CCS中C语言应用开发实例_ccs生成任意频率sine波形的代码

山东大学信息学院DSP课程实验二

【实验目的】   

1. 熟练掌握DSP开发流程

2. 掌握运用C语言基于CCS的项目设计思路及过程

【实验要求】  

1. 利用MATLAB的滤波器设计软件，生成低通滤波器、高通滤波器，分别给出滤波器系数。

2. 利用MATLAB产生由不同的正弦波合成的波形文件，送入CCS。

3. 编写C程序，分别实现低通、高通滤波，用CCS画出波形，给出结果分析

4. 利用编译器的op选项，对实验二的C语言程序按照级别进行优化，给出耗时的变化的分析。

5. 应用CCS的内联函数实现低通、高通滤波，与步骤1中的耗时进行比较

【实验具体内容】

1. 利用MATLAB的滤波器设计软件，生成低通滤波器、高通滤波器，分别给出滤波器系数。

采用开发环境为：Win 10 Matlab2020a版本

1. 在Matlab命令窗口输入：filterDesigner命令，打开FilterDesigner设计工具

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图1.1  打开FilterDesigner

或直接选择Matlab中APP选择中的：FilterDesigner

图1.2  FilterDesigner设计工具

1. 调整FIR低通滤波器的参数

选择FIR等波纹型、滤波器阶数200阶，采样频率4096、=200Hz/=300Hz

图1.3  FIR低通滤波器设计

设置好参数后点击“设计滤波器”，可通过观察“幅值响应”波形图直观的看出滤波效果。接下来需要将生成的滤波系数导出以便后续加载到CCS中。

图1.4  点击目标生成头文件

图1.5 生成C头文件界面

生成C头文件如下：

图1.6  生成低通滤波器系数头文件

1. 调整FIR高通滤波器的参数

选择FIR等波纹型、滤波器阶数200阶，采样频率4096、=800Hz/=100Hz

图1.7  高通滤波器设计

同上述步骤生成C头文件：

图1.8  生成高通滤波器系数头文件

2. 利用MATLAB产生由不同的正弦波合成的波形文件，送入CCS。

在进行DSP算法设计时，我们通常会在Matlab上验证一下算法是否正确，然后再把算法移植到DSP当中，然而在移植的过程中会不可避免的出现各种问题，这时就需要将DSP内存中的数据导出来传到Matlab中进行分析处理，同时我们也需要从Matlab传递一些数据到DSP当中，比如我们想生成某种比较复杂的数据（例如各种类型的噪声），如果用C语言来写的话将会非常的麻烦，而这些用matlab能够亲而易举的完成，这时我们只需要将matlab生成的数据导入到DSP中就可以了

首先需要利用Matlab生成若干个数据，然后存储为dat格式的文件，然后通过CCS将dat格式的文件导入到DSP中。

dat文件时CCS能够识别的文件之一、CCS支持的dat文件格式为：

文件头为:

定数   数据格式 起始地址 页类型   数据块大小

1651         1        80000000         0           10

固定标识   数据格式     基地址       页类型       长度

固定标识：它的值固定为1651

数据格式：1-十六进制  2-十进制  3-十进制长整型  4-十进制浮点型

基地址：  就是要存入到DSP一段内存空间的首地址

页类型：  0-数据   1-程序  

长度：    装入数据的长度

1）首先给出Matlab源代码：

f1=100;

f2=1500;

fs=4096;

N=1024;

T=1/fs;

n=0:N;

y1=1024*sin(2*pi*f1*n*T);

y2=1024*sin(2*pi*f2*n*T);

y=y1+y2;

xto_ccs=round(y);

fid=fopen('input1.dat','w');%将文件头写入文件，将生成的y信号写入到文件，格式四位小数

fprintf(fid,'%d\n',xto_ccs);

fclose(fid);

