Содержание

1. Введение

2. Анализ задачи и ее формализация

3. Разработка и обоснование общего алгоритма функционирования устройства и его описание

4. Синтез операционного узла (выбор и обоснование аппаратной части устройства)

5. Синтез управляющего узла (разработка программы на языке микропроцессора)

6. Составление принципиальной схемы устройства и ее описание

7. Оценка быстродействия устройства

8. Порядок расчета АЧХ фильтра

9. Заключение

10. Список использованных источников

1. Введение

В радиотехнике, наряду с методами аналоговой обработки сигналов, широкое распространение получили методы и устройства цифровой обработки сигналов, реализованные на основе микропроцессоров (МП). Применение МП в радиотехнических системах (РТС) существенно улучшает их технико-экономические показатели (потребление энергии, габариты, стоимость и т.д.), открывает широкие возможности реализации сложных алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС).

Применение МП целесообразно в тех случаях, когда реализация определенных функций РТС с использованием "жесткой логики" требует большого количества микросхем (более 30).

Микропроцессоры находят применение при решении широкого круга радиотехнических задач, таких как построение радиотехнических измерителей координат, сглаживающих и экстраполирующих фильтров устройств вторичной обработки сигналов, специализированных вычислительных устройств бортовых навигационных комплексов, устройств кодирования и декодирования сигналов, весовой обработки пачечных сигналов в радиолокации, различного рода измерительных устройств и т.п.

При создании радиоэлектронной аппаратуры используются три основных подхода реализации цифровых устройств: аппаратный, программный и аппаратно- программный. При аппаратном получают цифровые устройства с традиционной "жесткой'' логикой, что обеспечивает наибольшее быстродействие устройств, но требует трудоемкой разработки индивидуальной структуры цифрового устройства – спецпроцессора. При программном подходе цифровое устройство реализуется в виде программы для готовой универсальной ЭВМ, в качестве которой можно использовать микроЭВМ, предназначенную для встраивания непосредственно в разрабатываемые блоки. Аппаратно-программный подход предполагает разработку как программных, так и аппаратных средств. К ним относятся цифровые устройства, реализованные как автоматы с микропрограммным управлением и хранимой в ПЗУ программой, а также цифровые устройства, построенные на основе микропроцессора. Аппаратно-программный подход при использовании современных интегральных схем позволяет в наибольшей степени учесть особенности решаемых задач.

Выбор варианта построения цифрового устройства в каждом конкретном случае осуществляется с учетом всех требований технического задания. Применение "жесткой" логики оправдано в двух основных случаях I) при необходимости получения предельно бысокого быстродействия; 2) при построении относительно несложных устройств на интегральных схемах малой и средней степени интеграции.

Если же от устройства требуется гибкость, т.е. способность изменения функций программным путем в процессе работы или расширения круга решаемых задач, тогда становится целесообразным использование микропроцессоров (МП), Применение оправдано при построении устройств большой сложности, если быстродействие МП оказывается достаточным. Ограничения, связанные с недостаточным быстродействием МП, можно преодолеть построением многопроцессорных устройств или выполнением части функций с помощью специально разработанных аппаратных средств, работающих совместно с МП.

Наибольшая экономичность цифрового устройства по объему оборудования и другим эксплуатационным параметрам, а также наименьшая трудоемкость проектирования достигаются при использовании однокристальных МП.

2. Анализ задачи и её формализация

Минимальная конфигурация МП-системы на основе набора К1821, характеристики АЦП (572ПВ3) и технические требования по обеспечению их работы определяют функциональную схему фильтра, приведенную на рис.1.

Входное напряжение U_ВХ через согласующий усилитель подается на вход AI1 АЦП. Согласующий усилитель включен с целью увеличения размаха входного напряжения до требуемого для работы АЦП. Сдвиг входного напряжения в рабочую область АЦП осуществляет напряжение U_CМ, поступающее на вход AI2. Опорное напряжение U_ОП1 требуется для работы АЦП, входящего в состав БИС 572ПВ3.

Коэффициент усиления усилителя: К_СОГЛ = DU_АЦП/DU_ВХ = 2,5.

Напряжение смещения: U_СМ = DU_АЦП/2 = +5 В.

Опорное напряжение: U_ОП1 = - 10 В.

Сброс и запуск АЦП осуществляется по входу /RD (при постоянном значении /CS = 0) импульсом низкого уровня с выхода TOUT таймера, настроенного на формирование импульсов с частотой дискретизации F_Д=2.0 кГц.

