Содержание
1. Введение
2. Анализ задачи иее формализация
3. Разработка и обоснованиеобщего алгоритма функционирования устройства и его описание
4. Синтез операционного узла (выбор и обоснованиеаппаратной части устройства)
5. Синтез управляющего узла (разработка программы наязыке микропроцессора)
6. Составление принципиальной схемы устройства и ееописание
7. Оценка быстродействия устройства
8. Порядок расчета АЧХ фильтра
9. Заключение
10. Список использованных источников
1.Введение
В радиотехнике, наряду сметодами аналоговой обработки сигналов, широкое распространение получили методыи устройства цифровой обработки сигналов, реализованные на основемикропроцессоров (МП). Применение МП в радиотехнических системах (РТС)существенно улучшает ихтехнико-экономические показатели (потреблениеэнергии, габариты, стоимость и т.д.), открывает широкие возможности реализациисложных алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС).
Применение МП целесообразно в тех случаях, когда реализацияопределенных функций РТС с использованием «жесткой логики» требуетбольшого количества микросхем (более 30).
Микропроцессоры находятприменение при решении широкого круга радиотехнических задач, таких какпостроение радиотехнических измерителей координат, сглаживающих иэкстраполирующих фильтров устройств вторичной обработки сигналов,специализированных вычислительных устройств бортовых навигационных комплексов,устройств кодирования и декодирования сигналов, весовой обработки пачечныхсигналов в радиолокации, различного рода измерительных устройств и т.п.
При создании радиоэлектронной аппаратуры используютсятри основных подхода реализации цифровых устройств: аппаратный, программный иаппаратно- программный. При аппаратном получают цифровые устройства страдиционной «жесткой'' логикой, что обеспечивает наибольшеебыстродействие устройств, но требует трудоемкой разработки индивидуальнойструктуры цифрового устройства – спецпроцессора. При программном подходецифровое устройство реализуется в виде программы для готовой универсальной ЭВМ,в качестве которой можно использовать микроЭВМ, предназначенную для встраиваниянепосредственно в разрабатываемые блоки. Аппаратно-программный подходпредполагает разработку как программных, так и аппаратных средств. К нимотносятся цифровые устройства, реализованные как автоматы с микропрограммным управлением и хранимойв ПЗУ программой, а также цифровые устройства, построенные на основемикропроцессора. Аппаратно-программный подход при использовании современныхинтегральных схем позволяет в наибольшей степени учесть особенности решаемыхзадач.
Выбор варианта построения цифрового устройства вкаждом конкретном случае осуществляется с учетом всех требований техническогозадания. Применение „жесткой“ логики оправдано в двух основных случаях I) при необходимостиполучения предельно бысокого быстродействия; 2) при построенииотносительно несложных устройств на интегральных схемах малой и средней степениинтеграции.
Если же от устройства требуетсягибкость,т.е. способность изменения функций программным путем в процессе работы илирасширения круга решаемых задач, тогда становится целесообразным использованиемикропроцессоров (МП), Применение оправдано при построении устройств большойсложности, если быстродействие МП оказывается достаточным. Ограничения,связанные с недостаточным быстродействием МП, можно преодолеть построением многопроцессорныхустройств или выполнением части функций с помощью специально разработанныхаппаратных средств, работающих совместно с МП.
Наибольшая экономичностьцифрового устройства по объему оборудования и другим эксплуатационнымпараметрам, а также наименьшая трудоемкость проектирования достигаются прииспользовании однокристальных МП.
2. Анализ задачи и еёформализация
Минимальная конфигурация МП-системына основе набора К1821, характеристики АЦП (572ПВ3) и технические требования пообеспечению их работы определяют функциональную схему фильтра,приведенную на рис.1.
/>
Входное напряжение UВХ через согласующий усилитель подаетсяна вход AI1 АЦП. Согласующий усилитель включенс целью увеличения размаха входного напряжения до требуемого для работы АЦП.Сдвиг входного напряжения в рабочую область АЦП осуществляет напряжение UCМ, поступающее на вход AI2. Опорное напряжение UОП1 требуется для работы АЦП, входящего в состав БИС 572ПВ3.
