Разработка микропроцессорного устройства цифрового фильтра

Скачать работу - Разработка микропроцессорного устройства цифрового фильтра

Харьков 2003 СОДЕРЖАНИЕ Реферат … … …………………… … …………………… …. …………... .4 Введение………………………………………………………………... 5 1. Обзор аналогичных устройств………………….……...……………7 2. Выбранный вариант технического решения…….………………...11 3. Синтез проектируемого устройства ………………………………..19 4. Разработка алгоритма программы проектируемого устройства … 20 5. Программа на языке ассемблер…………... ………………….……. 25 6. Разработка и описание принципиальной схемы …………………..30 Вывод…….... …………………………………………………….…… . . 33 Список литературы……………………………………………….……34 Приложение А………………………………………………………….35 Приложение Б………………………………………………………….36 Р Е Ф Е Р А Т Пояснительная записка: 34 с., 1 2 рис. Цель работы – построение цифрового фильтра с применением современных микропроцессорных систем, освоение методов автоматического проектирования и совершенствование навыков программирования на языке Ассемблер. В работе использован микропроцессор фирмы MICROCHIP серии PIC 16 C 711, имеющей возможности аналоговой обработки сигналов. ЦАП не входит в состав микроконтроллера и вынесен отдельно, его входы подключены к порту B . В ходе проектирования были использованы не все ресурсы микропроцессорной системы, поэтому имеется возможность совершенствования устройства. К примеру, можно построить алгоритм цифровой обработки нескольких аналоговых сигналов, используя для каждого сигнала свой канал и программу вычислений.

Программа, написанная на языке Ассемблер, является универсальной для всех микроконтроллеров фирмы MICROCHIP , имеющих возможность аналоговой обработки сигналов.

Необходимо лишь сконфигурировать порты и учесть спецификацию РОН и специальных регистров в соответствии с документацией на требуемую модель.

Благодаря современным технологиям разработчик устройств цифровой обработки сигналов может в кратчайшие сроки составлять высокопроизводительные системы с дальнейшим доведением их до производства.

Наличие большого выбора недорогих высокопроизводительных микропроцессорных устройств зарубежного производства на рынке Украины позволяет студенту, радиолюбителю реализовывать свои схемы и алгоритмы в виде технически готового устройства. ВВЕДЕНИЕ Цифровая обработка сигнала – это арифметическая обработка в реальном масштабе времени последовательности значений амплитуды сигнала, определяемых через равные временные промежутки.

Примерами цифровой обработки являются: · фильтрация сигнала ; · свертка двух сигналов; · вычисление значений корреляционной функции двух сигналов; · усиление, ограничение или трансформация сигнала; · прямое/обратное преобразование Фурье.

Аналоговая обработка сигнала, традиционно используемая во всех радиотехнических устройствах, является во многих случаях более дешевым способом достижения требуемого результата.

Однако тогда, когда требуется высокая точность обработки, миниатюрность устройства, стабильность его характеристик в различных температурных условиях функционирования, цифровая обработка оказывается единственным приемлемым решением. R2 x(t) x(t) C y(t) R1 y(t) t t входной сигнал выходной сигнал Рисунок 1.1 - Аналоговая фильтрация сигнала Пример аналоговой фильтрации приведен на рисунке 1. Используемый в фильтре операционный усилитель позволяет расширить динамический диапазон обрабатываемых сигналов. Форма амплитудно-частотной характеристики фильтра определяется величинами R 2, C . Для аналогового фильтра сложно обеспечить высокое значение добротности, характеристики фильтра сильно зависят от температурного режима.

Компоненты фильтра вносят дополнительный шум в результирующий сигнал.

Аналоговые фильтры трудно перестраивать в широком диапазоне частот.

