基于DES5402PP的IIR滤波器设计

　　本文简单介绍了IIR数字滤波器的原理及设计方法，通过分析TMS320C5402的串口工作方式和TLC320AC01的特点，构建了C5402和AC01的连接方法，使系统既可以处理数字信号也可以处理模拟信号。在CCS环境和DES5402PP开发板的基础上，给出了系统具体的设计方案，实现了IIR滤波器的功能。

　　1 IIR滤波器的MATLAB设计

　　IIR滤波器有以下几个特点：

　　⑴ IIR数字滤波器的系统函数可以写成封闭函数的形式。

　　⑵ IIR数字滤波器采用递归型结构，即结构上带有反馈环路。IIR滤波器运算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成，可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反馈回路。由于运算中的舍入处理，使误差不断累积，有时会产生微弱的寄生振荡。

　　⑶ IIR数字滤波器在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等，有现成的设计数据或图表可查，其设计工作量比较小，对计算工具的要求不高。在设计一个IIR数字滤波器时，我们根据指标先写出模拟滤波器的公式，然后通过一定的变换，将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。

　　⑷ IIR数字滤波器的相位特性不好控制，对相位要求较高时，需加相位校准网络。

　　尽管IIR滤波器的算法比FIR滤波器要复杂，且不是因果稳定的，但IIR滤波器也具有多种优越性，它可充分利用模拟滤波器的设计成果，工作量相对较小；在相同的设计指标下，可以用较低的阶数获得较好的性能；所用的存储单元少，因此对于硬件来说，在相同时钟速率和存储空间下可以提供更好的带外衰减特性。

　　设低通IIR切比雪夫滤波器的采样点为256个，采样频率为600Hz，输入为两个频率分别为100Hz和300Hz的正弦信号的合成信号。设定截止频率为200Hz，可以预料，将保留100Hz的信号，300Hz的信号基本被滤掉。

　　根据系统的设计流程，先在MATLAB中求得IIR滤波器的系数。主要分为三个步骤：产生本系统的测试信号；调用MATLAB中的滤波器函数，求出滤波器的系数；调用filter函数进行滤波，输出滤波后的信号。验证滤波器的性能后，将滤波器的系数通过程序写成.inc的文件，通过.include语句将其写入DSP汇编程序中。

　　2 C5402的缓冲串口（BSP）工作方式

　　TMS320C5402是TI公司生产的16位定点、速度为100MIPS、RAM为16×16位、ROM为4K×16位、可编程、低功耗和高性能的DSP。它提供的各种类型的串口都可以在全双工方式下通信，其串口信号与许多符合工业标准的串行设备兼容，可以直接连接。

　　缓冲串口在BSP在标准串口的基础上增加一个自动缓冲单元ABU，是一种增强型标准串口。允许8、10、12、16、20、24或32位的数据传输。由于ABU是一个附加逻辑电路，它允许串口单元直接将数据读写到C5402的内部独立存储器，不需要CPU参与，从而使BSP传输速度更快。表1给出了BSP发送和接收数据初始化的操作步骤。

　　3 AC01的特点

　　TLC320AC01也是TI公司生产的一款集成有A/D和D/A的芯片，通过串口与DSP或其他设备通信。C5402与AC01连接后，可以只使用一个缓冲通道串口来同时实现数据的采集和输出，从而节省了DSP的硬件开销。因此，DSP与AC01的连接使用在信号处理中得到了广泛的应用。

　　实验系统DES5402PP使用AC01作为模拟信号接口，有两个AC01，分别工作于“主”、“从”模式。利用“主AC01”产生合成的输入信号，“从AC01”将该信号转换成滤波的数据信号并输入到DSP芯片。其中，DSP还可以通过读写AC01的寄存器，控制AC01的采样频率、增益、低通、高通滤波器的截止频率等参数。AC01的九个控制寄存器如表2。

