基于Matlab／Simulink环境的DSP算法开发方案

　　数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）是一项成熟的数字处理技术。它具有速度快、高、抗干扰能力强、尺寸小、性能稳定等优点，特别适合处理复杂的控制算法。目前传统的DSP功能开发方法，是利用汇编语言或C／C++语言进行DSP功能开发，具有周期长，工作量大，调试复杂等缺点，不利于算法验证和产品快速开发。而且，程序所依赖的仿真器价格一般比较昂贵，也增加了产品开发的成本。

　　本文利用TMS320F2812芯片自主开发了硬件平台，提出了在Matlab／Simulink环境下，搭建算法模型并自动生成C代码，并通过串口至DSP目标板的快速开发方案。

　　1 总体方案介绍

　　本文自主开发的硬件平台是以TMS320F2812作为处理器，开发了串口通信、正交编码、PWM输出和启动模式跳线等功能。基于Matlab ／Simulink环境的DSP快速开发方法，首先利用了自主开发的软件在DSP硬件、Code Composer Studio开发环境（CCS）和Matlab软件之间建立连接，然后在Simulink环境下，建立运动控制算法模型。在该建模过程中，用户可以像操作Matlab变量一样操作DSP的存储器和寄存器。模型搭建完成后，再利用RTW技术，将模型自动生成对应的C／C++代码，该代码能够被CCS集成开发环境支持的，经过CCS编译后生成可执行代码，利用DSP的串口将可执行代码到DSP的储存器中运行。该过程的流程图如图1所示。

图1 方案流程图

　　在Matlab环境下对DSP进行开发，不仅可以方便地利用Matlab现有的数学工具箱来完成复杂算法的设计，而且将所有操作统一为Matlab命令流操作，大大降低了设计人员需要掌握不同软件的难度。

　　2 Matlab建模

　　在SimuIink环境下，使用工具箱中与DSP相关的库，将需要模块拖至模型窗口，建立目标模型，该过程与普通的Simulink建模过程相似。特别需要说明的是几类重要的模块。Target模块预定义了DSP的所有基本硬件信息，比如主频，储存器的分配，是每个模型都必须有的模块。该模块需要放置在模型的顶层，没有输入输出设置。外设模块包含了DSP所有功能外设，包括I／O口、PWM波形生成器、计时器、QEP正交编码功能等。算法模块库包含了DSP常用的算法模型，比如PID控制器。这些算法库都是支持IQrnath格式，是一种将浮点运算转化为定点运算的功能，可以提高DSP进行浮点运算的效率。模型建立完成后，利用RTW功能编译后就能生成与该模型对应的C／C++代码，并生成相应的Project文件。使用CCS集成开发环境，对该代码编译，即生成可执行文件，为串口程序做好准备。

　　3 串口

　　实现基于串口实现程序的功能，是利用了Matlab的串口通信指令和在DSP中的一个引导的函数。

　　3.1 引导函数

　　在F2812的ROM中编写引导函数，该函数是在DSP上电或重启时执行。它是用于将执行代码从外部源传输到内存储器中；从而允许代码存储在外部的慢速而不易丢失的存储器中，然后引导至DSP内部的快速存储器中执行。该引导函数提供了多种引导的方式，以适应不同的系统要求。不同的模式是根据GPIO引脚的信号来决定的，对应关系见表1。

表1  GPIO引脚状态表

　　本文是使用了SCI引导模式，通过串口将可执行代码传送至DSP内部来执行。所以DSP硬件的引脚必须有对应的信号输入。

　　3.2 串口通信

　　Matlab中有支持串口通信的对象，使用该对象，可以方便的实现上位机和下位机的串口通讯相关的所有事件，比如设置参数（波特率、数据位、停止位等），发送／接收数据，中断等。在本文中，使用Matlab的串口功能的基本流程如下：

　　3.3 程序步骤

　　在上位机编写串口通信函数后，就可以利用串口将可执行代码至DSP目标板运行。按照以下步骤完成：

　　（1）数据转换。引导函数对于流入的数据有相应的格式规定。经过CCS编译的文件必须先进行格式转化才能被引导函数接收。该过程可以使用TI公司提供的hex2000工具完成。

　　（2）硬件设置。将DSP硬件设置为SCI引导模式。

　　（3）建立串口通信。将转化后的数据流保存为Matlab的变量形式，按照前面描述的串口通讯办法，将变量中的数据传送至DSP。

　　（4）程序执行。

　　4 实验验证

　　为了验证本方案的可靠性，本文设计了一个串口控制电机调速的实验。该实验的内容是：上位机利用串口来发送速度指令，对电机的转速进行PID控制。其中，对电机的驱动方式采用PWM驱动方式，设置PWM的周期寄存器值是64 000个计数周期。该实验硬件连接如图2所示，DSP与PC机之间以串口连接。上位机建立控制模型如图3所示。

图2 系统结构图

图3  基于串口的PWM 占空比控制

　　本文所使用的DSP主频是150MHz，根据时钟分频后换算的结果，实际的PWM波的周期约是850μs，设置上位机发送指令为75％的转速，则对应的PWM的占空比为75％，其中高电平的实际长度约为640 μs，这与用示波器观察到的图4是一致的，因此，本文提出的DSP功能开发方案是可靠的。

图4 PWM 占空比

　　5 结语

　　本文提出了基于Matlab／Simulink环境的DSP算法开发，并利用串口实现程序的快速开发方案。该方案很好地利用了Matlab强大的科学计算和可视化图形开发功能，缩短了DSP算法的开发周期，降低了DSP编程的工作量，节约了硬件成本。，在本文自主设计的硬件平台上进行验证，结果表明该方案是可行有效的。

参考文献:

[1]. TMS320F2812 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320F2812_1116432.html.
[2]. ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.