采用=100Hz和两种频率（高频、低频）组成噪声信号波形

图2.1  源代码截图

1. 运行一下程序得到一个名为input1的dat文件，其保存在当前Matlab活动的目录。

图2.2  生成.dat文件

用记事本的方式打开此文件里面的内容如下：

图2.3  生成.dat文件中内容

1. 将生成的的input1.dat文件拷贝到在CCS中新创建的工程项目工作文件夹中

1. 在CCS中编写程序实现波形导入

源程序如下：

#include "stdio.h"

#include "LPF1.h"

#include <math.h>

#include <stdlib.h>

#define Length 1024

#define pi 3.1415926

  

long yn; //保存滤波后结果，32位长整型

long input[Length]; //

long output[Length];

int i;

void main() {

int m,n;

for(n=0;n<Length+BL;n++) //卷积计算

{

yn=0;

for(m=0;(m<BL)&&(m<n);m++)

yn+=B[m]*input[n-m];

output[n]=yn;

}

while(1);

}

1. 在while（1）处设置断点

图2.4  设置断点

接下来打开断点管理器Breakpoints，进行断点设置

图2.5  打开断点管理器

图2.6  断点管理器内容

图2.7  设置断点Action

进行如下选择：

File：选择所产生的.dat文件作为数据导入

Wrap Around：True

Start Address：input

Page：DATA

Length：1024

图2.8  Read Data from File 设置

点击OK后即可完成Matlab合成波形文件并送入CCS

3. 编写C程序，分别实现低通、高通滤波，用CCS画出波形，给出结果分析

建立工程添加文件。建立工程，工程结构如下图所示。将在matlab中生成的c语言头文件添加至CCS工程文件夹下面。在matlab生成的CCS头文件中，需要调用matlab的头文件。将头文件拷贝到工程路径下即可。

图3.1  工程结构框架

只拷贝生成的头文件后，运行可能会出错，提示缺失某个文件“tmwtypes.h”。该文件在matlab安装路径下。可以直接在安装路径下搜索该文件，直接拷贝到工程路径下即可。

输入信号生成，代码如下:

      for(i=0;i<Length;i++)

                   input[i]=1024*sin(w1*i)+1024*sin(w2*i);  

因为计算时，其他数据类型都为整数，因此需要将-1~+1的小数格式转换为整数，不然在-1~+1的小数数据绝对值不超过1，那么在内存中都将被视作0，会导致波形严重失真。所以在此处需要将小数数据转换为整数型，又因为最后输出数据类型设置为long型，为了保证在计算过程中不溢出，Q值不能设置过大。

卷积计算公式为：

在计算机中要处理的信号和处理完成后的信号都可以用数组来保存，并且信号都为因果信号，即下表没有负数项，下标可以从0开始计算

已知h(n)的长度为BL，x(n)的长度为Length，利用外层循环控制n，内层循环控制m，将卷积计算的公式可表示为如下代码。

for(n=0;n<Length+BL;n++)              

    {undefined

        yn=0;

        for(m=0;(m<BL)&&(m<n);m++)

            yn+=B[m]*input[n-m];

        output[n]=yn;

    }

CCS仿真测试情况  

1. 源代码如下：

#include "stdio.h"

#include "LPF1.h"

#include <math.h>

#include <stdlib.h>

#define Length 1024

#define pi 3.1415926

int fs=4096; //采样频率

int f1=100; //信号频率

int f2=1500; //噪声频率

#define w1 2*pi*f1/fs //信号角频率

#define w2 2*pi*f2/fs //噪声角频率

long yn; //保存滤波后结果，32位长整型

long input[Length];

long output[Length];

int i;

void main() {

int m,n;

for(i=0;i<Length;i++)

input[i]=1024*sin(w1*i)+1024*sin(w2*i); //待滤波信号，乘以1024转换为Q10格式（sin范围为-1~1，将其转换为整数格式）

for(n=0;n<Length+BL;n++) //卷积计算

{

yn=0;

for(m=0;(m<BL)&&(m<n);m++)

yn+=B[m]*input[n-m];

output[n]=yn;

