基于模型设计的DSP实现方法研究

戈 华，聂 阳（集宁师范学院物理系，内蒙古乌兰察布，012000）



基于模型设计的DSP实现方法研究

戈 华，聂 阳
（集宁师范学院物理系，内蒙古乌兰察布，012000）

摘要：为了满足现代DSP算法的快速硬件实现需求，本文分析了传统DSP设计方法的缺点，给出基于模型设计的DSP实现工作流程。整个设计流程从设计的需求开始到最后的硬件实现一直集中在DSP算法的设计模型。通过采用Simulink、Fixed-Point Designer、MATLAB Coder和HDL Coder等工具，给出了完整的开发流程。这种基于模型设计的DSP算法开发流程不仅克服了传统设计方法效率低的缺点，而且提高了DSP电路设计的可靠性。

关键词：基于模型设计；DSP；FPGA

1 传统DSP算法开发流程的缺点

随着各项软硬件技术的发展，DSP的应用越来越广泛，同时系统的复杂度也越来越高，在最短的时间内开发出市场所需的产品已经成为企业成功的关键，也是开发人员面临的挑战。传统的DSP处理器也出现了诸多瓶颈限制了高速信号的处理。

传统的DSP解决办法中，整个项目开发周期分成四个阶段：需求和规范的定义、算法的设计与开发、系统软硬件的实现及测试与验证。在这种传统的开发流程中，四个阶段不能有机的联系起来，从而导致了开发过程中的种种问题。例如基于文本的需求分析和规范定义，导致了不同的人产生不同的理解，使得最后开发出的产品可能不符合客户的需求；不同的组或不同的部门负责不同的流程， 软、硬件工程师需要不断地沟通，之间的传递错误将会影响整个开发项目的设计进度。

其次，传统的DSP开发流程中，在最后的测试过程中，测试部分只能在整个设计完成后进行。 如出现问题还需要对问题的所在进行较长时间的分析、确认。如问题出现在设计的开始阶段，那整个设计的修改将是巨大的，这给设计成本、设计周期都带来很大的负面影响。另外，在实现阶段，通常利用手工方法完成编码，不但费时费力，而且不可避免的引入人为失误。

2 基于模型设计的DSP算法开发流程

近几年中基于模型的设计在FPGA设计领域、嵌入式领域等到了快速的发展。在基于模型的开发过程中，系统模型是需求开发、模型设计、实施和测试的核心问题，整个开发流程如图1所示。基于模型的设计中，可以利用EDA软件通过建立各种系统模型完整地呈现系统设计要求，工程师可以确认每个设计环节上都准确无误。开发在不同的项目组间使用通用的设计环境；设计直接同需求相连；通过软件自动生成的C代码或HDL代码实现嵌入式系统设计的各种应用，并因此有效地避免手工撰写源代码可能产生的错误。在开发过程的每一阶段都可应用于基于模型的设计验证、测试，这将最大程度地降低了整个系统的最终测试产生错误的可能，从而设计流程实现了最佳的优化，最终的产品也能满足设计的要求。

需求阶段（Requirement）：在基于模型设计的DSP算法开发过程中，首先在Simulink要通过精确的数学模型来建立一个系统模型，该模型是一个可执行的规范，它可以清晰准确的描述用户的设计需求、系统组件、知识产权和测试环境。这种可执行的规范与传统的word文档规范有明显的优势。因为它包含了明确的信息，设计团队中的工程师可以无歧义的理解并运行该模型，避免了不同设计部门应理解不同而造成需求信息的错误，从而工程师更加专注于系统模型的设计。

设计阶段（Design）：通过系统功能仿真和测试后，在基本确定系统浮点模型的可行性后，为了满足DSP算法的硬件实现，需要把浮点模型转换为定点模型。Fixed-Point Designer可以完成浮点模型到定点模型的转换。该工具可以创建和优化定点数据类型，满足数值精度要求和目标硬件的限制。通过模拟设计和分析结果，比较与浮点模型的差异，获得最大精度定点模型信息。

代码的自动生成（Implementation）：Mathworks 公司的MATLAB Coder和HDL Coder可以将Simulink中的模型自动转换为嵌入式C代码和HDL代码，从而降低DSP算法的硬件开发门槛。自动生成可优化的、可移植的代码使得开发团队专注于模型设计，而不必拘泥DSP算法是用DSP处理器实现，还是FPGA实现。由于代码的自动生成，产品开发的周期更快，更容易处理需求的变化，满足市场的需求。

连续的测试与验证（Test and Verification）：在基于模型设计的整个设计过程中都在不断的测试和验证。通过测试和验证来跟踪系统的模型设计是否满足需求，观测系统各个输出的变化情况，从而快速的追踪错误来源。

3 结束语

在基于模型设计的DSP算法开发流程中，算法的模型是设计的主要信息来源。这些信息不仅包括设计规范和系统开发环境，也包括产品知识，团队成员的理论知识和实践经验。在整个开发流程中，模型成为开发团队成员中信息传递的通用语言。因为模型是可以被执行和仿真，它们所包含的内容也随着开发人员对系统的了解而增加。利用基于模型设计的方法来完成DSP算法的实现，不仅克服了传统设计方法效率低的缺点，而且提高了产品的可靠性。因此，基于模型设计的开发流程必然会在未来复杂的DSP算法实现中发挥重要的作用。

图1 基于模型的开发流程

参考文献

［1］J. Liu. "Model based design workflow for FPGA compliance with DO-254 standard"， Proceedings of international symposium on information technology in medicine and education， （2012）， pp.1026-1030.

［2］刘杰. 基于模型的设计及其嵌入式实现［M］. 北京：北京航空航天大学出版社，2010.

［3］ Roger Aarenstrup. Managing Model-Based Design ［M］. Math Works， 2015.

中图分类号：TP332

文献标识码：A

作者简介

戈华（1964-），男，教授，研究方向：高速信号处理。

基金项目：内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目（NJZZ14288）

Research on Implementation Method of DSP Using Model-Based Design

Ge Hua，Nie Yang
（Department of Physics of Jining Normal University，Ulanqab China，012000）

Abstract：In order to meet the needs of fast hardware implementation of modern DSP algorithm，this paper analyzes the shortcomings of the traditional DSP design method，and gives the workflow of DSP implementation using Model-Based Design. The entire process which starts from design concept to hardware implementation always focuses on design model of DSP algorithm.Using Simulink，Fixed-Point Designer，MATLAB Coder and HDL Coder，the complete development process is given.The development process of DSP algorithm based on model design not only overcomes the disadvantage of low efficiency of traditional design method，but also improves the reliability of the circuit of DSP.

Keywords：Model-Based Design；DSP；FPGA