FIR数字滤波器的MATLAB设计与基于TMS320F2812_DSP处理器的与实现精品资料.doc

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1、 郑州航空工业管理学院 电子通信工程系DSP原理及应用课程设计报告设计题目：基于TMS320F2812 DSP处理器的FIR滤波器的设计与实现学号： 0913082305 专业： 电子信息工程 设计日期： 2012 . 6 . 14 指导老师： 赵 成 闫利超 一、引言4二、 设计目的4三、设计要求5四、 总体设计64.1利用Matlab软件的FDATool工具设计FIR滤波器64.1.1有限冲击响应数字滤波器的基础理论64.1.2 利用Matlab软件的FDATool设计FIR滤波器74.1.3提取滤波器参数124.2 CCS环境下FIR滤波器的设计及软件仿真134.2.1 程序流程图134

2、.2.2 在CCS集成开发环境下新建FIR滤波器工程134.2.3观察滤波前后的信号的时域波形及FFT Magnitude波形144.2.4 程序清单164.3 对实时采样信号进行滤波的FIR滤波器的实现184.3.1 程序清单184.3.2 测试效果224.3.3 SCI串行数据传输22五、 总结27六、参考文献28一、引言随着信息和数字技术的发展，数字信号处理已成为当今极其重要的学科和技术领域之一。它在通信、语音、图像、雷达、军事、航空航天等众多领域得到了广泛的应用。在数字信号处理的基本方法中，通常会涉及到变换、滤波、频谱分析、调制解调和编码解码等处理。其中，滤波是应用非常广泛的一个环节，

3、数字滤波器的理论与相关设计也一直都是人们研究的重点之一。数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为无限长冲激响应(I-IR)滤波器和有限长冲激响应(FIR )滤波器。其中FIR滤波器具有严格的相位特性，同时系统函数的极点固定在原点上，因而该类型的滤波器是稳定的。FIR滤波器的设计方法主要有窗函数法、频率取样法和最优线性相位设计法。其中窗函数设计方法由于其运算简便、物理意义直观，已成为工程实际中应用最广泛的方法，本文从FIR数字滤波器的原理与基本设计步骤出发，对FIR数字滤波器在MATLAB中的仿真与设计的基本思路做了阐述，并在定点DSP上实现了满足要求的FIR滤波器。二、 设计目的 （1）

4、掌握用窗函数法设计FIR滤波器的原理及方法，熟悉线性纤维FIR滤波器的幅频特性和相频特性，熟悉不同的窗函数对滤波器性能的影响。（2） 掌握使用matlab编程的基本方法，学会利用fdatool 工具来快速设计满足需要的滤波器。（3） 掌握TMS320F2812 DSP处理器开发的程序框架结构，学习驱动TMS320F2812 DSP处理器程序编写并能使其正常工作。实习驱动ADC模块实现信号的实时采集与模数转换。（4） 掌握使用TMS320F2812 DSP处理器实现FIR数字低通滤波器的设计方法，并能够实时采集输入信号并滤除高频信号再通过SCI串口传输到计算机显示。三、设计要求1、利用Matla

5、b软件的FDATool工具设计FIR滤波器，并提取滤波器参数；2、在CCS集成开发环境下，利用第1步得到的滤波器参数，利用窗函数法设计FIR滤波器程序，观察输入信号及滤波后得到的输出信号的时域波形及FFT Magnitude波形；3、利用TMS320F2812的ADC片内外设的外围电路实时采集的混频信号数据，使用1个51阶的FIR低通滤波器，在CCS中设计FIR滤波器程序实现滤波，观察相关波形及滤波效果，通过SCI接口将数据传送到计算机上；4、（选做）利用TI公司的TLV320AIC23高性能立体声音频Codec芯片，通过MIC或音频接口采样音频信号，对采样的音频信号做滤波运算，进行低音加重处

6、理，再将运算过的音频数据通过扬声器播放出来。四、 总体设计 MATLAB是一套用于科学计算的可视化高性能语言与软州环境。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个界面友好的用户坏境。它的信号处理具箱包含了各种经典的和现代的数字信号处理技术，是个非常优秀的算法研究与辅助设备的工具。在设计数字滤波器时，通常采用MATLAB未进行辅助设计和仿真。 利用MATLAB信号处理工具箱进行数字滤波器设计总的来说有三种方法:程序设计法、FDATool设计法和SPTool设计法。程序设计法是由设计者通过编写程序，利用MATLAB信号处理工具箱提供的各种窗函数、滤波器设计函数和滤波器实现函数来完

