MATLAB輔助DSP設(shè)計(jì)的研究與實(shí)現(xiàn)

提出結(jié)合MATLAB來開發(fā)DSP系統(tǒng)的思想，闡述了實(shí)現(xiàn)該思想的兩種工具，并詳細(xì)介紹了使用MATLAB Link for Code Composer Studio輔助DSP設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，包括其功能特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方式、工作原理等。

最后結(jié)合典型的FIR濾波器實(shí)例，探討了使用該工具的方法，并設(shè)計(jì)了圖形用戶界面。結(jié)果表明應(yīng)用MATLAB輔助開發(fā)DSP系統(tǒng)可以發(fā)揮二者的優(yōu)勢，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)門檻，優(yōu)化開發(fā)過程。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(wù)而優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理任務(wù)的一個(gè)重要而有效的手段，隨著通信和信息技術(shù)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(yīng)用。MATLAB是美國MathWorks公司開發(fā)的一種科學(xué)計(jì)算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)，在科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等多種領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。MATLAB具有強(qiáng)大的計(jì)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(shí)時(shí)數(shù)字信號處理任務(wù)而設(shè)計(jì)的，算法的高效實(shí)現(xiàn)是DSP器件的顯著特點(diǎn)，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(bǔ)短，相輔相成，將是DSP設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。本文所作研究是以自行研制的DSP教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱為平臺進(jìn)行的，其DSP采用TMS320VC5416芯片實(shí)現(xiàn)。本文內(nèi)容安排如下：第1部分在介紹相關(guān)背景知識的基礎(chǔ)上，引入使用MATLAB輔助DSP設(shè)計(jì)的思想；第2部分介紹了MATALB中實(shí)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(shí)現(xiàn)方式及工作原理；第4部分結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺給出了CCSLink的應(yīng)用實(shí)例。第五部分對本文作了總結(jié)。2 MATLAB輔助DSP設(shè)計(jì)的方法概述實(shí)現(xiàn)MATLAB輔助DSP設(shè)計(jì)的方法有兩種，即CCSLink和Embedded Target for TI TMS320C6000 DSP。前者可實(shí)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(shí)現(xiàn)從Simulink模型自動(dòng)生成DSP目標(biāo)代碼，但僅支持C6000系列的部分DSP器件。考慮到實(shí)驗(yàn)平臺是以C5000 DSP為基礎(chǔ)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(shè)計(jì)的方法。2.1 Embedded Target for TI TMS320C6000 DSPCode 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(biāo)板的可執(zhí)行文件或者CCS工程文件，實(shí)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(shè)計(jì)人員從繁雜的DSP編程中解脫出來，將主要的精力放在設(shè)計(jì)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(jìn)而保證了所設(shè)計(jì)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(biāo)板的操作，包括與目標(biāo)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(yùn)行等。它提供了MATLAB、CCS和目標(biāo)DSP板的雙向連接，開發(fā)者可以利用MATLAB中強(qiáng)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(jìn)行分析和再處理，以輔助DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(gè)DSP系統(tǒng)的性能和可行性。我們利用CCSLink提供的相關(guān)函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)MATLAB與目標(biāo)DSP的存儲(chǔ)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(chǔ)器或寄存器，即整個(gè)目標(biāo)DSP對于MATLAB而言是透明的。CCSLink支持TI的C2000/C5000/C6000等多系列DSP，應(yīng)用廣泛。3 CCSLink的實(shí)現(xiàn)方式及工作原理
3.1 CCSLink的實(shí)現(xiàn)方式利用CCSLink即可實(shí)現(xiàn)MATLAB、CCS和目標(biāo)DSP之間的信息交互。CCSLink共提供了3種實(shí)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(yùn)行CCS IDE中的應(yīng)用程序，查詢目標(biāo)DSP的狀態(tài)信息，修改或讀取目標(biāo)DSP的存儲(chǔ)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(shí)時(shí)通信通道。利用此連接對象，可以打開、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(biāo)DSP發(fā)送和取出數(shù)據(jù)而不必停止DSP上運(yùn)行的程序。例如把原始數(shù)據(jù)發(fā)送給程序進(jìn)行處理，并把處理結(jié)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，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(biāo)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(biāo)DSP中的存儲(chǔ)器和寄存器中的變量，即把目標(biāo)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(xiàn)時(shí)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(jī)理。