MATLAB辅助DSP设计的研究与实现精

1、MATLAB甫助DSP设计的研究与实现摘要：实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨导放大 器-电容（OTA-C）连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程 电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为126 MHz阻带抑制率大于35 dB，带内波纹小于0. 5 dB，采用1. 8 V电源，TSMC 0 18卩m CMOS：艺 库仿真，功耗小于21 mVy频响曲线接近理想状态。关键词：Butte 摘要：提出结合MATLA来开发DSP系统的思想，阐述了实现该思想的两种工 具，并详细介绍了使用 MATLA

2、B Link for Code Composer Studio 辅助 DSP设计的相关内容，包括其功能特点、实现方式、工作原理等。最后结合典 型的 FIR 滤波器实例，探讨了使用该工具的方法，并设计了图形用户界面。结 果表明应用MATLAB甫助开发DSP系统可以发挥二者的优势，缩短开发周期，降 低开发门槛，优化开发过程。关键字 ： MATLA；B 数字信号处理器； CCSLink； CCS 1 引言数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP是指一类具有专门为完成数字信号处理任务而优化设计的系统体系结构、硬件和软件资源的单片可编程 处理器件。数字信号处理器是实现数字

3、信号处理任务的一个重要而有效的手 段，随着通信和信息技术的飞速发展，数字信号处理器件在最近 20年得到了空 前的发展和应用。MATLA是美国MathWorks公司开发的一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处 理数据，在科学计算、控制系统、信息处理等多种领域有着广泛的应用。MATLAB!有强大的计算、分析和可视化功能，但 MATLAB!言是解释执行的， 执行速度较慢；而DSP是为了完成实时数字信号处理任务而设计的，算法的高 效实现是DSP器件的显著特点，但是其开发门槛高。如果能把MATLA和DSP开发工具结合在一起，取长补短，相辅相成，将是DSPS计人员梦寐以求的一种新的开发思想。MathWork

4、s公司和TI公司联合开发的MATLAB Link for Code Composer Studio （简称 CCSLink）和 Embedded Target for TI TMS320C6000 DSP工具正是这一思想的完美实现。本文所作研究是以自行研制的 DSP教学实验箱为平台进行的，其 DSP采用 TMS320VC541芯片实现。本文内容安排如下：第 1部分在介绍相关背景知识的 基础上，引入使用MATLAB甫助DSPS计的思想；第2部分介绍了 MATAL中实 现这一思想的两种工具；第3部分介绍了工具之一 CCSLink的实现方式及工作 原理；第4部分结合实验平台给出了 CCSLink的应

5、用实例。第五部分对本文作 了总结。2MATLAB甫助DSPS计的方法概述 实现MATLAB甫助DSPS计的方法有两种，即 CCSLink和Embedded Target for TI TMS320C6000 DSP 前者可实现 MATLA与 C2000/C5000/C6000 DSP之间的数 据交互和程序控制；后者可实现从 Simulink模型自动生成DSP目标代码，但仅 支持C6000系列的部分DSP器件。考虑到实验平台是以C5000 DSP为基础的，并且第二种工具较容易操作等因 素，下面主要研究利用CCSLink辅助DSP设计的方法。2.1 Embedded Target for TI T

6、MS320C6000 DSPCode Composer Studio(CCS)是TI提供的DSP的集成开发环境。对于 C6000系列而言，利用工具 Embedded Target for TI TMS320C6000 DSP ， 用户可以从Simulink模型直接生成针对DSP目标板的可执行文件或者 CCS工程 文件，实现了 MATLAB/Simulink与CCS集成开发环境(IDE)的无缝连接，从而把 设计人员从繁杂的DSP编程中解脱出来，将主要的精力放在设计而不是DSP编程上，所以极大地缩短了系统的测试和开发周期，进而保证了所设计系统的高 性能。2.2 MATLAB Link for Co