Важнейшая особенность цифрового фильтра заключается в том, что подбором определенных значений коэффициентов разностного уравнения, описывающего выходной сигнал, можно выполнить преобразование входного сигнала, которое будет нереализуемо при использовании аналогового фильтра. Само устройство, реализующее цифровую фильтрацию, будет иметь компактные размеры и не будет требовать особой технической настройки. 1. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ УСТРОЙСТВ Фильтры – это частотно-избирательные устройства, которые пропускают или задерживают сигналы, лежащие в определенных полосах частот. До 60-х годов для реализации фильтров применялись, в основном, пассивные элементы, т. е. индуктивности, конденсаторы и резисторы.

Основной проблемой при реализации таких фильтров оказывается размер катушек индуктивности (на низких частотах они становятся слишком громоздкими). С разработкой в 60-х годах интегральных ОУ появилось новое направление проектирования активных фильтров на базе ОУ. В активных фильтрах применяются резисторы, конденсаторы и усилители (активные компоненты), но в них нет катушек индуктивности. В дальнейшем активные фильтры почти полностью заменили пассивные.

Сейчас пассивные фильтры применяются только на высоких частотах (выше 1МГц), за пределами частотного диапазона большинства ОУ широкого применения.

Сейчас во многих случаях аналоговые фильтры заменяются цифровыми.

Работа цифровых фильтров обеспечивается, в основном программными средствами, поэтому они оказываются значительно более гибкими в применении по сравнению с аналоговыми. С помощью цифровых фильтров можно реализовать такие передаточные функции, которые очень трудно получить обычными методами. Тем не менее, цифровые фильтры пока не могут заменить аналоговые во всех ситуациях, поэтому сохраняется потребность в наиболее популярных аналоговых фильтрах – активных RC –фильтрах.

Фильтры можно классифицировать по их частотным характеристикам. На рисунке 1.2 изображены характеристики фильтра нижних частот (а), фильтра верхних частот (б), полосового фильтра (в). Основная функция любого фильтра заключается в том, чтобы ослабить сигналы, лежащие в определенных полосах частот, внести в них различные фазовые сдвиги или ввести временную задержку между входным и выходным сигналами. С помощью активных RC – фильтров нельзя получить идеальные формы частотных характеристик в виде прямоугольников со строго постоянным коэффициентом передачи в полосе пропускания, бесконечным ослаблением в полосе подавления и бесконечной крутизной спада при переходе от полосы пропускания к полосе подавления.

Проектирование активного фильтра всегда представляет собой поиск компромисса между идеальной формой характеристики и сложностью её реализации. Это называется «проблемой аппроксимации». Во многих случаях требования к качеству фильтрации позволяют обойтись простейшими фильтрами первого или второго порядка. Набор таких схем приведен ниже.

Проектирование фильтра в этом случаи сводится к выбору схемы с наиболее подходящей конфигурацией и последующему расчету значений номиналов элементов для конкретных частот. Однако бывают ситуации, когда требование к фильтрации сигнала могут оказаться гораздо более жесткими, и могут потребоваться схемы фильтра с характеристиками более высоких порядков, чем первых или второй.

Проектирование фильтра высоких порядков является более сложной задачей.

Анализ состояния и тенденций развития теории и практики цифровой фильтрации показывает, что основными используемыми методами являются частотная селекция сигналов и оптимальная (адаптивная) фильтрация.

Классификация цифровых фильтров (ЦФ) была предложена в докладе Д.А. Губанова и В.Б. Сташенко В ее основу положен функциональный признак (т. е. используемые алгоритмы цифровой фильтрации, а не схемотехнические решения), согласно которому ЦФ подразделяются на 4 группы: фильтры частотной селекции, оптимальные (квазиоптимальные), адаптивные и эвристические. Рисунок 1.3 – Классификация цифровых фильтров Наиболее изученными и опробованными на практике являются ЦФ частотной селекции. Они почти всегда представляют собой реализованные на новой элементной базе традиционные аналоговые фильтры частотной селекции.

