CN102750143B - 基于matlab com组件调用的dsp开发方法 - Google Patents

Abstract

一种基于MATLAB COM组件调用的DSP开发方法，设置PC机、以太网交换单元和数字信号处理器，PC机和数字信号处理器之间通过以太网交换单元进行局域网UDP通信；在PC机将MATLAB函数封装为MATLAB组件，在DSP开发时，数字信号处理器的节点数据发送到PC机，PC机调用MATLAB组件对节点数据进行处理后，将处理结果返回到数字信号处理器。本发明脱离MATLAB环境，不需要在每台调试电脑上安装MATLAB；无需通过DSP自带编译环境导出数据等繁琐易错手段，实时对DSP的内部数据进行处理；整合模拟仿真与DSP编程过程，将两者不再绝对的分离开，模拟仿真的数据可以直接调用DSP模块进行下一步的处理，DSP实际产生的数据，可以实时通过算法模拟或者其他干扰方式来观察设计算法或者DSP代码的性能。

Description

基于MATLAB COM组件调用的DSP开发方法

技术领域

本发明涉及到通信技术领域，确切地说，涉及一种混合算法仿真与DSP代码实现的开发方式，可以实时查看DSP代码性能的新方法。

背景技术

利用DSP实现一个实时信号处理系统的一般步骤:

第一步：根据要求，确定信号处理方案和算法，需要对算法进行原理或功能级的模拟。其中，在满足处理性能的前提下，对算法的可行性、系统的成本进行评估。

第二步：根据算法，选择合适的DSP芯片。结合该DSP的配置及特点进行算法模拟，考核所选算法在特定DSP上能否达到所需要的处理性能和处理速度。

第三步：设计DSP硬件电路板，并进行算法C语言和DSP汇编语言的移植。

第四步：调试所编写的DSP程序，满足软硬件设计要求。

第五步：固化DSP程序并发布。

其中，算法是DSP技术的核心，好的算法结合好的编程技术，可以编写出一套质量较高的DSP代码。美国MathWorks公司开发的大型数学计算应用软件系统——MATLAB以其编程简单、调试方便的优点在算法仿真方面得到了最为广泛的应用。MATLAB 具有强大的分析、计算和可视化功能，利用MATLAB 提供的数十个专业工具箱，可以方便、灵活地实现对自动控制、信号处理、通信系统等的算法分析和仿真。

应用MATLAB对DSP开发设计有两种方法：

1.      应用MATLAB自生成代码系统，生成针对所支持型号DSP的代码，然后移植到DSP上。

这种方法典型的应用就是MATLAB Link for CCS Development Tools(简称CCSLink)，

它提供了MATLAB、CCS(TI DSP编译环境)和DSP目标板的接口，利用此工具可以像操作MATLAB变量一样来操作DSP器件的存储器和寄存器，使开发人员在MATLAB环境下完成对DSP的操作，从而极大地提高DSP应用系统的开发进程。

    然而这种方法也具有它的局限性，首先是对应集成环境所支持的DSP只是TI的部分型号，其他厂商或者TI的非指定芯片，无法使用此方法，而且MATLAB所生成的DSP可识别的C语言代码或者汇编代码，结合后期的部分优化，效率仅能达到5%-10%，甚至更低。

2.      常用针对所有DSP的一般化设计。

这种方法是目前应用MATLAB对DSP开发应用最多的方法。先在MATLAB上利用较C语言简单的MATLAB语言进行算法模拟验证，当仿真结果达到目标设计要求时，再将算法修改为C或者DSP汇编语言等能在目标DSP板上运行的代码。如图1所述，基于这种方法的DSP传统软件开发流程为：针对具体的DSP应用，定义性能指标，进行算法仿真、DSP代码编写、软件调试，最后系统集成和调试。

此种方法优点在于代码效率高，缺点在于需要开发者花费大量的时间编写程序，并调试。而且与MATLAB仿真结果通常存在差异。作为实时处理系统的DSP芯片，一般选用定点型，这样在MATLAB的模拟结果和DSP的C语言之间还存在运算精度的差异。

