Правила написания и отладки приложений. Примеры
Основной задачей программиста работающего с цифровыми сигнальными процессорами это быстрая и качественное описание программы на языке низкого уровня. В большинстве случаев сам код программы представляет собой набор команд индивидуальных для каждого типа и даже вида процессоров. Работа и этими командами весьма сложна. Даже написание небольшой программы выполняющей какой либо цикл или простые арифметические вычисления на языке низкого уровня – задача непростая, а если эта программа должна выполнять большое количество различных задач, то её написание и отладка может отнять большое количество времени.
Для удобства программистов были разработаны адаптивные оболочки которые могут переводить команды процессора в язык более высокого уровня, а также моделировать сам процессор. Так, что имея программу эмулятора процессора и адаптивную оболочку возможно написание и отладка кода программы в любом месте, при наличии компьютера. Записанный код программы также может переводиться обратно в команды процессора и далее возможна запись этого кода в память процессорного блока для получения автономного микропроцессорного блока, выполняющего заложенный программой алгоритм.
Рассмотрим работу программы Code Composer Studio 3.1.
Для начала работы необходимо настроить саму программу – указать какой вид процессора далее будет использоваться и подключить его библиотеки команд.
Для этого, после установки, необходимо запустить Code Composer Studio Setup (Setup CCStudio v3.1) на рабочем столе. На рисунке 2 можно увидеть внешний вид меню.
Для предложенной в курсовой работе версии процессорного блока необходимо добавить C5510 Device Simulator, выделив его и нажав кнопку “Add”. Нажимаем “Save & Quit” и на предложение “Start Code Composer Studio on exit?” нажимаем “Да”. В предложенном меню, изображённом на рисунке 3, подтверждаем нужный нам вид микропроцессорного блока двойным щелчком. И, наконец, появляется интерфейс самого симулятора, в котором возможно написание непосредственно кода программы и его отладка изображённого на рисунке 4. Теперь возможно приступить к непосредственному программированию. Язык на котором будет производиться программирование - С.
На рисунке 4 справа видна панель в заглавии которой написано Files. Это дерево менеджера проекта. Здесь будут отображаться файлы компонентов будущего приложения.
Для написания программы будут использоваться следующие файлы с расширениями :
.lib - Это библиотека, которая обеспечивает поддержку во время выполнения целевому чипу цифрового обработчика сигналов.
.c - Этот файл содержит исходный текст, который обеспечивает главные функциональные возможности этого проекта.
.h - Этот файл объявляет буферную C-структуру так же определять любые необходимые константы.
.pjt - Этот файл содержит весь построенный проект и варианты конфигурации.
.asm - Этот файл содержит инструкции ассемблера.
.cmd - Этот файл наносит на карту секции в памяти.
Рисунок 2 – Меню Code Composer Studio Setup
Рисунок 3 – Меню Parallel Debug Manager
Для создания нового проекта выберите из вкладки Project пункт New (см. рисунок 5). На экране появится меню, изображённое на рисунке 6.
Назначение функций интуитивно понятно кроме пункта Project type – этот пункт предназначен для описания функции самого проекта: при выборе executable(.out) – проект будет полноценной программой, ежели будет выбрана функция library(.lib), то проект будет считаться после компиляции библиотекой. Библиотека является набором функций и процедур заключённых в одном файле. Просмотреть содержимое этого файла как другие содержащиеся в проекте не представляется возможным. Итак, выбираем - executable(.out).
Рисунок 4 –Интерфейс Code Composer Studio (симулятор)
Рисунок 5 –Путь создания нового проекта
Рисунок 6 –Меню создания нового проекта
Называем наш проект (например Filtr) и нажимаем кнопку Готово. После этого эмулятор создаст в указанной вами директории папку с названием проекта.
На рисунке 7 видно что менеджер проекта изменился. В нём появились папки с названиями компонентов, которые ещё не подключены или не написаны. Для начала подключим библиотеку для нашего процессора:
(…CCStudio_v3.1\C5500\cgtools\lib\rts55.lib). Для этого необходимо нажать на одной из папке правой кнопкой мыши и выбрать вкладку Add files to project.
Для полноценной работы программы необходимо написать основной алгоритм.
