Реферат: Разработка микропроцессорного устройства цифрового фильтра

Структурная схема типа реализации ЦФ приведена на рис.3.1. Параметры звеньев ЦФ следующие :

параметры звена : ;

параметры звена : ;

параметры звена : .

Рис. 3.1 – Структурная схема цифрового фильтра

Исходя из этой структуры, а также коэффициентов, для каждого звена составим разностные уравнения:

1)   первое звено:

;

2)   второе звено:

;

3)   третье звено:

.

Результирующее разностное уравнение для цифрового фильтра будет иметь вид:

          .

4 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРОГРАММЫ

 ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА

Прежде чем приступить к программированию устройства необходимо основательно изучить его внутреннюю структуру и возможности ресурсов. Простейшая блок-схема  проектируемого устройства приведена на рисунке 4.1 В ней учтены конфигурация портов и АЦП, вычисление разностного уравнения фильтра, результат вычислений выдается на порт В.

                                                        Начало

                                      Порт А –

                                                         вход

                                       Порт В –

                                                         выход

                                        Запуск

                                                          АЦП

                                                   Вычисление

                                                   разностного

                                                     уравнения

                                                     Выдача

                                                  Результата

                                               На порт В

Рисунок 4.1 – блок-схема работы цифрового фильтра
Опираясь на данную блок схему, начнем более тщательное

рассмотрение вопроса. Конфигурация портов и АЦП задается исходя из документации предлагаемой производителем. Данная документация содержит примеры программ для настройки портов и АЦП. Оговорим некоторые аспекты этих программ применительно к нашему курсовому проекту. Контакты порта А зададим входами установкой битов в регистре TRISA. Данное условие необходимо для осуществления аналого-цифровой обработки сигнала. Контакты порта В зададим как выходные сбросом битов в регистре TRISB. Для АЦП выберем канал 0, то есть вывод микропроцессора RA0. В PIC16C711 на одно преобразование АЦП необходим минимальный интервал времени 10Тad, где Тad =1,6 мкс выбирается программно. Также одной из важных частей программы запуска АЦП является организация разрешения прерываний.

          После конфигурации портов и запуска АЦП необходимо приступить к выполнению программы вычисления разностного уравнения, описывающего фильтр.    

          Просчитаем количество переменных, входящих в уравнения. Это количество будет определять необходимое число байт памяти. В нашем случае оно составляет 17. Нетрудно заметить, что коэффициенты разностных уравнений подобраны таким образом, что умножение переменной на них будет делением на 2,4,8…, а эта операция выполняется путем сдвига регистра вправо. Для хранения промежуточных данных сдвиговых операций и операций сложения нам понадобятся дополнительные ячейки памяти в количестве 17. При начальном запуске программы или при сбросе микропроцессорной системы все ячейки памяти необходимо сбросить в нуль.

          На обработку данных АЦП требуется, как указывалось ранее, время. Чтобы повысить эффективность и качество системы, необходимо во время просчета АЦП, вместо простоя и ожидания системой результата просчета, произвести вычисления без участия текущего значения отсчета. Вычисления с участием текущего значения отсчета должны производиться через время, равное 10Tad.

          Результат вычисления АЦП будет обрабатывать программа прерывания. 

          Исходя из всех вышеприведенных соображений, составим окончательный алгоритм программы:

       Начало                                                                                                          1

   Установка                                                                                        

   порта А на                                                                                                COUNT-1

   ввод                                                   

   Установка                                                                                   да

    порта В на                                                                                                   Z=0            

    вывод                                                               

                                                                                                                                    нет     

                                                                               6                                                                              

    0x17®W                                                                                              Сброс ADCON1

  W®COUNT                                                                                                 0xC1®W

                                                                                                                     W®ADCON0

  0x0C®W      

                                                                                                                      Разрешить

                                                                                                                      прерывание  

    W®FSR                                                                                           АЦП                    

                                                                                                                       Разрешить

                                                                                                                       глобальное

  Сброс INDF                                                                                     прерывание                    

