参赛设计方案TMS320C6713

参赛设计方案1参赛方案本次参赛的题目为用DSP来实现准实时的小波降噪，其设计目标为利用小波降噪不需要预先设定被分析信号模型而能获得对信号的最优或近最优逼近的特点，通过并行/（串行）总线把待处理的离散数据传递给DSP，经过DSP降噪，然后把降噪后的数据通过并行/（串行）总线准实时的输出。设计本方案的目的，是基于实时系统中经常需要对数字信号降噪，目前使用比较广泛的为卡尔曼滤波方法，但其方法需要知道系统运行模式方程，使其应用受到了限制。鉴于小波降噪的优良特点：如小波降噪仅清除测量数据中的噪声，能够适应于含奇异点的非线性信号，不需要预先设定被分析信号模型，能够获得对信号的最优或近最优逼近等，因此采用小波降噪来设计一种适用各种实时系统数据模型的降噪模块。但由于小波变换的非因果性及不具备平移不变性，使小波变换难以实现递推计算，因而小波降噪也不能递推进行，从而影响了小波降噪的在线实时应用，所以本设计中兼顾降噪水平和信号处理速度，设计了一种准实时降噪算法，如果在满足降噪要求条件下，下一个数据送来前能够完成上个数据的计算，则能够实现系统的实时要求。系统提供两种通信端口，可选择两种以上小波降噪，用户可根据实际情况来选择应用。本设计可广泛应用于惯性导航、图像压缩、视频图像处理、音频信号处理等系统中的信号降噪。2系统硬件设计系统硬件设计框图如下所示：DSP(TMS320C6713)Dual-portRAM并行数据读写SPIEEPROM串行数据读写JTAG电源模块逻辑工作模式L逻辑显示FLSHSBSRAM复位逻辑图1系统框图2.1DSP选型目前比较流行的DSP芯片的应用主要以TI公司的产品为主。TMS320系列DSP芯片的基本结构包括：哈佛结构；流水线操作；专用的硬件乘法器；特殊的DSP指令；快速的指令周期。这些特点使得TMS320系列DSP芯片可以实现快速的DSP运算，并使大部分运算(例如乘法)能够在一个指令周期中完成。同时，TMS320系列DSP芯片是软件可编程器件，具有通用微处理器的方便灵活的优点。本次设计选择了德州(TI)公司生产的TMS320C6713(PYP)作为系统的核心，工作主频为200MHZ，不仅运算速度高，而且片内集成了许多外围设备，支持多种工业标准的接口协议，能够提供高宽带的数据I/O能力。TMS320C6713的CPU采用哈佛结构，其程序总线与数据总线分开，取指令与执行指令可以并行运行。片内程序存储器保存指令代码，程序总线连接程序存储器与CPU。TMS320C6713的程序总线宽度为256bit，每一次取指令操作都是取8个指令，称为一个取指包。执行时，每条指令占用1个功能单元。取指、指令分配和指令译码单元都具备每周期读取并传递8条32位指令的能力。这些指令的执行在2个数据通路(A和B)中的功能单元内实施。控制寄存器组控制操作方式。从程序存储器读取一个取指包时起，VLIW处理流程开始。TMS320C6713的片内程序总线分开，程序总线与数据分开，程序存储器与数据存储器分开，但是片外的存储器及总线都不分，二者是统一的。全部存储空间(包括程序存储器和数据存储器，片内和片外)以字节为单位统一编址。无论是从片外读取指令或与片外交换数据，都要通过EDMA与EMIF来实现。2.2外围电路设计2.2.1供电系统设计TMS320C6713需要两种电源，分别为CPU核心和周边I/O接口供电。周边I/O电压要求3.3V，CPU核心要求1.2V。因为需要两种电压所以要考虑供电系统的配合问题。再上电过程中，要保证内核电源(CVdd)先上电；而关闭电源时，先关闭DVdd，再关闭CVdd。遵循供电次序的原因在于，如果内核比周边I/O晚供电，那么芯片缓冲/驱动部分的晶体管将在一个未知状态下工作，这对于芯片来说是十分危险的。但是在有一定安全措施保障的前提下，允许2个电源同时上电，2个电源都必须在25ms内达到规定电平的95％。本系统利用一个电源驱动2个线性稳压模块，产生需要的CVdd和DVdd来为TMS320C6713供电的。由于CVdd和DVdd由同一个电源产生，因此在上电次序上不存在问题。2.2.2辅助电路设计系统在设计过程中考虑到数据处理的准实时性要求，以及用户使用的方便，在数据的传输方面设计了串行和并行两种传输方式。当要求数据处理量较大以及实时性要求较高时，可以使用并行方式传输数据加快数据处理速度，但充分考虑到串行通信的普遍性以及一些非高速数据处理情况，在此设计SPI传输方式。在实际应用中，对离散信号进行小波降噪可以采用不同的算法来实现，为了便于用户选择合适的算法对信号进行降噪处理，本系统设计了一套外围电路结合DSP内部软件来实现。外围电路包括：工作模式设置、EEPROM、显示以及UART。工作模式设置实际上是一个开关装置，它与DSP的通用I/O相连，其状态的不同反映系统的不同工作模式；EEPROM作为系统工作模式参数的存储单元；UART完成用户对工作模式参数的传输；显示实际是一个LED，作为系统工作状态的指示。