Прежде всего нужно создать файл в котором это всё будет написано. Для этого выберем на панели меню File / New / Source File. Для того чтобы он стал главным файлом проекта его необходимо сохранить под расширением .c, затем необходимо его добавить тем же способом что и библиотеку, но из той директории, где находится проект. В папке Source появится добавленный файл. В последующем каждый файл добавленный будет появляться в своей папке согласно его назначению автоматически.
Рисунок 7 –Меню менеджера проекта
Структура написания программ идентична работе в среде программирования C.
Поэтому, далее синтаксис программы уточняться не будет, его можно найти в любом учебнике по программированию.
Для добавления файлов описаний (.h) необходимо сослаться на них в программе написав “ #include "Fil_h.h" ” и, нажав правой кнопкой на названии проекта в менеджере и выбрав “Scan All File Dependencies”, откомпилировать проект и этот файл будет добавлен автоматически. На рисунке 8 указана кнопка компиляции.
Рисунок 8 –Запуск компилятора
При наличии ошибок после компиляции они будут обозначены в окне статуса компиляции. Вид и местоположение этого окна обозначен на рисунке 9.
Каждая ошибка выделяется красным цветом и при клике на ней мышкой курсор автоматически становится на ей место (это в случае синтаксической ошибки, если ошибка в нарушении правила написания – допустим неверное написание адреса той или иной переменной, двойной щелчок ничего не даст, зато к каждой ошибке указывается небольшое пояснение, по которому можно догадаться, в чём суть ошибки).
Для того, чтобы эмулятор мог работать с переменными внутри программы или применять изменения необходимо после компиляции в память записать код программы. Для этого необходимо добавить следующий файл из папки Debug с помощью пункта Load Program из меню File. Название файла идентично названию проекта только с расширением .out.
Стоит описать примерно, что должно быть в каждом файле. Начнём с файлов с расширением .h.
#ifndef TRUE
#define TRUE 1
#endif
Здесь описана константа TRUE при вызове которой подразумевается 1.
Рисунок 9 –Окно статуса компилятора
Также в этих файлах можно задавать значения переменных. Вид окна листинга программы представлен на рисунке 10.
Рисунок 10 –Окно листинга файла Fil_h.h
Посмотреть содержимое библиотеки невозможно.
Теперь посмотрим алгоритм основной части проекта, содержащийся в файле Fil_c.c. Листинг программы приведён ниже.
#include "Fil_h.h" int a; int x; int y[1]; int inp[16]; int i; float rez[16]; float out[1]; int *inp_buf = &inp[0]; float *rez_buf = &rez[0]; float *kaf_buf = &kaf[0]; int s; main(){ while (TRUE) { float *rez_buf = &rez[0]; a=16; x=0; while (a--) { *rez_buf++ = 0; } while (x!=16) { a=15; while (a!=-1) { inp[a]=inp[a-1]; a--; } inp[0]=y[0]; s=15; while (s!=0) { rez[x]=rez[x]+inp[s]*kaf[s]; s--; } out[0]=rez[x]; x++; } } }
Тело программы состоит из части где задаются переменные, вернее указывается их размер (int, float, short ), тела программы ограничивается словом main.
В папке с именем проекта храниться одноимённый файл с расширением .pjt. Если открыть этот файл с помощью текстового редактора, то можно увидеть, что этот файл содержит имена файлов включённых в проект и другую информацию о настройках. Содержание файла Filtr.pjt. Представлен далее.
; Code Composer Project File, Version 2.0 (do not modify or remove this line)
[Project Settings]
ProjectDir="C:\CCStudio_v3.1\MyProjects\Filtr\"
ProjectType=Executable
CPUFamily=TMS320C55XX
Tool="Compiler"
Tool="CustomBuilder"
Tool="DspBiosBuilder"
Tool="Linker"
Config="Debug"
Config="Release"
[Source Files]
Source="..\..\C5500\cgtools\lib\rts55.lib"
Source="K:\CCStudio_v3.1\MyProjects\Filtr\Fil_c.c"
Source="K:\CCStudio_v3.1\MyProjects\Filtr\Fil_h.h"
Source="..\..\tutorial\sim55xx\volume1\volume.cmd"
["Compiler" Settings: "Debug"]
Options=-g -fr"$(Proj_dir)\Debug" -d"_DEBUG"
["Compiler" Settings: "Release"]
Options=-o2 -fr"$(Proj_dir)\Release"
["Linker" Settings: "Debug"]
Options=-c -m".\Debug\Filtr.map" -o".\Debug\Filtr.out" -w -x
["Linker" Settings: "Release"]
Options=-c -m".\Release\Filtr.map" -o".\Release\Filtr.out" -w -x
["K:\CCStudio_v3.1\MyProjects\Filtr\Fil_h.h" Settings: "Debug"]
ExcludeFromBuild=true
["K:\CCStudio_v3.1\MyProjects\Filtr\Fil_h.h" Settings: "Release"]
ExcludeFromBuild=true
["..\..\tutorial\sim55xx\volume1\volume.cmd" Settings: "Debug"]
LinkOrder=1
["..\..\tutorial\sim55xx\volume1\volume.cmd" Settings: "Release"]
LinkOrder=1
Немаловажной особенностью эмулятора является то, что в нём можно подключать внешние файлы данных.