Выступления участников конференции показали, что развитие цифровых средств частотной селекции происходит в следующих направлениях: создание пакетов прикладных программ для структурного синтеза, анализа качества фильтрации, обеспечения схемотехнической реализации и тестирования устройств; совершенствование существующих методов оптимального проектирования многоступенчатых структур с целью их полной формализации и включения в состав ПО; разработка новых подходов к проектированию ЦФ частотной селекции с улучшенными качественными показателями.

Новейшие технические реализации как традиционных, так и нетрадиционных задач цифровой обработки сигналов чаще всего используют разные схемотехнические решения.

Наибольшее внимание участников секции цифровой фильтрации привлекли алгоритмы многоскоростной обработки сложных сигналов, которые содержат как быстро, так и медленно меняющиеся составляющие. Такой алгоритм должен предусматривать предварительное разделение «быстрых» и «медленных» компонентов с понижением частоты дискретизации «медленных» составляющих и последующей их обработкой.

Современные вычислительные средства позволяют решать в режиме реального времени и задачи многомерной фильтрации, существенно более сложные, чем цифровая фильтрация одномерных сигналов, выполняемая с помощью сигнальных процессоров или многопроцессорных систем. 2. ВЫБ ОР ВАРИАНТА ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ Мир современных технологий наполнен разнообразием микропроцессорных устройств.

Десятки крупнейших фирм производителей конкурируют между собой, предлагая каждый день новую более совершенную продукцию. В курсовом проекте используется цифровая обработка сигналов. Для цифровой обработки сигналов используются так называемые сигнальные микропроцессоры.

Рассмотрим некоторые микроконтроллеры, выпускаемые современной промышленностью, наиболее подходящие для реализации курсовой работы. 2 .1 МИКРОПРОЦЕССОРЫ КОМПАНИИ ANLOG DEVICES . Микропроцессоры компании Analog Devices образуют два семейства: ADSP 21 xx и ADSP 210 xx . Семейство ADSP 21 xx – набор однокристальных 16-разрядных микропроцессоров с общей базовой архитектурой, оптимизированной для выполнения алгоритмов цифровой обработки сигналов и других приложений, требующих высокоскоростных вычислений с фиксированной точкой.

Второе семейство микропроцессоров ADSP 210 xx объединяет 32-х разрядные микропроцессоры, ориентированные на сигнальные алгоритмы, требующие вычислений с плавающей точкой. В рамках каждого семейства микропроцессоров обеспечивается совместимость снизу вверх по системе команд.

Старшие представители семейства обладают большими функциональными возможностями и содержат на кристалле дополнительные функциональные блоки.

Рассмотрим подробнее микропроцессоры первого семейства, так как их возможности наиболее подходят для реализации проекта.

Микропроцессоры семейства ADSP 21 xx успешно конкурируют с аналогичной продукцией других компаний производителей сигнальных процессоров благодаря сравнимой производительности при более низкой цене, а также развитой системе технических и программных средств разработки прикладных систем.

Основными конкурентами данного семейства являются микропроцессоры DSP 56 xxx ( Motorola ) и TMS 320 C 1 x , TMS 320 C 2 xx , TMS 320 C 5 x ( Texas Instruments ). Высокая производительность процессоров на сигнальных алгоритмах достигается благодаря многофункциональной и гибкой системе команд, аппаратной реализации большинства типичных для данных приложений операций, высокой степени параллелизма процессов в микропроцессоре, сокращения командного такта.

Микропроцессоры ADSP 21 xx имеют модифицированную Гарвардскую архитектуру, в рамках которой предусматривается возможность доступа в память команд, при ее физическом разделении с памятью данных.

Каждый микропроцессор семейства содержит три независимых полнофункциональных устройства: АЛУ, МАС – умножитель с накоплением, устройство барабанного сдвига.

Каждое устройство непосредственно оперирует с 16-ти разрядными данными и обеспечивает аппаратную поддержку вычислений с различной точностью.

Микропроцессор содержит генератор адресов команд и два генератора адресов данных, обеспечивающие адресацию к данным и командам, расположенным как во внутренней, так и во внешней памяти.

