基于TMS320F2812芯片的FIR滤波器信号滤波

1基于TMS320F2812芯片的FIR滤波器信号滤波姓名(单位城市邮编)【摘要】本文主要介绍了一种采用TMS320F2812ADSP芯片的A/D转换模块进行波形的采集并对采集的波形进行滤波处理，最终在液晶显示器上显示所采集的波形图的具体方法。本系统利用DSP芯片自带的模数转换模块功能对外部模拟电压信号（波形）进行采集并转换成数字信号，然后再用外部液晶显示屏显示所采集波形的形状。本文给出了整体的设计方案，其中重点介绍了DSP芯片模数转换功能和液晶显示（LCD）原理。实验结果表明：系统的LCD显示屏所显示的波形和实际采集的模拟信号有良好的准确性、一致性，能进一步加深读者对FIR滤波器的滤波原理的了解和滤波器相关参数的设定。【关键词】TMS32OF2812ADSP；A/D转换；FIR滤波器；液晶显示中图分类号：TN929.12文献标识码：ASignalfilteringbasedonFIRfilterchipTMS320F2812Name(1/2/3)Abstract:ThispaperintroducesakindofmethodusingTMS320F2812ADSPchipA/Dconvertermodulewaveformacquiredwaveformacquisitionandfilteringprocess,finallydisplayedthewaveformontheLCD.ThesystemusesDSPchipbuilt-inanalog-digitalconvertermodulefunctionforexternalanalogvoltagesignalwerecollectedandconvertedintoadigitalsignal,andthenuseanexternalLCDdisplayshowstheacquiredwaveformshape.Inthispaper,theoveralldesign,whichfocusesontheDSPchipanalogtodigitalconversionfunctionandaliquidcrystaldisplayworks.Theresultsshowthat:theanalogsignalwaveformandtheactualacquisitionsystem'sLCDscreendisplayedgoodaccuracy,consistency,andfurtherdeepenthereadercansetfiltersforfilteringprincipleFIRfiltertounderstandandrelevantparameters.Keywords:TMS32OF2812ADSP,A/Dconvertermodule,theFIRfilter,LCD1引言数字信号处理(DSP)的起源可追溯到17世纪，当时已提出了有限差分，数值积分和数值插值得方法。自20世纪60年代以来，随着计算机和信息学科的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并迅速发展，现已形成一门独立的学科体系[3]。数字信号处理就是研究用数字的方法，正确快速地处理信号，提取各类信息的一门科学。在国际上，一般把1965年快速傅里叶变换的问世，作为数字信号信号处理这一新兴学科的开端。目前，伴随着通信技术、电子技术计算机的飞速发展，数字信号处理的理论也在不断地丰富的丰富和完善，各种新算法、新理论正在不断地推出。它的重要性日益在各个领域的应用中表现出来。其主要标志是两项重大进展，即快速傅里叶变换(FFT)算法的提出和数字滤波器设计方法的完善。数字信号处理是把信号用数字或符号表示成序列，通过计算机或通用（专用）信号处理设备，用数值计算方法进行各种处理，达到提取有用信息便于应用的目的。在这近四十多年的发展中，数字信号处理自身已基本形成一套较完整的理论体系[1]。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，用数值计算的方法对信号进行采集，交换，综合，估值与识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的。数字信号处理系统具有灵活，精确，抗干扰强，设备尺寸小，造价低，速度快等突出优点，这些都是模拟信号处理系统无法比拟的。22FIR的滤波器滤波系统的设计2.1滤波系统2.1.1FIR滤波器的工作原理FIR(FiniteImpulseResponse)滤波器：有限长单位冲激响应滤波器，又称为非递归型滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。因此，FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。在进入FIR滤波器前，首先要将信号通过A/D器件进行模数转换，把模拟信号转化为数字信号；为了使信号处理能够不发生失真，信号的采样速度必须满足奈奎斯特定理，一般取信号频率上限的4-5倍做为采样频率；一般可用速度较高的逐次逼进式A/D转换器，不论采用乘累加方法还是分布式算法设计FIR滤波器，滤波器输出的数据都是一串序列，要使它能直观地反应出来，还需经过数模转换，因此由FPGA构成的FIR滤波器的输出须外接D/A模块。FPGA有着规整的内部逻辑阵列和丰富的连线资源，特别适合于数字信号处理任务，相对于串行运算为主导的通用DSP芯片来说，其并行性和可扩展性更好，利用FPGA乘累加的快速算法，可以设计出高速的FIR数字滤波器。