在实时系统开发中，比如LTE基带系统等，对于DSP的运算效率要求非常之高，而且，目前LTE基带处理系统中普遍采用的是多核定点DSP系统，MATLAB无法支持多核的代码直接移植，也没有对应DSP型号的CCSLink接口。即便能够移植，MATLAB自动产生的代码结合部分优化,效率也是非常低的,无法面对市场要求。所以实际的LTE基带系统开发中往往采用第二种方法，先进行必要的算法模拟和仿真，再进行DSP可识别代码的编写及优化，通过定点的数据比对来进行调试。但是这种方法带来的开发周期却是相当长的，DSP需要首先通过对应开发环境将要比较的数据导出成ASCII文件，然后再导入MATLAB与对应定点平台的数据进行比较，或者采用第三方软件，将MATLAB的定点平台数据与DSP数据进行比对，需要用肉眼去观察两者区别，不够专业及规范，也没有考虑误差的因素等。而且导出的DSP数据如果需要进一步的分析，只能导入到MATLAB中，通过画图或者时频域的转换等MATLAB内部函数进行可视化分析。这样，需要在任何调试DSP代码的电脑上必须安装MATLAB，给调试人员带来不便。

发明内容

本发明的目的是采用一种高级编程语言BASIC调用MATLAB组件的方法，结合SOCKET网络通信建立与DSP的连接，解决当前DSP调试方法手工式缺陷。

本发明的技术方案为一种基于MATLAB COM组件调用的DSP开发方法，设置PC机、以太网交换单元和数字信号处理器，PC机和数字信号处理器之间通过以太网交换单元进行局域网UDP通信；

在PC机将MATLAB函数封装为MATLAB组件，

在DSP开发时，数字信号处理器的节点数据发送到PC机，PC机调用MATLAB组件对节点数据进行处理后，将处理结果返回到数字信号处理器。

而且，PC机和数字信号处理器之间通过以太网交换单元进行局域网UDP通信时，将数据分为数据包，在每个数据包头部添加消息描述。

而且，在数字信号处理器设定5种传输状态，分别是空闲状态、收包状态、运行状态、复位状态和收包错误状态。

而且，PC机出现任何错误时发送复位请求信号给数字信号处理器，数字信号处理器接收到复位信号后进入复位状态，初始化所有变量，复位成功后修改为空闲状态，同时传输复位成功信号给PC机，PC机也初始化所有变量进入待机。

而且，数字信号处理器发送数据包给PC机时，在相邻数据包之间的等待间隙查询数字信号处理器的传输状态，如果进入空闲状态，停止向PC端发送数据。

本发明脱离MATLAB环境，不需要在每台调试电脑上安装MATLAB；无需通过DSP自带编译环境导出数据等繁琐易错手段，实时对DSP的内部数据进行时频域转换、画图、相关、最小二乘分析、拟合等可视化及误差分析；整合算法模拟仿真与DSP编程过程，将两者不再绝对的分离开，算法模拟仿真的数据可以直接调用DSP模块进行下一步的处理，DSP实际产生的数据，可以实时通过算法模拟或者其他干扰方式来观察设计算法或者DSP代码的性能。因此，本发明对比已有技术具有以下优点：

1．      实时捕捉DSP内部数据，进行可视化分析，并通过MATLAB组件的使用，输入必要的参数，就可以完成与编写MATLAB函数实现相同的功能，比如时频域分析、最小二乘法分析、数据拟合、相关性分析等。

2．      调试过程中，可以在PC端通过MATLAB组件实现DSP不急于实现或者没必要实现的模块，比如DSP可以调用MATLAB函数先实现功能，而PC端封装的MATLAB组件也可以将产生的数据通过UDP方式传送给DSP端，DSP再调用自身协处理器等来处理该数据并回传给PC端进行下一步处理，比如通信中的仿真信道模块等，节约开发成本。

3．      在DSP开发过程中，往往需要大规模的自动化测试，比如OFDM符号收发系统的算法性能自动测试，以往的办法是通过MATLAB给出不同环境下的配置及其数据，测试DSP的解码算法性能，考虑到需要人为来配置各种参数，所以一般只选取几种有代表性的数据和场景来配置，而本发明可解决人工配置的弊端，通过软件设计再结合MATLAB组件的使用来实现大规模自动化场景覆盖测试。

