¿Cómo leer imágenes en filtros diseñados para su procesamiento?

Los procesadores digitales (DSP) tienen potentes capacidades de procesamiento de datos y se utilizan ampliamente en campos de procesamiento de señales digitales de alta velocidad, como filtrado digital, procesamiento de audio y procesamiento de imágenes. En comparación con los filtros analógicos, los filtros digitales no tienen deriva y pueden manejar señales de baja frecuencia. Las características de respuesta de frecuencia pueden acercarse mucho a las características ideales, con alta precisión y fácil integración. Al utilizar un chip DSP programable para implementar el filtrado digital, las características del filtro se pueden cambiar fácilmente modificando los parámetros del filtro. A continuación se explica principalmente el diseño y la implementación del filtro digital FIR utilizando el chip DSP TMS320VC54x.

La importancia del propósito del diseño

En los sistemas de aplicación práctica, siempre hay varias interferencias. Por lo tanto, en el diseño del sistema, la calidad del filtro afectará directamente el rendimiento del sistema. actuación. Al utilizar DSP para el procesamiento digital, se pueden muestrear fuentes de señales mixtas que contienen ruido y señales, y luego se pueden extraer señales útiles mediante filtrado digital y filtrado de ruido. Por lo tanto, los filtros digitales son el campo de aplicación más básico de DSP. Familiarizarse con los filtros digitales basados ​​en DSP puede proporcionar una buena base para el desarrollo de sistemas de aplicación DSP.

Indicadores técnicos

1. Los parámetros de frecuencia del filtro digital incluyen principalmente: ①Corte de banda de paso: es el punto divisorio entre la banda de paso y la banda de transición, en el que cae la ganancia de la señal. al límite inferior especificado. ②Corte de la banda de parada: es el punto divisorio entre la banda de parada y la banda de transición, donde la atenuación de la señal cae al límite inferior especificado. ③ Frecuencia de giro: se refiere a la frecuencia cuando la potencia de la señal se atenúa a la mitad (aproximadamente 3 dB). En muchos casos, fc se utiliza a menudo como banda de paso o frecuencia de corte de banda de parada. ④La frecuencia natural del circuito cuando no hay pérdida: es decir, su frecuencia de resonancia. Los circuitos complejos suelen tener múltiples frecuencias naturales.

2. Ganancia y atenuación

La ganancia del filtro en la banda de paso no es constante. (1) La ganancia de la banda de paso de un filtro de paso bajo generalmente se refiere a la ganancia cuando ω = 0; la ganancia de paso alto se refiere a la ganancia cuando ω → ∞; . ②Para un filtro de banda suprimida, se debe dar la atenuación de la banda suprimida, y la atenuación se define como el recíproco de la ganancia. ③El cambio en la ganancia de la banda de paso se refiere al cambio máximo de ganancia en cada punto de la banda de paso. Si el cambio en la ganancia de la banda de paso está en dB, significa que el cambio en la ganancia está en dB.

3. Coeficiente de amortiguación y factor de calidad

El coeficiente de amortiguación α es un índice que representa el efecto de amortiguación del filtro sobre la señal con frecuencia diagonal ω0, y representa la atenuación de energía en los indicadores. Es un coeficiente relacionado con el tamaño de la parte real del polo de la función de transferencia.

4. Sensibilidad

El circuito del filtro se compone de muchos componentes y los cambios en el valor del parámetro de cada componente afectarán el rendimiento del filtro.

5. Función de retardo de grupo

En el diseño de filtros, la función de retardo de grupo se utiliza a menudo para evaluar la distorsión de fase de la señal filtrada.

Los indicadores técnicos anteriores son las características de los filtros generales, pero en aplicaciones prácticas, los filtros digitales generalmente se usan para lograr la selección de frecuencia. Por lo tanto, los indicadores técnicos requeridos cuando se usa DSP para diseñar filtros digitales son principalmente en el dominio de la frecuencia. Respuesta de frecuencia de amplitud fija y respuesta de frecuencia de fase. Como se muestra en la siguiente figura

Curvas características de respuesta de amplitud-frecuencia y respuesta de fase-frecuencia

Para la respuesta de amplitud-frecuencia, se refiere a la amplitud de la señal de salida después de que pasa la señal. a través del sistema y la amplitud de la señal de entrada. La relación generalmente se expresa en decibeles. Para la respuesta de fase-frecuencia, se refiere a la diferencia entre la fase de la señal de salida después de que la señal pasa a través del sistema y la fase de la señal de entrada. El diseño de filtros que utilizan indicadores de respuesta de frecuencia de fase lineal tiene las siguientes ventajas: ① Solo se trata de aritmética de números reales, no de operaciones con números complejos ② No hay distorsión de retardo, solo se puede utilizar un número fijo de retardos para mejorar la operación; eficiencia ④ Debido a que la respuesta al impulso de la unidad es una secuencia finita, el filtro FIR no tiene problemas de inestabilidad y el error es pequeño;

Principios básicos

Los métodos principales para diseñar filtros FIR utilizando DSP incluyen el método de función de ventana y el método de muestreo de frecuencia, entre los cuales el método de función de ventana es el método de diseño básico. El método de función de ventana se utiliza aquí para diseñar el filtro FIR. Si la respuesta del filtro deseada es 0, entonces el diseño del filtro FIR es encontrar una función de transferencia.