7、de Composer Studio集成在MATLAB6.5或更高版本中的CCSLink工具把MATLAB TI DSP及其集成开 发环境CCS连接在一起，使得我们可以在 MATLA环境下就可以完成对CCS和 DSP目标板的操作，包括与目标内存之间的数据交互，检测处理器的状态，控 制DSP程序的运行等。它提供了 MATLAB CCS和目标DSP板的双向连接，开发 者可以利用MATLA中强大的可视化、数据处理和分析工具对 DSP中的数据进行 分析和再处理，以辅助DSP系统设计，这样就极大地降低了开发人员编写 DSP 代码的难度和工作量，提高了整个 DSP系统的性能和可行性。我们利用CCSLink

8、提供的相关函数能够实现 MATLA与目标DSP的存储器及寄存 器间的信息交互，如同操作 MATLA变量一样来读、写TI DSP中的存储器或寄 存器，即整个目标DSP对于MATLA而言是透明的。CCSLink支持TI的 C2000/C5000/C6000等多系列DSP应用广泛。3 CCSLi nk的实现方式及工作原理 3.1 CCSLink 的实现方式 禾用CCSLink即可实现MATLAB CCS和目标DSP之间的信息交互。CCSLink共 提供了 3 种实现方式：1)使用与CCS IDE的连接对象。利用此对象来创建 CCS IDE和MATLA的连 接，从MATLA命令窗中即可运行CCS ID

9、E中的应用程序，查询目标 DSP的状态 信息，修改或读取目标DSP的存储器或寄存器中的数据，甚至可以调试 DSP程 序。其工作原理见 3.2 节。2）使用与RTDX（Real-Time Data Exchange）的连接对象。提供 MATLA和硬件DSP 之间的实时通信通道。利用此连接对象，可以打开、使能、关闭或禁止DSP的 RTDX1道，禾I用此通道可以实时地向硬件目标 DSP发送和取出数据而不 必停止DSP上运行的程序。例如把原始数据发送给程序进行处理，并把处理结 果取回到MATLA空间中进行分析。RTDX1接对象实际上是CCS连接对象的一个子类，在创建 CCS连接对象的同时 创建RTDX

10、连接对象，它们不能分别创建。3）使用嵌入式对象。在MATLA环境中创建一个可以代表嵌入在目标 C程序中 的变量的对象。利用嵌入式对象可直接访问嵌入在目标 DSP中的存储器和寄存 器中的变量，即把目标 C程序中的变量作为MATLAB勺一个变量对待。3.2 CCSLink 的工作原理上面的三种方式在具体实现时略有不同，但是其原理相似，不失一般性，我们 通过第一种方式一一与CCS IDE的连接对象，来介绍CCSLink的工作机理。1）选择目标DSP并创建CCS IDE连接对象在MATLAB境下使用函数ccsdsp并配置相应的属性名和属性值即可创建一个CCS IDE连接对象cc:cc=ccsdsp(

11、boardnum', x, procnum', y,timeout ', z);其中， boardnum、procnum、 timeout 都是属性名。 使用的目标板编号、DSP处理器编号及全局超时值。分别表示创建连接对象时所2）在MATLAB境下加载CCS工程文件projfile=fullfile(matlabroot,ccsproject.pjt');toolbox '%取得工程文件tiddk 'projpath = fileparts(projfile);%取得工程文件路径open(cc, projfile);在 CCS IDE中%加载工程

12、文件，该函数实现把文件 filename 加载cd(cc, projpath);%改变CCS的工作路径3）在MATLAB境下编译、连接并下载可执行文件创建了 CCS IDE连接对象并加载工程文件后，即可通过函数build（）编译和链接工程文件，以生成针对目标 DSP的可执行文件（.out文件）；通过函数 load（）下载可执行文件到目标 DSP中。具体方法如下：build(cc);DSP可执行文件%编译、链接工程文件，生成目标load(cc, ccsproject.out '); 行文件名与工程名相同%下载可执行文件到目标DSP可执4)在MATLAB境下控制程序运行DSP勺运行状态。通

13、过这些函数，在CCSLink提供了 3个函数用于控制目标MATLA下对DSP的控制操作就像在CCS IDE中一样方便，实际上也确实是这样 进行的。halt(cc);restart(cc);%复位程序计数器PC,重新执行程序%中断处理器的运行run(cc, runtohalt ', 30); % 执行程序到断点处，最后一个参数表示超时时 间，此处为 30s 5)在MATLAB境下对CCS IDE连接对象进行操作在MATLAB可以方便的操作DSP存储器和寄存器中的数据，包括读操作和写操 作。下面以读写目标DSP存储器和寄存器中的数据来说明。date=read(cc, 256,0,doubl

