基于DSP的带阻滤波器设计.doc

1、 本科毕业设计任务书 题目 基于 DSP的带阻滤波器设计 专业 电子信息工程 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 一 主要内容 工频干扰是工业现场的常见干扰源，它的存在对工业现场小信号的提取造成了较大的困难，课题要求采用 DSP 设计一个通用，滤波参数可以调节的带阻式滤波器，以满足对工业现场小信号提取的要求。 二 基本要求 1 学习滤波器的工作原理。 2 学习 DSP 的相关知识。 3 选取适合的 DSP 处理器，设计硬件电路。 4 编写程 序实现带阻滤波器。 5 设计人机交互接口。 6 要求能够方便地修改滤波参数。 7 要求设计硬件原理图。 8 编写相关程序编译仿真通过。 9

2、如果进度可行，试制实际电路系统。 10 毕业设计完成后，要求提交论文，包括详细的设计说明、图纸等技术资料。 11 翻译英文资料一份。 三 主要参考资料 1 DSP 处理器及应用，邹彦 2 数字信号处理，（美）海因斯（ Hayes， M.H.）， 2002 3 有源滤波器精 确设计手册 ，（美） D.E.约翰逊 ， 1984 4 高性能数字信号处理器与高速实时信号处理 ，苏涛等编著 ， 1999 完 成 期 限： 2012.02.132012.06.01 指导教师签章： 专业负责人签章： 2012 年 2 月 13 日 基于 DSP 的带阻滤波器设计 I 基于 DSP 的带阻滤波器设计 摘 要

3、在工业现场信号处理的过程中 ， 有来自外界的各种噪声干扰 ， 其中尤以工频干扰是最常见的干扰源。当被检测的信号比较弱 ，并且 频率也比较接近 50Hz 时 ，工频对被测信号的 干扰就越加突出 ， 对工业现场小信号的提取造成了很大的困难。课题拟利用数字滤波器去除工业现场小信号中工频干扰的影响。 首先依据工业现场信号的特点，采用 MATLAB 仿真计算带阻滤波器的性能指标，得到能满足现场提取信号要求的滤波器系数表。之后依据估计运算量选择相应的 DSP处理器芯片，并根据转换精度来选择 A/D 与 D/A 转 换器芯片，以及由于处理器内存不足进行 FLASH、 SRAM 与 PRAM 的外部存储器扩展

4、来设计一个 DSP 应用系统，并设定其中参数。最后在 CCS 开发环境下用软件编写程序来实现本课题中所 需 设计的带阻滤波器。 关键词 带阻滤波器 工频干扰 DSP TMS320VC5402 基于 DSP 的带阻滤波器设计 II BASED-ON DSP DESIGN OF BAND-STOP FILTER ABSTRACT In the industrial field of signal processing, there are all kinds of noise from outside, especially in the frequency interference is the

5、 most common sources of interference. When the detection signal is relatively weak, and the frequency close to 50Hz, the frequency the more prominent of the measured signal interference and caused great difficulties to the small-signal extraction of the industrial field. The subject intends to take

6、advantage of the digital filter to remove the impact of the industrial field signal frequency interference. Firstly, on the basis of industry scene signal characteristics, using MATLAB simulation of the band-stop filter performance index can meet the requirements of the scene of the signal filter co

7、efficient table. Then, based on the estimated operation corresponding to the selected DSP processor chip, and according to the conversion accuracy to choose A/D and D/A converter chip, and because the processor memory for FLASH, SRAM and PRAM external memory expansion to design a DSP application sys

8、tem, and set the parameters of them. Finally, in the CCS development environment to use software programming to achieve the required design of band-stop filter. KEY WORDS Band-stop filters Frequency interference DSP TMS320VC5402 基于 DSP 的带阻滤波器设计 目 录 摘要 . I ABSTRACT.II 1 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 研究意义 .

9、 2 1.3 主要研究内容 . 2 2 DSP 数字滤波器关键指标分析与方案设计 . 4 3 DSP 系统的硬 件电路设计 . 7 3.1 DSP 与 A/D 和 D/A 转换器的接口 . 7 3.1.1 DSP 与 A/D 转换器的接口 . 7 3.1.2 DSP 与 D/A 转换器的接口 . 9 3.2 DSP 存储器的扩展 . 11 3.2.1 FLASH 的扩展 . 11 3.2.2 SRAM 的扩展 .12 3.2.3 PRAM 的扩展 .13 3.3 DSP 系统的外围电路设计 .14 3.3.1 电源电路的设计 .14 3.3.2 复位电路的设计 .16 3.3.3 时钟电路的设

10、计 .17 3.4 JTAG 仿真接口电路的设计 .19 4 带阻滤波器的 DSP 实现 .22 4.1 FFT/IFFT 算法程序及应 用 .22 基于 DSP 的带阻滤波器设计 4.1.1 FFT 设计方法 .22 4.1.2 FFT 算法的实现 .23 4.2 CCS 开发环境 .24 4.3 带阻滤波器的软件设计 .26 4.3.1 带阻滤波器的程序流程 .26 4.3.2 带阻滤波器的实现 .28 结束语 .30 致谢 .31 参考文献 .32 附录 .33 基于 DSP 的带阻滤波器设计 1 1 绪论 1.1 课题背景 目前，各种干扰在各类工业现场中均存在，所以仪表及控制系统的可靠