Тактирование регистра последовательных приближений АЦП осуществляется тактовыми импульсами CLK МП-системы, поступающими через логическую схему И на тактовый вход СLK АЦП. Высокий уровень сигнала /BUSY, устанавливающийся при окончании преобразования, прекращает поступление импульсов CLK на тактовый вход АЦП.

Тактовая частота преобразования АЦП не должна превышать 1,5 МГц, поэтому примем F_{CLK АЦП} = F_{CLK МП} = 1,5 МГц.

Время преобразования текущего отсчета входного напряжения в код составляет 8 периодов тактовой частоты: t_ПР = 8T_{CLK АЦП} = 5,3 мкс.

Схема выборки и хранения (СВХ) необходима, если за время t_ПР = 5,3 мкс самый быстроизменяющийся сигнал (синусоида с частотой

f_В = 0,5F_Д и с максимальной амплитудой) изменяется на относительную величину, превышающую половину шага квантования h:

0,5h = 0,5/2⁸ = 0,00195. Максимальное изменение синусоиды на интервале t_ПР равно Dx = sin 2pf_Вt_ПР =0,033. Dx > 0,5h, поэтому СВХ для хранения текущего отсчета сигнала на время преобразования АЦП требуется.

Частота дискретизации F_Д = 2,0 кГц формируется аппаратным таймером РУ55, в котором частота переполнения F_П в режиме 3 равна F_Д При использовании в качестве входных импульсов таймера тактовых импульсов CLK МП-системы (F_{CLK МП} = 1,5 МГц) исходное состояние таймера равно N_{ТАЙМЕРА} = F_{CLK МП}/F_Д = 750₍₁₀₎ = 00 0010 1110 1110 _{(2) .}При дополнении 14-разрядного двоичного кода N_{ТАЙМЕРА} двумя битами 11, задающими режим 3, получаем байты N_СТ = 1100 0010₍₂₎ = C2₍₁₆₎, N_МЛ = 1110 1110 ₍₂₎ = EE₍₁₆₎, которые загружаются в таймер при инициализации фильтра.

Согласование кода АЦП и МП необходимо, так как числовые значения на выходе АЦП не отображают значения знакопеременного входного сигнала вследствие подачи на вход AI2 напряжения смещения U_СМ. Согласование можно выполнить смещением диапазона изменения чисел на выходе АЦП в отрицательную область путем вычитания из каждого значения выходного кода константы 1000 0000₍₂₎ - половины от максимального значения выходного кода АЦП (прибавление дает тот же результат).

Форма представления чисел (числовых значений отсчетов входного сигнала) – правильная дробь с фиксированной запятой: старший разряд – знаковый, запятая, остальные двоичные разряды – числовые. Таким образом, числовые значения входного сигнала изменяются в диапазоне от – 1 до + 1.

Ввод данных в МП осуществлять по сигналу готовности АЦП, используя для этого прерывание МП оповещающим сигналом /BUSY. Выберем аппаратное прерывание динамического типа - RST 7.5, 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 заданного разностного уравнения.

В данной программе хранение данных в текущем цикле обработке входного сигнала (в текущем интервале дискретизации) не требуется.

Переполнение разрядной сетки имеет место, если при вычислении разностного уравнения получен числовой результат, выходящий за пределы - 1, + 1 при принятом 8-разрядном формате представления данных. Для исключения переполнения разрядной сетки введем масштабирование (ослабление) входных отсчетов путем их умножения на коэффициент масштабирования k_М < 1, при котором вычисление разностного уравнения никогда не дает недопустимого результата.

Коэффициент k_М получим, предположив, что отсчеты в разностном уравнении принимают максимальные значения (- 1, + 1) и такие знаки, при которых слагаемые разностного уравнения складываются по модулю, то есть складываются по модулю коэффициенты.

Подставив x_n в уравнение для вычисления y_n и просуммировав по модулю коэффициенты, получим y_{n мах} = 0.958+1+0.958=1.916, что является недопустимым результатом. Отсюда заданный коэффициент масштабирования

k_М = 1/ y_{n мах} = 0,522.

Реальные значения коэффициентов разностного уравнения и коэффициента k_М отличаются от заданных вследствие ограничения длины разрядной 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₎;

k_М = 0,522 ₍₁₀₎ » 0,10000101₍₂₎ = 0.51953125 ₍₁₀₎.

По этой причине форма и параметры реальных 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 умножения вручную: арифметические сдвиги множимого вправо, соответствующие позициям единиц множителя, и накопление суммы частичных произведений. Разряды множимого, выходящие в результате сдвига за границу разрядной сетки, теряются.

