帶模數(shù)前端的低成本微控制器近年來得到迅速推廣，人們通常稱之為“混合信號微控制器”。當(dāng)然，賽普拉斯的 PSoC3 和新近推出的PSoC5 器件集成了強大的CPU 和業(yè)界領(lǐng)先的ADC，其性能可超過分離式外部轉(zhuǎn)換器。不過，PSoC3 和 PSoC5并不僅僅是一般的混合信號微控制器。傳統(tǒng)設(shè)備當(dāng)然可以將外部模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)采集進(jìn)程并不是全部目的之所在，它只是通過數(shù)據(jù)采集提取所采集數(shù)據(jù)背后含義并確定如何處理數(shù)據(jù)的一種方式。如果提取含義所需的信號處理工作量非常大的話，就會對固件工程師構(gòu)成挑戰(zhàn)，因為這種提取工作要與一般性工作任務(wù)使用相同的處理器，而處理器在支持終端設(shè)備所需的一般性任務(wù)之外還要完成新的工作任務(wù)。
在定義關(guān)系密切的 PSoC3 和 PSoC5系列產(chǎn)品時，賽普拉斯的架構(gòu)師決定不再在競爭激烈的市場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)重點用于高效地實現(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，能夠解決實際客戶遇到的實際問題。為了給新一代 PSoC器件提供更強的解決問題的功能，我們采用了一系列獨特的外設(shè)和信號處理塊，既有模擬的，也有數(shù)字的。本文將重點討論這些大幅簡化采集信號數(shù)字濾波工作的信號處理塊，并討論該技術(shù)已經(jīng)在其中證明自身實力的一些應(yīng)用。
嵌入式數(shù)字濾波的架構(gòu)增強
首先，我們?yōu)槭裁聪Ｍ褂们度胧?a href="http://m.xxav2194.com/article/index.aspx?id=23493 ">濾波器而不是將信號處理指令集成到普通的微控制器中呢？究其原因就是項目設(shè)計層面和系統(tǒng)集成層面的分區(qū)問題。在項目開發(fā)過程中，項目的規(guī)模、目標(biāo)和整體架構(gòu)經(jīng)常發(fā)生變化。單核單片式編碼項目要想跟上這種變化的速度，著實是一個挑戰(zhàn)，尤其是目前的項目常常是由非集中化的多個不同設(shè)計團隊一起完成的，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處理，能確保項目管理在元件設(shè)計層面實現(xiàn)分支，同時也能確保在算法改變時，信號處理負(fù)載發(fā)生的差異不會影響通信管理等時間關(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。實際上，它是存儲器、MAC、ALU和微代碼控制庫的緊密組合，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)存儲在一對專門的本地 128x24位存儲器中，并能在整個系統(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，也能用于高時鐘速率重復(fù)結(jié)構(gòu)，如級聯(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)字濾波器塊可通過幾種方式使用。PSoC Creator中集成的濾波器設(shè)計工具支持拖放工作方式，將數(shù)字濾波包括到信號流程中來。啟動時 PSoC Creator 配套提供了專用的FIR 濾波器“組件”，在系統(tǒng)中可以像其他塊一樣使用。該組件能對信號應(yīng)用多種不同濾波器，既能單獨使用，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)浜突訛V波器設(shè)計向?qū)н€將添加到 PSoC Creator中。
與第一代 PSoC 產(chǎn)品一樣，我們的客戶和我們自己的系統(tǒng)工程師一直期待著全新 PSoC3和 PSoC5 應(yīng)用的到來。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)計時還暫未設(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)用該塊開發(fā)了幾款定制應(yīng)用，并作為組件實施于
PSoC Creator 原理圖中。由于信號處理與主 CPU 相分離，我們能通過一系列 Creator 組件實現(xiàn) IP 的重復(fù)使用，而全部設(shè)計人員都能共享這些組件。