Коэффициент усиления усилителя: КСОГЛ = DUАЦП/DUВХ = 2,5.
Напряжение смещения: UСМ = DUАЦП/2 = +5 В.
Опорное напряжение: UОП1 = — 10 В.
Сброс и запуск АЦП осуществляется по входу /RD (при постоянном значении /CS = 0) импульсом низкого уровня свыхода TOUT таймера, настроенного наформирование импульсов с частотой дискретизации FД=2.0 кГц.
Тактирование регистра последовательныхприближений АЦП осуществляется тактовыми импульсами CLK МП-системы, поступающими через логическую схему И натактовый вход СLK АЦП. Высокийуровень сигнала /BUSY,устанавливающийся при окончании преобразования, прекращает поступлениеимпульсов CLK на тактовый вход АЦП.
Тактовая частота преобразования АЦП не должна превышать 1,5 МГц, поэтомупримем FCLKАЦП = FCLKМП = 1,5 МГц.
Время преобразования текущего отсчета входного напряженияв код составляет 8 периодов тактовой частоты: tПР = 8TCLKАЦП = 5,3 мкс.
Схема выборки и хранения (СВХ) необходима, если за время tПР = 5,3 мкс самый быстроизменяющийсясигнал (синусоида с частотой
fВ = 0,5FД и с максимальной амплитудой)изменяется на относительную величину, превышающую половину шага квантования h:
0,5h = 0,5/28 = 0,00195. Максимальное изменениесинусоиды на интервале tПР равно Dx = sin 2pfВtПР =0,033. Dx >0,5h, поэтому СВХ для хранения текущегоотсчета сигнала на время преобразования АЦП требуется.
Частота дискретизации FД = 2,0 кГц формируется аппаратным таймером РУ55, вкотором частота переполнения FПв режиме 3 равна FД При использовании в качестве входныхимпульсов таймера тактовых импульсов CLK МП-системы (FCLKМП = 1,5МГц) исходное состояние таймера равно NТАЙМЕРА = FCLKМП/FД = 750(10) = 00 0010 1110 1110(2).Придополнении 14-разрядного двоичного кода NТАЙМЕРА двумя битами 11, задающими режим 3, получаем байты NСТ = 1100 0010(2) = C2(16), NМЛ = 1110 1110(2) = EE(16), которые загружаются в таймер приинициализации фильтра.
Согласование кода АЦП и МП необходимо, так как числовыезначения на выходе АЦП не отображают значения знакопеременного входного сигналавследствие подачи на вход AI2напряжения смещения UСМ. Согласование можно выполнитьсмещением диапазона изменения чисел на выходе АЦП в отрицательную область путемвычитания из каждого значения выходного кода константы 1000 0000(2) — половины от максимального значения выходного кода АЦП (прибавление дает тотже результат).
Форма представления чисел (числовых значений отсчетов входногосигнала) – правильная дробь с фиксированной запятой: старший разряд – знаковый,запятая, остальные двоичные разряды – числовые. Таким образом, числовыезначения входного сигнала изменяются в диапазоне от – 1 до + 1.
Ввод данных в МП осуществлять по сигналуготовности АЦП, используя для этого прерывание МП оповещающим сигналом /BUSY. Выберем аппаратное прерываниединамического типа — RST7.5, которое разрешается при установке маски прерывания командой SIM. Для ввода данных определим порт РА(РУ55) в режиме простого ввода без квитирования.
Необходимость хранения данных вытекает из вида заданногоразностного уравнения.
В данной программе хранение данных втекущем цикле обработке входного сигнала (в текущем интервале дискретизации) нетребуется.
Переполнение разрядной сетки имеет место, если при вычисленииразностного уравнения получен числовой результат, выходящий за пределы — 1, + 1при принятом 8-разрядном формате представления данных. Для исключенияпереполнения разрядной сетки введем масштабирование (ослабление) входныхотсчетов путем их умножения на коэффициент масштабирования kМ
Коэффициент kМ получим, предположив, что отсчеты в разностном уравнениипринимают максимальные значения (- 1, + 1) и такие знаки, при которых слагаемыеразностного уравнения складываются по модулю, то есть складываются по модулюкоэффициенты.