11、性直接影响到现代化工业生产装置安全、稳定运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。并且工频干扰广泛存在各种工业现场中，其产生的途径主要包括输电馈线、照明设备、发动机以及各种电子仪器设备等， 工频干扰的存在对于工业现场中小信号的提取造成了较大的困难。也就是说当我们在工业现场中提取有用信号时，如果此信号比较弱，频率比较接近 50Hz 时，工频干扰就越加突出，那么它对于我们 提取有用信号就会造成很大困难，致使我们可能很艰难地做一些工业现场中与此有关的操作，这也会给我们造成很大的麻烦和损失。因此，我们要设计数字滤波器来滤除此工频干扰，来解决它在工业现场中造成的困难。并且数字滤波技术也是进行

12、数字信号处理的最基本手段之一，它是对数字输人信号进行运算，产生数字输出信号，以改善信号品质、提取有用信息、或者把组合在一起的多个信号分量分离开来为目的。在信号处理领域中，对于信号处理的实时性、快速性的要求越来越高。因此，在许多信息处理过程中，如对信号的过滤、检测、预测等，都要广泛地用到滤波器。其 中数字滤波器具有稳定性高、精度高、设计灵活、实现方便等许多突出的优点，避免了模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。因而随着数字技术的发展，用数字技术实现滤波器的功能越来越受到人们的注意和广泛的应用 1 。 数字滤波器的实现方法大致可以分为三种：利用单片通用数字滤波器集成电路、DSP器件

13、和可编程逻辑器件来实现。单片通用数字滤波器使用方便，但是由于字长和阶数的规格较少，不能完全满足实际需要。使用以串行运算为主的通用 DSP芯片实现要简单，它是一种实时、快速、适 合于实现各种数字信号处理运算的微处理器，借助于通用数字计算机，按滤波器的设计算法编出程序进行数字滤波。由于它具有丰富的硬件资源、改进的哈佛结构、高速数据处理能力和强大的指令系统，使得它在通信、航空、航天、雷达、工业控制、网络及家用电器等各个领域得到了广泛应用 2 。 用可编程 DSP芯片实现数字滤波时，可通过修改滤波器的参数十分方便地改变滤波器的特性。因此，我们有必要对滤波器的设计方法进行研究，理解其工作原理，优化其设计

14、方法，并设计开发出稳定性好的滤波器系统。我们将通过 DSP设计平台，实基于 DSP 的带阻滤波器设计 2 现较为重要的数字滤波器系统，从而通过本课题的研究，掌握滤波器的设计技术，为通信、信号处理等领域实用化数字滤波器的设计提供技术基础。本课题的研究，也将为今后设计以 DSP芯片为核心部件的嵌入式系统提供技术基础，这不仅具有重要的理论意义，同时还具有重要的实际意义 3 。 1.2 研究意义 随着信息时代和数字世界的到来，数字信号处理已经成为当今一门极其重要的学科。 数字信号处理 (DSP)包括两重含义：数字信号处理技术 (Digital Signal Processing)和数字信号处理器 (D

15、igital Signal Processor)。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法，对信号进行采集、滤波、增强、压缩、估值和识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的， 数字信号处理主要是研究有关数字滤波技术、离散变换快速算法和谱分析方法。 作为数字信息处理分支之一的数字滤波器，也受到了人们越来越多的关注，它是通信、语言、图像、自动控制、雷达、航空航天、生物医学信号处理等领域中的一种基本处理部件，具有稳定性好、精度高、灵活性大等突出优点 4 。 在数字信号处理的应用中，数字滤波器很重要并且得到了广泛的应用。按照数字滤波器的特性，它可以被分为线性与非线性、时变与时

16、不变、因果与非因果、无限长单位脉冲响应 (IIR)与有限长单位脉冲响应 (FIR)等等。 IIR滤波器的特征是具有无限持续时间冲激响应，这种滤波器一般需要用递归模型来实现，因而有时也称之为递归滤波器；而 FIR滤波器的时间冲激响应只能延续一定时间，在工程实际中可以采用递归的方式实现，也可以采用非递归的方式实现，但其结构主要还是非递归结构，并且 FIR滤波器很容易获得严格的线 性相位特性，避免被处理信号产生相位失真，而其线性相位体现在时域中仅仅是 )(nh 在时间上的延迟，这个特点在图像信号处理、数据传输等波形传递系统中是非常重要的。 相对于 IIR滤波器， FIR滤波器有着易于实现和系统绝对稳