“時間校正”濾波器——多相內(nèi)插
如果用 PSoC3 來滿足近期電表讀取應(yīng)用的概念設(shè)計要求，我們需要補償單 Δ-Σ ADC的通道間計時偏置，滿足多相電壓和電流多路復(fù)用的要求。如果不糾正上述時差的話，系統(tǒng)準(zhǔn)確性就會在加載低功耗因數(shù)期間快速下降，而且在線路頻率高諧波的功耗估算也會出問題。數(shù)字濾波器塊非常適用于 FIR 濾波器，我們用它來創(chuàng)建多相內(nèi)插濾波器。在我們的原型設(shè)計*有四個通道，每個通道有 20 個抽頭 (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”為四個新的數(shù)據(jù)流，上述解包通道的信號延遲有差別，就好像信號同時被四個采樣 ADC捕獲一樣，需要對采樣時間進(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）信號所得的四個數(shù)據(jù)集。
圖 3 顯示了內(nèi)插濾波器系統(tǒng)的四個輸出，我們看到底層帶限波形在形狀和計時方面都已經(jīng)得到了準(zhǔn)確重構(gòu)。這種方法使單個高品質(zhì)ADC 能滿足極高的計量準(zhǔn)確性要求，支持各種相關(guān)功率因數(shù)和諧波頻率要求。這種方法對其他需要高效同時采樣的應(yīng)用而言同樣適用。
用于功率計的其他濾波器
數(shù)字濾波器塊在我們的計量設(shè)計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”基本無功功率的準(zhǔn)確計算，我們采用了計算機優(yōu)化的相移濾波器。大多數(shù)商業(yè)計量芯片都使用時間延遲或積分器來提供所需的 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)確時會造成相移不準(zhǔn)。后一種方法會出現(xiàn)相反的問題，也就是說，相總是準(zhǔn)確的，但振幅則會根據(jù)頻率出現(xiàn)變化，這樣導(dǎo)致的結(jié)果是它只能滿足要求最不嚴(yán)格的計量應(yīng)用，但對其他應(yīng)用都不適用。上述兩種方法對我們來說都不適用。
我們嵌入了在整個線路頻率范圍上都超出了最嚴(yán)格的無功功率準(zhǔn)確度要求的 6 極點 IIR 濾波器（圖 4 和圖5），從而避免使用會消耗整個系統(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，使無功功率估算能獲得基本信息。
現(xiàn)代電表應(yīng)用中還有一個重要的頻率響應(yīng)整形電路，即補償 di/dt 類型電流感應(yīng)器（如羅氏線圈或 Sentec Mobius）頻率響應(yīng)所需的積分器。這種電路的低頻響應(yīng)上升會加重前端本身的低頻模擬噪聲問題。這對標(biāo)準(zhǔn)的有源功率測量不構(gòu)成問題，但客戶對擴大電流檢測動態(tài)范圍的需求越來越高，以便確保電力基礎(chǔ)設(shè)施的視在功率和有效耗散得到準(zhǔn)確計算。在電流極低的情況下，積分器的噪聲組件會導(dǎo)致電流測量出現(xiàn)較高的誤差。
此外，由于增益不能無限上升，否則 DC 增益就會無限加大，因此積分器在傳統(tǒng)器件中會降低到較低的頻率，這就會產(chǎn)生對高精度應(yīng)用而言非常明顯的相誤差問題。為了支持 IIR濾波器，用來限制低頻響應(yīng)（根據(jù)前端設(shè)計的不同，集成噪聲性能提升了 9 ~ 15dB），同時還能在工作頻帶中提供理想積分器的振幅和相響應(yīng)，實現(xiàn)比作為參照的“標(biāo)準(zhǔn)”計量芯片（圖 6 中的綠色跡線）更高的準(zhǔn)確性。上述所有信號處理工作都由數(shù)字濾波器塊在高品質(zhì) Δ-Σ 調(diào)制器提供的相關(guān)多路復(fù)用信號上自動實施，不需要處理器的干預(yù)。
通信濾波器和檢測器
IEC 61334-5 SFSK 電力線通信標(biāo)準(zhǔn)在計量應(yīng)用中非常流行，它采用了 SFSK（Spread FSK）標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是從FSK（頻率移動鍵控）發(fā)展而來的，其中標(biāo)記頻率和空間頻率的距離比通常的數(shù)據(jù)速率要大得多。如果抵達(dá)信號被一對銳帶通濾波器拆分，只挑出標(biāo)記或空間頻率分量，則數(shù)據(jù)調(diào)制就能從兩個通道之一中獨立提取出來。由于在濾波器頻率響應(yīng)不重疊的情況下，單音調(diào)干擾源不能同時阻止兩個通道的解調(diào)制，因此這有助于提高抗干擾能力。基于相關(guān)器的傳統(tǒng) FSK 解調(diào)器不能實現(xiàn)這么出色的抗干擾性。