Avanzar, establecer

Estos son los coeficientes de la serie de Fourier. Según esta aproximación, el método más directo es partir de la respuesta al impulso unitario para aproximar la respuesta al impulso unitario ideal. Debido a que es una secuencia infinita, el método más simple es truncar, es decir, obtener una función de transferencia aproximada.

En la fórmula anterior, q es el último orden del filtro FIR. Cuanto mayor es q, mayor es el grado de aproximación. El truncamiento en realidad se multiplica por una ventana rectangular, es decir,

sea z =, entonces

su coeficiente de respuesta al impulso es,,,,,,,. Para convertirlo en una relación causal, retrase q muestras y obtenga:

Supongamos que n Q=k, la fórmula anterior se convierte en

Orden, N=2Q, obtenga

donde está el coeficiente de respuesta al impulso, donde…,…,….

En términos generales, la relación entre la forma de transformación z de la salida del filtro digital FIR y la forma de transformación z de la entrada es la siguiente:

La estructura de implementación es la que se muestra en la siguiente figura:

Diagrama de estructura de transformación z

A partir del diagrama de estructura y transformación z anterior, es fácil obtener la expresión de la ecuación diferencial del filtro FIR, es decir, la Transformada z inversa de la fórmula anterior:

La fórmula anterior es el método de representación en el dominio del tiempo del filtro digital FIR, donde x(n) es el valor de muestra de entrada del filtro en el tiempo n. diseñarse de acuerdo con la fórmula anterior.

Diseño de hardware

1. chip DSP

De acuerdo con el principio de diseño, el dispositivo central es el chip procesador de señal digital de punto fijo de baja potencia TMS320C5402 producido. por Texas Instruments. Se eligió este chip principalmente porque es el chip DSP de bajo costo más utilizado en la actualidad. Tiene las siguientes características principales:

(1) Velocidad de operación rápida, hasta 532MIPS;

⑵ Estructura multibus, 8 buses en el chip (1 bus de memoria de programa, 3 buses de almacenamiento de datos y 4 buses de direcciones);

(3) ⑶ ¿La CPU adopta Feng? El diseño de estructura paralela de Neumann le permite completar muchas operaciones aritméticas a alta velocidad dentro de un ciclo de instrucción;

⑶ ROM de 4K×16 bits y RAM de acceso dual de 16K×16 bits están integradas en el chip;

⑸ Los ricos circuitos periféricos en chip (pines de E/S generales, temporizadores, generadores de reloj, interfaces HPI, puerto serie con búfer multicanal McBSP) facilitan interfaces externas;

[6] 3,3 V E/S voltaje, voltaje del punto central de 1,8 V, corriente operativa promedio de 75 mA, de los cuales el núcleo es de 45 mA, entrada y salida de 30 mA;

En el pasado, el paquete BGA de 144 pines reducía el tamaño y el consumo de energía.

2. Circuitos AD y DA

En este sistema de filtrado digital, el convertidor analógico a digital utiliza el chip TLV1570 de TI y un bajo de 8 canales, 10 bits, 2,7-5,5 V. -Chip convertidor de voltaje analógico a digital. La frecuencia de muestreo del TLVl570 es 625 KSPS a 3 V y la frecuencia máxima de la señal de entrada no puede exceder los 300 K.

Dado que la conversión de analógico a digital utiliza dispositivos de 10 bits, para simplificar el código del programa y reducir la carga de trabajo computacional del DSP, este sistema de filtrado digital utiliza el chip TLV5608 de TI, que es un 8 -Chip de conversión digital a analógico de bajo voltaje de 10 bits, 2,7-5,5 V.

3. Circuito de fuente de alimentación

De acuerdo con los requisitos de voltaje y corriente del chip DSP y los requisitos de secuencia de encendido de las fuentes de alimentación duales, considere el chip de conversión de energía TPS73HD318 de TI. con voltajes de salida de 3,3 V y 1,8 V, la corriente de salida máxima de cada fuente de alimentación es de 750 mA, lo que puede cumplir con los requisitos de fuente de alimentación de este sistema. Además, la corriente de reposo del TPS73xx es muy baja, lo que puede estabilizar la salida del regulador de voltaje.

4. Circuito de pulso de reloj

Los terminales de reloj de la serie C54xx son X1 y X2/CLKIN, y se utiliza un oscilador de cristal pasivo para proporcionar la señal de reloj. Debido a que el DSP tiene un conjunto de terminales que se pueden usar para ajustar su frecuencia operativa, no existen requisitos especiales para la selección de la frecuencia del oscilador de cristal. Elija aquí un oscilador de cristal de 10 Mhz.