      FSR + 1                                                                                                    Пуск АЦП

            1                                                                                                                  2

            2                                                                                                                     3

   Вычисление

  А11UM1с сох-                                                                                         Вычисление

 ранением  зна-                                                                                           A32YN2YK2=

 чения                                                                                                          =A32(YN2+YK2)

                                                                                                                       с сохранением            

                                                                                                                        значения

  Вычисление

  B11YN1 с сох-

  ранением зна-                                                                                           Вычисление

  чения                                                                                                            B31YL1

  Вычисление

   В12YN2                                                            

                                                                                                                      ВычислениеYLL         

                                                                                                                      = A31YN1YK1+           

    Вычисление                                                                                          + A32YN2YK2-            

YNN=А11UM1-                                                                                        - B31YL1 с сох-           

- B11YN1-                                                                                                   ранением зна-

- В12YN2 с сох-                                                                                         чения             

ранением зна-

чения

   Вычисление                                                                                               YK1 ® W

 A21UM1 с сох-

ранением зна-

чения

   Вычисление                                                                                                W ® YK2

   B21YK1

Вычисление                                                                                                   YK ® W    

YK=А21UM1-

- B21YK1 с сох-

ранением зна-

чения

                                                                                                                           W ® YK1 

Вычисление

A31YN1YK1 =

=A31(YN1+YK1)                                                                                        Вычисление               

с сохранением                                                                                            A10UM        

значения

            3                                                                                                                      4   
           4                                                    6                                               5

Вычисление

  YN =A10UM+                                                                                                  UM ® W   

   +YNN

   с сохранением

   значения

                                                                                                                           W ® UM1

Вычисление

YL=A30(YN+

+YK)+YLL

  с сохранением

   значения

                                                                                                                          ОСТАНОВ

Передача знач-

чения YL на

порт B

   YN1 ® W

   W ® YN2

  YN ® W

  W ® YN1          

  YL ® W

           5

Рисунок 4.2 - Алгоритм программы проектируемого                                                                                                                                                                                             устройства

5 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ НА ЯЗЫКЕ АССЕМБЛЕР

          Прежде чем приступить к написанию программы необходимо учесть спецификацию ПЗУ микроконтроллера. Организация ПЗУ изображена на рисунке 5.1

Рисунок 5.1 – Организация ПЗУ PIC16C71

Из рисунка видно, что начало программы пользователя может быть расположено ниже адреса 0004h. Адрес 0000h – вектор сброса, 0004h – вектор прерывания. По этим адресам перед началом программирования, как правило, прописывают безусловный переход на программу пользователя и безусловный переход на программу обработки прерывания соответственно. Так как в случае нашей системы устройство, осуществляющее запрос прерывания, одно, то по адресу 0004h можно прописывать начало программы обработки прерывания.

          Также при программировании обязательно нужно учесть спецификацию банков ОЗУ. Структура ОЗУ изображена       на

рисунке 5. При обращении к регистрам ОЗУ каждый раз необходимо программно переключаться между банками ОЗУ, в зависимости от того в каком банке находится регистр. Ассемблер, поставляемый производителем, позволяет вначале всем регистрам присвоить вместо адреса определенное имя. Это удобно для составления программы. 

Рисунок 5.2 – Организация ОЗУ PIC16C711

Сначала напишем программу обработки прерывания. Занесем программу в таблицу - 1 с адресами ПЗУ и комментариями.

Таблица 5.1

          Программу, реализующую математическую модель фильтра начнем с адреса 000Eh и разместим в таблицу 5, 2.

Таблица 5.2

Время выполнения программы 56 мкс.

          Операции NOP предназначены для синхронизации работы АЦП с программой. Также для этой цели было добавлено 4 команды перед операциями над текущим значением отсчета. В составленном алгоритме данные коррекции небыли предусмотрены. Время выполнения программы, реализующей цифровой фильтр, равно 49 мкс. Интервал дискретизации сигнала равен 24,6 мкс, соответственно частота дискретизации равна 41000Гц. В программе используются два перехода: один для обнуления ОЗУ, другой – для возврата программы на место запуска АЦП. При использовании более современных PIC процессоров возможно исключение операций NOP.