1）選擇目標(biāo)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(yīng)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(biāo)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(shù)實(shí)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(biāo)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(biāo)DSP中。具體方法如下：build(cc);%編譯、鏈接工程文件，生成目標(biāo)DSP可執(zhí)行文件load(cc, ‘ccsproject.out’);%下載可執(zhí)行文件到目標(biāo)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(yùn)行CCSLink提供了3個(gè)函數(shù)用于控制目標(biāo)DSP的運(yùn)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(shí)際上也確實(shí)是這樣進(jìn)行的。halt(cc);%中斷處理器的運(yùn)行restart(cc);%復(fù)位程序計(jì)數(shù)器PC，重新執(zhí)行程序run(cc, ‘runtohalt’, 30); %執(zhí)行程序到斷點(diǎn)處，最后一個(gè)參數(shù)表示超時(shí)時(shí)間，此處為30s5）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(chǔ)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(biāo)DSP存儲(chǔ)器和寄存器中的數(shù)據(jù)來說明。date=read(cc, [256,0], ‘double’, 100); %從目標(biāo)存儲(chǔ)器目的地址100H(即十進(jìn)制數(shù)256)處開始，讀取100個(gè)雙精度數(shù)并賦給MATLAB對象datereg=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regwrite(cc, [256,0], double([1.0 2.0 3.0]));%向目標(biāo)存儲(chǔ)器100H開始的地址處，寫入三個(gè)雙精度數(shù)據(jù)6）關(guān)閉CCS IDE連接對象當(dāng)一切操作執(zhí)行完成后，需要?jiǎng)h除ccsdsp對象，以收回系統(tǒng)資源。clear cc;%關(guān)閉CCS IDE連接對象4 CCSLink應(yīng)用實(shí)例通過CCSLink工具，可以使用MATLAB來進(jìn)行DSP的輔助設(shè)計(jì)。在此以FIR濾波器為例，介紹CCSLink在DSP設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。在該實(shí)例中，F(xiàn)IR濾波的核心內(nèi)容由DSP實(shí)現(xiàn)，而算法仿真、系數(shù)產(chǎn)生、用戶界面、結(jié)果驗(yàn)證等部分由MATLAB輔助完成。4.1 FIR濾波器設(shè)計(jì)設(shè)輸入信號為x(n)，輸出信號為y(n)，則FIR濾波器對應(yīng)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(shè)計(jì)的關(guān)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的FIR低通濾波器參數(shù)為：截止頻率(Fc)2kHz，采樣頻率(Fs)8kHz，階數(shù)(N)40。然后借助函數(shù)fir1(N, WN)即可返回對應(yīng)濾波器的系數(shù)矩陣，其中N為階數(shù)，WN為濾波器的歸一化截止頻率，即WN= 2Fc/Fs，且0≤WN≤1。4.2 DSP濾波算法實(shí)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(guān)鍵代碼如下：FIR_TASK：STM#K_FIR_BFFR, BK; 設(shè)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：STLA, *FIR_DATA_P+%; 最新數(shù)據(jù)替代最舊數(shù)據(jù)RPTZA, (K_FIR_BFFR-1)MAC*FIR_DATA_P+0%, *FIR_COFF_P+0%, A ; 乘累加STHA,*OUTBUF_P; 數(shù)據(jù)輸出4.3 MATLAB輔助設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)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(xì)介紹，本節(jié)重點(diǎn)介紹用戶界面部分。本圖形用戶界面可以實(shí)現(xiàn)如下功能：修改參數(shù)，如濾波參數(shù)n和Wn，這種參數(shù)選取方法避免了反復(fù)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(yùn)行程序等；繪制DSP輸入數(shù)據(jù)的時(shí)域及頻域信號；繪制濾波后DSP輸出數(shù)據(jù)的時(shí)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(jìn)行濾波計(jì)算，并把所得結(jié)果與DSP輸出信號進(jìn)行比較，以驗(yàn)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(shí)現(xiàn)；回調(diào)函數(shù)總共由6個(gè)文件實(shí)現(xiàn)，分別是input.m，input2.m，output.m，output2.m，lvbopin.m和lvbohou.m。當(dāng)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(jìn)DSP濾波算法。圖1 用戶圖形界面流程圖圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果5 結(jié)束語本文探索并實(shí)現(xiàn)了利用CCSLink輔助DSP設(shè)計(jì)的完整過程。同時(shí)以FIR濾波器為例，利用CCSLink輔助設(shè)計(jì)了基于DSP TMS320VC5416的應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有靈活的參數(shù)設(shè)置和快速的處理效率，很好地達(dá)到了輔助DSP設(shè)計(jì)的目的；再者，利用MATLAB的GUI工具設(shè)計(jì)了相應(yīng)的圖形用戶界面，便于不同技術(shù)層次的用戶操作，增強(qiáng)了DSP系統(tǒng)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(shè)計(jì)的思想，把DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的算法仿真、系數(shù)產(chǎn)生、結(jié)果驗(yàn)證、用戶界面等環(huán)節(jié)交由MATLAB完成，實(shí)現(xiàn)了二者的無縫連接。2．通過MATLAB設(shè)計(jì)的人機(jī)界面，增強(qiáng)了DSP系統(tǒng)的適用性，便于不同技術(shù)層次的用戶操作。