附图说明

图1为现有技术中的DSP传统软件开发流程；

图2为本发明的DSP新开发方式流程；

图3为本发明实施例的的MATLAB COM组件生成流程示意图；

图4为本发明实施例的DSP芯片开发流程示意图；

图5为本发明实施例的PC端与DSP端UDP通信采用的分包技术示意图；

图6为本发明实施例中OFDM收发系统的发送端状态检测机制。

图7为本发明实施例中OFDM收发系统的自动测试流程。

具体实施方式   

本发明技术方案实施时的硬件环境包括一台PC机、一个以太网交换单元和一个数字信号处理器(DSP)。

所述PC机用来运行MATLAB组件。具体实施时，可以由本领域技术人员采用计算机软件技术，预先设置集成MATLAB算法模块，绘图模块以及误差分析模块并具有友好人机交互界面的软件系统。PC端的软件设计中可以直接调用MATALAB函数封装成MATLAB组件的工具模块，相关输入参数通过友好人机交互界面的自定义键盘输入。这样，进行开发时可以脱离MATLAB环境(不需要安装MATLAB软件)。

所述数字信号处理器用来接收或处理对应算法的数据，以及调试并实现最后目标算法。

所述以太网交换单元用来进行PC机与DSP之间的数据通信。采用通信协议为局域网UDP通信方式。通过UDP通信方式实现DSP与PC端的数据交互，包括PC端传送启动DSP命令，并接收DSP的关键节点数据(节点数据可以视需要而定)，DSP端接收PC端命令以及PC端发送的对节点数据的处理结果 (视实际需要而定)。所述处理结果，是PC机调用MATLAB组件对DSP发到PC机节点数据进行处理所得结果。

下面将说明本发明的典型实施例，随后的说明提供了对该实施例的全面理解的详细细节。但是，本领域的技术人员应当了解，无需一些所示细节也可以实施本发明。另外，某些公知结构或功能没有进行详细的说明，以免使本发明的实施例相关说明不清楚。

以LTE基带系统开发为例，实验室环境需要模拟实际信道，一般采用MATLAB实现，而现有技术如果要测试发送端数据的抗干扰能力，首先必须导出发送端无干扰数据，再导入MATLAB，通过MATLAB的仿真信道处理后，再导出DSP可识别的文件，DSP导入通过信道后的数据后，最后进行DSP内部算法模块的处理，导出结果与MATLAB定点平台结果比对，步骤繁琐而易出错，结果的比对也缺乏科学的判断依据。本发明通过内部局域网高速通信技术实现DSP端与PC端的数据交互，而PC端通过MATLAB组件的调用，在脱离MATLAB环境下可以封装必须的算法函数模块，留出输入输出端口以及必要的配置参数，而且通过封装MATLAB其他的分析处理模块，还可以对实际处理结果进行科学的数据分析，快速定位DSP端算法实现的不足及缺陷之处，很大程度上减少了开发人员的工作量，缩短开发周期，节约开发成本。

本发明的实施例提出了一种DSP开发的新方法，提供MATLAB组件直接被DSP所调用，而封装的MATLAB组件也可以将产生的数据通过UDP方式传送给DSP端，DSP再调用自身协处理器等来处理该数据并回传给PC端进行下一步处理，简化了DSP开发过程。如图2所示，DSP开发时，算法仿真和DSP软件编程结合进行。这种方法结合算法模拟仿真与DSP开发流程，支持实时观察DSP内部变量状态，不需要通过对应编译环境观察，可视化显示DSP内部处理数据，并可做进一步的数据分析及处理，来验证目标算法在DSP内部的实际性能。通过可视化以及科学数学分析方式等引入到DSP代码设计中，很大程度上可以增强DSP开发人员对于目标设计代码性能感性上的认识，同时减少DSP开发人员的工作量，节约开发成本。

本发明实施例包含一台PC机，主要配置为Pentium(R) Dual-Core CPU E5800 3.20GHz,2GB内存，安装有MATLAB 2008版本,以及Microsoft Visual Basic 6.0；一块FreeScale MSC8156开发板，包含MSC8156 DSP最小系统，网口，JTAG接口等。以开发OFDM符号收发系统为例来说明本发明的特点。