Параллельное функционирование генераторов сокращает длительность выполнения команды, позволяя за один такт выбирать из памяти команду и два операнда.

Таймер/счетчик микропроцессора обеспечивает периодическую генерацию прерываний.

Последовательные порты ( SPORTs ) обеспечивают последовательный интерфейс с большинством стандартных последовательных устройств, а также с аппаратными средствами сжатия-восстановления данных, использующими A - и m - законы компандирования. Порт интерфейса с хост-процессором позволяет без дополнительных интерфейсных схем взаимодействовать с главным микропроцессором системы, в качестве которого может использоваться как процессор данного семейства, так и другой микропроцессор, например Motorola 68000 или Intel 8051. Микропроцессор ADSP – 21 msp 5 x отличается наличием аналогового интерфейса, позволяющего совмещать аналоговую и цифровую обработку. В состав интерфейсных средств входят АЦП, ЦАП, цифровой и аналоговый фильтры, параллельный интерфейс к процессорному ядру.

Система команд микропроцессоров семейства оптимизирована для алгоритмов цифровой обработки сигналов. По системе команд все микропроцессоры совместимы снизу вверх.

Совершенствование данного семейства идет в направлении повышения тактовой частоты, снижения энергопотребления и расширения коммуникационных возможностей процессора. 2 .2 МИКРОПРОЦЕССОРЫ КОМПАНИИ MOTOROLA Сигнальные микропроцессоры компании Motorola . Подразделяются на семейства 16- и 24-разрядных микропроцессоров с фиксированной точкой – DSP – 560 xx , - 561 xx , - 563 xx , -566 xx , 568 xx и микропроцессоры с плавающей точкой – DSP – 960 xx . Рассмотрим 24-х разрядные микропроцессоры с фиксированной точкой семейства DSP 560 xx . Эти микропроцессоры являются первыми представителями сигнальных микропроцессоров компании Motorola . Архитектура микропроцессоров ориентирована на максимизацию пропускной способности в приложениях DSP с интенсивным обменом данными. Это обеспечивается благодаря расширяемой архитектуре со сложной встроенной периферией и универсальной подсистеме ввода/вывода.

Данные свойства, а также низкое энергопотребление минимизируют сложность, стоимость и сроки разработки прикладных систем на базе микропроцессоров DSP 56000/ DSP 56001. Микропроцессоры работают на частоте 33МГц и обеспечивают производительность около 16 MIPS , что позволяет выполнять быстрое преобразование Фурье по 1024 отсчетам за 3,23мс.

Дальнейшее развитие семейства микропроцессоров осуществляется в рамках концепции процессорного ядра, общего для всех представителей семейства, в состав которого входят 24-разрядные микропроцессоры с фиксированной точкой.

Процессоры данного семейства характеризуются высокой пропускной способностью, расширенной разрядностью, обеспечивающей высокую точность вычисления и широким динамическим диапазоном обрабатываемых данных, поддержкой энергосберегающего режима работы.

Представители семейства отличаются друг от друга конфигурациями памяти и периферийными устройствами. 2 .3 МИКРОПРОЦЕССОРЫ КОМПАНИИ TEXAS INSTRUMENTS Сигнальные микропроцессоры компании Texas Instruments разделяются на два класса: это процессоры для обработки чисел с фиксированной точкой и процессоры для обработки чисел с плавающей точкой.

Первый класс представлен тремя семействами процессоров, базовыми моделями которых являются соответственно TMS 320.10, .20, .50. Второй класс включает процессоры TMS 320.30, . 40, TMS 320С80, которые поддерживают операции с плавающей точкой и представляют собой мультипроцессорную систему, выполненную в одном кристалле, а семейство TMS 320 C 6 x включает процессоры как с фиксированной, так и с плавающей точкой.