Принцип подключения заключается в том, что указывается часть кода в момент выполнения которого должно осуществляться чтение из файла в определённый массив. Момент чтения может задаваться и другими событиями не только переходом указателя выполнения программы через определённый её участок. Для того чтобы определить место в коде программы, в котором в массив должны записаться данные из внешнего файла необходимо поставить там точку прерывания, которую можно увидеть на рисунке 11.
Рисунок 11 –Точки прерывания
В данном примере точки прерывания поставлены именно напротив той строки, где должно осуществляться присваивание внешней переменной внутреннему массиву. Для подключения файла необходимо во вкладке File выбрать пункт File I/O. На экране появится меню представленное на рисунке 11.
Рисунок 11 –Меню файлов ввода –вывода
Нажимаем Add File и выбираем файл данных например sine.dat. В котором указаны числа в шестнадцатеричной форме.
Address- указатель массива, в который происходит чтение;
Length- количество читаемых в массив единиц данных (отсчётов). В нашем случае чтение происходит по одному отсчёту.
Далее нажимаем Add Probe Point для установки связи между точкой прерывания и файлом из которого происходит чтение. На экране появится меню указанное на рисунке 13.
Рисунок 13 –Меню указателя связывающего файл с событием
Выделяем пункт с линией в программе в окне Probe Point и выбираем из меню Connection To название файла данных и нажимаем Replace. Подтверждаем.
Рассмотрим теперь возможность визуализации программы. Для этой цели в эмуляторе предусмотрен осциллограф.
Подключение достаточно простое. Для этого из вкладке Viev выбираем Graph затем Time/Frequency. На экране появляются настройки изображения, представленные на рисунке 14.
Рисунок 13 –Меню настроек графика
Обязательно необходимо указать Start Address – указатель массива из которого будут поступать данные в граф при переходе точки прерывания. Также указываем количество переменных читаемых одновременно(Acquisition Buffer Size) и DSP Data Type – тип отображаемых данных (необходимо указать тип float – с плавающей запятой). На экране появляется граф представленный на рисунке 14.
Рисунок 14 –Вид графического окна
Не забывайте обновлять код в памяти добавляя следующий файл из папки Debug с помощью пункта Load Program из меню File. Название файла идентично названию проекта только с расширением .out.
Теперь демонстрация готова и осталось только запустить программу. Для этого нажимаем на фигурку бегущего человечка «Run» (для того чтобы программа проработала до точки прерывания) и «Animate» для многократного повторения (зацикливания).
Также удобным инструментом является отображение значений тех или иных переменных в определённый момент времени. Для этого необходимо нажать в панели сверху Watch Window (рисунок 15) и написать в ней название переменной для обзора, или нажав правой клавишей мыши на нужной переменной в программе, выбрать пункт Add to Watch Window.
Рисунок 15 –Вызов окна Watch Window
Для опытных пользователей полезной опцией окажется возможность совмещённого просмотра кода С и кода ассемблера. Для этого необходимо нажать на поле с кодом правой клавишей мыши и выбрать пункт Mixed Mode (рисунок 16).
Рисунок 16 –Вызов совмещённого кода
После небольшой самостоятельной практики приобретенный опыт пригодится для дальнейшей работы.
Теперь опишем функцию преобразования Фурье (cfft).
Опишем для начала общие константы для функций описанных в таблице 6.
x, y – вектора данных;
r – вектор выходных данных;
nx, ny, nr – размеры векторов;
h – вектор коэффициентов фильтра;
nh – размер вектора коэффициентов;
DATA – тип данных -16 бит;
LDATA – тип данных 32- бита;
ushort - 16-ти битный тип данных.