7、成滤波器的设计，要求设计者熟悉工具箱的各种函数，具有一定的编程能力，对于初学者有一点困难;而FDATool设计法和SPTool设计法相对比较简单，FDATooI工具箱和SPTool工具箱具有交互式的友好设计界面，只要填入设计参数点击按钮，相应的滤波器就设计完成了，使用起来非常方便。下面将使用FDATool设计法的FIR滤波器设计。4.1利用Matlab软件的FDATool工具设计FIR滤波器4.1.1有限冲击响应数字滤波器的基础理论滤波器就是在时间域或频域内，对已知激励产生规定响应的网络，使其能够从信号中提取有用的信号，抑制并衰减不需要的信号。滤波器的设计实质上就是对提出的要求给出相应的性能指

8、标，再通过计算，使物理可实现的实际滤波器频率响应特性逼近给出的频率响应特性。FIR 数字滤波器系统的传递函数为： （1）由此得到系统的差分方程： （2）若FIR 数字滤波器的单位冲激响应序列为h(n)，它就是滤波器系数向量b(n)。传统的滤波器分析与设计均使用繁琐的公式计算，改变参数后需要重新运算，从而在分析与设计滤波器尤其是高阶滤波器时工作量特别大。这里应用MATLAB 设计FIR滤波器，根据给定的性能指标设计一个H(z)，使其逼近这一指标，进而计算并确定滤波器的系数b(n)，再将所设计滤波器的幅频响应、相频响应曲线作为输出，与设计要求进行比较，对设计的滤波器进行优化。设计完成之后将得到FI

9、R滤波器的单位冲激响应序列h(n)的各个参数值。4.1.2 利用Matlab软件的FDATool设计FIR滤波器使用 Matlab中的 FDAtool设计滤波器（本文以FIR低通滤波器为例）FDATool ( Filter Design & Analysis Tool)是MATLAB信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具，MATLAB 6.0以上的版本还专门增加了滤波器设计工具箱( FilterDesign Toolbox)。FDATool界面为滤波器设计提供了一个交互式的设计环境，用户可以根据对幅值和零极点图的设置，设计几乎所有的基本的常规滤波器，包括FIR和IIR的各种设计方法,它们都具

10、有标准的频率带宽结构。采用FDATool设计法时其界面的上半部分为特性区，用来显示滤波器的各种特性；下半部分为参数设定区，用来设定滤波器的各种参数。（1）首先在命令窗口键入FDAtool命令，启动滤波器设计分析器，调出FDAtool界面，如图1所示。 图1FDATool界面（2）在Filter Type选项中选Lowpass，在Design Method中 选择FIR滤波器，接着在FIR中选择Window (窗函数) 法。（3）然后在Filter Order 中选择Specify Order (为指定阶数)，输入数值为“24”；在Opitions框中选中“Scale Passband”；在窗类

11、型（Window:）下拉框选择“Blackman”。（4）在Frenquency Specification选项中，将fs(为采样频率)、fc (为通带截止频率)中分别键入30000 Hz和9600 Hz。（5）点击“Design Filter”按钮，完成滤波器的设计。具体参数及设计成功后的结果如图2所示。图2FIR低通滤波器设计（6） 设计完成后，可以通过菜单选项Analysis 来分析滤波器的幅频响应和相频响应特性。点击Analysis 中的Magnitude Response和Phase Response 对幅频和相频响应进行分析（如下图）。 幅频响应 相频响应 （7）在FDATool

12、中，选择Targets - Generate C Header.，如图3所示。图3 导出滤波器系数（8）点击Generate按钮，选择路径，即可输出前一步设计出的 FIR滤波器的系数表。（默认的系数表文件为fdacoefs.h）（9）在Matlab中打开得到的fdacoefs.h的文件，如图4、图5所示。图4 查看fdacoefs.h文件图5 fdacoefs.h文件中的系数表 4.1.3提取滤波器参数取系数表中的数据小数点后3位有效值，得到如下内容：constfloatB25= 0.0,0.0,0.001,-0.002,-0.002,0.01,-0.009,-0.018,0.049,-0.0

13、2,-0.11,0.28,0.64,0.28,-0.11,-0.02,0.049,-0.018,-0.009,0.01,-0.002,-0.002,0.001,0.0,0.0 ;4.2 CCS环境下FIR滤波器的设计及软件仿真4.2.1 程序流程图 初始化 输入低通滤波器各频率参数 构建滤波器频域特性波形参数 使用FDATool提取滤波器参数或用FIR滤波器计算程序计算得到滤波器参数 构建FIR滤波器进行滤波 无限循环4.2.2 在CCS集成开发环境下新建FIR滤波器工程（）实验准备 设置软件仿真模式，启动CCS。（）建立工程 建立一个文件夹，存放在D:FIR，将D:课程设计FIR滤波器Fir