本实施例分为PC端的应用开发及DSP端驱动及代码的开发。

PC端：

参见图3所示，为便于实施参考起见，提供实施例的MATLAB公共组件生成流程示意图：

步骤1，首先进行算法设计，即进行DSP开发中的目标算法仿真设计；MATLAB编译环境设置，即首先对MATLAB编译器进行必要的配置，在MATLAB命令窗口键入mbuild –setup，该命令用来设置MATLAB编译器的编译环境，回车后出现选择编译器的提问，所列出的编译器包括计算机已安装的各种C/C++编译器，例如MATLAB自带的C/C++编译器，VC++编译器等等，本实施例显示为：

Select a compiler:

[1] Lcc-win32 C 2.4.1 in D:\PROGRA~1\MATLAB\R2008a\sys\lcc

[2] Microsoft Visual C++ 6.0 in D:\Program Files\Microsoft Visual Studio

[0] None

以上显示内容，表明本机安装的各种编译器，第一种是MATLAB自带C/C++编译器，第二种是安装有VC++6.0之后出现的编译器选项，本发明中的PC端软件开发采用的是Visual Basic 6.0环境，选择的是第二种编译器。

选择2。

步骤2，M文件编写：编译器安装完成后即可在MATLAB中创建COM组件，具体过程是首先编写M函数文件，在M函数文件中，给出要求MATLAB完成的功能，并有对应的输入输出参数。注意函数名和M文件名必须保持一致。其次键入deploytool命令调出创建COM组件所需的可视化编辑环境MATLAB COM Builder主窗口。然后新建一个Generic COM组件工程，加入目标M函数，勾选工程选项MCR，可以在未安装MATLAB的电脑上进行组件注册，以脱离MATLAB环境。最后点击MATLAB COM Builder主窗口上的编译(Build)按钮，编译完成后点击封装(Package)。

步骤3，COM组件工程设置：新建Visual Basic工程(MicroSoft Visual Basic 6.0环境下)，在工程/引用中勾选注册的与M函数文件同名的DLL组件，即可在VB工程中使用目标MATLAB函数，完成MATLAB功能的调用。需要注意的是在BASIC与MATLAB的混合编程中，应定义Variant变量来作为MATLAB函数的输出变量，输入变量应为double，或者Variant型。

DSP端：

主要完成网口驱动的功能开发，结合具体DSP芯片配置相应的寄存器。本实施例以FreeScale MSC8156芯片为例，开发流程如图4所示：驱动层上，FreeScale提供有UDP网络数据传输的接口应用函数(API)，直接调用即可完成网络和设备环境的初始化；系统层上，FreeScale提供适合MSC8156开发的名为SMART DSP开放式操作系统，在该层可以调用该开放系统提供的应用函数(API)设计IP设置，UDP端口设置等函数；硬件层上，设计至少包含以太网通信模块的MSC8156最小开发系统。

其中网络数据通信层无法一次性传输大量的数据，而且一次传输大量的数据容易出错，故而我们提出一种分包的技术，将大数据块分割成比较小的包。结合通用的DSP芯片特性，实施例以不大于1024个字节为数据包长度，在每个数据包之前加上固定的消息头，表征这一包的包序号，包长度以及总的数据包个数等等。如图5所示，实施例中每个数据包的包头包括包序号、包总数和包长度。这样每次传输时自动分割成1024字节的数据包，并添加描述头，以减少误码概率及增大系统的容错程度。

采用分包的方式可以减少大块数据同时传输的错误几率，也可以方便代码测试及维护。

将SOCKET通信功能封装成函数之后，可以随时导出DSP各节点数据到PC端，然后PC端调用MATLAB功能组件对数据进行分析或者可视化处理，以本实施例的正交频分复用信号收发系统（OFDM系统）为例，实时查看各重要节点信息。OFDM系统中包括发送端和接受端，发送端和接收端之间经信道传输。各重要节点信息分为两组，第一组为没有经过信道的数据，是通过DSP产生的发送端数据给DSP接收端解码后的结果。第二组为发送端数据经过仿真信道后的数据，DSP实现仿真信道较为复杂，需要编写算法，而目前对仿真衰落信道的DSP实现研究大多是利用DSP和FPGA相结合来实现的仿真器，而且只能添加高斯白噪声信道。但是可以利用MATLAB软件中集成的很多仿真信道函数，生成相应的MATLAB组件，给PC端进行调用，PC端通过网口接收到发送端DSP的数据后调用仿真信道函数的MATLAB组件，可实现信号通过信道功能。这样结合了算法仿真和DSP编程，实时修改信道参数(通过人机交互界面的设计)可以观察DSP的代码对OFDM数据解码能力。方便了开发人员代码修改以及测试。