6 РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ                                      ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

           Для технической реализации ЦФ необходимы следующие элементы:

-     процессор;

-     ЦАП;

-     Блок питания от сети 220 В, 50 Гц.

Описание процессора:

Основным блоком ЦФ является процессор PIC16C711 (рис.6.1). Приведём краткую характеристику интересующих для данной задачи выводов процессора.

RA4/RTCC - Вход через триггер Шмита. Ножка порта ввода/вывода с открытым стоком или вход частоты для таймера/счетчика RTCC. RA0/AIN0 - Двунаправленная линия ввода/вывода. Аналоговый вход канала 0. Как цифровой вход имеет уровни ТТЛ.

RA1/AIN1 - Двунаправленная линия ввода/вывода. Аналоговый вход канала 1. Как цифровой вход имеет уровни ТТЛ.

RA2/AIN2 - Двунаправленная линия ввода/вывода.Аналоговый вход канала 2. Как цифровой вход имеет уровни ТТЛ.

RA3/AIN3/Vref - Двунаправленная линия ввода/вывода. Аналоговый вход канала 3. Как цифровой вход имеет уровни ТТЛ.

RB0/INT - Двунаправленная линия порта вывода или внешний вход прерывания. Уровни ТТЛ.

RB1 - RB5 - Двунаправленные линии ввода/ вывода. Уровни ТТЛ.

RB6 - Двунаправленные линии ввода/ вывода. Уровни ТТЛ.

RB7 - Двунаправленные линии ввода/ вывода. Уровни ТТЛ.

/MCLR/Vpp - Низкий уровень на этом входе генерирует сигнал сброса для контроллера. Активный низкий. Вход через триггер Шмитта.

OSC1 - Для подключения кварца, RC или вход внешней тактовой частоты.

OSC2 /CLKOUT - Генератор,  выход тактовой частоты в режиме RC генератора, в остальных случаях - для подключения кварца.

Vdd - Напряжение питания.

Vss – Общий (земля).

                           RA2/AIN2  1                  18  RA1/AIN1

                    RA3/AIN3/Vref                         RA0/AIN0

                          RA4/RTCC                          OSC1/CLKIN   

                         /MCLR/Vpp                         OSC2/CLKOUT

                                       Vss      PIC16C711     Vdd

                              RB0/INT                          RB7        

                                      RB1                         RB6

                                  RB2                             RB5              

      RB3   9                 10   RB4

Рисунок 6.1 – Выводы процессора PIC16C711

       Описание ЦАП:

В качестве ЦАП используется микросхема фирмы Analog Devices AD7302. Данный ЦАП имеет следующие основные характеристики:

AD7302 двойной, 8-битный ЦАП, который работает от однополярного  источника питания с напряжением +2.7 - +5.5 В. AD7302 имеет интерфейс, совместимый параллельным выходом микропроцессоров и цифровых сигнальных процессоров (DSP). Интерфейс обладает высокоскоростными регистрами и двойной буферизированной логикой. Данные загружаются при повышенном уровне на CS или WR. С помощью пина ~A/B  выбирают какой из 2 встроенных ЦАП будет использоваться.

Приведём краткую характеристику интересующих для данной задачи выводов ЦАП.

D7-D0 - Параллельные информационные входы. 8-битные  данные загружаються  во входной регистр  AD7302 под управлением CS и  WR.

CS - Выбор кристалла. Активный низкоуровневый логический ввод.

WR -  Ввод записи. Активный низкоуровневый логический ввод. Используеться вместе CS и A/B, чтобы писать данные в регистр выбранного ЦАП.

A/B – Выбор ЦАП.

PD – Активный низкоуровневый ввод, используемый для перехода в режим потребления малой мощности.