}

while(1);

}

1. 点击调试按钮，出现如下界面

图3.2  调试结果

1. 设置断点。在while（1）处设置断点。如下图所示：

图3.3  设置断点

1. 装载项目

图3.4  装载项目

选择volume2.out文件，并点击打开

图3.5  选择volume2.out文件

1. 运行程序。将光标置于断点处后，点击调试栏中的“Run to cursor”

图3.6  点击Run to cursor执行程序

1. 波形生成。利用CCS软件自带的graph工具测试输入输出波形，并且可以对信号进行频谱分析。操作过程如下图所示：

图3.7  创建Graph图标窗口

1. Graph显示参数设置

①时域显示参数设置，如下图，设置完成后点击OK即可显示曲线

图3.8  时域显示参数设置

参数说明：

Acquisition Buffer Size：表示通过仿真器从DSP的内存中读取的数据的大小。由于程序里用于存储信号的数组大小是1024，这里我们设置成1024，也可以设置成比他更小的值，这样就只能看到信号的部分图像。

Dsp Data Type：数据类型设置，因为在程序中使用的是long型数据，在这里需要设置成32位整形数据。

Index Increment：索引增量，表示每个数据点序号的相差值，这里是逐点显示的，因此默认设置为1，如果想要每隔一个点显示一个那么就应该设置成2。

Q_Value：Q值，一般这不常用，默认。

Sampling Rate Hz：以Hz为单位的采样率，在这里我们的采样率是4096，因此设置成4096。

Start Address：开始地址，表示要显示的数组的首地址，假设我们现在想要看的是数组input因此，设置这里设置成input。

Auto Scale：自动调整显示比例使其适应整个显示窗口，默认即可。

Axis Display ：显示坐标轴，默认即可。

Data Plot Style：数据绘制类型，有Line和Bar两种，这里选择Line。

Display Data Size：显示数据大小，表示要将多少个点的数据进行显示，注意这个值一定要小于等于Acquisition Buffer Size，这里设置成1024。

Grid Style：网格类型，有 NoGrid, Minor Grid, Major Grid三种选项，默认即可。

Magnitude Display Scale：幅值显示类型，有Linear（线性的）Logarithmic（对数的），默认即可。

Time Display Unit：显示时间的单位有sample,s, ms, us几种可选，其中sample表示显示的点的序号，默认即可。

Use Dc Value For Graph：是否使用Dc值，一般不常用，默认即可。

②频谱显示参数设置，如下图

图3.9  FFT显示参数设置

参数说明：部分参数和时域显示时的参数相同，有部分不同如下：

Signal Type ：信号类型，有Real，Complex这两种，此处信号数据均为实数据，因此我们选择Real，如果数据类型是Complex，选择Complex。

Frequency Display Unit ：频率显示单位，有Hz,KHz,MHz三种，这里选择Hz。

FFT Order ：FFT的阶数，由它来决定FFT Frame Size，例如 FFT Order 设置为5 那么FFT Frame Size 就为32 = 2^5。这里我们设置成12，那么FFT Frame Size就是4096。

FFT Frame Size ：FFT做变换的点数，FFT Order决定，此处选择4096点FFT。

FFT Window Function ：FFT窗函数，选择做FFT变换时采用什么窗函数，有Rectangular（矩形窗），Bartlett，Blackman，Hamming，Hanning，选择什么窗函数根据实际的需求来决定到底采用哪一个窗函数，默认即可。