14、源程序文件夹下的工程全部复制到D:FIR，在CCS中打开D:FIRfirfir.pjt工程，就会得到如图6所示的工程界面。图6FIR工程示例（）编译生成fir.out文件，通过File-Load Program装载该文件。4.2.3观察滤波前后的信号的时域波形及FFT Magnitude波形 （4）设置时域观察窗口选择菜单ViewGraphTime/Frequency，进行如图7所示设置。图7输入数据时域波形和滤波后输出波形观察（）设置频域观察窗口，选择菜ViewGraphTime/Frequency ，进行如图8所示设置。 图8 输入数据FFT分析图形和滤波后输出数据的FFT图形观察（）设置

15、断点。在程序fir.c中，有注释断点的语句上设置软件断点。（）运行并观察结果。 选择Debug菜单的Run项，或按F5键运行程序。观察到的图形如图11所示。图11滤波前后的数据波形及FFT分析的对比图4.2.4 程序清单 fir.c 程序/#include DSP281x_Device.h / DSP281x Headerfile Include File/#include DSP281x_Examples.h / DSP281x Examples Include File/#include f2812a.h#includemath.h#define FIRNUMBER 25/#define

16、SIGNAL1F 1000/#define SIGNAL2F 4500/#define SAMPLEF 10000#define PI 3.1415926float InputWave();float FIR();float fHnFIRNUMBER= 0.0,0.0,0.001,-0.002,-0.002,0.01,-0.009,-0.018,0.049,-0.02,-0.11,0.28,0.64,0.28,-0.11,-0.02,0.049,-0.018,-0.009,0.01,-0.002,-0.002,0.001,0.0,0.0 ;float fXnFIRNUMBER= 0.0 ;fl

17、oat fInput,fOutput;float fSignal1,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=

18、FIR();fOutnOut=fOutput;nOut+;if ( nOut=256 )nOut=0;/* 请在此句上设置软件断点 */ float InputWave()for ( i=FIRNUMBER-1;i0;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 FI

19、R()float fSum;fSum=0;for ( i=0;iFIRNUMBER;i+ )fSum+=(fXni*fHni);return(fSum);4.3 对实时采样信号进行滤波的FIR滤波器的实现4.3.1 程序清单#include DSP281x_Device.h / DSP281x Headerfile Include File#include DSP281x_Examples.h / DSP281x Examples Include File#include #define pi 3.1415927int px256;int py256;double npass,h51, x,

20、y, xmid51;int m=50;int n=256;/ Prototype statements for functions found within this file.interrupt void adc_isr(void);/ Global variables used in this example:Uint16 LoopCount;Uint16 ConversionCount;void firdes(int m, double npass) int t; for (t=0; t=m; t+) ht = sin(t-m/2.0)*npass*pi)/(pi*(t-m/2.0);

21、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 example, set HSPCLK to SYSCLKOUT / 6 (25Mhz assuming 150Mhz SYSCLKOUT) EALLOW; SysCtrlRe

22、gs.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 flags: IER = 0x0000; IFR = 0x0000;/ Initialize the PIE vector table with pointers to the s

23、hell 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 register PieVectTable.ADCINT = &adc_isr; EDIS; / This is needed to disable write to EAL

24、LOW 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; / Enable Global realtime interrupt DBGM LoopCount = 0; ConversionCount = 0; / Configure ADC A

25、dcRegs.ADCTRL1.bit.SEQ_CASC = 1; AdcRegs.ADCMAXCONV.all = 0x0000; / Setup 2 convs on SEQ1 AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV00 = 0x4; / Setup ADCINA0 as 1st SEQ1 conv. AdcRegs.ADCTRL2.bit.EVA_SOC_SEQ1 = 1; / Enable EVASOC to start SEQ1 AdcRegs.ADCTRL2.bit.INT_ENA_SEQ1 = 1; / Enable SEQ1 interrupt (every

26、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; / Enable EVASOC in EVA EvaRegs.T1CON.all = 0x1042; / Enable timer 1 compare (upcount mode)/ Wa

27、it 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+) xmidm-p = xmidm-p-1; xmid0 = x; r = 0; rm= 0; for (j=0; j4; if(ConversionCount = 256) ConversionCount = 0; else

28、 ConversionCount+; / Reinitialize for next ADC sequence AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1 = 1; / Reset SEQ1 AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR = 1; / ClearINT SEQ1 bit PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1; / Acknowledge interrupt to PIE return;4.3.2 测试效果如上图所示，可以发现使用DSP芯片实现的的FIR滤波器已经成功的将设定的混合频率信号中的高频部分滤除。4.