Подставив xn в уравнение для вычисления yn и просуммировав по модулюкоэффициенты, получим ynмах = 0.958+1+0.958=1.916, что является недопустимым результатом. Отсюда заданныйкоэффициент масштабирования
kМ = 1/ ynмах = 0,522.
Реальные значения коэффициентов разностного уравнения и коэффициента kМ отличаются от заданных вследствие ограничения длиныразрядной сетки:
b20 = 0,958(10) » 0,11110101(2) =0.95703125(10);
b21 = 1(10) » 1(2) = 1(10);
a22 = 0,958(10) » 0,11110101(2) =0.95703125(10);
kМ = 0,522(10) » 0,10000101(2) =0.51953125(10).
По этой причине форма и параметрыреальных частотных характеристик фильтра (АЧХ, ФЧХ) отличаются от расчетных.Могут также нарушаться условия устойчивости фильтра.
Алгоритм умножения на коэффициент (на константу без знака)целесообразно реализовать программным способом на основе алгоритма умножениявручную: арифметические сдвиги множимого вправо, соответствующие позициямединиц множителя, и накопление суммы частичных произведений. Разряды множимого,выходящие в результате сдвига за границу разрядной сетки, теряются.
Исходное состояние аппаратной части ипрограммы фильтраустанавливается при включении питания по сигналу аппаратного узла сброса (схемысброса). При этом:
· программныйсчетчик (ВМ85) принимает нулевое значение;
· сбрасывается флагразрешения прерываний (ВМ85);
· все линии портовРА и РВ (РФ55) настраиваются на ввод;
· порты РА, РВ, РС(РУ55) настраиваются на ввод в режиме простого обмена данными;
· таймер (РУ55)останавливается;
· содержимое ячеекОЗУ и буферных регистров портов (РУ55) сохраняется.
Из этого следует, что переходуфильтра в рабочий режим должна предшествовать его настройка (инициализация) наобеспечение принятого принципа функционирования, выбранных режимов работыузлов, заданных рабочих характеристик.
3. Разработка общего алгоритмафункционирования фильтра
Общий алгоритм функционирования фильтрастроится на основе выводов и определений, сделанных при анализе задачи, ивключает в себя все функции устройства, реализуемые аппаратно и реализуемыепрограммно. Он содержит также все сигналы и сообщения, необходимые длявзаимосвязи аппаратно-реализуемых и программно-реализуемых операций (сигналы исообщения, которые обеспечивают взаимодействие аппаратной части фильтра ипрограммы). Общий алгоритм функционирования фильтра приведен на рис.2. Работафильтра начинается с подачи питания на схему сброса. Импульс, сформированныйсхемой сброса (аппаратный узел), обнуляет счетчик команд МП и инициируетформирование импульса сброса RESETдля установки МП-системы в исходное состояние.
/>
Таким образом запускается программаинициализации МП-системы, которая должна начинаться с нулевого адреса. Приинициализации: разрешаются прерыванияМП типа RST 7.5; в указатель стека SP записывается начальный адрес, с которого начинается стек;порт РА (РУ55) настраивается на ввод, а порт РА (РФ55) – на вывод; таймер(аппаратный узел) настраивается на период переполнения, равный ТД врежиме 3; таймер запускается для формирования непрерывной последовательностиимпульсов с частотой дискретизации FД, которыеиспользуются далее для взятия отсчетов входного сигнала и запуска АЦП(аппаратного узла). Программа инициализации завершается операцией останова МП.
Из состояния останова МП выводитсясигналом /BUSY (код АЦП готов), поступающим на входRST 7.5 МП.
Последующие операции (ввод, вывод,преобразование кодов, оперативные обращения к памяти, арифметическиепреобразования) в каждом цикле работы фильтра выполняются под управлениемрабочей программы фильтра.
Каждый рабочий цикл МП есть реакцияна прерывание (выполнение подпрограммы обслуживания прерывания), поэтому послеобслуживания прерывания по команде возврата из подпрограммы в каждом рабочемцикле МП возвращается в состояние останова (в состояние ожидания очередногопрерывания).
