MATLAB輔助DSP設計的研究與實(shí)現

1 引言

數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是指一類(lèi)具有專(zhuān)門(mén)為完成數字信號處理任務(wù)而優(yōu)化設計的系統體系結構、硬件和軟件資源的單片可編程處理器件。數字信號處理器是實(shí)現數字信號處理任務(wù)的一個(gè)重要而有效的手段，隨著(zhù)通信和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數字信號處理器件在最近20年得到了空前的發(fā)展和應用。

MATLAB是美國MathWorks公司開(kāi)發(fā)的一種科學(xué)計算軟件，專(zhuān)門(mén)以矩陣的形式處理數據，在科學(xué)計算、控制系統、信息處理等多種領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。MATLAB具有強大的計算、分析和可視化功能，但MATLAB語(yǔ)言是解釋執行的，執行速度較慢；而DSP是為了完成實(shí)時(shí)數字信號處理任務(wù)而設計的，算法的高效實(shí)現是DSP器件的顯著(zhù)特點(diǎn)，但是其開(kāi)發(fā)門(mén)檻高。如果能把MATLAB和DSP開(kāi)發(fā)工具結合在一起，取長(cháng)補短，相輔相成，將是DSP設計人員夢(mèng)寐以求的一種新的開(kāi)發(fā)思想。MathWorks公司和TI公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的MATLAB Link for Code Composer Studio（簡(jiǎn)稱(chēng)CCSLink）和Embedded Target for TI TMS320C6000 DSP工具正是這一思想的完美實(shí)現。

本文所作研究是以自行研制的DSP教學(xué)實(shí)驗箱為平臺進(jìn)行的，其DSP采用TMS320VC5416芯片實(shí)現。本文內容安排如下：第1部分在介紹相關(guān)背景知識的基礎上，引入使用MATLAB輔助DSP設計的思想；第2部分介紹了MATALB中實(shí)現這一思想的兩種工具；第3部分介紹了工具之一CCSLink的實(shí)現方式及工作原理；第4部分結合實(shí)驗平臺給出了CCSLink的應用實(shí)例。第五部分對本文作了總結。

2 MATLAB輔助DSP設計的方法概述

實(shí)現MATLAB輔助DSP設計的方法有兩種，即CCSLink和Embedded Target for TI TMS320C6000 DSP。前者可實(shí)現MATLAB與C2000/C5000/C6000 DSP之間的數據交互和程序控制；后者可實(shí)現從Simulink模型自動(dòng)生成DSP目標代碼，但僅支持C6000系列的部分DSP器件。

考慮到實(shí)驗平臺是以C5000 DSP為基礎的，并且第二種工具較容易操作等因素，下面主要研究利用CCSLink輔助DSP設計的方法。

2.1 Embedded Target for TI TMS320C6000 DSP

Code Composer Studio(CCS)是TI提供的DSP的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

對于C6000系列而言，利用工具Embedded Target for TI TMS320C6000 DSP，用戶(hù)可以從Simulink模型直接生成針對DSP目標板的可執行文件或者CCS工程文件，實(shí)現了MATLAB/Simulink與CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)的無(wú)縫連接，從而把設計人員從繁雜的DSP編程中解脫出來(lái)，將主要的精力放在設計而不是DSP編程上，所以極大地縮短了系統的測試和開(kāi)發(fā)周期，進(jìn)而保證了所設計系統的高性能。

2.2 MATLAB Link for Code Composer Studio

集成在MATLAB6.5或更高版本中的CCSLink工具把MATLAB、TI DSP及其集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS連接在一起，使得我們可以在MATLAB環(huán)境下就可以完成對CCS和DSP目標板的操作，包括與目標內存之間的數據交互，檢測處理器的狀態(tài)，控制DSP程序的運行等。它提供了MATLAB、CCS和目標DSP板的雙向連接，開(kāi)發(fā)者可以利用MATLAB中強大的可視化、數據處理和分析工具對DSP中的數據進(jìn)行分析和再處理，以輔助DSP系統設計，這樣就極大地降低了開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)DSP代碼的難度和工作量，提高了整個(gè)DSP系統的性能和可行性。

我們利用CCSLink提供的相關(guān)函數能夠實(shí)現MATLAB與目標DSP的存儲器及寄存器間的信息交互，如同操作MATLAB變量一樣來(lái)讀、寫(xiě)TI DSP中的存儲器或寄存器，即整個(gè)目標DSP對于MATLAB而言是透明的。CCSLink支持TI的C2000/C5000/C6000等多系列DSP，應用廣泛。