　　在AC01正常工作前，必须对它进行正确的初始化。采样频率Fs=MCLK/2AB，其中，MCLK为DSP的工作频率，A，B分别为A，B寄存器的内容。由于实验设置采样频率为600Hz，因此设A，B寄存器的内容分别为5和4。即：

　　4 C5402和AC01的连接方式

　　4.1 C5402和AC01的硬件连接

　　在主/从模式下，DSP可以不通过其他器件而直接与两个AC01相连。其硬件连接如图1所示：

图1 主/从TLC320AC01和TMS320C5402的连接

　　4.2 C5402和AC01的软件连接

　　先在C5402的数据存储空间写入256个数据，然后通过缓冲串口将数据发送到“主AC01”，利用“主AC01”的D/A通道产生一个模拟信号作为IIR滤波器的输入信号。在串口通讯中，因为数据时钟和帧同步信号都由AC01产生，所以C5402将使用外部时钟和帧同步信号。在使用串口前，需要对它进行初始化，包括串口收发中断设置和串口寄存器的初始化，主要代码如下：

　　同时，要修改中断向量表以便正确响应串口的接收和发送中断请求，其中发送中断产生测试信号和完成对AC01的初始化。实际上对信号滤波的实现，就是指从A/D读到一个数据后调用滤波程序，然后输出数据到D/A。

    5 实验过程与结果分析

　　实验程序主要包括以下几个步骤：

　　⑴ 对DSP的寄存器、缓冲串口以及定时器初始化，确保能提供AC01正确的时钟信号。

　　⑵ 同过DSP的缓冲串口对AC01进行初始化，正确设置AC01的采样率控制寄存器（表2中的R1），设置其采样频率。

　　⑶ 设置DSP的中断，从缓冲串口读取数据。这一步可以通过CCS环境查看读取的数据是否正确。如果正确，将采样数据送到滤波程序中，进行滤波处理，得到结果后，直接送到AC01的D/A单元输出。否则，返回步骤（1）。

　　滤波前后的波形如图2和图3所示。可以看到，比起滤波前的（a）图，（b）图的时域和频域波形得到明显改善，300Hz的信号基本被滤除。

（a）滤波前的信号波形&nBSP;                               （b）滤波后的信号波形

图2 滤波前后信号的时域波形

（a）滤波前的信号频率                              （b）滤波后的信号频率

图3 滤波前后信号的频域波形

　　在图2(b)中，可以看到，只剩下一种频率的正弦信号。从频域来看，在图3（b）中，高频部分已经基本削弱，同时低频也有少量损失，只要将滤波器的阶数高一些或者截止频率稍微定低一些，便能更大程度的保留低频信号、消除高频信号。

　　6 结语

　　在信号与信息的过滤、检测和预测等处理中，都要使用滤波器，数字滤波器是数字信号处理中使用广泛的一种方法。IIR数字滤波器的设计过程中，可以借助模拟滤波器的设计成果或直接采用典型的滤波器类型，减少工作量。而在信号的输入输出过程中，往往需要A/D和D/A转换，TLC320AC01模拟接口电路便可方便的实现这一转换。此外，DSP芯片本身具有并行的硬件乘法器、流水线结构以及快速片内RAM等资源，容易实现滤波运算，且程序可移植性好，不同性能的滤波器只需要修改滤波器的参数即可。

　　参考文献

　　[1]齐海兵，平，陶文超。无限冲激响应滤波器的设计与实现［J］。微计算机信息，2006,10-2：84-85.

　　[2]汪安民，陈明欣，朱明。TMS320C54xxDSP实用技术[M].北京：清华大学出版社，2007：48-204.

　　[3] Texas Instrument. TLC320AC01C Data  Manual.

　　[4] Texas Instrument. InteRFacing TMS320C54x  DSPs to TLC320AC01/02 Analog Interface circuits

　　[5] TLC320AC01 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TLC320AC01_8838.html.

　　[6] ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.

　　[7] ABU datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ABU_2278676.html.