Процессоры старших поколений одного семейства наследует основные архитектурные особенности и совместимы “снизу вверх” по системе команд (чего нельзя сказать о процессорах, входящих в разные семейства). Перечислим некоторые микропроцессоры, оптимально подходящие для нашей системы. 1.Микропроцессоры семейства TMS 320 C 1 x Первый процесор семейства – TMS 320 C 10 был выпущен в 1982г. и благодаря ряду удачных технических решений получил широкую распространенность. В основу микропроцессоров данного семейства положена модифицированная Гарвардская архитектура, отличием которой от традиционной Гарвардской архитектуры является возможность обмена данными между памятью программ и памятью данных, что повышает гибкость устройства. TMS 320 C 10 является 16-разрядным процессором. Его адресное пространство составляет 4 K 16-разрядных слов памяти данных.

Длительность такта процессора составляет 160-200 нс.

Арифметические функции в процессоре реализованы аппаратно. Он имеет аппаратные умножители, устройство сдвига, аппаратную поддержку автоинкремента/декремента адресных регистров данных. С внешними устройствами процессор взаимодействует через 8 16-разрядных портов ввода/вывода.

Предусмотрена возможность внешнего прерывания.

Остальные микропроцессоры данного семейства имеют аналогичную архитектуру и отличаются длительностью командного такта, конфигурацией памяти, наличием (или отсутствием) дополнительных периферийных устройств. 2.Микропроцессоры семейства TMS 320 C 2 x . Микропроцессоры семейства TMS 320 C 2 x имеют анлогичную архитектуру, но обладают повышенной производительностью и более широкими функциональными возможностями. Все процессоры семейства поколения могут использовать по 64 K слов памяти программ и данных, имеют 16 16-разрядных портов ввода/вывода и последовательный порт.

Процессоры семейства TMS 320 C 2 x имеют возможность использования внешнего контроллера ПДП. Умножитель микропроцессоров, помимо операций умножения, позволяет выполнять за один такт возведение в квадрат. В процессоры включена аппаратная поддержка кратного выполнения команды, реализован режим двоичной инверсно-косвенной адресации, предназначенный для эффективной реализации быстрого преобразования Фурье. 2.4 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО ВАРИАНТА После длительного обзора микропроцесорных устройств, возникла задача выбора наиболее подходящего микропроцессора.

Решение данной задачи было найдено при рассмотрении микропроцессоров компании Microchip . Для реализации проекта было принято решение использовать микропроцессор компании Microchip PIC 16 C 711. Приведем преимущества использования данного микропроцессора в курсовой работе, а также общие его характеристики. PIC 16 C 711 это дешевый, высокопроизводительный, изготовленный по КМОП технологии 8-битный микроконтроллер. В основу процессора положена RISC архитектура, он имеет улучшенные характеристики ядра, внутренние и внешние прерывания.

Устройство имеет два двунаправленных порта ввода/вывода, один из которых может быть использован как вход для аналого-цифрового преобразования, другой - как выход для ЦАП. Тактовая частота составляет 20 MHz . На рисунке 2.1 представлена структурная схема PIC 16 C 711. Перечислим основные элементы схемы: АЛУ ( ALU ), где выполняются простейшие арифметические операции, а также логические операции; аккумулятор (W), где хранятся данные результатов вычислений; регистр состояния, в котором хранятся флаги результатов операций, а также биты выбора банка памяти; регистр косвенной адресации ( FSR ), через который непрямым образом можно обращаться к ОЗУ; память ( RAM ), организованная 8-битными специальными регистрами и регистрами общего назначения, рабочая область пользователя составляет 68 x 8; 13-битный счетчик команд ( Program Counter ), младшие 8 бит приходят из регистра PCL , старшие 5 из регистра PCLATH ; ППЗУ ( EPROM ), составляет 1 K 14- битных ячеек памяти; стек 8-ми уровневый, длина слова 13-бит, во время прерывания содержимое счетчика команд сохраняется в стек автоматически; два двунаправленных 8-битных порта А и В; 4-х канальный 8-битный АЦП ( A / D ); счетчик Timer 0. Рис. 2.1 – Структурная схема PIC 16 C 711 К сожалению устройство не имеет внутреннего ЦАП. ЦАП будет внешним, его вход будет подсоединен к порту В. Применение внешнего ЦАП не ухудшит работу цифрового фильтра и не усложнит его структуру, так как ЦАП не нужно синхронизировать с временем выполнения программы, в отличие от АЦП. Выбранный вариант технического решения полностью удовлетворяет техническому заданию.