2.1.1FIR滤波器的参数设置滤波器的参数：采样频率15kHz，带通滤波500Hz-1kHz，增益40dB，阶数25分别用于低通滤波和高通滤波两种方式进行滤波。本实验程序在AD中断对AD进行连续采样。由于需要实时混频，所以交替转换通道3和通道混频的波形通过FIR滤波器，得到输出的波形。低通滤波时，输入频率在500Hz-1kHz之间才能通过滤波器。高通滤波时，输入频率在高于1kHz的才能通过滤波器。2.2主要硬件介绍2.2.1主控芯片介绍数字信号处理器(DigitalSignalPrcessor)，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器。当今，随着数字化控制算法的快速发展，尤其在自动控制领域，DSP的高速计算能力显示了比一般微处理器更多的优点，具有广阔的应用前景。利用DSP的高速计算能力可以增加采样速度和完成复杂的信号处理和控制算法，Kalman滤波、自适应控制矢量控制、状态观测器等复杂算法利用DSP芯片可以方便地实现。本系统所采用的是TI公司的TMS320F2812DSP芯片，该芯片的内核采Harvard结构体系,即相互独立的数据总线，提供了片内程序存储器和数据存储器、运算单元、一个32位算术／逻辑单元、一个32位累加器、一个16位乘法器和一个16位桶形移位器组成,体系采取串行结构，运用流水线技术加快程序的运行，可在一个处理周期内完成乘法加法和移位计算,其内核计算速度为20MIPs(一个指令周期为50ns)。外设有A／D转换大容量存储器，l6位和32位的定时器比较单元、捕获单元、PWM波形发生器、高速异同步串行口和独立可编程复用I／O等组成，其中通过三个通用定时器和九个比较器的结合产生多达l2路的PWM输出结合灵活的波形发生逻辑和死区发生单元能生成对称、不对称以及带有死区时间的空间矢量PWM波形DSP芯片中集成的这些功能大大简化了整个控制系统。该芯片上的资源有：16Mbitn曲196k16bitsRAM2500的TECPLD模块上留有TTAG插口，用户可以通过仿真器和CCS下载程序和进行实验；其低功耗设计。软件程序兼容c54xxDSP；片内存贮空间128K×16Bit；大容量SDRAM设计：4M×16Bit；2路10bit片上A/D接口；8Mbit扩展FLASH，存储大量固化程序和数据；设计有用户可以测试指示灯；DSP扩展总线，包括数据、地址、I/O、控制；4组标准扩展连接器，为用户进行二次开发提供条件；具有IEEEll49.1相兼容的逻辑扫描电路，该电路仅用于测试和仿真；+5v电源输入，内部+3.3V、+1.6V电源管理；高保真语音接口设计，双路语音采集，每路48K/S；USB2.0接口设计；4层板设计下艺，稳定可靠。实验箱上带有ICETEK—CRT显示控制模块，实验箱上有红、黄、绿三种颜色十二只指示灯可供模拟交通灯用。在该系统中利用定时器中断，同时利用了键盘中断来进行模拟突发事件发生时的控制[2]。2.2.2Wintech综合信号发生器介绍图1右上部有一个红色的电源指示灯以及信号发生器电源开关，当信号源上电后，该指示灯应处于点亮状态。图1上部是一个两行字符型的液晶显示屏。图1中间部分有录音，放音，循环三个按钮，一个录音指示灯（红色）和一个麦克风。麦克风可在录音时作为语音信号的输入端。当信号发生器处于录音状态时，录音指示灯应点亮。按放音钮时，可以从扬声器或耳机中听到录在信号发生器中的语音信号。按住循环钮不放，可以循环播放录下的语音信号。当按下录音按钮后，信号发生器正面的红色录音指示灯应处于点亮状态。此时，若录音输入端口没有接入音频3线，信号发生器会将从麦克风输入的语音信号录下。若录音输入端口有接入音频线，信号发生器就会录下从音频线输入的语信号。图1下部有控制A路和B路波形和频率的四个按钮以及复位按钮，可控制输出10~30KHz的方波，三角波，正弦波以及白噪声四种波形。在按钮上面有一排共16个状态指示灯。其中绿灯表示输出波形种类，红灯表示输出波形频率。左侧8个灯表示A路波形输出的状态，右面8个灯表示B路波形输出的状态。当A路波形输出处于任一状态时，上面8个灯中均会有一个红灯和一个绿灯点亮（输出白噪声时红灯状态无意义）。B路波形输出同理。频率共分4档，分别10~100Hz，100~1KHz，1K~10KHz，10K~30KHz。当输出信号的频率落入哪一档的范围时，在信号源正面，与该档位相对应的红色指示灯会点亮。波形也有四种：方波，三角波，正弦波和白噪声4种波形可通过按钮选择，当输出为某一特定波形时，信号源正面相应的绿色指示灯会点亮。使用音频信号线录音时，需要注意信号与电源的共地问题，最好使用与信号发生器配套的dsp评估板作为音源，不然可能会产生噪音。图1左部上下有两个扬声器。通过音频线将一个音源的输出接入到扬声器输入端口可以从扬声器中直接听到该音源的输出。在放音或循环放音时，将耳机输入线插入到耳机输入端口可以从耳机中听到信号发生器的输出[3-4]。Figure1.Wintechintegratedsignalgenerator图1.Wintech综合信号发生器2.2.3A/D数据采集模块随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样，量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样速率一般取fS=2.5fmax。通常采样脉冲的宽度tw是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的，且所用时间又是保持时间的一部分。TMS320F2812带内置采样／保持(S／H)的12位模数