29、3.3 SCI串行数据传输对实时采样信号进行滤波并通过SCI串口数据传输到计算机的程序如下： #include DSP281x_Device.h / DSP281x Headerfile Include File#include DSP281x_Examples.h / DSP281x Examples Include File#include #define pi 3.1415927int px256;int py256;double npass,h51, x, y, xmid51;int m=50;int n=256;long int delays; / Prototype stateme

30、nts for functions found within this file.interrupt void adc_isr(void);void scia_init(void);void scia_xmit(char a);/ Global variables used in this example:Uint16 LoopCount;Uint16 ConversionCount;void firdes(int m, double npass) int t; for (t=0; t=m; t+) ht = sin(t-m/2.0)*npass*pi)/(pi*(t-m/2.0); if (

31、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 example, set HSPCLK to SYSCLKOUT / 6 (25Mhz assuming 150Mhz SYSCLKOUT) EALLOW; SysCtrlRegs.H

32、ISPCP.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 flags: IER = 0x0000; IFR = 0x0000;/ Initialize the PIE vector table with pointers to the shell

33、 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 register PieVectTable.ADCINT = &adc_isr; EDIS; / This is needed to disable write to EALLOW

34、protected registers InitAdc(); / For this example, init the ADC scia_init(); EALLOW; GpioMuxRegs.GPFMUX.all = 0x0030; /配置IO口为专用引脚 EDIS;/ Enable ADCINT in PIE PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx6 = 1; IER |= M_INT1; / Enable CPU Interrupt 1 EINT; / Enable Global interrupt INTM ERTM; / Enable Global realtime

35、 interrupt DBGM LoopCount = 0; ConversionCount = 0;/ Configure ADC AdcRegs.ADCTRL1.bit.SEQ_CASC = 1; AdcRegs.ADCMAXCONV.all = 0x0000; / Setup 2 convs on SEQ1 AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV00 = 0x4; / Setup ADCINA0 as 1st SEQ1 conv. AdcRegs.ADCTRL2.bit.EVA_SOC_SEQ1 = 1; / Enable EVASOC to start SEQ1 A

36、dcRegs.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; / Enable EVASOC in EVA Eva

37、Regs.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(;) SciaRegs.SCITXBUF=0x55; SciaRegs.SCITXBUF=0x55; SciaRegs.SCITXBUF=0x55; SciaRegs.SCITXBUF=0x55; SciaRegs.SCITXBUF=0x55; SciaR

38、egs.SCITXBUF=0x55; SciaRegs.SCITXBUF=0x55; SciaRegs.SCITXBUF=0x55;/帧首分隔符 firdes(m, npass);for (i=0; i=n-1; i+) xm = pxi; x = xm/1023.0; for (p=0; p=m; p+) xmidm-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; for(i=0;i2

39、56;i+) SciaRegs.SCITXBUF=pyi; for(delays=0;delays4; if(ConversionCount = 256) ConversionCount = 0; else ConversionCount+; / Reinitialize for next ADC sequence AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1 = 1; / Reset SEQ1 AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR = 1; / Clear INT SEQ1 bit PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP

40、1; / Acknowledge interrupt to PIE return;void scia_init() SciaRegs.SCIFFTX.all=0xE040; SciaRegs.SCIFFRX.all=0x2021; /2041 204f SciaRegs.SCIFFCT.all=0x0000; SciaRegs.SCICCR.all = 0x07; /8位数据位，空闲线模式，禁止会送测试模式，无奇偶校验，1位结束位 SciaRegs.SCICTL1.all = 0x03; /SCIA发送器和接收器使能 SciaRegs.SCIHBAUD = 0x01; SciaRegs.SCILBAUD = 0xE7; /波特率为9600 SciaRegs.SCICTL1.all = 0x23; /重启SCI 最终调用串口调试程序出现的结果如下图所示五、 总结数字滤波与模拟滤波相比有很多优点，它除了可避免模拟滤波器固有的电压漂移、温度漂移和噪声等问题外，还能满足滤波器对幅度和相位的严格要求;只要适当改变数字滤波程序有关参