一、 课程设计的目的和要求
1.1课程设计目的：
本课程是DSP技术类课程配套的课程设计，要求学生通过高级语言或汇编语言编程实现较复杂的功能。通过课程设计，使学生加深对DSP芯片TMS320C54x的结构、工作原理的理解，获得DSP应用技术的实际训练，掌握设计较复杂DSP系统的基本方法。
1.2课程设计要求
1、认真查阅资料
2、课程设计前认真预习
3、遵守课程设计时间安排
4、认真保质保量完成设计要求
5、认真书写报告
二、系统功能介绍及总体设计方案
2．1 功能介绍
随着信息技术和计算机技术的飞速发展,数字信号处理技术在众多领域得到广泛应用。数字滤波器由于其精度高、 稳定性好、 使用灵活等优点,广泛应用在各种数字信号处理领域。数字滤波器根据冲击响应函数的时域特性,可以分为 FIR(有限长冲激响应滤波器)和 IIR(无限长冲激响应滤波器) 。FIR 滤波器与 IIR 滤波器相比,具有严格的线性相位,幅度特性可任意等优点。而且, FIR 滤波器的单位抽样响应是有限长的,故一定是稳定的,他又可以用快速傅里叶变换( FFT)算法来实现过滤信号,可大大提高运算效率。
本课程设计的是一个等波纹FIR低通滤波器，其具体参数为：采样频率
=1000Hz，通带频率
=150Hz截止频率
=250Hz，通带衰减
=0.5dB阻带衰减
=80dB。
2．2 总体设计方案：
先进行Matlab程序设计产生待滤波数据（借助设计工具FDATOOL产生设计系数），将其导入CCS，在CCS上进行仿真调试运行，得到了输入和输出的波形及其频谱。
图1 总体设计框图
三、主要设计内容和步骤
3.1 FIR数字滤波器的原理分析
3.1.1 FIR数字滤波器
数字滤波器原理一般具有如下差分方程
(l)
式中
为输入序列，
为输出序列，
和
为滤波器系数，N是滤波器阶数。当所有的均为零，则有 
(2)
(2)式是FIR滤波器的差分方程，其一般形式为
(3)
对(3)式进行
变换，整理后可得FIR滤波器的传递函数
FIR的直接型结构：
图2 FIR的直接型结构
FIR滤波器最主要的特点是没有反馈回路，因此它是无条件稳定系统。它的单位冲激响应
是一个有限长序列。如果是实数，且满足偶对称或奇对称的条件，即
或
，则滤波器具有线性相位特性。偶对称线性相位FIR滤波器（N为偶数）的差分方程表达式为：
线性相位FIR滤波器是用得最多的FIR滤波器。
FIR滤波器不断地对输入样本延时后，再作乘法累加算法，将滤波结果输出，因此FIR滤波算法实际上是一种乘法累加运算。在数字滤波器中，FIR滤波器的最主要特点是没有反馈回路，故不存在不稳定的问题。同时可以在随意设置幅度特性的同时，保证精确无误的线性相位。稳定的线性相位特性是FIR滤波器的突出优点。
3.1.2 系数对称的FIR滤波器
对于系数对称的FIR滤波器，由于其具有线性相位特性，因此应用很广，特别是对相位失真要求很高的场合，如调制解调器（MODEM）。
一个N=8的FIR滤波器，若
,就是对称FIR滤波器，其输出方程为：
总共有8次乘法和7次加法。如果改写成：
则变成4次乘法和7次加法。可见乘法运算的次数减少了一半。这是对称FIR的有一个优点。
对称FIR滤波器的C54x实现的要点
（1） 在数据存储区中开辟两个循环缓冲区，New循环缓冲区中存放N/2=4个新数据；Old循环缓冲区中存放老数据。循环缓冲区的长度为N/2。
数据存储器
New循环缓冲区 Old循环缓冲区
程序存储器
系数表
图3
（2）设置循环缓冲区指针，AR2指向中最新的数据，AR3指向中最老的数据。
（3）在程序存储器中设置系数表。
（4）
(累加器A的高位)
(5)将累加器B清0，重复执行4次（i=0,1,2,……）
*系数
系数指针（PAR）加1
AR2和AR3减1
（6）保存和输出结果（结果在BH中）
（7）修正数据指针，让AR2和AR3分别指向New缓冲区中最新的数据和Old缓冲区中最老的数据。
（8）用New缓冲区中最老的数据替代Old缓冲区中最老的数据。Old缓冲区指针减1。
（9）输入一个新数据替代New缓冲区中最老的数据。
重复执行第（4）~（9）步
3.1.3 关键指令
在编程中要用到FIRS（系数对称有限冲激响应滤波器）指令，其操作如下：
FIRS Xmem,Ymem,Pmad
执行 Pmad
PAR
当
