1、 自 動 化 技 術 與 應 用 2010年 第 29卷 第 7期42 | T echniques of Automation & Applications通信與信息處理Communication and Information Processing基于 MATLAB 和 DSP 的 IIR 濾波器的 設 計 與 仿 真 *方 剛 1, 任 小 洪 1, 2, 賀 映 光 1, 王 天 文 1(1.四川理工學院自電學院 , 四川 自貢 643000;2. 人工智能四川省重點實驗室 , 四川 自貢 643000摘要:采用了 TI 公司的 TMS320C55XX 數字信號處理器完成 IIR

2、 濾波器的設計 , 利用 MATLAB 的濾波器設計工具箱 (FDATool來設計最小階切比雪夫低通濾波器 , 并用代碼調試器 (CCS進行軟硬件的調試和仿真。結果表明 , 該濾波器可以有效的濾除干擾 信號 , 且設計方法簡單可靠 , 具有較強的穩定性。關鍵詞:MATLAB;DSP;IIR 濾波器 ; 仿真中圖分類號 :TN919.3 文獻標識碼 :B 文章編號 :1003-7241(201007-0042-03Design and Simulation of IIR Filter Based on Matlab and DSPFANG Gang1, REN Xiao-hong1.2, HE

3、Ying-guang1, WANG Tian-wen1( 1. Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000 China;2. Sichuan Artificial Intelligence Laboratory, Zigong 643000 Abstract: Adopt the DSP TMS320C55XX of TI Corporation to realize the IIR filters design, to design the minimum order Chebyshevlow-pass fil

4、ter with the help of the FDATool, and to utilize Code Composer Studio (CCS for debugging and simulation ofthe relative software and hardware. The results show that the filter can effectively filter out interfer signals and thisdesign is simple and reliable, and simulation test indicates that the fil

5、ter can operate stabely.Key words: MATLAB; DSP; IIR Filter; simulation*基金項目:四川省教育廳人工智能重點實驗室開放基金資助項 目(2007-2010(編號:2007R011 收稿日期:2010-01-051引言在測控系統中 , 從傳感器得到的信號中往往包含噪 聲和許多與測量無關的信號 , 并且原始的測量信號經傳 輸、放大、變換、及其它處理中也會產生許多不同形式 的噪聲 , 這些信號的處理與分析都是基于濾波器而進行 的 , 數字濾波器在各種數字信號處理中發揮著十分重要 的作用 , 其設計一直是信號處理領域的重要研究課題 1。

6、 常用的數字濾波器有 FIR(Finite Impulse Response,有限 沖激響應 濾波器和 IIR(Infinite Impulse Response,無限沖 激響應 濾波器 ,IIR 數字濾波器因具有結構簡單、占用內 存空間少、運算速度快、較高的計算精度和能夠用較低 的階數實現較好的選頻特性等特點而得到廣泛的應用。 但是傳統的數字濾波器設計非常復雜需要用繁瑣的公式進行計算 , 參數改變后又要重新進行計算 , 尤其是高階濾 波器的設計工作量更大。 DSP(數字信號處理器 具有精度 高、速度快、實時性強 , 是實現數字濾波器設計與仿真的 重要途徑 2。因此 , 基于 MATLAB 和

7、 DSP 的濾波器設計 可以大大簡化設計過程和提高濾波器的濾波效果。2 IIR 數字濾波器的基本原理無論是 IIR 濾波器還是 FIR 濾波器的輸入 xk和輸 出 yk之間的關系都可以用如下常系數線性差分方程 及其 Z 變換來描述 3, 即1MNi i i i y k b x k a y k i =則系統的傳輸函數為 :1001111. ( 1. 1MkNkk N N N kN k k bz b b z b z Y z H z X z a z a z a z =+=+H (z 具有 N 個零點和 N 個極點 , 如果任何一個極點在 Z 平面 自 動 化 技 術 與 應 用 2010年 第 29

8、卷 第 7期 Techniques of Automation & Applications | 43通信與信息處理Communication and Information Processing單位圓外系統就不穩定。本文以 ChebyshevI 型數字濾波器為例設計一個低 通濾波器以最小階數實現濾波功能。3在 MATLAB FDA工具箱中設計濾 波器FDATool 是 MATLAB 一個專門設計濾波器的工具 箱 4, 它是一種圖形設計界面 , 通過輸入有關濾波器的參 數就可以設計出滿足客戶要求的濾波器 , 包括濾波器的 類型 (IIR或 FIR 、階數 (Specify order、

9、截止頻率 (Fpass、 帶寬、紋波系數 (Apass、采樣頻率 (Fs等相關參數。打開 M A T L A B , 在命令窗中輸入 f d a t o o l 回車就打開 FDATOOL 界面 , 選 IIR(Chebyshev type1,用最小階方法。 圖 1所示 IIR 型的最小階切比雪夫低通濾波器 , 采樣頻率 為 2000 Hz, 通帶截止頻率 500Hz, 阻帶頻率為 600 Hz. 。 菜單 Analysis 用來選擇不同的分析顯示方式 , 例如幅度響 應、相位響應、脈沖響應、階躍響應、濾波器系數等。 指定完設計參數后單擊按鈕 Design Filter,生成濾波器系 數。設計

