淺談MATLAB輔助DSP設(shè)計的研究與實現(xiàn)new

1、淺談MATLAB輔助DSP設(shè)計的研究與實現(xiàn)1 引言數(shù)字信號處理是將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)。數(shù)字信號處理與模擬信號處理是信號處理的子集。數(shù)字信號處理的目的是對真實世界的連續(xù)模擬信號進(jìn)行測量或濾波。因此在進(jìn)行數(shù)字信號處理之前需要將信號從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。而數(shù)字信號處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域，這是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的。內(nèi)置數(shù)字信號處理器（DSP，DigitalSignalProcessor）是車載主機(jī)內(nèi)以邏輯電路對音視頻數(shù)字信號進(jìn)行再加工處理的專用元件，是一個統(tǒng)稱名詞，包括數(shù)字效果器、EQ、3D環(huán)繞等等。數(shù)字信號處理器（DSP，即DigitalSigna

2、lProcessor）是進(jìn)行數(shù)字信號處理的專用芯片，是伴隨著微電子學(xué)、數(shù)字信號處理技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的新器件。MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工

3、程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。本文所作研究是以自行研制的DSP教學(xué)實驗箱為平臺進(jìn)行的，其DSP采用TMS320VC5416芯片實現(xiàn)。本文內(nèi)容安排如下：第 1部分在介紹相關(guān)背景知識的基礎(chǔ)上，引入使用MATLAB輔助DSP設(shè)計的思想；第2部分介紹了MATALB中實現(xiàn)這一思想的兩種工具；第3部分介紹了工具之一 CCSLink的實現(xiàn)方式及工作原理；第4部分結(jié)合實驗平臺給出了CCSLink的應(yīng)用實例。2 MATLAB輔助DSP設(shè)計的方法概述實現(xiàn)MA

4、TLAB輔助DSP設(shè)計的方法有兩種，即CCSLink和Embedded Target for TI TMS320C6000 DSP。前者可實現(xiàn)MATLAB與C2000/C5000/C6000 DSP之間的數(shù)據(jù)交互和程序控制；后者可實現(xiàn)從Simulink模型自動生成DSP目標(biāo)代碼，但僅支持C6000系列的部分DSP器件。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)O

5、RTRAN，C+ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。考慮到實驗平臺是以C5000 DSP為基礎(chǔ)的，并且第二種工具較容易操作等因素，下面主要研究利用CCSLink輔助DSP設(shè)計的方法。2.1 Embedded Target for TI TMS320C6000 DSPCode Composer Studio（CCS）是TI提供的DSP的集成開發(fā)環(huán)境。對于C6000系列而言，利用工具Embedded Target for TI TMS320C60

6、00 DSP，用戶可以從Simulink模型直接生成針對DSP目標(biāo)板的可執(zhí)行文件或者CCS工程文件，實現(xiàn)了MATLAB/Simulink與CCS集成開發(fā)環(huán)境（IDE）的無縫連接，從而把設(shè)計人員從繁雜的DSP編程中解脫出來，將主要的精力放在設(shè)計而不是DSP編程上。2.2 MATLAB Link for Code Composer Studio集成在MATLAB6.5或更高版本中的CCSLink工具把MATLAB、TI DSP及其集成開發(fā)環(huán)境CCS連接在一起，使得我們可以在MATLAB環(huán)境下就可以完成對CCS和DSP目標(biāo)板的操作，包括與目標(biāo)內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交互，檢測處理器的狀態(tài)，控制DSP程序的運行

7、等。它提供了MATLAB、CCS和目標(biāo)DSP板的雙向連接，開發(fā)者可以利用MATLAB中強(qiáng)大的可視化、數(shù)據(jù)處理和分析工具對DSP中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和再處理，以輔助DSP系統(tǒng)設(shè)計。我們利用CCSLink提供的相關(guān)函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)MATLAB與目標(biāo)DSP的存儲器及寄存器間的信息交互，如同操作MATLAB變量一樣來讀、寫TI DSP中的存儲器或寄存器，即整個目標(biāo)DSP對于MATLAB而言是透明的。3 CCSLink的實現(xiàn)方式及工作原理3.1 CCSLink的實現(xiàn)方式利用CCSLink即可實現(xiàn)MATLAB、CCS和目標(biāo)DSP之間的信息交互。CCSLink共提供了3種實現(xiàn)方式：1）使用與CCS IDE的連接對象