17、定的优势，因此得到了广泛的应用 5 。 1.3 主要研究内容 由于在上节已说过，工频干扰是工业现场中的常见干扰源，它的存在对于工业现场中小信号的提取造成了较大的困难，那么本课题 需 采用 TMS320VC5402 DSP 芯片基于 DSP 的带阻滤波器设计 3 设计一 个通用且滤波参数可以调节的带阻式滤波器系统，如有限长单位脉冲响应 (FIR)滤波器，以满足对工业现场中小信号提取的要求。本次课题的主要任务，就是用MATLAB 中的窗函数设计法来 确定所要设计的带阻滤波器的指标和性能以及掌握DSP 芯片的开发技术， 需 要完成如下工作。 (1) 用 MATLAB 中的窗函数设计法来实现 FIR

18、带阻 滤波器：通过调用 MATLAB中的窗口函数，来截取带阻滤波器原型，以此来确定所要设计的带阻滤波器的性能指标，其性能指标 如 下 6 ： 带阻滤波器： 下通带边缘： 004.01 p ，上通带边缘： 016.02 p ， dBAp 1 ； 下阻带边缘： 008.01 s ，上阻带边缘： 012.02 s ， dBAs 40 。 (2) 用时间抽取法实现 FFT/IFFT 算法：通过此算法，对信号进行频域分析、频域处理。 (3) 研究 DSP 的结构特点：了解 TI 公司的 TMS320VC5402 DSP 芯片，掌握 DSP系统的构成及软硬件的 设计方法和 CCS 软件的调试方法；并以 T

19、I 公司的TMS320VC5402 DSP 芯片为核心处理器，在 DSK 上实现所要设计的 FIR 带阻 滤波器系统。 本论文共分为四个部分，第一章为绪论部分，介绍了课题背景、 DSP 及其滤波器的发展现状；第二章介绍了 DSP 系统的框图设计以及 DSP 芯片的选择；第三章详细介绍了 DSP 系统的硬件电路设计，说明了 DSP 系统有哪几部分组成；第四章详细介绍了课题中所要设计的带阻滤波器的软件实现方法。其中，三、四章是本论文的核心部分。 基于 DSP 的带阻滤波器设计 4 2 DSP 数字滤波器关键指标分析与方案设计 一个典 型的 DSP 系统框图如图 2-1 所示。由于 DSP 芯片是对

20、数字信号进行处理的，所以应先对输入的模拟信号进行调整，之后 再 让输出的模拟信号经过 A/D 变换后变成 DSP 芯片可以处理的数字信号，然后输入 DSP 芯片， DSP 芯片根据实际需要对其进行相应的处理，处理得到的结果仍然是数字信号，可以直接通过相应的通信接口将它传输出去，或者对它进行 D/A 变换将其转换为模拟采样值，最后再经过内插和平滑滤波就得到了连续的模拟信号。当然，图中的有些环节并不是必需的，如 A/D转换，如果输入的就是数字信号，那么就可以直接交给 DSP 芯片进行处 理 7 。 图 2-1 典型的 DSP 系统框图 由于 DSP 系统是以数字信号处理理论为基础的，所以其具有数字

21、信号处理器的优点： 接口方便， DSP 系统与其它以数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，比模拟系统与这些系统接口要容易的多。 编程方便， DSP 系统中的可编程 DSP 芯片可以使设计人员在开发过程中灵活方便的进行修改和升级，并且还可以将 C 语言与汇编语言结合使用。 具有高速性， DSP 系统的运行速度较高，最新的 DSP 芯片运行速度高达 10GMIPS以上。 稳定性好， DSP 系统以数字处理为基础，受周围环境如噪声、温度等的影响小，所以其可靠性高、稳定性好。 精度高，如 16 位数字系统可以达到 10-5 的精度。 可重复性好，模拟系统的性能受元件参数性能的变化影响大，而数字系统

22、基本不受影响，更便于测试、调试和大规模生产。 集成方便， DSP 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模生产。 当然 ， DSP 系统也存在一些缺点，例如对于一些简单的信号处理任务，若采用DSP 芯片则使成本增加；另外， DSP 系统中的高速时钟通常在几十兆赫，可能带 来防混叠滤波 A/D 转换 DSP 芯片 D/A 转换 平滑 滤波 输 入 输 出 基于 DSP 的带阻滤波器设计 5 高频干扰和电磁泄漏等问题；此外， DSP 技术发展得很快，但是开发和调试工具还很不完善。虽然 DSP 系统存在这些缺点，但是随着近两年来 DSP 技术突飞猛进的发展，很多问题都得到了缓解。一般来说， DSP

23、 系统的设计过程应遵循一定的设计流程如图 2-2 所示。 图 2-2 DSP 系统的基本设计流程 基于第一章所述，工频干扰是工业现场中的常见干扰源，它的存在对于工业现场中小信号的提取造成了较大的困难，因此课题要求采用 DSP 芯片设计一个通用且滤波参数可以调节的带阻式滤波 器，以满足对于工业现场中小信号提取的要求。并且所设计的带阻滤波器的性能指标为 下通带边缘： 004.01 p ，上通带边缘： 016.02 p ， dBAp 1 ；下阻带边缘： 008.01 s ，上阻带边缘： 012.02 s ，dBAs 40 ；采样频率： HzK10Fs ；点数： 1550N 。 DSP 应用 定义系统性能指标 硬件调试 选择 DSP 芯片 软件编程 硬件设计 系统集成 软件调试 系统测试和调试