MATLAB輔助DSP設計的研究與實現(xiàn)

1  引言

數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是指一類具有專門為完成數(shù)字信號處理任務而優(yōu)化設計的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、硬件和軟件資源的單片可編程處理器件。數(shù)字信號處理器是實現(xiàn)數(shù)字信號處理任務的一個重要而有效的手段，隨著通信和信息技術的飛速發(fā)展，數(shù)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公司開發(fā)的一種科學計算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)，在科學計算、控制系統(tǒng)、信息處理等多種領域有著廣泛的應用。MATLAB具有強大的計算、分析和可視化功能，但MATLAB語言是解釋執(zhí)行的，執(zhí)行速度較慢；而DSP是為了完成實時數(shù)字信號處理任務而設計的，算法的高效實現(xiàn)是DSP器件的顯著特點，但是其開發(fā)門檻高。如果能把MATLAB和DSP開發(fā)工具結(jié)合在一起，取長補短，相輔相成，將是DSP設計人員夢寐以求的一種新的開發(fā)思想。MathWorks公司和TI公司聯(lián)合開發(fā)的MATLAB Link for Code Composer Studio（簡稱CCSLink）和Embedded Target for TI TMS320C6000 DSP工具正是這一思想的完美實現(xiàn)。

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

2  MATLAB輔助DSP設計的方法概述

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

考慮到實驗平臺是以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的集成開發(fā)環(huán)境。

對于C6000系列而言，利用工具Embedded Target for TI TMS320C6000 DSP，用戶可以從Simulink模型直接生成針對DSP目標板的可執(zhí)行文件或者CCS工程文件，實現(xiàn)了MATLAB/Simulink與CCS集成開發(fā)環(huán)境(IDE)的無縫連接，從而把設計人員從繁雜的DSP編程中解脫出來，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(tǒng)的測試和開發(fā)周期，進而保證了所設計系統(tǒng)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(nèi)存之間的數(shù)據(jù)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，開發(fā)者可以利用MATLAB中強大的可視化、數(shù)據(jù)處理和分析工具對DSP中的數(shù)據(jù)進行分析和再處理，以輔助DSP系統(tǒng)設計，這樣就極大地降低了開發(fā)人員編寫DSP代碼的難度和工作量，提高了整個DSP系統(tǒng)的性能和可行性。

我們利用CCSLink提供的相關函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)MATLAB與目標DSP的存儲器及寄存器間的信息交互，如同操作MATLAB變量一樣來讀、寫TI DSP中的存儲器或寄存器，即整個目標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的實現(xiàn)方式及工作原理

3.1 CCSLink的實現(xiàn)方式

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

1）使用與CCS IDE的連接對象。利用此對象來創(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(shù)據(jù)，甚至可以調(diào)試DSP程序。其工作原理見3.2節(jié)。

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

RTDX連接對象實際上是CCS連接對象的一個子類，在創(chuàng)建CCS連接對象的同時創(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問嵌入在目標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的一個變量對待。

3.2 CCSLink的工作原理

上面的三種方式在具體實現(xiàn)時略有不同，但是其原理相似，不失一般性，我們通過第一種方式——與CCS IDE的連接對象，來介紹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(shù)ccsdsp并配置相應的屬性名和屬性值即可創(chuàng)建一個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)建連接對象時所使用的目標板編號、DSP處理器編號及全局超時值。

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(shù)實現(xiàn)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(zhí)行文件

創(chuàng)建了CCS IDE連接對象并加載工程文件后，即可通過函數(shù)build()編譯和鏈接工程文件，以生成針對目標DSP的可執(zhí)行文件（.out文件）；通過函數(shù)load()下載可執(zhí)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(zhí)行文件 

load(cc, ‘ccsproject.out’);     %下載可執(zhí)行文件到目標DSP，可執(zhí)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個函數(shù)用于控制目標DSP的運行狀態(tài)。通過這些函數(shù)，在MATLAB下對DSP的控制操作就像在CCS IDE中一樣方便，實際上也確實是這樣進行的。

