hd(ejw)；(2)对理想频率响应函数进行反傅里叶变换，则得到系统单位脉冲响应为：hd(n)=idftft[hd(ejw)]；(3)根据过渡带及阻带衰减最小的要求查表，可选定窗ω(n)的形状及除数，n的大小，一般n的值要做几次试探才能最终确定；(4)得到所设计的fir滤波器的单位抽样响应(该响应逼近理想)：h(n)=hd(n)ω(n)，n=0，1…，n-1；(5)求h(ejw)=dtft[h(n)]，检查是否满足设计要求，若不满足，则需重新按照上述步骤设计。
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为验证所设计滤波器的滤波效果，将其应用于某电路实验的实测信号滤波，滤波前后波形如图2所示。由图2可看出，滤波效果较好。
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