5. Vuelva a conectar el circuito

Para superar las interferencias e interferencias que pueden ocurrir debido a la alta frecuencia de reloj cuando el sistema DSP está en funcionamiento, lo mejor es utilizar un automático. Circuito de reinicio con función de vigilancia, por lo que se utiliza un chip de reinicio automático dedicado MAX706. La fuente de alimentación del MAX706 es de 3,1 V ~ 5,0 V, con una salida de reinicio de bajo nivel y un umbral de reinicio de 3,08 V V.

6. Eliminación de terminales desechados

De acuerdo con los principios pertinentes del uso del chip DSP y las instrucciones del chip, determine si los terminales no utilizados están conectados a resistencias pull-up o se dejan flotando.

7. Según la composición del circuito de las partes anteriores, se puede dibujar el diagrama de circuito de hardware general del filtro digital DSP, como se muestra a continuación.

Programación; disposición

1. Ideas de diseño

El DSP debe inicializarse antes de realizar operaciones de filtrado digital. Sólo configurando correctamente el estado inicial del DSP el chip podrá funcionar normalmente. El sistema se inicializa principalmente en los dos aspectos siguientes:

① Inicialización del registro: registro de estado ST0, registro de estado ST1, registro de control de modo de procesador PMST, registro de estado de espera de software SWWSR, registro de control de conmutación de grupo BSCR, modo de reloj registrarse, etc

(2) Inicialización de la tabla de vectores de interrupción: el chip DSP escribe una subrutina de acuerdo con la posición de configuración de cada vector de interrupción; establece el registro de control PMST cuando se conecta y reubica la tabla de vectores en la dirección especificada; por IPTR.

(2) En segundo lugar, el diseño de subrutina del filtrado digital FIR, los pasos principales son los siguientes:

(1) Consultar el segundo bit del registro SPCR11. Si es 1, significa listo y el valor de DRR11 se lee en la dirección señalada por AR3, que es el último valor de muestreo.

② Reste 200 h del último valor de muestreo y luego reste 1 del valor AR3.

③Ejecutar instrucciones MAC.

④Envíe el valor del acumulador a la variable Y y agregue 200h a Y.

⑤Consulte el segundo bit del registro SPCR20 Cuando 1 significa listo para escribir, cambie el valor de Y. Asignado a DXR10, este es el valor de salida del filtro.

⑥Repita los pasos anteriores.

2. Diagrama de flujo del programa

Basado en las ideas de programación anteriores, se puede obtener el diagrama de flujo del programa para el diseño de filtros FIR utilizando DSP, de la siguiente manera.

3. Código del programa

Debido a que el programa de inicialización es demasiado grande y complicado, aquí hay solo un fragmento del programa que utiliza instrucciones MAC para programar el filtro de paso bajo FIR:

FILT_task1

LD Store_SICX, A

STLM A, ar4

STM #1, dirección intermedia ar0

STM negro #28

LD DEM_Out, A

STL A, * ar4; Señal de entrada: parte real

STM #Coef_Tab1, dirección de coeficiente de parte real del filtro ar5

LD #0, A

STM #27, brc

RPTB SICXU-1

MAC *AR4 0, *AR5, A

SICXU LD A, -16, A; resultado del filtrado de paso bajo

LD C7FFF, B

Amin

Negativo B

Máximo

STL A, DEM_Out

LDM AR4, A

STL A, Store_SICX

Remojado en agua para hacer suave

Coef_Tab1

. palabra 100;h(0)

. Palabra 7; h(1)

…; Coeficiente de respuesta al impulso

. palabra -248

. palabra-71;h(N-1)

.

Fin

Resumen

Al usar DSP para diseñar filtros FIR, tenemos una comprensión profunda del uso de chips DSP y los circuitos relacionados del sistema básico compuesto por chips DSP. Familiarícese con el diseño del sistema y el proceso de desarrollo de aplicaciones de los chips DSP, utilice la biblioteca, Internet, pregunte a sus compañeros, etc. para encontrar información y resolver problemas relacionados. Este es el trabajo más básico y el paso más crítico. Hacerlo puede cultivar su capacidad para resolver problemas y pensar de forma independiente, dotarse del temperamento y la actitud laboral de un técnico y agregar ventajas a su futuro empleo.

El filtro digital es una aplicación típica de DSP. Aprenderlo ayuda con analogías y aprender más a comprender las funciones y principios de funcionamiento de otros sistemas basados ​​en DSP. Dominar el desarrollo de aplicaciones basadas en DSP ha ampliado nuestros horizontes y aumentado nuestro conocimiento. Es una habilidad importante para ingresar al campo del procesamiento de señales digitales moderno, e incluso el desarrollo de circuitos integrados a gran escala es la base para su uso. Deberíamos prestarle atención y estudiarlo activamente en el futuro.