14、e', 100);%从目标存储器目的地址100H(即十进制数256)处开始，读取100个双精度数并赋给 MATLAB寸象datereg=regread(cc,A0' , 2scomp );%读取 DSP寄存器 A0中的数据，并转化成双精度数分配给 MATLAB寸象reg向目标存储器100H开始的地write(cc, 256,0, double(1.0 2.0 3.0);% 址处，写入三个双精度数据6)关闭CCS IDE连接对象当一切操作执行完成后，需要删除 ccsdsp 对象，以收回系统资源。clear cc;%关闭CCS IDE连接对象4 CCSLink 应用实例通过CCSL

15、ink工具，可以使用MATLAB进行DSP的辅助设计。在此以FIR滤波 器为例，介绍CCSLink在DSP设计中的应用。在该实例中，FIR滤波的核心内 容由DSP实现，而算法仿真、系数产生、用户界面、结果验证等部分由MATLAB辅助完成。4.1 FIR滤波器设计设输入信号为x(n),输出信号为y(n),则FIR滤波器对应的差分方程可表示 为：其中，h(k)(k=0,1,2,N-1)表示滤波器系数序列，是滤波器设计的关键。h(k)可以通过MATLA工具箱提供的滤波器函数fir1()和fir2()来获取：首先通过 建立MATLAB/Simulink模型，根据所需设计低通滤波器的性能要求来确定滤波

16、器的阶数和截止频率等参数。本例所设计的FIR低通滤波器参数为：截止频率(Fc)2kHz，采样频率(Fs)8kHz，阶数(N)40。然后借助函数fir1(N, W n)即可返回 对应滤波器的系数矩阵，其中 N为阶数，W为滤波器的归一化截止频率，即 W 2Fc/Fs，且 OWWnW 1。4.2 DSP滤波算法实现结合MATLAB生的滤波器系数，就可以编写 DSP滤波主程序了，关键代码如下：FIR_TASKSTMFIR循环缓冲区的大小#K FIR BFFR, BK；设置LDTNBUF _P+, -1, A;数据输入FIR_FILTER:STLA, *FIR DATA P+%；最新数据替代最旧数据RP

17、TZA, (K_FIR_BFFR-1)MACSTHA,*OUTBUF _P;数据输出*FIR DATA P+0%, *FIR COFF P+0%, A ;乘累加4.3 MATLAB辅助设计本设计中，算法仿真、系数产生、用户界面等部分由MATLAB甫助完成。算法仿真、系数产生方法在4.1中已详细介绍，本节重点介绍用户界面部分。本图形 用户界面可以实现如下功能：修改参数，如滤波参数n和W,这种参数选取方法避免了反复修改DSP程序的弊端，可以满足不同层次使用者的使用；控制操 作过程，如加载工程文件、下载可执行文件、运行程序等；绘制DSP输入数据的时域及频域信号；绘制滤波后 DSP输出数据的时域及频域

18、信号；使用 MATLAB提供的滤波函数对输入数据进行滤波计算，并把所得结果与DSP输出信号进行比较，以验证或改良DSP算法。用户界面的流程图如图1所示，主要由图形界面和回调函数两大部分组成。其 中，图形界面由文件FIR_BPF.m实现；回调函数总共由6个文件实现，分别是input.m ，input2.m ， output.m，output2.m， Ivbopin.m 和 Ivbohou.m。当输入带有干扰的方波信号后，分别查看输入波形、MATLABi波输出信号、DSP滤波输出信号，结果如图2所示。比较MATLA滤波输出信号和DSP滤波输 出信号，据此可以采用修改滤波器系数或 DSP程序等措施来改进DSP滤波算 法。图1用户图形界面流程 图 图2实验结果5结束语本文探索并实现了利用CCSLink辅助DSP设计的完整过程。同时以FIR滤波器 为例，利用CCSLink辅助设计了基于DSP TMS320VC541的应用系统，该系统具 有灵活的参数设置和快速的处理效率，很好地达到了辅助DSP设计的目的；