基于PSoC 的嵌入式數(shù)字濾波技術(shù)

在定義關(guān)系密切的 PSoC3 和 PSoC5 系列產(chǎn)品時(shí)，賽普拉斯的架構(gòu)師決定不再在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中僅僅提供一款同質(zhì)化的產(chǎn)品。不管采取什么架構(gòu)，硬件的功能都應(yīng)重點(diǎn)用于高效地實(shí)現(xiàn)有用的工作目的。我們希望 PSoC 真正成為片上可編程解決方案，能夠解決實(shí)際客戶(hù)遇到的實(shí)際問(wèn)題。

為了給新一代 PSoC 器件提供更強(qiáng)的解決問(wèn)題的功能，我們采用了一系列獨(dú)特的外設(shè)和信號(hào)處理塊，既有模擬的，也有數(shù)字的。本文將重點(diǎn)討論這些大幅簡(jiǎn)化采集信號(hào)數(shù)字濾波工作的信號(hào)處理塊，并討論該技術(shù)已經(jīng)在其中證明自身實(shí)力的一些應(yīng)用。

　　嵌入式數(shù)字濾波的架構(gòu)增強(qiáng)

　　首先，我們?yōu)槭裁聪Ｍ褂?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/嵌入式">嵌入式濾波器而不是將信號(hào)處理指令集成到普通的微控制器中呢？究其原因就是項(xiàng)目設(shè)計(jì)層面和系統(tǒng)集成層面的分區(qū)問(wèn)題。在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，項(xiàng)目的規(guī)模、目標(biāo)和整體架構(gòu)經(jīng)常發(fā)生變化。單核單片式編碼項(xiàng)目要想跟上這種變化的速度，著實(shí)是一個(gè)挑戰(zhàn)，尤其是目前的項(xiàng)目常常是由非集中化的多個(gè)不同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一起完成的，這更增加了相關(guān)的難度。在塊層所使用的功能元件中嵌入信號(hào)處理，能確保項(xiàng)目管理在元件設(shè)計(jì)層面實(shí)現(xiàn)分支，同時(shí)也能確保在算法改變時(shí)，信號(hào)處理負(fù)載發(fā)生的差異不會(huì)影響通信管理等時(shí)間關(guān)鍵性任務(wù)。

　　數(shù)字濾波器塊 (DFB) 是首款PSoC3 和 PSoC5 系列產(chǎn)品中支持嵌入式數(shù)字濾波的硬件元素，這是一款連接于外設(shè)總線的小型數(shù)字濾波器引擎。實(shí)際上，它是存儲(chǔ)器、MAC、ALU 和微代碼控制庫(kù)的緊密組合，其 VLIW 架構(gòu)能支持不同的操作，如 24 位 x 24 位到 48 位乘法和加法等能以系統(tǒng)時(shí)鐘速率并行執(zhí)行，在 PSoC3 中的頻率可高達(dá) 67MHz，而在 PSoC5 中的頻率則可達(dá) 80MHz。數(shù)據(jù)和系數(shù)存儲(chǔ)在一對(duì)專(zhuān)門(mén)的本地 128x24 位存儲(chǔ)器中，并能在整個(gè)系統(tǒng)總線上進(jìn)行存取。許多濾波拓?fù)涠寄茉谶@一結(jié)構(gòu)上高效編碼。

　　配合嵌入式數(shù)字濾波應(yīng)用 DFB 的是通用數(shù)字塊 (UDB) 陣列。它在多功能架構(gòu)中結(jié)合了 PLD 和數(shù)據(jù)路徑／ALU塊，既能用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)源集和匯集連接，也能用于高時(shí)鐘速率重復(fù)結(jié)構(gòu)，如級(jí)聯(lián)積分器／梳狀濾波器 (CIC) 和噪聲成形數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

　　在 PSoC3 和 PSoC5 系統(tǒng)中如何使用嵌入式數(shù)字濾波

　　數(shù)字濾波器塊可通過(guò)幾種方式使用。PSoC Creator 中集成的濾波器設(shè)計(jì)工具支持拖放工作方式，將數(shù)字濾波包括到信號(hào)流程中來(lái)。啟動(dòng)時(shí) PSoC Creator 配套提供了專(zhuān)用的 FIR 濾波器“組件”，在系統(tǒng)中可以像其他塊一樣使用。該組件能對(duì)信號(hào)應(yīng)用多種不同濾波器，既能單獨(dú)使用，也能組合使用。圖 1 顯示了該組件的屏幕截圖，從中我們看出它在 PSoC Creator 項(xiàng)目中的使用情況以及設(shè)置屬性的配置窗口。今后，更多濾波器拓?fù)浜突?dòng)濾波器設(shè)計(jì)向?qū)н€將添加到 PSoC Creator中。