8、。利用此對象來創(chuàng)建CCS IDE和MATLAB的連接，從MATLAB命令窗中即可運行CCS IDE中的應(yīng)用程序，查詢目標(biāo)DSP的狀態(tài)信息，修改或讀取目標(biāo)DSP的存儲器或寄存器中的數(shù)據(jù)，甚至可以調(diào)試DSP程序。2）使用與RTDX（Real-Time Data Exchange）的連接對象。提供MATLAB和硬件DSP 之間的實時通信通道。利用此連接對象，可以打開、使能、關(guān)閉或禁止DSP的RTDX通道，利用此通道可以實時地向硬件目標(biāo)DSP發(fā)送和取出數(shù)據(jù)而不必停止 DSP上運行的程序。RTDX連接對象實際上是CCS連接對象的一個子類，在創(chuàng)建CCS連接對象的同時創(chuàng)建RTDX連接對象，它們不能分別創(chuàng)建。

9、3）使用嵌入式對象。在MATLAB環(huán)境中創(chuàng)建一個可以代表嵌入在目標(biāo)C程序中的變量的對象。利用嵌入式對象可直接訪問嵌入在目標(biāo) DSP中的存儲器和寄存器中的變量，即把目標(biāo)C程序中的變量作為MATLAB的一個變量對待。3.2 CCSLink的工作原理上面的三種方式在具體實現(xiàn)時略有不同，但是其原理相似，不失一般性，我們通過第一種方式與CCS IDE的連接對象，來介紹CCSLink的工作機(jī)理。1）選擇目標(biāo)DSP并創(chuàng)建CCS IDE連接對象在MATLAB環(huán)境下使用函數(shù)ccsdsp并配置相應(yīng)的屬性名和屬性值即可創(chuàng)建一個CCS IDE連接對象cc：cc=ccsdsp（boardnum， x, procnum，

10、 y, timeout， z）；其中，boardnum、procnum、timeout都是屬性名。分別表示創(chuàng)建連接對象時所使用的目標(biāo)板編號、DSP處理器編號及全局超時值。2）在MATLAB環(huán)境下加載CCS工程文件projfile=fullfile（matlabroot, toolbox， tiddk， ， ccsproject.pjt）； %取得工程文件projpath = fileparts（projfile）； %取得工程文件路徑open（cc, projfile）； %加載工程文件，該函數(shù)實現(xiàn)把文件filename加載在CCS IDE中cd（cc, projpath）； %改變CCS的工

11、作路徑3）在MATLAB環(huán)境下編譯、連接并下載可執(zhí)行文件創(chuàng)建了CCS IDE連接對象并加載工程文件后，即可通過函數(shù)build（）編譯和鏈接工程文件，以生成針對目標(biāo)DSP的可執(zhí)行文件（。out文件）；通過函數(shù) load（）下載可執(zhí)行文件到目標(biāo)DSP中。具體方法如下：build（cc）； %編譯、鏈接工程文件，生成目標(biāo)DSP可執(zhí)行文件load（cc, ccsproject.out）； %下載可執(zhí)行文件到目標(biāo)DSP，可執(zhí)行文件名與工程名相同4）在MATLAB環(huán)境下控制程序運行CCSLink提供了3個函數(shù)用于控制目標(biāo)DSP的運行狀態(tài)。通過這些函數(shù)，在MATLAB下對DSP的控制操作就像在CCS IDE

12、中一樣方便，實際上也確實是這樣進(jìn)行的。halt（cc）； %中斷處理器的運行restart（cc）； %復(fù)位程序計數(shù)器PC，重新執(zhí)行程序run（cc, runtohalt， 30）； %執(zhí)行程序到斷點處，最后一個參數(shù)表示超時時間，此處為30s5）在MATLAB環(huán)境下對CCS IDE連接對象進(jìn)行操作在MATLAB中可以方便的操作DSP存儲器和寄存器中的數(shù)據(jù)，包括讀操作和寫操作。下面以讀寫目標(biāo)DSP存儲器和寄存器中的數(shù)據(jù)來說明。date=read（cc, 256,0, double， 100）； %從目標(biāo)存儲器目的地址100H（即十進(jìn)制數(shù)256）處開始，讀取100個雙精度數(shù)并賦給MATLAB對象d