(B)+(A(32-16))*(由PAR寻址Pmem)B
（（Xmem）+(Ymem））<<16A
（PAR）+1PAR
(RC)-1RC
FIRS指令在同一个机器周期内，通过C和D总线读2次数据存储器，同时通过P总线读一个系数。
3.2 Matlab的仿真及滤波器系数的确定
设计FIR滤波器，关键是得到正确的滤波器系数。按照技术指标的要求，进行Matlab 程序设计。运行后生成的图像如下：
观察图像可知在频率为50和350Hz上有波形，后面为镜像显示。
利用Matlab 中FDATOOL 工具设计好滤波器，从FDATOOL 向CCS 输出滤波器系数。Matlab 中FDATOOL 工具设计好滤波器以后，可以利用C语言头文件输出滤波器系数，将头文件添加到工程中， 编译连接生成可执行文件。 在把可执行文件加载到目标DSP后，会给头文件中的滤波器系数分配一个静态存储空间，滤波器系数就放入此存储空间中。或者可以直接把滤波器系数输出到DSP 的存储器中。
FDATOOL设计分析后产生的幅频特性及滤波器系数表
输出的滤波器系数为：
.word 15, -3, -158, -448, -583, -172, 663, 1008, 2
.word -1764, -2046, 1075, 6744, 11298, 11298, 6744, 1075, -2046
.word -1764, 2, 1008, 663, -172, -583, -448, -158, -3
.word 15
四、详细设计
给定 FIR数字低通滤波器的技术指标为分别为 50Hz和 350Hz，采样频率均为1kHz。利用 Matlab设计 FIR低通滤波器的系数得 DSP中滤波器系数列表.用.word汇编命令将各滤波器系数直接输入到 DSP程序中；模拟输入数据由 C语言程序实现 ,然后用 .copy命令将 C语言程序生成的数据文件拷贝到 DSP程序中。DSP程序实现读入数据、滤波、显示波形等方面的任务。完成 FIR滤波器的程序框图如图 4所示 ,可知 F I R滤波器的 DSP实现主要由以下 4方面的内容组成：
（1）模拟输入数据的生成 用 C语言程序生成输入数据 ,通过.copy汇编命令将生成的数据文件拷贝到汇编程序中 ,作为 FIR滤波器的输入数据。
（2）DSP初始化程序
.title "FIR.asm"
.mmregs
.def _c_int00
N .set 28
size .set N/2 ;FIR滤波器阶数
x_new .usect "x_new",N/2 ;自定义数据空间
x_old .usect "x_old",N/2 ;自定义数据空间
KS .set 256 ;输入样本数据个数
input .usect "input",KS
output .usect "output",KS
.data
.copy "fdacoefs4.h" ;FIR滤波器系数
.text
图4 主程序流程图
（3）滤波算法子程序：
滤波算法流程图
滤波算法子程序代码：
SSBX FRCT
STM #x_new,AR2
STM #x_old+(size-1),AR3
STM #-1,AR0
STM #output,AR5
STM #input,AR4
STM #KS-1,BRC
RPTBD LOOP-1
STM #size,bk
LD *AR4+,A
STL A,*AR2
FIR: ADD *AR2+0%, *AR3+0%,A
RPTZ B,#size-1
FIRS *AR2+0%,*AR3+0%,COEF
STH B,*AR5+
MAR *+AR2(2)%
MAR *AR3+%
MVDD *AR2,*AR3+0%
（4）复位程序：
中断流程图
复位程序代码：
.title "FIR_V.asm"
.ref _c_int00
.sect "VECTORS"
reset:
b _c_int00
.end
五、调试过程
编辑好.asm和.cmd文件之后并加入工程中进行编译，修改出现的错误直至无误，然后加载.out文件。选择File菜单下的data，加入.dat文件，运行程序并打开CCS的输入输出图形界面，观察对比滤波前后的时域波形与频谱图。
调试过程中出现的错误及警告：
（1）warning: creating output section newdata without SECTIONS specification