halt(cc);         %中斷處理器的運行

restart(cc);     %復位程序計數(shù)器PC，重新執(zhí)行程序

run(cc, ‘runtohalt’, 30); %執(zhí)行程序到斷點處，最后一個參數(shù)表示超時時間，此處為30s

5）在MATLAB環(huán)境下對CCS IDE連接對象進行操作

在MATLAB中可以方便的操作DSP存儲器和寄存器中的數(shù)據(jù)，包括讀操作和寫操作。下面以讀寫目標DSP存儲器和寄存器中的數(shù)據(jù)來說明。

date=read(cc, [256,0], ‘double’, 100);  %從目標存儲器目的地址100H(即十進制數(shù)256)處開始，讀取100個雙精度數(shù)并賦給MATLAB對象date

reg=regread(cc, ‘A0’, ‘2scomp’);        %讀取DSP寄存器A0中的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化成雙精度數(shù)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開始的地址處，寫入三個雙精度數(shù)據(jù)

6）關閉CCS IDE連接對象

當一切操作執(zhí)行完成后，需要刪除ccsdsp對象，以收回系統(tǒng)資源。

clear cc;         %關閉CCS IDE連接對象

4  CCSLink應用實例

通過CCSLink工具，可以使用MATLAB來進行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。在該實例中，F(xiàn)IR濾波的核心內(nèi)容由DSP實現(xiàn)，而算法仿真、系數(shù)產(chǎn)生、用戶界面、結(jié)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(shù)序列，是濾波器設計的關鍵。h(k)可以通過MATLAB工具箱提供的濾波器函數(shù)fir1()和fir2()來獲?。菏紫韧ㄟ^建立MATLAB/Simulink模型，根據(jù)所需設計低通濾波器的性能要求來確定濾波器的階數(shù)和截止頻率等參數(shù)。本例所設計的FIR低通濾波器參數(shù)為：截止頻率(F_c)2kHz，采樣頻率(F_s)8kHz，階數(shù)(N)40。然后借助函數(shù)fir1(N, W_N)即可返回對應濾波器的系數(shù)矩陣，其中N為階數(shù)，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濾波算法實現(xiàn)

結(jié)合MATLAB產(chǎn)生的濾波器系數(shù)，就可以編寫DSP濾波主程序了，關鍵代碼如下：

FIR_TASK：

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

LD          *INBUF_P+, -1, A         ; 數(shù)據(jù)輸入

FIR_FILTER：

STL        A, *FIR_DATA_P+%     ; 最新數(shù)據(jù)替代最舊數(shù)據(jù)

RPTZ      A, (K_FIR_BFFR-1)

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

STH        A,*OUTBUF_P             ; 數(shù)據(jù)輸出

4.3 MATLAB輔助設計

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

用戶界面的流程圖如圖1所示，主要由圖形界面和回調(diào)函數(shù)兩大部分組成。其中，圖形界面由文件FIR_BPF.m實現(xiàn)；回調(diào)函數(shù)總共由6個文件實現(xiàn)，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(jié)果如圖2所示。比較MATLAB濾波輸出信號和DSP濾波輸出信號，據(jù)此可以采用修改濾波器系數(shù)或DSP程序等措施來改進DSP濾波算法。

圖1 用戶圖形界面流程圖                             

圖2 實驗結(jié)果         

5  結(jié)束語

本文探索并實現(xiàn)了利用CCSLink輔助DSP設計的完整過程。同時以FIR濾波器為例，利用CCSLink輔助設計了基于DSP TMS320VC5416的應用系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有靈活的參數(shù)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界面，便于不同技術層次的用戶操作，增強了DSP系統(tǒng)的適用性。

本文作者創(chuàng)新點：1．發(fā)展了利用MATLAB輔助DSP設計的思想，把DSP系統(tǒng)設計中的算法仿真、系數(shù)產(chǎn)生、結(jié)果驗證、用戶界面等環(huán)節(jié)交由MATLAB完成，實現(xiàn)了二者的無縫連接。2．通過MATLAB設計的人機界面，增強了DSP系統(tǒng)的適用性，便于不同技術層次的用戶操作。

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