当工作模式为0时，LED处于熄灭状态，系统从EEPROM中读取已有的参数值完成对应该参数值的小波降噪，此时系统默认UART的输入(若选择UART作为输入)作为需降噪的信号；当工作模式为1时，LED处于点亮状态，系统不进行数据的处理，用户通过UART将选定的参数输入EEPROM，输入完毕后，系统等待工作模式开关重新置0开始基于新算法的小波降噪。系统设计过程中，通过模式开关和软件的协调，使得同一UART可以完成不同的功能，大大简化了电路设计的复杂性，提高了系统的可靠性。TMS320C6713的片内RAM采用2级高速缓存结构，程序和数据拥有各自独立的高速缓存。片内的第一级程序cache称为L1P，第1级数据cache称为L1D(双路组联想结构)，程序和数据共享的第2级存储器称为L2。当系统在处理大数据量以及程序较多时，以上的配置就限制了系统工作。但是，TMS320C6713在异步接口上十分丰富，可以灵活的设置读写周期，实现不同速度、不同类型的异步器件的直接接口。这些异步器件可以是：ASRAM、EPROM、FPGA、FLASH、ASIC以及FIFO等。因此，设计中在TMS320C6713外部连接了FLASH和ASRAM，(其中FLASH作为外部程序存储器，ASRAM作为外部的数据寄存器)解决了以上问题。3软件设计3.1小波降噪算法先将受噪声污染的被分析数据经过小波变换得到以缩放系数和小波系数描述的变换域数据，然后对小波系数进行阈值收缩化处理。即根据统计理论，以测量数据及其小波变换系数为依据，确定一个阈值，将小波系数中低于该阈值的系数置成0值，其他小波系数和全部缩放系数不变（HardThresholding）或将其他小波系数向0值收缩(SoftThresholding)，最后用逆小波变换将缩放系数和经过收缩化处理后的小波系数还原成降噪后的数据输出。该过程可简单地用下图1归纳：小波降噪后的信号输出收缩化处理后的滤波系数和小波系数滤波系数小波系数待降噪的离散数据DWTThresholdingIWDT图2小波降噪过程示意图图中，DWT指离散小波变换过程，Thresholding指对小波系数的阈值收缩化处理，IDWT指逆离散小波变换过程。快速离散小波变换降噪算法（DWT），该算法要求其输入数据的个数是2的整数次幂，然后对其逐级分解，最后得到对输入数据的小波变换。先设用小波进行多分辨率（尺度）小波分解所需要的最小数据数量为02j，其中Nj0，10j。再记到k测量时刻已获得的实时测量数据序列为kaaa,,21。那么，实时小波降噪可以这样完成：在02jk期间，由于所得到的采样数据数量太少，无法进行小波变换及降噪，因此，直接输出k时刻的实时采样值ka。当k增长到02jk时，进行首次小波降噪处理，得到一个长度为02j的降噪后数据序列，暂记为0221ˆ,,ˆ,ˆjaaa，这个数据序列是对整个序列0221,,jaaa的小波降噪，在实时情况下，仅输出02ˆja作为02jk时刻的实时降噪值，其他点的降噪后取值12210ˆ,,ˆ,ˆjaaa可简单地抛弃或作为12210,,jaaa的平滑取值留作它用。当下一个采样值120ja到来时，再用最新得到的02j个采样值，即12320,,,jaaa，进行小波降噪计算，然后将降噪所得的最后一个值，即120ˆja作为120jk时刻的实时降噪输出。这种计算伴随k的增长继续进行，构成一个以宽度固定的滑动窗口内采样数据为输入的处理过程，滑动窗口总是只包含02j个最新采样数据，直到100222jjk时刻为止。当210022jjk时，改变滑动窗口的宽度，使之包含102j个最新采样数据，降噪处理后也只输出最后一个值。依此类推，即当122jjk时（其中0jj），取滑动窗口的宽度，使之包含j2个最新采样数据，然后对该窗口内的数据进行小波降噪处理，输出最后一个降噪值，如此等等。显然，在实时系统中，上述滑动窗口的宽度不能随采样数据量的不断增大而无限扩大，否则降噪处理时间将超出实时系统数据更新率的要求，故当Jk2时（其中J与采样速率、被采样信号的截止频率、实时数据更新率以及处理器运算速度等有关），滑动窗口的宽度可保持为包含最新J2个采样数据而不再变化。小波基的选取：根据EEPROM内的设定值选取Haar小波或Daubechies小波。3.2软件流程程序模块分为主程序模块，参数设置模块，数据处理模块和复位中断响应程序。主程序模块流程为，对CPU芯片初始化，对数据接口芯片初始化，读工作模式状态。如果逻辑开关状态为“1”，则认为SPI口送来的数据为参数值，即对EEPROM内的小波参数、工作模式值进行设置；如果逻辑开关状态为“0”，则认为端口送来的数据为要进行处理的数据，直接进行小波变换。参数设置模块设定系统通信端口(并口/串口)，选定小波，设置小波阶数及其它参数。数据处理模块流程为读取EEPROM数据，根据其值确定通信端口，选定小波，设定小波参数。等待中断。数据传至端口芯片，发出请求处理中断，中断处理程序，用选定小波对数据进行处理。数据处理按照先进先出原则，进来一个数据，处理一个数据，送出一个数据。复位中断响应程序完成对系统的复位功能。开始判断模式开关状态读取EEPROM数据根据数据设定工作模式选定小波及滤波参数待处理数据是否准备好关开用小波算法进行降噪输出降噪后数据状态显示YN设定工作模式设定小波设定小波参数初始化复位中断服务程序图3程序流程图