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。