分析： 汇编语言源程序中的未初始化段名newdata与链接命令文件不一致
解决：将链接命令文件中相应的未初始化段名改为newdata
（2） "fir.asm", ERROR! at line 13: [E1000] Include/Copy file not found or opened
分析：用FDATOOL工具产生的系数表文件名与源程序中引用的不一致
解决：保持产生的系数表文件名与源程序中引用的一致
（3）分析产生的波形图不理想，有时是因为不同的参数设计出的滤波器的阶数可能不同，要注意修改源程序中滤波器阶数值
（4）在CCS程序中，应先加载正确的中断向量文件，所用芯片的CMD配置文件，编译才会有效。编译成功后加载.out文件后才可以运行，查看运行结果。若发现程序语法本身正确，编译也没有错误，可以加载.out文件，但查看输出波形始终与Matlab的波形无法吻合，则应考虑重置CPU再重新进行操作。
调试后运行出的波形如下：
输入与输出的时域波形：
输入与输出的频谱图：
滤波后信号的时域图和频谱图分别如上图所示. 对比CCS所显示的滤波前和滤波后信号的时域和频谱图可以看出:由频率分别为 50Hz, 350Hz 这2个正弦信号组成的混合信号 ，经过FIR低通滤波后，相对应频率的信号被保留 ，另外1个信号得到压制 ，基本上达到了预期的滤波效果。改变程序中的滤波器系数 ，即可实现不同类型的滤波器。
六、结论与体会
6.1 设计结论
本设计为FIR低通滤波器，其要求实现功能是在多个混合的频率中可以把其中高于截止频率Fc的频率分量滤除掉，通过matlab中的FDATOOL工具可以很方便地进行设计,输入相应的参数输入是采样频率Fs=1000Hz，通带频率为150Hz,阻带频率250Hz，输出滤波器系数表,它们作为CCS仿真时的输入，调试修改程序,从所得到的图形中观察分析可以得知该滤波器实现了滤波效果，达到了预期的目的。
6.2 实验心得
通过这次基于DSP的数字滤波器设计与仿真，我学会了应用Matlab和CCS进行DSP设计的实践操作。应用Matlab对FIR数字滤波器比传统的方法设计滤波器速度提高了很多，设计过程得到了很大的简化。熟悉了DSP集成开发环境（CCS）基于窗函数法设计，掌握了FIR数字滤波器原理和方法。通过对系统的调试，对线性相位FIR数字滤波器特性及不同阶数对滤波器特性的影响进行了研究。通过观察时域和频域图，对FIR数字滤波器特性进行了验证,在应用DSP对数字滤波器实现的过程中，体会到了DSP在数字滤波实现中的优缺点。在使用Matlab时，熟悉了如何运用Matlab进行滤波器的设计，可以是编写程序直接针对某所需参数的滤波器进行，也可以运用Matlab中的一个滤波器的专用设计工具FDATOOL对其进行设计，简单方便。
在数字滤波器设计时要注意以下几点：
（1）在用Matlab设计滤波器时采样频率一定要满足奈奎斯特准则。 抽样频率必须大于两倍信号谱的最高频率，即Fs >=2Fh来设置混合波的相应频率，以取得准确的滤波效果。
（2）使用探针方法输入数据时,一般要求输入数据是16进制的小数表示,但如果输入10进制的也可以,但需在两次确认之后才可以输入。
（3）在图形窗口观察结果时,如果所观察的图形不明显,可以通过设置幅度值来改善效果。
（4）在程序中对输入的数据处理时，因注意在Matlab得到的小数要在CCS中得以应用必须符合小数运算的规则。当发生溢出时，则用其最大正数或者最大负数加载累加器。
总之,滤波器设计是我们实际系统应用中重要的一方面,相比传统的R,L,C元件和运算放大器组成的块滤波器,更有发展的潜力。相信这次课程设计，对于我以后的学习和工作会带来很大的帮助！
七、参考文献
[1]程佩青.数字信号处理教程.北京：清华大学出版社，1995
[2]戴明帧.TMS320C54x DSP 结构原理以应用.北京.北京航空航天大学出版社，2007
[3]DSP原理及应用.北京.中国水利水电出版社，2004
附录一：源程序清单（.asm文件）
***********系数对称的FIR滤波器设计***********
.title "FIR.asm"
.mmregs
.def _c_int00
N .set 28
size .set N/2 ;FIR滤波器阶数
x_new .usect "x_new",N/2 ;自定义数据空间