4. Синтезоперационного узла (выбор и обоснование аппаратной части устройства)
Однокристальный МП К1821ВМ85 (ВМ85) являетсяусовершенствованной версией МП КР580ВМ80 (ВМ80). Разработка ВМ85 быланаправлена на повышение производительности, уменьшение числа БИС, необходимыхдля построения законченного МП устройства. В результате на одном кристаллеразмещено устройство, функционально эквивалентное трем БИС: микропроцессоруВМ80, генератору тактовых импульсов ГФ24 и системному контроллеру ВК28/ВК38. МПВМ85 более экономичный (технология КМОП), использует только один источникпитания (+5 В), имеет мультиплексированную шину адреса/данных, расширенныевозможности обработки прерываний.
Система команд ВМ85включает весь набор команд ВМ80 в их старой кодировке, что гарантирует полнуюсовместимость с программным обеспечением МП ВМ80 на уровне объектного кода.Вместе с этим в состав системы команд ВМ85 введены новые: SIM (установка маски прерывания) и RIM (чтение маски прерывания).Есть модификацииIntel 8085, в которых 12 дополнительныхкоманд, включая SIM и RIM.
Команды SIM и RIM расширяют средства обработки прерываний иобеспечивают последовательный ввод – вывод.
По команде SIM обеспечивается установка новогосостояния маски в соответствии с содержимым аккумулятора:
А0 – А2 – соответственномаски RST 5.5, RST 6.5, RST7.5;
А3 — разрешение установкимаски;
А4 – сброс триггераприема запроса RST 7.5;
А5 – не используется;
А6 – разрешение выводаданных;
А7 – бит данных длявывода через SOD.
Установка маски запрещаетсоответствующее прерывание. Смена маски в соответствии с А0 – А2 выполняетсятолько при разрешении ее установки (А3 = 1). В противном случае функцияустановки маски подавляется. Команда RIM читает текущее состояние масок в аккумулятор в соответствии со следующимраспределением:А0 – А2 – соответственномаски RST 5.5, RST 6.5, RST7.5;
A3 — флаг разрешения прерывания;А4 – А6 – соответственнофлаги запросов RST 5.5, RST 6.5, RST 7.5;
А7 – бит данных с входа SID.
Запросы на прерываниястрого упорядочены, как это показано в таблице. Установленная приоритетнаясхема разрешает конфликт при одновременном появлении нескольких запросов и неучитывает текущего приоритета программы.
/>
5. Синтез управляющегоузла (разработка программы на языке микропроцессора)
Рабочая программаразработана на основе спроектированного алгоритма функционирования устройства ирезультатов анализа и формализации задачи. Программа привязана к минимальнойконфигурации аппаратной части фильтра.
Распределение памятиОЗУ:
5000h – хранение отсчета xn;
5001h – хранение отсчетоа x n– 1;
5002h – хранение отсчетоа y n– 2;
5003h – хранение произведений p1n;
5004h – хранение произведений p 2n;
50FFh – начальный адрес стека.
; Программа „Фазовоезвено“
; Автор Зенов ПавелВасильевич
; Разностное уравнение: yn = 0.958xn + x n– 1 – 0,958 y n– 2;
;
; Инициализация по сигналу»Сброс"
/>
/>
/>
7. Оценкабыстродействия устройства
Быстродействие фильтра в рабочемрежиме оценим как время, необходимое для обработки каждого прерыванияпроцессора. Рабочая программа фильтра линейная (не содержит разветвлений), поэтомуобщее число машинных тактов, требуемых для выполнения программы, получим каксумму машинных тактов всех последовательно выполняемых команд, составляющихрабочий цикл процессора.
Сумма машинных тактов для рабочегоцикла приведенной выше программы равна 549. Из этого следует вывод, чтопроцессор не успеет выполнить подпрограмму обслуживания прерывания за интервалдискретизации TД. При частоте FCLKМП = 1,5 МГц FД = 2.0 кГц (750 машинных тактов процессора). Поэтому тактоваячастота процессора должна быть увеличена. Примем FCLKМП = 3 МГц, что для заданной БИС МПдопустимо, но при этом следует вернуться к вопросам формирования тактовыхимпульсов для АЦП и входных импульсов таймера.