1. 波形显示

①按照上述操作实现的低通滤波

图3.10  低通显示图形

②将头文件中的LPF1.h文件更换成为HPF.h后，重复上述操作实现高通滤波

图3.11  高通显示图形

1. 利用编译器的op选项，对实验二的C语言程序按照级别进行优化，给出耗时的变化的分析。

每个文件都可以设置编译器优化，右键.c文件->File Specific options>optimization level 设置成空的，即可在debug的时候避免出现异常。开编译器优化可能导致跟踪函数的变量时值是错的。编译优化的好处是加快代码运行速度，但缺点就是只能把函数当做黑盒，函数内部的bebug结果是不可靠的。所以一般将算法和流程编到不同的文件中去，因为算法文件一般都是验证完了的，不怎么需要调试，所以算法文件开适当的优化，流程文件不开优化。这样既能提高运行效率又可以不影响流程的调试

图4.1  选择File Specific options

图4.2  Opt Level选择

进行代码优化，先要找出程序的瓶颈，即占用CPU时间较多的代码，然后对其进行有针对性的优化。使用CCS提供的代码剖析工具Profile可以统计显示出程序中各个重要段和函数的运行时间，找出运算量较大的程序段，优化这些程序段，对于提高算法的性能有巨大影响。
  ①联合使用-pm和-03编译选项，对代码进行项目级的优化：CCS提供了强大功能的编译选项，从-O0到-O3共四级优化。-O3编译选项使能软件流水和其他优化方法，-pm选项从程序代码角度，把整个项目的所有源程序联合起来，作为一个模块来处理。-pm和-03两个选项联合使用，能进行一系列的优化，并且代码尺寸变小很多。　

②使用const、restrict 关键字修饰指针：const指示编译器其修饰的指针所指向的内容不能修改；restrict指示编译器其修饰的指针与其他指针指向的内容不会覆盖，这些信息使两个指针不会访问同一存储器地址，可以消除存储器之间的相关性，这样可以并行执行多个数据的读取和运算，使代码运行达到昀大效率。
③对短字长数据使用宽长度的存储器访问（数据打包处理）：即当CPU执行一连串短型数据（如16bit数据）操作时，可将数据类型设置为32bit长度的int型，这样可以一次性访问2个短型数据，然后使用C6000指令，同时进行两个数据的操作，减少了对内存的访问，这比采用16bit长度short型节约一半的时间。
  ④循环展开，把C语言中的循环打开，把多循环变为少循环，减少循环嵌套，使得可能并行的指令增加，从而改进软件流水编排，改善代码性能。
⑤减少C函数的调用，尽量使用系统提供的内联函数（intrinsics函数）代替C函数，C6000编译器提供了许多intrinsics，是直接与C6000汇编指令映射的在线函数，可以快速优化C代码，这样减少许多不必要的操作，提高代码运算速度。
 ⑥使用软件流水技术，软件流水是一种对循环中的指令进行调度优化的技术，利用软件流水可生成非常紧凑的循环代码。当编译时采用-O2或-O3级别的优化选项时，编译器将对程序中的循环进行软件流水。通过软件流水的优化，可以大大提高循环代码的效率，极大地实现指令的并行性。

1. 打开耗时计数时钟

图4.3  打开Clock视图

1. 观察不同优化级别耗时情况

图4.4  优化级别为NONE

图4.5  优化级别为o0

图4.5  优化级别为o1

图4.5  优化级别为o2

图4.5  优化级别为o3

1. 应用CCS的内联函数实现低通、高通滤波，与步骤1中的耗时进行比较

    在使用fir函数之前首先要把相关的头文件和一些库文件加入到工程中，在如图的安装路径下找到并打开此头文件和一个库文件，复制到工程所在文件夹中

图5.1  复制相关头文件库文件

接着在工程右键打开build option选项里把头文件的路径加进去即可，最后还要把54xdsp.lib这个库文件导入工程的library中，不然会有报错

         

图5.2  添加头文件

接着编写C文件的程序和cmd文件，核心程序如下：

#include <stdio.h>

#include <math.h>

#include "dsplib.h"

#define pi 3.1415926

//采样频率，单位Hz

int fs=4096;

//产生正弦波频率，单位为Hz

int f1=100,f2=1500;