在本实施例所示的OFDM系统中，未经过仿真信道的解码后数据，星座图及频谱图信号非常干净，而经过仿真信道后的数据与前者相比有明显的区别。

将信道参数界面进行自动化配置，包括OFDM发送端参数及信道模型参数配置；PC端自动循环随机产生循环产生OFDM信号配置及其信道模型，DSP根据配置产生OFDM数据给PC，PC将通过信道后的发送数据传给接收端DSP，DSP解码完成后再传给PC端，PC端显示对应的节点数据(频域数据，信道均衡后数据，信道系数，星座图等)并自动保存，如图7所示。通过循环随机产生配置，不再需要人工配置，这样就可以很方便的进行大规模的自动化场景覆盖测试。

为了提高系统的容错能力，实施例在PC端与DSP中还加入了通信出错自恢复——状态检测机制，在数字信号处理器设定5种传输状态，分别是空闲状态、收包状态、运行状态（DSP解码执行接收到的数据或发送数据时）、复位状态和收包错误状态。DSP接收PC的数据包产生错误时（收包错误状态），会在DSP内部主动初始化各类重要参数，即进入复位状态，DSP进行复位操作，同时发送复位成功信息给PC端。而PC端产生接收错误或其他代码错误都会发送复位请求信号给DSP，DSP接收到复位信号后进入复位状态，初始化所有变量，复位成功后修改为空闲状态，同时传输复位成功信号给PC机，PC机也初始化所有变量进入待机。同时，DSP发送数据包给PC机时，DSP在相邻数据包传输时隙之间轮询DSP状态，如果检测到DSP位于空闲状态，表明DSP复位成功，DSP停止向PC端发送数据、回到开机工作状态。如图6所示，以DSP OFDM接收端为例，说明状态检测机制：接收端初始化后，处于空闲状态，然后进行数据包接收并等待最后一个包，即判断当前接收到的数据包是否为最后一个包，此过程中为收包状态；当判断出收到最后一个包时（空闲状态），接收端解码处理，处于运行状态；然后节点数据发送。当接收到复位信号时，此时进入复位状态，复位完成后进入空闲状态。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种基于MATLAB COM组件调用的DSP开发方法，其特征在于：设置PC机、以太网交换单元和数字信号处理器，PC机和数字信号处理器之间通过以太网交换单元进行局域网UDP通信；

在PC机将MATLAB函数封装为MATLAB组件，包括首先进行DSP开发中的目标算法仿真设计和MATLAB编译环境设置；MATLAB编译器安装完成后在MATLAB编译器中创建COM组件，包括进行M函数文件编写、编译及封装；COM组件工程设置，包括新建Visual Basic工程，在VB工程中使用目标MATLAB函数，完成MATLAB功能的调用；

在数字信号处理器将SOCKET通信功能封装成函数；

在DSP开发时，数字信号处理器的节点数据发送到PC机，PC机调用MATLAB组件对节点数据进行处理后，将处理结果返回到数字信号处理器。

2.根据权利要求1所述基于MATLAB COM组件调用的DSP开发方法，其特征在于：PC机和数字信号处理器之间通过以太网交换单元进行局域网UDP通信时，将数据分为数据包，在每个数据包头部添加消息描述。

3.根据权利要求2所述基于MATLAB COM组件调用的DSP开发方法，其特征在于：在数字信号处理器设定5种传输状态，分别是空闲状态、收包状态、运行状态、复位状态和收包错误状态。

4.根据权利要求3所述基于MATLAB COM组件调用的DSP开发方法，其特征在于：PC机出现任何错误时发送复位请求信号给数字信号处理器，数字信号处理器接收到复位信号后进入复位状态，初始化所有变量，复位成功后修改为空闲状态，同时传输复位成功信号给PC机，PC机也初始化所有变量进入待机。

5.根据权利要求3所述基于MATLAB COM组件调用的DSP开发方法，其特征在于：数字信号处理器发送数据包给PC机时，在相邻数据包之间的等待间隙查询数字信号处理器的传输状态，如果进入空闲状态，停止向PC端发送数据。