13、atereg=regread（cc, A0， 2scomp）； %讀取DSP寄存器A0中的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化成雙精度數(shù)分配給MATLAB對象regwrite（cc, 256,0, double（1.0 2.0 3.0）；%向目標(biāo)存儲器100H開始的地址處，寫入三個雙精度數(shù)據(jù)6）關(guān)閉CC S IDE連接對象當(dāng)一切操作執(zhí)行完成后，需要刪除CCSDSP對象，以收回系統(tǒng)資源。clear cc; %關(guān)閉CCS IDE連接對象4 CCSLink應(yīng)用實例通過CCSLink工具，可以使用MATLAB來進(jìn)行DSP的輔助設(shè)計。在該實例中，F(xiàn)IR濾波的核心內(nèi)容由DSP實現(xiàn)，而算法仿真、系數(shù)產(chǎn)生、用戶界面、結(jié)果驗證等部分由

14、MATLAB輔助完成。4.1 FIR濾波器設(shè)計FIR（Finite Impulse Response）濾波器：有限長單位沖激響應(yīng)濾波器，是數(shù)字信號處理系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同時具有嚴(yán)格的線性相頻特性，同時其單位抽樣響應(yīng)是有限長的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。因此，F(xiàn)IR濾波器在通信、圖像處理、模式識別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。設(shè)輸入信號為x（n），輸出信號為y（n），則FIR濾波器對應(yīng)的差分方程可表示為：其中，h（k）（k=0,1,2,，N-1）表示濾波器系數(shù)序列，是濾波器設(shè)計的關(guān)鍵。h（k）可以通過MATLAB工具箱提供的濾波器函數(shù) fir1（）和fir2（）來獲?。菏紫韧?/p>

15、過建立MATLAB/Simulink模型，根據(jù)所需設(shè)計低通濾波器的性能要求來確定濾波器的階數(shù)和截止頻率等參數(shù)。本例所設(shè)計的FIR低通濾波器參數(shù)為：截止頻率（Fc）2kHz，采樣頻率（Fs）8kHz，階數(shù)（N）40。然后借助函數(shù) fir1（N, WN）即可返回對應(yīng)濾波器的系數(shù)矩陣，其中N為階數(shù)，WN為濾波器的歸一化截止頻率，即WN= 2Fc/Fs，且0WN1。4.2 DSP濾波算法實現(xiàn)結(jié)合MATLAB產(chǎn)生的濾波器系數(shù)，就可以編寫DSP濾波主程序了，關(guān)鍵代碼如下：FIR_TASK：STM #K_FIR_BFFR, BK ; 設(shè)置FIR循環(huán)緩沖區(qū)的大小LD *INBUF_P+, -1, A ; 數(shù)據(jù)

16、輸入FIR_FILTER：STL A, *FIR_DATA_P+% ; 最新數(shù)據(jù)替代最舊數(shù)據(jù)RPTZ A, （K_FIR_BFFR-1）MAC *FIR_DATA_P+0%, *FIR_COFF_P+0%, A ; 乘累加STH A,*OUTBUF_P ; 數(shù)據(jù)輸出4.3 MATLAB輔助設(shè)計本設(shè)計中，算法仿真、系數(shù)產(chǎn)生、用戶界面等部分由MATLAB輔助完成。算法仿真、系數(shù)產(chǎn)生方法在4.1中已詳細(xì)介紹，本節(jié)重點介紹用戶界面部分。本圖形用戶界面可以實現(xiàn)如下功能：修改參數(shù)，如濾波參數(shù)n和Wn，這種參數(shù)選取方法避免了反復(fù)修改DSP程序的弊端，可以滿足不同層次使用者的使用；控制操作過程，如加載工程文件

17、、下載可執(zhí)行文件、運行程序等；繪制 DSP輸入數(shù)據(jù)的時域及頻域信號；繪制濾波后DSP輸出數(shù)據(jù)的時域及頻域信。用戶界面的流程圖如圖1所示，主要由圖形界面和回調(diào)函數(shù)兩大部分組成。其中，圖形界面由文件FIR_BPF.m實現(xiàn)；回調(diào)函數(shù)總共由6個文件實現(xiàn)，分別是input.m，input2.m，output.m，output2.m，lvbopin.m和 lvbohou.m。當(dāng)輸入帶有干擾的方波信號后，分別查看輸入波形、MATLAB濾波輸出信號、DSP濾波輸出信號，結(jié)果如圖2所示。比較 MATLAB濾波輸出信號和DSP濾波輸出信號，據(jù)此可以采用修改濾波器系數(shù)或DSP程序等措施來改進(jìn)DSP濾波算法。5 結(jié)束語本文探索并實現(xiàn)了利用CCSLink輔助DSP設(shè)計的完整過程。同時以FIR濾