К каждой функции в программе CCStudio_v3.1 имеется пример её работы.
Разберём пример по следующему пути: \CCStudio_v3.1\C5500\dsplib\EXAMPLES\CFFT\
В примере указаны входные отсчёты комплексного вектора и результат полученный с помощью программы Matlab. Суть примера состоит в том, что входные отсчёты подвергаются преобразованию Фурье с помощью функции и сравниваются с результатами полученными программой Matlab.
Входной вектор представлен массивом x [2*nx] - указатель на введенный вектор, содержащий nx комплексных элементов (2*nx реальные элементы) в нормальном порядке. На выходе, вектор содержит nx комплексных элементов FFT (x) в бит-реверсивном порядке. Комплексные числа сохранены в чередованном формате Re-Im.
Особенность функции состоит в том, что записанные в память данные комплексные числа перезаписываются результатами преобразования, поэтому входной вектор после преобразования становится выходным.
Листинг преобразованной программы представлен ниже.
#include <math.h>
#include "TMS320.h"
#include "Dsplib.h"
#include "t6_SCALE.h"
//#include "t6_NOSCALE.h"
short i;
short eflag= PASS;
float y;
DATA t[32];
main()
{
// compute
cfft(p,16,SCALE);
// cfft(x,NX, NOSCALE);
cbrev(p,p,16);
for (i=0;i<16;i++)
{
y=p[i];
t[i]=p[i];
}
}
t6_SCALE.h дополнен более коротким вектором – p
#pragma DATA_SECTION (p,".input")
DATA p[32]={
1000, 0,
924, 0,
707, 0,
383, 0,
0, 0,
-383, 0,
-707, 0,
-924, 0,
-1000, 0,
-924, 0,
-707, 0,
-383, 0,
0, 0,
383, 0,
707, 0,
924, 0,
};
Строка “cfft(p,16,SCALE);” непосредственно отражает функцию прямого преобразования Фурье. Сам алгоритма расчёта увидеть нельзя потому, что он находится в библиотеке 55xdsp.lib.
Листинг остальных файлов включённых в программу приведён в приложении.
Необходимо указать особенность выявленную в ходе рассмотрения программы. Вектор получаемый на выходе имеет отличие от вектора полученного опытным путём (для проверки правильности работы программы был введён вектор из 16 чисел, не исходный приведённый в файле t6_SCALE.h , а введённого вручную). Отличие заключается в том, что выходной вектор полученный программой меньше теоретического в N раз, где N размер вектора. В файле «t6_SCALE.h» это вектор p.
Все необходимые библиотеки и файлы для основных функций можно найти по пути: \CCStudio_v3.1\C5500\dsplib\
Реализация процедуры фильтрации на TMS 320VC5510
Самый простой и надёжный метод заключается в преобразовании входных отсчётов во временной области. Т.е. реализация КИХ-фильтра. Для этого необходимо иметь входные отсчёты и коэффициенты фильтра. Т.к фильтр будет с КИХ, то это в свою очередь предполагает самый простой вариант - фильтр будет не рекурсивный.
При цифровой фильтрации необходимо реализовать алгоритм обработки сигнала. Алгоритм программы представлен ниже.
Листинг файла fil_c.c с пояснениями:
#include "Fil_h.h"
int a;
int x;
int y[1];
int inp[16]; /*Обьявление буфера входных данных он
равен размеру окна фильтра */
int i;
float rez[16]; /*Объявление буфера выходных данных он
равен размеру окна фильтра */
float out[1]; /*буфер выходных отсчётов*/
int s;
main(){
while (TRUE) { /*бесконечный цикл*/
float *rez_buf = &rez[0]; /*присвоение адреса одной
переменной другой переменной */
a=16; /*устанавливаем размер окна*/
x=0;
while (a--) { /*обнуляем память по адресам выходного буфера*/
*rez_buf++ = 0;
}
while (x!=16)/*Цикл формирования выходного буфера данных*/
{
a=15;
while (a!=-1) /*цикл сдвига данных в буфере на 1 адрес вверх*/
{
inp[a]=inp[a-1];
a--;
}
inp[0]=y[0]; /*чтение данных из внешнего файла*/
s=15;
while (s!=-1) /*перемножение буфера входных данных
на коэффициенты и формирование одного элемента
буфера выходных данных*/
{
rez[x]=rez[x]+inp[s]*kaf[s];
s--;
}
out[0]=rez[x]; /*запись результата по адресу выхода*/
x++;
}
}
}
Листинг файла Fil_h.h:
#ifndef TRUE
#define TRUE 1
#endif
float kaf[16]={
0, 0.0005,
0.0034, 0.0149,
0.0446, 0.0982,
0.1637, 0.2104,
0.2104, 0.1637,
0.0982, 0.0446,
0.0149, 0.0034,
0.0005, 0,
};
Коэффициенты фильтра рассчитаны в пункте 4.1 настоящей курсовой работы. Информация по аппаратной реализации описана в приложении.