　　圖 1：PSoC Creator 中的標(biāo)準(zhǔn) FIR 濾波器組件

　　與第一代 PSoC 產(chǎn)品一樣，我們的客戶(hù)和我們自己的系統(tǒng)工程師一直期待著全新 PSoC3和 PSoC5 應(yīng)用的到來(lái)。PSoC 的核心理念一直是推出靈活的產(chǎn)品，支持在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)還暫未設(shè)想到的全新應(yīng)用。這種靈活性同樣適用于數(shù)字濾波器塊等功能塊。我們已經(jīng)用該塊開(kāi)發(fā)了幾款定制應(yīng)用，并作為組件實(shí)施于 PSoC Creator 原理圖中。由于信號(hào)處理與主 CPU 相分離，我們能通過(guò)一系列 Creator 組件實(shí)現(xiàn) IP 的重復(fù)使用，而全部設(shè)計(jì)人員都能共享這些組件。

　　使用 PSoC3/5 的高性能嵌入式濾波示例

　　“時(shí)間校正”濾波器——多相內(nèi)插

　　如果用 PSoC3 來(lái)滿(mǎn)足近期電表讀取應(yīng)用的概念設(shè)計(jì)要求，我們需要補(bǔ)償單 Δ-Σ ADC 的通道間計(jì)時(shí)偏置，滿(mǎn)足多相電壓和電流多路復(fù)用的要求。如果不糾正上述時(shí)差的話，系統(tǒng)準(zhǔn)確性就會(huì)在加載低功耗因數(shù)期間快速下降，而且在線路頻率高諧波的功耗估算也會(huì)出問(wèn)題。

　　數(shù)字濾波器塊非常適用于 FIR 濾波器，我們用它來(lái)創(chuàng)建多相內(nèi)插濾波器。在我們的原型設(shè)計(jì)中共有四個(gè)通道，每個(gè)通道有 20 個(gè)抽頭 (tap)。該濾波器從單 ADC 獲得多路復(fù)用的數(shù)據(jù)流，將其“解包”為四個(gè)新的數(shù)據(jù)流，上述解包通道的信號(hào)延遲有差別，就好像信號(hào)同時(shí)被四個(gè)采樣 ADC 捕獲一樣，需要對(duì)采樣時(shí)間進(jìn)行校正。圖 2 顯示了四輸入多路復(fù)用轉(zhuǎn)換器順序采樣相同（帶限）信號(hào)所得的四個(gè)數(shù)據(jù)集。

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圖 2：ADC 的四個(gè)順序多路復(fù)用輸入獲得相同的信號(hào)……

　　圖 3 顯示了內(nèi)插濾波器系統(tǒng)的四個(gè)輸出，我們看到底層帶限波形在形狀和計(jì)時(shí)方面都已經(jīng)得到了準(zhǔn)確重構(gòu)。這種方法使單個(gè)高品質(zhì) ADC 能滿(mǎn)足極高的計(jì)量準(zhǔn)確性要求，支持各種相關(guān)功率因數(shù)和諧波頻率要求。這種方法對(duì)其他需要高效同時(shí)采樣的應(yīng)用而言同樣適用。

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　　圖 3：……嵌入式多相內(nèi)插濾波器消除了偏差。

　　用于功率計(jì)的其他濾波器

　　數(shù)字濾波器塊在我們的計(jì)量設(shè)計(jì)中還提供了另外兩種有用的濾波器功能。首先，為了支持“經(jīng)典”基本無(wú)功功率的準(zhǔn)確計(jì)算，我們采用了計(jì)算機(jī)優(yōu)化的相移濾波器。大多數(shù)商業(yè)計(jì)量芯片都使用時(shí)間延遲或積分器來(lái)提供所需的 90 度相移。前一種方法的振幅特性曲線是平的，但在線路頻率值不準(zhǔn)確時(shí)會(huì)造成相移不準(zhǔn)。后一種方法會(huì)出現(xiàn)相反的問(wèn)題，也就是說(shuō)，相總是準(zhǔn)確的，但振幅則會(huì)根據(jù)頻率出現(xiàn)變化，這樣導(dǎo)致的結(jié)果是它只能滿(mǎn)足要求最不嚴(yán)格的計(jì)量應(yīng)用，但對(duì)其他應(yīng)用都不適用。上述兩種方法對(duì)我們來(lái)說(shuō)都不適用。

　　我們嵌入了在整個(gè)線路頻率范圍上都超出了最嚴(yán)格的無(wú)功功率準(zhǔn)確度要求的 6 極點(diǎn) IIR 濾波器（圖 4 和圖 5），從而避免使用會(huì)消耗整個(gè)系統(tǒng)處理功率的希爾伯特變換器方法。此外，我們的方法還具有低通特性，可大幅減弱電流波形中的諧波，使無(wú)功功率估算能獲得基本信息。

　　圖 4 和圖 5：頻率為 50Hz 的專(zhuān)用 n=6 嵌入式 IIR 精確正交生成器。