Микроконтроллер + внешний ЦАП позволяют создать гибкую, высокопроизводительную систему, удовлетворяющую требованиям микроминиатюрности, быстродействия, качества и простоты исполнения.

Сравнивая данный микроконтроллер с большинством современных микроконтроллеров, можно сказать, что он обладает сравнительно низкой стоимостью и доступностью на рынке Украины. В современных системах обработки сигналов требуется высокая разрядность шины данных и АЦП для увеличения точности вычислений, также для этих целей необходимо, чтобы АЛУ могло вычислять операции с плавающей точкой.

Выбранный микроконтроллер не имеет данных свойств, но он благодаря своему быстродействию и гибкости может вполне справиться с целью, поставленной в техническом задании на курсовой проект.

Архитектура процессора построена таким образом, что он способен выполнять команду за один цикл, кроме операций условных и безусловных переходов. Это означает, что время выполнения программы будет небольшим, и частота дискретизации АЦП будет удовлетворять условию обработки сигналов качественной телефонии.

Ассемблер очень простой: пользователю необходимо выучить 35 команд.

Последнее достоинство позволяет снизить время на подготовку к выполнению проекта. 3 СИНТЕЗ ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА Структурная схема типа реализации ЦФ приведена на рис.3.1. Параметры звеньев ЦФ следующие : параметры звена параметры звена параметры звена SHAPE * MERGEFORMAT

U m

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 RA 0. В PIC 16 C 711 на одно преобразование АЦП необходим минимальный интервал времени 10Т ad , 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 10 Tad . 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 0 x 17 ® W Сброс ADCON 1 W ® COUNT 0xC1 ® W W ® ADCON0 0 x 0 C ® W Разрешить прерывание W ® FSR АЦП Разрешить глобальное Сброс INDF прерывание FSR + 1 Пуск АЦП 1 2 2 3 Вычисление А11 UM 1с сохВычисление ранением знаA 32 YN 2 YK 2= чения = A 32( YN 2+ YK 2) с сохранением значения Вычисление B 11 YN 1 с сохранением знаВычисление чения B 31 YL 1 Вычисление В12 YN 2 Вычисление YLL = A 31 YN 1 YK 1+ Вычисление + A 32 YN 2 YK 2- YNN =А11 UM 1- - B 31 YL 1 с сох- - B 11 YN 1- ранением зна- - В12 YN 2 с сохчения ранением зна- чения Вычисление YK 1 ® W A 21 UM 1 с сохранением зна- чения Вычисление W ® YK 2 B 21 YK 1 Вычисление YK ® W YK =А21 UM 1- - B 21 YK 1 с сохранением значения W ® YK 1 Вычисление A31YN1YK1 = =A31(YN1+YK1) Вычисление с сохранением A 10 UM значения 3 4 4 6 5 Вычисление YN = A 10 UM + UM ® W + YNN с сохранением значения W ® UM 1 Вычисление YL = A 30( YN + + YK )+ YLL с сохранением значения ОСТАНОВ Передача значчения YL на порт B YN 1 ® W W ® YN 2 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 Рис унок 5.1 – Организация ПЗУ PIC 16 C 71 Из рисунка видно, что начало программы пользователя может быть расположено ниже адреса 0004 h . Адрес 0000 h – вектор сброса, 0004 h – 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 0004 h 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. Рис унок 5 .2 – Организация ОЗУ PIC 16 C 711 Сначала напишем программу обработки прерывания.

Занесем программу в таблицу - 1 с адресами ПЗУ и комментариями.