3 CCSLink的實(shí)現方式及工作原理

3.1 CCSLink的實(shí)現方式

利用CCSLink即可實(shí)現MATLAB、CCS和目標DSP之間的信息交互。CCSLink共提供了3種實(shí)現方式：

1）使用與CCS IDE的連接對象。利用此對象來(lái)創(chuàng )建CCS IDE和MATLAB的連接，從MATLAB命令窗中即可運行CCS IDE中的應用程序，查詢(xún)目標DSP的狀態(tài)信息，修改或讀取目標DSP的存儲器或寄存器中的數據，甚至可以調試DSP程序。其工作原理見(jiàn)3.2節。

2）使用與RTDX(Real-Time Data Exchange)的連接對象。提供MATLAB和硬件DSP 之間的實(shí)時(shí)通信通道。利用此連接對象，可以打開(kāi)、使能、關(guān)閉或禁止DSP的RTDX通道，利用此通道可以實(shí)時(shí)地向硬件目標DSP發(fā)送和取出數據而不必停止DSP上運行的程序。例如把原始數據發(fā)送給程序進(jìn)行處理，并把處理結果取回到MATLAB空間中進(jìn)行分析。

RTDX連接對象實(shí)際上是CCS連接對象的一個(gè)子類(lèi)，在創(chuàng )建CCS連接對象的同時(shí)創(chuàng )建RTDX連接對象，它們不能分別創(chuàng )建。

3）使用嵌入式對象。在MATLAB環(huán)境中創(chuàng )建一個(gè)可以代表嵌入在目標C程序中的變量的對象。利用嵌入式對象可直接訪(fǎng)問(wèn)嵌入在目標DSP中的存儲器和寄存器中的變量，即把目標C程序中的變量作為MATLAB的一個(gè)變量對待。

3.2 CCSLink的工作原理

上面的三種方式在具體實(shí)現時(shí)略有不同，但是其原理相似，不失一般性，我們通過(guò)第一種方式――與CCS IDE的連接對象，來(lái)介紹CCSLink的工作機理。

1）選擇目標DSP并創(chuàng )建CCS IDE連接對象

在MATLAB環(huán)境下使用函數ccsdsp并配置相應的屬性名和屬性值即可創(chuàng )建一個(gè)CCS IDE連接對象cc：

cc=ccsdsp(‘boardnum’, x, ‘procnum’, y, ‘timeout’, z);

其中，boardnum、procnum、timeout都是屬性名。分別表示創(chuàng )建連接對象時(shí)所使用的目標板編號、DSP處理器編號及全局超時(shí)值。

2）在MATLAB環(huán)境下加載CCS工程文件

projfile=fullfile(matlabroot, ‘toolbox’, ‘tiddk’, …, ‘ccsproject.pjt’); %取得工程文件

projpath = fileparts(projfile); %取得工程文件路徑

open(cc, projfile); %加載工程文件，該函數實(shí)現把文件filename加載在CCS IDE中

cd(cc, projpath); %改變CCS的工作路徑

3）在MATLAB環(huán)境下編譯、連接并下載可執行文件

創(chuàng )建了CCS IDE連接對象并加載工程文件后，即可通過(guò)函數build()編譯和鏈接工程文件，以生成針對目標DSP的可執行文件（.out文件）；通過(guò)函數load()下載可執行文件到目標DSP中。具體方法如下：

build(cc); %編譯、鏈接工程文件，生成目標DSP可執行文件

load(cc, ‘ccsproject.out’); %下載可執行文件到目標DSP，可執行文件名與工程名相同

4）在MATLAB環(huán)境下控制程序運行

CCSLink提供了3個(gè)函數用于控制目標DSP的運行狀態(tài)。通過(guò)這些函數，在MATLAB下對DSP的控制操作就像在CCS IDE中一樣方便，實(shí)際上也確實(shí)是這樣進(jìn)行的。

halt(cc); %中斷處理器的運行

restart(cc); %復位程序計數器PC，重新執行程序

run(cc, ‘runtohalt’, 30); %執行程序到斷點(diǎn)處，最后一個(gè)參數表示超時(shí)時(shí)間，此處為30s

5）在MATLAB環(huán)境下對CCS IDE連接對象進(jìn)行操作

在MATLAB中可以方便的操作DSP存儲器和寄存器中的數據，包括讀操作和寫(xiě)操作。下面以讀寫(xiě)目標DSP存儲器和寄存器中的數據來(lái)說(shuō)明。

date=read(cc, [256,0], ‘double’, 100); %從目標存儲器目的地址100H(即十進(jìn)制數256)處開(kāi)始，讀取100個(gè)雙精度數并賦給MATLAB對象date

reg=regread(cc, ‘A0’, ‘2scomp’); %讀取DSP寄存器A0中的數據，并轉化成雙精度數分配給MATLAB對象reg

write(cc, [256,0], double([1.0 2.0 3.0]));%向目標存儲器100H開(kāi)始的地址處，寫(xiě)入三個(gè)雙精度數據