Исходное состояние аппаратной части и программы фильтра устанавливается при включении питания по сигналу аппаратного узла сброса (схемы сброса). При этом:

• программный счетчик (ВМ85) принимает нулевое значение;

• сбрасывается флаг разрешения прерываний (ВМ85);

• все линии портов РА и РВ (РФ55) настраиваются на ввод;

• порты РА, РВ, РС (РУ55) настраиваются на ввод в режиме простого обмена данными;

• таймер (РУ55) останавливается;

• содержимое ячеек ОЗУ и буферных регистров портов (РУ55) сохраняется.

Из этого следует, что переходу фильтра в рабочий режим должна предшествовать его настройка (инициализация) на обеспечение принятого принципа функционирования, выбранных режимов работы узлов, заданных рабочих характеристик.

3. Разработка общего алгоритма функционирования фильтра

Общий алгоритм функционирования фильтра строится на основе выводов и определений, сделанных при анализе задачи, и включает в себя все функции устройства, реализуемые аппаратно и реализуемые программно. Он содержит также все сигналы и сообщения, необходимые для взаимосвязи аппаратно-реализуемых и программно-реализуемых операций (сигналы и сообщения, которые обеспечивают взаимодействие аппаратной части фильтра и программы). Общий алгоритм функционирования фильтра приведен на рис.2. Работа фильтра начинается с подачи питания на схему сброса. Импульс, сформированный схемой сброса (аппаратный узел), обнуляет счетчик команд МП и инициирует формирование импульса сброса RESET для установки МП-системы в исходное состояние.

Таким образом запускается программа инициализации МП-системы, которая должна начинаться с нулевого адреса. При инициализации: 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 Т_Д в режиме 3; таймер запускается для формирования непрерывной последовательности импульсов с частотой дискретизации F_Д, которые используются далее для взятия отсчетов входного сигнала и запуска АЦП (аппаратного узла). Программа инициализации завершается операцией останова МП.

Из состояния останова МП выводится сигналом /BUSY (код АЦП готов), поступающим на вход RST 7.5 МП.

Последующие операции (ввод, вывод, преобразование кодов, оперативные обращения к памяти, арифметические преобразования) в каждом цикле работы фильтра выполняются под управлением рабочей программы фильтра.

Каждый рабочий цикл МП есть реакция на прерывание (выполнение подпрограммы обслуживания прерывания), поэтому после обслуживания прерывания по команде возврата из подпрограммы в каждом рабочем цикле МП возвращается в состояние останова (в состояние ожидания очередного прерывания).

4. Синтез операционного узла (выбор и обоснование аппаратной части устройства)

Однокристальный МП К1821ВМ85 (ВМ85) является усовершенствованной версией МП КР580ВМ80 (ВМ80). Разработка ВМ85 была направлена на повышение производительности, уменьшение числа БИС, необходимых для построения законченного МП устройства. В результате на одном кристалле размещено устройство, функционально эквивалентное трем БИС: микропроцессору ВМ80, генератору тактовых импульсов ГФ24 и системному контроллеру ВК28/ВК38. МП ВМ85 более экономичный (технология КМОП), использует только один источник питания (+5 В), имеет мультиплексированную шину адреса/данных, расширенные возможности обработки прерываний.

Система команд ВМ85 включает весь набор команд ВМ80 в их старой кодировке, что гарантирует полную совместимость 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 модификации Intel 8085, в которых 12 дополнительных команд, включая SIM и RIM.

Команды SIM и RIM расширяют средства обработки прерываний и обеспечивают последовательный ввод – вывод.

По команде SIM обеспечивается установка нового состояния маски в соответствии с содержимым аккумулятора:

А0 – А2 – соответственно маски RST 5.5, RST 6.5, RST 7.5;

А3 - разрешение установки маски;

А4 – сброс триггера приема запроса RST 7.5;

А5 – не используется;

А6 – разрешение вывода данных;

А7 – бит данных для вывода через SOD.

Установка маски запрещает соответствующее прерывание. Смена маски в соответствии с А0 – А2 выполняется только при разрешении ее установки (А3 = 1). В противном случае функция установки маски подавляется. Команда RIM читает текущее состояние масок в аккумулятор в соответствии со следующим распределением:

А0 – А2 – соответственно маски RST 5.5, RST 6.5, RST 7.5;

A3 - флаг разрешения прерывания;

А4 – А6 – соответственно флаги запросов RST 5.5, RST 6.5, RST 7.5;

А7 – бит данных с входа SID.