Таблица 5.1

Адрес	Метка	Мнемонический код	Комментарии	Циклы
		ORG 0 x 004	Директива
0004 h		MOVWF W _ TEMP	Сохранение содержимого W в W _ TEMP	1
0005 h		MOVF STATUS, 0	Пересылка содержимого STATUS в W	1
0006h		MOVWF STATUS_TEMP	Сохранение W в STATUS _ TEMP	1
Продолжение таблицы 5.1
0007h		BCF STATUS, RP0	Выбор банка 0	1
0008 h		MOVF ADRES , 0	Пересылка результата АЦП в W	1
0009 h		MOVWF UM	Пересылка W в UM
000 Ah		MOVF STATUS_TEMP, 0	Пересылка STATUS_TEMP в W	1
000Bh		MOVWF STATUS	Пересылка W в STATUS	1
000Ch		MOVF W_TEMP, 0	Пересылка W _ TEMP в W	1
000 Dh		RETFIE	Возврат прерывания	2

Программу, реализующую математическую модель фильтра начнем с адреса 000E h и разместим в таблицу 5, 2. Таблица 5.2

Адрес	Метка	Мнемонический код	Комментарии	Циклы
		ORG 0 x 00 E	Директива
000 Eh		MOVLW 0 xFF	Пересылка 0 xFF в аккумулятор	1
000Fh		BSF STATUS, RP0	Выбор банка 1	1
0010 h		MOVWF TRISA	Порт А – Вход	1
0011h		CLRF TRISB	Порт В – Выход	1
0012h		MOVLW 0x18	Организация счетчика С OUNT	1
0013h		BCF STATUS, RP0	Выбор банка 0	1
0014 h		MOVWF COUNT	Орга низация счетчика	1
0015h		MOVLW 0x0C	Адрес начальной ячейки в ОЗУ	1
0016h		MOVWF FSR	Пересылка адреса начальной ячейки в FSR	1
0017h	M1:	CLRF INDF	Обнуление текущей ячейки памяти	1
0018h		INCF FSR, 1	Адрес + 1	1
0019h		DECF COUNT	Счетчик – 1	1
001Ah		BTFSS STATUS, Z	Условный переход по 1 значению флага нулевого результата	1(2)
001Bh		GOTO M1		2
001Ch	M2:	BSF STATUS,RP0	Выбор банка 1	1
001 Dh		CLRF ADCON 1	RA 0- RA 3 Входы АЦП	1
001Eh		MOVLW 0xC1		1
001Fh		BCF STATUS,RP0	Выбор банка 0	1
0020 h		MOVWF ADCON 0	АЦП включен, работает канал0 ( RA 0), частота 32 Tosc .	1
0021h		BSF INTCON ADIE	Разрешить прерывание АЦП	1
0022h		BSF INTCON GIE	Разрешить глобальное прерывание	1
0023h		BSF ADCON0, GO	Запустить АЦП	1
0024 h		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
0025h		RRF UM1, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
0026h		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
0027h		RRF W, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
0028h		MOVWF A1 1 UM1	W ® A1 1 UM1	1
0029h		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
002Ah		RRF YN1, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
002Bh		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
002Ch		RRF W, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
002Dh		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
002Eh		RRF W, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
Продолжение таблицы 5. 2
002Fh		BCF STATUS, C		1
0030h		RRF W, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
0031h		MOVWF B11YN1	W ® B11YN1	1
0032h		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
0033h		RRF YN1, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса
0034 h		ADDWF W, 0	W=W+W	1
0035h		ADDWF W, 0	W=W+W	1
0036h		ADDWF B11YN1	W= W+ B11YN1	1
0037h		SUBWF A11UM1, 0	W= A11UM1- W	1
0038h		MOVWF YNN	W ® YNN	1
0039h		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
003Ah		RRF UM1, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
003Bh		MOVWF A21UM1	W ® A21UM1	1
003Ch		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
003Dh		RRF YK1, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
003Eh		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
003Fh		RRF W, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
0040h		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
0041h		RRF W, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
0042h		SUBWF A21UM1, 0	W= A21UM1 - W	1