6）關(guān)閉CCS IDE連接對象

當一切操作執行完成后，需要刪除ccsdsp對象，以收回系統資源。

clear cc; %關(guān)閉CCS IDE連接對象

4 CCSLink應用實(shí)例

通過(guò)CCSLink工具，可以使用MATLAB來(lái)進(jìn)行DSP的輔助設計。在此以FIR濾波器為例，介紹CCSLink在DSP設計中的應用。在該實(shí)例中，FIR濾波的核心內容由DSP實(shí)現，而算法仿真、系數產(chǎn)生、用戶(hù)界面、結果驗證等部分由MATLAB輔助完成。

4.1 FIR濾波器設計

設輸入信號為x(n)，輸出信號為y(n)，則FIR濾波器對應的差分方程可表示為：

其中，h(k)(k=0,1,2,…,N-1)表示濾波器系數序列，是濾波器設計的關(guān)鍵。h(k)可以通過(guò)MATLAB工具箱提供的濾波器函數fir1()和fir2()來(lái)獲?。菏紫韧ㄟ^(guò)建立MATLAB/Simulink模型，根據所需設計低通濾波器的性能要求來(lái)確定濾波器的階數和截止頻率等參數。本例所設計的FIR低通濾波器參數為：截止頻率(F_c)2kHz，采樣頻率(F_s)8kHz，階數(N)40。然后借助函數fir1(N, W_N)即可返回對應濾波器的系數矩陣，其中N為階數，W_N為濾波器的歸一化截止頻率，即W_N= 2F_c/F_s，且0≤W_N≤1。

4.2 DSP濾波算法實(shí)現

結合MATLAB產(chǎn)生的濾波器系數，就可以編寫(xiě)DSP濾波主程序了，關(guān)鍵代碼如下：

FIR_TASK：

STM #K_FIR_BFFR, BK ; 設置FIR循環(huán)緩沖區的大小

LD *INBUF_P+, -1, A ; 數據輸入

FIR_FILTER：

STL A, *FIR_DATA_P+% ; 最新數據替代最舊數據

RPTZ A, (K_FIR_BFFR-1)

MAC *FIR_DATA_P+0%, *FIR_COFF_P+0%, A ; 乘累加

STH A,*OUTBUF_P ; 數據輸出

4.3 MATLAB輔助設計

本設計中，算法仿真、系數產(chǎn)生、用戶(hù)界面等部分由MATLAB輔助完成。算法仿真、系數產(chǎn)生方法在4.1中已詳細介紹，本節重點(diǎn)介紹用戶(hù)界面部分。本圖形用戶(hù)界面可以實(shí)現如下功能：修改參數，如濾波參數n和W_n，這種參數選取方法避免了反復修改DSP程序的弊端，可以滿(mǎn)足不同層次使用者的使用；控制操作過(guò)程，如加載工程文件、下載可執行文件、運行程序等；繪制DSP輸入數據的時(shí)域及頻域信號；繪制濾波后DSP輸出數據的時(shí)域及頻域信號；使用MATLAB提供的濾波函數對輸入數據進(jìn)行濾波計算，并把所得結果與DSP輸出信號進(jìn)行比較，以驗證或改良DSP算法。

用戶(hù)界面的流程圖如圖1所示，主要由圖形界面和回調函數兩大部分組成。其中，圖形界面由文件FIR_BPF.m實(shí)現；回調函數總共由6個(gè)文件實(shí)現，分別是input.m，input2.m，output.m，output2.m，lvbopin.m和lvbohou.m。

當輸入帶有干擾的方波信號后，分別查看輸入波形、MATLAB濾波輸出信號、DSP濾波輸出信號，結果如圖2所示。比較MATLAB濾波輸出信號和DSP濾波輸出信號，據此可以采用修改濾波器系數或DSP程序等措施來(lái)改進(jìn)DSP濾波算法。

圖1 用戶(hù)圖形界面流程圖

圖2 實(shí)驗結果

5 結束語(yǔ)

本文探索并實(shí)現了利用CCSLink輔助DSP設計的完整過(guò)程。同時(shí)以FIR濾波器為例，利用CCSLink輔助設計了基于DSP TMS320VC5416的應用系統，該系統具有靈活的參數設置和快速的處理效率，很好地達到了輔助DSP設計的目的；再者，利用MATLAB的GUI工具設計了相應的圖形用戶(hù)界面，便于不同技術(shù)層次的用戶(hù)操作，增強了DSP系統的適用性。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：1．發(fā)展了利用MATLAB輔助DSP設計的思想，把DSP系統設計中的算法仿真、系數產(chǎn)生、結果驗證、用戶(hù)界面等環(huán)節交由MATLAB完成，實(shí)現了二者的無(wú)縫連接。2．通過(guò)MATLAB設計的人機界面，增強了DSP系統的適用性，便于不同技術(shù)層次的用戶(hù)操作。

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