10、完成后 , 在 FDATOOL 設計界面中選擇 Targets Export to Code Composer Stu-dio IDE,按提示將生 成的濾波器系數作為頭文件輸出到 CCS 工程中。4 MATLAB 通用語言編寫Cle ar al l ; /清寄存器的值 Cl c ; /清屏N=256; /顯示數據的點數 Fs=2000; /采樣頻率 dt=(1:N/fs; /時間間隔 f1=200; /輸入信號頻率 f2=800; /輸入信號頻率x=sin(2*pi*f1*dt+sin(2*pi*f2*dt; /產生混合輸 入信號Wp=500/1000; / 通帶截止頻率 Ws=600/100

11、0; / 阻帶截止頻率 n,wn=cheblord(wp,ws,3,30; /計算濾波器所 需的最小階數b,a=cheby1(n,3,wn; /給出濾波器系數 Freqz(b,a,512,2000;5在 CCS 中進行濾波器的設計與仿真在 CCSIDE 中建立 iir55xx.pjt 工程 , 采用 C 語言和匯 編語言混合編程的方法 , 既能編程簡單又能提高 DSP 的執 行速度。用 C 語言編寫處理主程序 iir55xx.c, 利用匯編語 言編寫調用子程序 iir.asm, 另外根據板上的存儲器配置方 式 , 編寫存儲器配置文件 iir.cmd, 把各種子程序及頭文件 都加載到 iir55

12、xx.pjt 工程中 , 然后進行編譯、鏈接 , 沒有 錯誤后生成可執行文件 (iir.out文件 , 加載到目標 DSP 程 序存儲器中 ,然后運行 , 在主菜單View 中找到Graph 選擇Time/Frequency,出現如圖2所示,在“ Display Type ”選圖 1 FDATOOL 設計 IIR 濾波器(幅相曲線界面圖2圖形屬性設置(下轉第 79頁圖 3濾波器的輸入(上輸出(下 時域波形 自 動 化 技 術 與 應 用 2010年 第 29卷 第 7期 Techniques of Automation & Applications | 79現場總線與網絡Field B

13、us and Networks史數據。5結束語采用 LonWorks 技術作為系統的技術平臺 , 不僅可以 實現動態的濕度和溫度調節 , 在選擇產品時可以有更多的 選擇余地 , 這樣有效地控制了系統成本。而且可以控制分 散在不同區域的空調設備 , 規模擴展靈活 , 可通過網關接 口及串行接口與大樓的 BA 系統或消防系統、保安系統等 控制系統相連接 , 構成功能更加強大的控制系統。參考文獻:1 Neu ro n Ch ip Man u al Tech nical Reference,the作者簡介:李鳳霞(1977-, 女, 講師, 在讀碩士研究生, 研究方向:智能控制。圖4濾波器輸入時的頻域

14、波形圖圖 5 濾波器輸出時的時域波形圖擇“ Dual Time”在“ Start Address-U ”選擇“ data_in” 在“ Start Address-L ”選“ out ” , 生成的輸入輸出時域波 形圖如圖 3所示。 把 “ Display Type” 改為 “ FFT Magnitude” 則可以觀察到信號濾波前后的頻譜 , 如圖 4, 圖 5所示。從輸入輸出的頻域波形圖可以清楚的看出濾波效 果良好 , 并且具有較好的選頻特性。6結束語本文集合了 MATLAB 的信號系統仿真能力和 DSP 的實時數據處理能力的優勢 , 在 MATLAB 的 FDATOOLLonworks C

15、ompany EchelonZ.2000.2 劉鑫 ,LonWorks 現場總線網絡產品的開發與應用 J.電 子技術應用 ,1998,24(10:35-37.3 寧永生 , 王琪輝 , 張英 , 大型空調中央監控系統設計 , 暖 通空調 J.2004,(3:59-61.4 朱松梅 , 朱志松 Lonworks 總線在樓宇自動化系統中的 應用 J.自動化技術與應用 ,2005.(5:51-53.5 馬莉 , 智能控制與 Lon 網絡開發技術 M.北京 :北京航 空航天大學出版社 (第一版 ,2003.61-86.6 張英 , 王琪輝 , 基于 JTAG 的在線編程 J.單片機與嵌入 式系統應用

16、,2004,(12:77-78.作者簡介:方剛(1980- , 男, 碩士研究生, 研究方向:射頻識 別 與 無 線 傳 感 器 網 絡 。工具箱內可以快速有效的設計出指定的數字濾波器 , 使 用 CCSLink 工具 , 可在 MATLAB 的環境下完成對 CCS 和硬件目標 DSP 的操作 , 根據濾波器特性 , 在 FDATOOL 中隨時更改參數 , 生成濾波器的系數以頭文件的形式加 載到濾波器的軟件設計中 , 以達到濾波器設計的最優 化 , 并把此值寫入 DSP 中 , 并實時地讀出 DSP 的處理結 果。此設計方便、快捷、準確度高 , 大大減輕了工作量 , 加快了 IIR 濾波器的

17、DSP 軟件的開發。利用 MATLAB和 DSP 設計數字濾波器在數字通信系統和計算機領域 信號處理中 , 有著廣泛的應用前景。參考文獻:1 RULPH CHASSAING.DSP Applications Using Cand the TMS320C6x DSKM.北京 :電子工業出版社 ,2005.2 趙順珍 , 馬英 . 基于 DSP 的 FIR 數字濾波器設計與實現 J.微計算機信息 ,2009,(25:162-163.3 紀震 , 鐘錦春 , 強樂 .DSP 系統入門與實踐 M.北京 :電 子工業出版社 ,2006.4 王秀芳 , 關凌濤 . 基于 MatLab 與 DSP 的濾波器快速設 計方法 J.現代計算機