0043h		MOVWF YK	W ® YK	1
0044h		MOVF YN1, 0	YN1 ® W	1
0045h		ADDWF YK1	W= W+ YK1	1
0046h		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
0047h		RRF W, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
0048h		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
0049h		RRF W, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
004Ah		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
004Bh		RRF W, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
004Ch		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
004Dh		RRF W, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
004Eh		MOVWF A31YN1YK1	W ® A31YN1YK1	1
004Fh		MOVF YN2, 0	YN2 ® W	1
0050h		ADDWF YK2	W= W+ YK2	1
0051h		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
0052h		RRF W, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
0053h		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
0054h		RRF W, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
0055h		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
0056h		RRF W, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
0057h		MOVWF A32YN2YK2	W ® A32YN2YK2	1
0058h		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
0059h		RRF YL1, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
Продолжение таблицы 5. 2
005Ah		ADDWF W, 0	W=W+W	1
005 Bh		ADDWF W, 0	W=W+W	1
005Ch		SUBWF A32YN2YK2, 0	W= A32YN2YK2- W	1
005Dh		ADDWF A31YN1YK1	W= W+ A31YN1YK1	1
005Eh		MOVWF YLL	W ® YLL	1
005F h		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
0060h		NOP	Ничего не выполнять	1
0061h		NOP		1
0062h		NOP		1
0063h		NOP		1
0064h		NOP		1
0065h		NOP		1
0066h		NOP		1
0067h		NOP		1
0068h		NOP		1
0069h		NOP		1
006Ah		NOP		1
006Bh		NOP		1
006Ch		NOP		1
006Dh		NOP		1
006Eh		NOP		1
006Fh		NOP		1
0070h		NOP		1
0071h		NOP		1
0072h		NOP		1
0073h		NOP		1
0074h		MOVF YK1, 0	YK1 ® W	1
0075h		MOVWF YK2	W ® YK2	1
0076h		MOVF YK, 0	YK ® W	1
0077h		MOVWF YK1	W ® YK1	1
0078h		RRF UM, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
0079h		ADDWF YNN	W=W+ YNN	1
007Ah		MOVWF YN	W ® YN	1
007Bh		ADDWF YK	W= W+ YK	1
007Ch		BCF STATUS, C	Очистка триггера переноса	1
007Dh		RRF W, 0	Циклический сдвиг вправо через триггер переноса	1
007Eh		ADDWF W, 0	W=W+W	1
007Fh		ADDWF YLL	W=W+ YLL	1
0080h		MOVWF YL	W ® YL	1
0081h		MOVWF PORTB	W ® PORTB	1
0082h		MOVF YN1, 0	YN1 ® W	1
0083h		MOVWF YN2	W ® YN2	1
0084h		MOVF YN, 0	YN ® W	1
0085h		MOVWF YN1	W ® YN1	1
0086h		MOVF YL, 0	YL ® W	1
0087h		MOVWF YL1	W ® YL1	1
0088h		MOVF UM, 0	UM ® W	1
0089h		MOVWF UM1	W ® UM1	1
008Ah		GOTO M2	Безусловный переход на метку	1
	END
Всего вместе с программой обработки прерывания	283

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 PIC 16 C 711 (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 подкл ючения к варца . 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 AD 7302. Данный ЦАП имеет следующие основные характеристики: AD 7302 двойной, 8-битный ЦАП, который работает от однополярного источника питания с напряжением +2.7 - +5.5 В. AD 7302 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. D 7- D 0 - Параллельные информационные входы. 8-битные данные загружаються во входной регистр AD 7302 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 и выше для улучшения качества передаваемого сигнала.

Спектр речевого сигнала качественной телефонии составляет 0,3 – 3,4 кГц в соответствии с установленным международным стандартом.

оценка векселя в Белгороде
оценка аренды земельного участка в Москве
оценка рыночной стоимости жилой недвижимости в Курске