Menguasai Filtering Digital pada Mikrokontroler Tertanam: Mesin Dual Biquad IIR PowerQuad di LPC55S69

Jelajahi teknik paling umum untuk memfilter data domain waktu, dan periksa bagaimana mesin Dual Biquad IIR PowerQuad LPC55S69 mempercepat tugas DSP.

Saat bekerja dengan data yang dikumpulkan seiring waktu, langkah pertama sering kali adalah menerapkan filter digital. Memahami strategi filtering yang berbeda tidak hanya meningkatkan kualitas sinyal tetapi juga membebaskan CPU untuk tugas kritis lain—pertimbangan penting untuk mikrokontroler tertanam.

Artikel ini membahas metode filtering domain waktu yang paling banyak digunakan dan membahas mesin Dual Biquad IIR unit PowerQuad di mikrokontroler LPC55S69, blok bangunan DSP yang kuat yang dapat dimanfaatkan dalam berbagai skenario filtering.

Filter Umum untuk Data yang Diproses Secara Terus Menerus

Dalam sistem akuisisi domain waktu, sampel tiba pada laju tetap dan diketahui. Filter domain waktu memproses sampel ini dan menghasilkan sinyal baru yang dapat diproses lebih lanjut atau dikirim ke konverter digital‑to‑analog (DAC). Inti dari setiap filter adalah responsnya terhadap gelombang sinus—mengubah amplitudo dan fase di seluruh frekuensi. Perilaku kolektif di seluruh spektrum frekuensi dikenal sebagai respons frekuensi filter.

Filter Respons Implisit Terbatas (FIR) adalah pendekatan standar. Mereka menghasilkan setiap sampel output dengan menggabungkan data terbaru dengan riwayat sampel sebelumnya.

Gambar 1. Proses filter sampel demi sampel menggunakan riwayat input.

Implementasi sederhana menyimpan sampel sebelumnya dalam array dan menerapkan persamaan berikut:

Operasi multiply‑and‑accumulate sederhana ini menggunakan koefisien konstan dan panjang riwayat yang ditentukan untuk membentuk respons frekuensi filter. Dengan menyesuaikan koefisien, filter dapat bertindak sebagai perangkat low‑pass, high‑pass, atau band‑pass.

Sementara konseptual sederhana, filter FIR sering memerlukan banyak sampel sebelumnya untuk mencapai kontrol yang presisi, yang dapat menjadi biaya komputasi yang tinggi pada CPU konvensional—terutama saat riwayat tumbuh.

Untuk mengurangi riwayat yang diperlukan, banyak desain menggabungkan umpan balik, membentuk dasar dari Filter Respons Implisit Tak Terbatas (IIR):

Contoh di atas mengilustrasikan filter biquad, blok bangunan IIR umum yang dapat dirangkaian untuk respons urutan lebih tinggi. Sebanyak koefisien dibandingkan dengan filter FIR, tetapi pemilihan koefisien yang hati‑hati esensial untuk menghindari ketidakstabilan dan osilasi.

Banyak alat tersedia untuk menghasilkan koefisien optimal untuk desain filter standar. “Cookbook” ini memberikan jalur cepat ke filter berkualitas tinggi.

Gambar 2. Salah satu banyak alat yang secara otomatis menghasilkan koefisien.

Menggunakan Mesin IIR Biquad PowerQuad

Unit PowerQuad LPC55S69 menawarkan hardware khusus untuk mengeksekusi filter IIR biquad. Melepaskan beban filtering ke coprosessor ini membebaskan inti Cortex‑M33 untuk fokus pada logika aplikasi.

Meskipun algoritma filter itu sendiri sederhana, mereka dapat mengonsumsi banyak siklus CPU. Hardware PowerQuad khusus dioptimalkan untuk filtering dan operasi matematika kompleks lainnya. Ia terhubung ke sistem melalui bus AHB dan antarmuka coprosessor Arm® Cortex®‑M33.

Pengembang biasanya menggunakan MCUXpresso IDE berbasis Eclipse gratis dan SDK LPC55S69, yang mencakup beberapa contoh aplikasi PowerQuad.

Gambar 3. Memilih contoh filter digital PowerQuad.

Contoh “powerquad_filter” menunjukkan berbagai konfigurasi filter. Logika inti tinggal di powerquad_filter.c, yang menunjukkan pengaturan filter dasar.

Sementara artikel memperkenalkan implementasi Bentuk Langsung I, PowerQuad secara internal mengurutkan ulang operasi ke dalam struktur Bentuk Langsung II. Pengaturan ini menghilangkan kebutuhan untuk menyimpan riwayat input dan output, alih‑alih mempertahankan satu vektor status intermediate v[n].

Beberapa register AHB menyimpan status dan koefisien yang diperlukan untuk mengonfigurasi operasi filter IIR PowerQuad. Dalam contoh SDK, status diinisialisasi melalui PQ_BiquadRestoreInternalState.

Setelah diinisialisasi, filter memproses blok data menggunakan PQ_VectorBiquadDf2F32 di fsl_powerquad_filter.c:

Gambar 4. Implementasi Filter IIR Vektorisasi

Rutina ini mentransfer data dari CPU utama ke coprosessor PowerQuad melalui instruksi MCR. PowerQuad melakukan operasi multiply‑add, mengirimkan hasil filter kembali ke CPU dengan transfer MCR lainnya. Melepas beban ini secara dramatis mengurangi beban CPU dibandingkan menjalankan algoritma yang sama pada inti Cortex‑M33.

Mesin Dual Biquad IIR untuk Filtering Digital

Unit PowerQuad LPC55S69 mengandung dua mesin biquad independen, memungkinkan operasi filtering paralel atau rangkaian. Register konfigurasi pada bus AHB mengatur fungsi IIR, dan pertukaran data terjadi melalui antarmuka coprosessor.

MCUXpresso SDK memberikan titik awal yang solid, meskipun kode yang disediakan mengutamakan kejelasan daripada performa mentah. Pengembang dapat mengoptimalkan lebih lanjut dengan meminimalkan transfer data antara CPU dan PowerQuad.

NXP menawarkan Alat Desain & Visualisasi Filter Biquad IIR yang membantu menghasilkan dan memvisualisasikan koefisien filter. Halaman komunitas NXP juga menawarkan dokumentasi mendalam tentang unit PowerQuad LPC55S69 dan kemampuannya.

Industry Articles adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang berguna dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang konten editorial tidak cocok untuknya. Semua Industry Articles tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan niat untuk menawarkan pembaca berita yang berguna, keahlian teknis, atau cerita. Pandangan dan pendapat yang diekspresikan dalam Industry Articles adalah dari mitra dan tidak tentu dari All About Circuits atau penulisnya.