Повышение тактовой частоты МП можетбыть также необходимым, если ставить задачу увеличения динамического диапазонапредставления данных для входного сигнала. При однобайтной обработке данныхвследствие масштабирования шумы квантования увеличиваются в kМ раз. Их уменьшения можно добитьсяпереходом к двухбайтному представлению данных при хранении и обработке, чтоприведет, естественно, к увеличению длины программы и числа машинных тактов дляее реализации.
Уточнение аппаратной части фильтра
Принятые ранее решения по аппаратнойчасти и программе изменятся в минимальной степени, если при FCLK МП= 3 МГц тактовые импульсы для АЦП и таймера с частотой FCLKАЦП= FCLK Т = 1,5 МГцполучить путем деления в два раза в счетном триггере. Для этого можно применитьИС КМОП К564ТВ1 (сдвоенный JK-триггерс динамическим тактовым входом и асинхронными RS-входами).
8. Расчёт АЧХ фильтра
Разностное уравнение проектируемогофильтра в общем виде можно представить следующим образом:
yn= b20Xn + b21X n – 1 + b22Xn – 2 – a21 y n – 1 – a22 y n– 2.
Коэффициенты b1i, a1i, b2i, a2i определяют характеристики фильтра.
При значенияхкоэффициентов
b20 = 0.958;b21 = 1;b22 = 0; a21 = 0;a22 = 0.958
фильтр имеет АЧХ фазовогозвена.
В z-плоскости свойства цифрового фильтраописывает передаточная функция H(z), которая при двухкаскаднойструктуре и для приведенного выше разностного уравнения имеет вид:
/>
При z = e jwT = e j2pfT, где Т = ТД, сигнал навходе фильтра – синусоида с частотой f и сединичной амплитудой, а функция H(e j2pfT) равна частотной характеристикефильтра, из которой можно получить АЧХ и ФЧХ.
Значения коэффициентовразностного уравнения определяют форму и параметры частотных характеристик,поэтому для выявления влияния их приближенного представления следует рассчитатьАЧХ при заданных (точных) и реальных (приближенных) значениях коэффициентов:
/>
9. Заключение
В данной курсовой работе была построенасхема цифрового устройства и разработана программа, обеспечивающая работуданного устройства как цифрового фазового звена. Устройство имеет высокоебыстродействие и в полной мере удовлетворяет требованиям технического задания.Необходимость в высоком быстродействии связана со стремлением обрабатывать вреальном масштабе времени широкополосные сигналы.
10. Список использованных источников
1. Щелкунов Н.Н., Дианов А.П.Микропроцессорные средства и системы. М.: Радио и связь, 1989.
2. Балашов Е.П., Григорьев В.Л., Петров Г.А. Микро- имини-ЭВМ: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1984.
3. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ-Петербург,2001.
4. Рафикузаман М. Микропроцессоры и машинное проектированиемикропроцессорных систем: В 2-х кн. Кн.1 и 2 /Пер. с англ. М.: Мир, 1988.
5. Микропроцессорный комплект К1810: Структура,программи-рование, применение: Справочная книга / Ю.М.Казаринов, В.Н.Номоконов,Г.С.Подклетнов, Ф.В.Филиппов; Под. ред. Ю.М.Казаринова. М.: Высш. шк., 1990.
6. Григорьев В.Л. Программное обеспечение микропроцессорныхсистем. М.: Энергоатомиздат, 1983.
7.Солонина А.И., Улахович Д.А., ЯковлевЛ.Н. Алгоритмы ипроцессоры цифровой обработки сигналов. СПб.: БХВ-Петербург, 2001.
8. Соколов Ю.П. Микроконтроллеры семейства MCS-51: архитектура. программирование,отладка: Учеб. пособие. Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 2002.
9. Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналого-цифровогопреобразования и средств мультимедиа. Выпуск 1. М.: ДОДЭКА, 1996.
10. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП:функ-ционирование, параметры, применение. М.: Энергоатомиздат, 1990.