LDAC – Логический ввод загрузки ЦАП. Когда на этот ввод подаеться низкий уровень, оба ЦАП синхронно обновляются со своими регистрами.

CLR – Асинхронный вход сброса. Когда на него подаеться низкий уровень, все регистры ЦАП обнуляються и на выход напряжение не поступает.

Vdd – Напряжение питания.

REFIN – Внешний ввод ссылки. Может использоваться как ссылка для обоих ЦАП. Диапазон этого ввода 1 В – Vdd/2.

AGND – Земля для аналоговой части микросхемы.

VoutB – Аналоговый вывод ЦАП B.

VoutA – Аналоговый вывод ЦАП А.

DGND – Земля для цифровой части схемы.

                                     DB7  1                  20  DGND

       DB6                             VoutA

                                      DB5                         VoutB     

                                      DB4                         AGND

                                      DB3        AD7302        REFIN

                                      DB2                         Vdd        

                                      DB1                         CLR

                                  DB0                             LDAK          

       CS                               PD

       WR  10                 11  A/B

Рисунок 6.2 – Выводы ЦАП AD7302

        Блок питания от сети 220 В, 50 Гц :

На рисунке 6.3 приведена простая схема блока питания на 3 В (ток в нагрузкеке 200 мА) с автоматической электронной защитой от перегрузки (Iз = 250 мА). Уровень пульсации выходного напряжения не превышает 1 мВ.В схеме в качестве источника опорного напряжения используется светодиод HL1. Трансформатор Т1 можно приобрести из унифицированной серии ТН любой, но лучше использовать самые малогабаритные ТИ1-127/220-50 или ТН2-127/220-50. Подойдут также и многие другие типы трансформаторов со вторичной обмоткой на 5...6 В. Конденсаторы С1...СЗ типа К50-35. Схема использует интегральный стабилизатор DA1, для нормальной работы микросхемы необходимо, чтобы входное напряжение превышало выходное не менее чем на 3,5 В. Это снижает КПД стабилизатора за счет тепловыделения на микросхеме — при низком выходном напряжении мощность, теряемая в блоке питания, будет превышать отдаваемую в нагрузку. Необходимое выходное напряжение устанавливается подстроечным резистором R2. Микросхема устанавливается на радиатор.

Рисунок 6.2 – Схема генератора

ВЫВОД

          Спроектированная система является достаточно простой. Схема электрическая принципиальная составлялась на ПК с использованием пакета ACCEL. С помощью утилит, входящих в данный пакет, можно провести трассировку  печатной платы по готовой схеме электрической принципиальной и довести проект до готового изделия.

          По результатам курсового проекта можно оценить погрешности связанные с оцифровкой сигнала. Основную погрешность будет вносить ограниченная восемью разрядами шина АЦП, чем больше уровней квантования - тем лучше. Также, ввиду отсутствия операций с плавающей точкой, деление на два нечетных чисел будет давать неточный результат.

          Для оцифровки аналоговых сигналов должно выполняться условие . На практике и выше для улучшения качества передаваемого сигнала. Спектр речевого сигнала качественной телефонии  составляет 0,3 – 3,4 кГц в соответствии с установленным международным стандартом. Цифровой фильтр, спроектированный в ходе курсовой работы, удовлетворяет требованиям обработки не только сигналов качественной речи, но и сигналов с верхней частотой спектра 15..20кГц (музыка, каналы ШК и т.д.).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.   Калабеков Б. А. Микропроцессоры и их применение в системах

     передачи и обработки сигналов: Учеб. Пособие для вузов. – М.:  

     Радио и связь, 1988. – 368с.: ил.

2.   Корнеев В. В., Киселев А. В. Современные микропроцессоры. – М.:НОЛИДЖ, 1998. – 240 с.; ил.

3.   MICROCHIP PIC16/17 MICROCONTROLLER DATA BOOK.

4.   Документация на CD, поставляемая компанией MICROCHIP.