x_old .usect "x_old",N/2 ;自定义数据空间
KS .set 256 ;输入样本数据个数
input .usect "input",KS
output .usect "output",KS
.data
.copy "fdacoefs4.h" ;FIR滤波器系数
.text
_c_int00:
SSBX FRCT ;设置FRCT（小数方式）位
STM #x_new,AR2 ;AR2指向New缓冲区第一个单元
STM #x_old+(size-1),AR3 ;AR3指向Old缓冲区最后一个单元
STM #-1,AR0 ;AR0=-1,双操作数减量
STM #output,AR5
STM #input,AR4
STM #KS-1,BRC ;块重复计数GS次
RPTBD LOOP-1
STM #size,bk ;循环缓冲区块大小BK=size
LD *AR4+,A
STL A,*AR2 ;输入样本值
FIR: ADD *AR2+0%, *AR3+0%,A ;AH=x(n)+x(n-N+1)
RPTZ B,#size-1 ;B=0,下条指令执行size次
FIRS *AR2+0%,*AR3+0%,COEF ;B=B+AH*h(0),AH=x(n-1)+x(n-N+2)
;执行该指令size次
STH B,*AR5+ ;保存滤波输出数据到AR5所指向单元
MAR *+AR2(2)% ;修正AR2,指向New缓冲区最老的数据
MAR *AR3+% ;修正AR3,指向Old缓冲区最老的数据
MVDD *AR2,*AR3+0% ;用New缓冲区最老的数据替代Old缓冲区中最
;老的数据
LOOP:
EEND B EEND ;循环等待
.end
********* 复位向量文件*********
.title "FIR_V.asm"
.ref _c_int00
.sect "VECTORS" ;定义向量表，紧随其后的是名为VECTORS的复位向量
reset:
b _c_int00
.end
附录二：链接命令文件（.cmd文件）
MEMORY
{
PAGE 0:
ROM: org=0x0E00,len=0x1000
VEC: org=0xff80, len=0x0080
PAGE 1:
SPRAM: org=0x0060, len=0x0020
DARAM: org=0x0080, len=0x2000
}
SECTIONS
{
.text :> ROM PAGE 0
.data :> ROM PAGE 0
VECTORS :> VEC PAGE 0
.bss :> SPRAM PAGE 1
x_new :> DARAM PAGE 1
x_old :> DARAM PAGE 1
output :> DARAM PAGE 1
input :> DARAM PAGE 1
}
附录三：滤波器系数表（.h文件）
COEF .word 15, -3, -158, -448, -583, -172, 663, 1008, 2
.word -1764, -2046,1075, 6744, 11298, 11298, 6744, 1075, -2046
.word -1764, 2, 1008, 663, -172, -583, -448, -158, -3
.word 15
附录四：Matlab程序（.m文件）
f11=50; %/Hz
f12=350; %/Hz
fs=1000; %/采样Hz
N=256 ; %数据个数
T=1/fs; %采样周期
n=0:N;
x11=sin(2*pi*f11*n*T);
x12=0.7*sin(2*pi*f12*n*T);
x_base=(x11+x12);
%待滤波信号波形
figure(1)
plot(x_base)
%待滤波信号频谱
figure(2)
yff=abs(fft(x_base))
df=n*(fs/N)
plot(df,yff)
xout=x_base/max(x_base);%归一化
xto_ccs=round(32767*xout)
fid=fopen('input.dat','w');%打开文件
fprintf(fid,'1651 1 0 0 0\n');%输出文件头
fprintf(fid,'%d\n',xto_ccs);%输出
fclose(fid);