圖 7 和圖 8顯示了常見標(biāo)記／空間頻率對情況下，一對設(shè)計用于數(shù)字濾波器塊的濾波器頻率響應(yīng)。上述濾波器可方便地進(jìn)行重新配置，隨時滿足不同頻率和帶寬要求。在實際實施方案中，濾波器從主ADC之一獲得輸入，而在此之前需要通過圍繞 PGA（可編程增益放大器）構(gòu)建 AGC 電路。
為了從濾波后的信號中提取數(shù)據(jù)，要對每個信號的絕對值進(jìn)行校正（在數(shù)字濾波器塊中設(shè)置適當(dāng)控制寄存器位即可實現(xiàn)）。
校正信號通過同樣運行在數(shù)字濾波器塊上的低通濾波器，并同跟蹤信號電平的閾值進(jìn)行比較。在我們希望構(gòu)建的 PSoC5 實施方案中，每個通道的 SNR 由通用數(shù)字塊邏輯加以估算，數(shù)據(jù)傳遞給標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部UART，所有這些都無需 CPU 的一般干預(yù)。圖9 顯示了交叉頻率為 66.5kHz 且存在 +30dB 干擾音時，在最終輸出處對調(diào)制信號檢測到的響應(yīng)。兩個數(shù)據(jù)流均未受影響。精確音頻均衡器（圖形均衡、段均衡和任意均衡） PSoC3 和 PSoC5 數(shù)字濾波功能結(jié)合靈活的可編程通用數(shù)字塊，可為消費音頻產(chǎn)品和配件設(shè)計提供可擴展的靈活平臺。為了演示PSoC3 的音頻濾波功能，我們設(shè)計了一款運行在數(shù)字濾波器塊上的立體聲十頻段圖形均衡器，其濾波器系數(shù)由 CPU 通過遠(yuǎn)程應(yīng)用提供的目標(biāo)增益值即時計算得出。立體聲音頻編解碼器通過標(biāo)準(zhǔn)的I2S 接口連接到PSoC3。該設(shè)計與通過單一本地晶體生成所有標(biāo)準(zhǔn)音頻主時鐘頻率的頻率合成系統(tǒng)共同實施在通用數(shù)字塊陣列上，其抖動較低，能夠滿足優(yōu)質(zhì)音頻回放的要求。該合成系統(tǒng)可同步于一般數(shù)字接口格式的成幀模式。
在 44.1kHz 采樣率下，十頻段立體聲均衡器使用數(shù)字濾波器塊大約一半的可用資源。系數(shù)計算例程可從本地控制（如 CapSense 按鈕和滑條）以及通過遠(yuǎn)程接口提供的控制協(xié)議動態(tài)地獲得更新信息。圖 10 給出了演示應(yīng)用的屏幕截圖，該演示運行在一款著名音樂播放器上，它嵌入了控制均衡器所設(shè)置的算法，可確保系統(tǒng)頻率響應(yīng)精確通過滑塊的“增益點”，并實時調(diào)節(jié)頻率響應(yīng)。出于比較目的，圖 11 顯示了原始的濾波器模擬。這種超級精確的頻率響應(yīng)控制簡化了“復(fù)雜的”喇叭外殼聲學(xué)設(shè)計，也有助于車內(nèi)駕駛員子系統(tǒng)和公共廣播應(yīng)用的設(shè)計工作。
在用戶偏好均衡完成之后，數(shù)字濾波器塊還能剩下足夠的資源來實施多頻段交叉濾波器組。輸出結(jié)果可通過多個 I2S 接口提供給外部 DAC 或數(shù)字放大器。我們可以通過驅(qū)動頻率響應(yīng)實現(xiàn)非常精微的控制，確保對接裝置、微型立體聲設(shè)備和平板電視等的小型多路聲學(xué)設(shè)計能獲得優(yōu)質(zhì)效果。通過管理用戶界面、通信和電源的同一設(shè)備，高通道數(shù)分布式音響加強和消息系統(tǒng)也能受益于這種簡化的頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)。
本文僅簡要介紹了嵌入式數(shù)字濾波技術(shù)。由于篇幅所限，我們沒有深入討論“立體聲增強”功能、數(shù)字麥克風(fēng)的抽選濾波器以及設(shè)計人員已經(jīng)開始在其中挖掘PSoC3 和 PSoC5 強大信號處理功能的多種工業(yè)感應(yīng)器調(diào)節(jié)和醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域。
嵌入強大的數(shù)字濾波引擎是 PSoC 設(shè)計理念的全新元素，它與業(yè)界領(lǐng)先的信號路徑靈活性、ADC 性能以及 PSoC3 和PSoC5 的可編程邏輯塊多功能性完美結(jié)合。嵌入式數(shù)字濾波配合全新 PSoC Creator 設(shè)計范例可實現(xiàn)多種應(yīng)用的轉(zhuǎn)型，并大幅降低系統(tǒng)成本，加快產(chǎn)品投放市場的速度。