//定义信号角频率

#define w1 2*pi*f1/fs

#define w2 2*pi*f2/fs

//输入波形数组大小

DATA In[1024];

/*------------等波纹设计法(Equiripple)，阶数64，通带幅值衰减 Wpass=1dB，阻带幅值衰减 Wstop1=80dB---------------*/

/*通带频率 Fpass=100Hz，截止频率 Fstop=150Hz，采样频率 Fs=4096Hz*/

#pragma DATA_SECTION(lowpass,".lowpass")//定义一个数据段，需要在cmd文件中有相应的段定义

DATA lowpass[64] = {

     -129,      4,     11,     24,     43,     67,     98,    136,    180,

      232,    291,    357,    430,    510,    596,    686,    782,    880,

      981,   1083,   1185,   1285,   1381,   1474,   1560,   1638,   1708,

     1769,   1818,   1856,   1882,   1895,   1895,   1882,   1856,   1818,

     1769,   1708,   1638,   1560,   1474,   1381,   1285,   1185,   1083,

      981,    880,    782,    686,    596,    510,    430,    357,    291,

      232,    180,    136,     98,     67,     43,     24,     11,      4,

     -129

};

/*------------------------------------------------------------------------------------------------------*/

/*低通滤波数据缓存*/

#pragma DATA_SECTION(buf1,".buffer1")//定义一个数据段，需要在cmd文件中有相应的段定义

DATA buf1[64] ;

DATA  *buf1ptr = &buf1[0];

DATA ff1[1024];//低通滤波输出数组

void main()

{

    int i;

  printf("HelloWorld!\n");

for(i=0;i<1024;i++) //产生波形

In[i]=1024*sin(w1*i)+1024*sin(w2*i)

/*fir(DATA *x, DATA *h, DATA *r,DATA **d, ushort nh, ushort nx);

    *x:待滤波信号输入         

    *h:滤波系数，即一个数组

    *r:滤波输出

    *d:滤波输出缓存

    *nh:滤波器的阶数

    *nx:待滤波信号输入的大小，即数组的大小

*/

fir(In, lowpass, ff1, &buf1ptr, 64, 1024); //  调用函数，低通滤波

while(1);

}

MEMORY {

   PAGE 0:   VECT:       origin = 0x80,         len = 0x80

   PAGE 0:   PROG:       origin = 0x100,        len = 0x3f00  

   PAGE 1:   DATA:       origin = 0x4000,       len = 0x3c00   

   PAGE 1:   f1aDATA:     origin = 0x8000,       len = 0x80

   PAGE 1:   f1bDATA:     origin = 0x8080,       len = 0x80

} /* MEMORY */

SECTIONS {

   .text    > PROG PAGE 0               /* code                     */

   .switch  > PROG PAGE 0               /* switch table info        */

   .cinit   > PROG PAGE 0

   .vectors > VECT PAGE 0                /* interrupt vectors         */

   

   .cio     > DATA PAGE 1               /* C I/O                     */  

   .data    > DATA PAGE 1       /* initialized data          */

   .bss     > DATA PAGE 1       /* global & static variables */

   .const   > DATA PAGE 1               /* constant data             */

   .sysmem  > DATA PAGE 1               /* heap                      */

   .stack   > DATA PAGE 1               /* stack                     */

   .buffer1:  {} align =64,  load = f1aDATA PAGE 1   

   .lowpass:  {} align =64,  load = f1bDATA PAGE 1      

}   /*SECTIONS */

由于在程序中定义了数据段，所以要在cmd文件中定义使用的数据段大小

图5.3  定义cmd文字内容

再次编译一下，如果没有问题的话应该是没有错误和警告的，然后就可以查看频谱了，操作跟上面看输入信号频谱一样，需要修改的是开始的地址，改为滤波输出的数组的名称即可

图5.4  修改滤波输出数组名

图 5.5  运用内联函数实现低通滤波

图5.6  运用内联函数实现高通滤波