Расчёт фильтра
Из исходных данных курсового задания следует, что необходимо реализовать фильтр со следующими параметрами: частота дискретизации 44кГц; полоса пропускания 3400 Гц ;
Для расчёта коэффициентов фильтра воспользуемся программой Matlab.
Расчёт удобно выполнять с помощью графической программы (GUI) sptool, входящей в библиотеку signal. Загрузим эту программу с помощью инструкции sptool, на появившейся панели нажмём кнопку New Design, находящуюся под окном Filters. Вид появившегося окна можно увидеть на рисунке 17.
Рисунок 17 –Меню GUI
После этого на экране появится панель Filter Designer. Чтобы вычислить фильтр необходимо ввести данные в поля Sampling Frequency: Fp (верхнее граничное значение полосы пропускания); Rp (максимально допустимое значение пульсации в полосе пропускания); Fs (нижнее граничное значение полосы задерживания); Rs (максимально допустимое значение пульсации в полосе задерживания). Необходимо выбрать параметр расчёта с наименьшим числом коэффициентов. В поле тип фильтра выбираем фильтр Чебышева – именно этот фильтр даёт максимально лучшие результаты. Вид окна разработки фильтра с введёнными параметрами представлен на рисунке 18.
Чтобы коэффициенты спроектированного фильтра стали доступны для дальнейшего использования, их надо экспортировать в рабочее пространство MATLAB. Для этого необходимо открыть меню File главной панели sptool и выбрать раздел Export… Если экспортированная структура имеет имя filt1, извлечь соответствующие коэффициенты можно с помощью команды: b1=filt1.tf.num;
Полученные коэффициенты:
0, 0.0005, 0.0034, 0.0149, 0.0446, 0.0982, 0.1637, 0.2104, 0.2104, 0.1637, 0.0982, 0.0446, 0.0149, 0.0034, 0.0005, 0
Рисунок 18 –Окно разработки фильтра
Тестовые испытания
Результатом работы программы является фильтрация сигналов по частоте. Т.е. на выходе должны появляться только сигналы частотами в диапазоне от 0 до 3400 Гц без затухания, а остальные сигналы должны затухать.
Для проверки валидности работы программы необходимо на вход программы подать сигнал с частотой отличной от частоты полосы пропускания фильтра. Для корректной работы фильтра следует помнить, что частота получения отсчётов на входе (дискретизация) составляет 44кГц – 44 тысячи раз в секунду. Это значит, что максимальный сигнал, который воспримет программа – это 22 кГц. Подадим, например 22кГц. Если сигнал чисто синусоидальный, то на выходе программы получим нулевой сигнал.
На рисунке 19 видно изменение выходного сигнала при изменении частоты входного сигнала с 1100 Гц на 22 кГц.
Рисунок 19 –Вид изменения сигнала
Подадим на вход фильтра сигнал с частотой 3.6 кГц. Результат можно увидеть на рисунке 20.
Рисунок 20 –Входной (слева) и выходной (справа) сигналы
Из рисунка 20 видно, что выходной сигнал по амплитуде отличен от входного. Отсюда следует вывод, что сигнал затухает. Изменение амплитуды соответствует 1,6 дБ. Значит затухание сигнала в фильтре более плавное чем расчётное.
Заключение
Результатом выполнения предложенного курсового проекта является руководство к разработке систем цифровой фильтрации на базе процессора TMS320VC5510.
В ходе курсового проекта были разобраны процедуры и функций являющиеся базовыми при обработке сигналов.
Курсовой проект содержит файлы содержащие готовый проект с цифровым не рекурсивным фильтром удовлетворяющим всем требованиям курсового задания и работающем с реальной платой процессора, что является хорошим наглядным пособием для продолжения работ по этой теме.