Запросы на прерывания строго упорядочены, как это показано в таблице. Установленная приоритетная схема разрешает конфликт при одновременном появлении нескольких запросов и не учитывает текущего приоритета программы.

5. Синтез управляющего узла (разработка программы на языке микропроцессора)

Рабочая программа разработана на основе спроектированного алгоритма функционирования устройства и результатов анализа и формализации задачи. Программа привязана к минимальной конфигурации аппаратной части фильтра.

Распределение памяти ОЗУ:

5000h – хранение отсчета x _n;

5001h – хранение отсчетоа x _{n – 1};

5002h – хранение отсчетоа y _{n – 2};

5003h – хранение произведений p _1n;

5004h – хранение произведений p _2n;

50FFh – начальный адрес стека.

;Программа "Фазовое звено"

;Автор Зенов Павел Васильевич

;Разностное уравнение: y_n = 0.958x _n + x _{n – 1} – 0,958 y _{n – 2};

;

;Инициализация по сигналу "Сброс"

7. Оценка быстродействия устройства

Быстродействие фильтра в рабочем режиме оценим как время, необходимое для обработки каждого прерывания процессора. Рабочая программа фильтра линейная (не содержит разветвлений), поэтому общее число машинных тактов, требуемых для выполнения программы, получим как сумму машинных тактов всех последовательно выполняемых команд, составляющих рабочий цикл процессора.

Сумма машинных тактов для рабочего цикла приведенной выше программы равна 549. Из этого следует вывод, что процессор не успеет выполнить подпрограмму обслуживания прерывания за интервал дискретизации T_Д. При частоте F_{CLK МП} = 1,5 МГц F_Д = 2.0 кГц (750 машинных тактов процессора). Поэтому тактовая частота процессора должна быть увеличена. Примем F_{CLK МП} = 3 МГц, что для заданной БИС МП допустимо, но при этом следует вернуться к вопросам формирования тактовых импульсов для АЦП и входных импульсов таймера.

Повышение тактовой частоты МП может быть также необходимым, если ставить задачу увеличения динамического диапазона представления данных для входного сигнала. При однобайтной обработке данных вследствие масштабирования шумы квантования увеличиваются в k_М раз. Их уменьшения можно добиться переходом к двухбайтному представлению данных при хранении и обработке, что приведет, естественно, к увеличению длины программы и числа машинных тактов для ее реализации.

Уточнение аппаратной части фильтра

Принятые ранее решения по аппаратной части и программе изменятся в минимальной степени, если при F_{CLK МП} = 3 МГц тактовые импульсы для АЦП и таймера с частотой F_{CLK АЦП}= F_{CLK Т} = 1,5 МГц получить путем деления в два раза в счетном триггере. Для этого можно применить ИС КМОП К564ТВ1 (сдвоенный JK-триггер с динамическим тактовым входом и асинхронными RS-входами).

8. Расчёт АЧХ фильтра

Разностное уравнение проектируемого фильтра в общем виде можно представить следующим образом:

y_n = b ₂₀X _n + b ₂₁X _{n – 1} + b ₂₂X _{n – 2} – a ₂₁ y _{n – 1} – a ₂₂ y _{n – 2}.

Коэффициенты b_1i , a_1i , b_2i , a_2i определяют характеристики фильтра.

При значениях коэффициентов

b ₂₀ = 0.958;b ₂₁ = 1;b ₂₂ = 0; a ₂₁ = 0;a ₂₂ = 0.958

фильтр имеет АЧХ фазового звена.

В z-плоскости свойства цифрового фильтра описывает передаточная функция H(z), которая при двухкаскадной структуре и для приведенного выше разностного уравнения имеет вид:

При z = e ^jwT = e ^j2pfT, где Т = Т_Д, сигнал на входе фильтра – синусоида с частотой f и с единичной амплитудой, а функция H(e ^j2pfT) равна частотной характеристике фильтра, из которой можно получить АЧХ и ФЧХ.

Значения коэффициентов разностного уравнения определяют форму и параметры частотных характеристик, поэтому для выявления влияния их приближенного представления следует рассчитать АЧХ при заданных (точных) и реальных (приближенных) значениях коэффициентов:

9. Заключение

В данной курсовой работе была построена схема цифрового устройства и разработана программа, обеспечивающая работу данного устройства как цифрового фазового звена. Устройство имеет высокое быстродействие и в полной мере удовлетворяет требованиям технического задания. Необходимость в высоком быстродействии связана со стремлением обрабатывать в реальном 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- и мини-ЭВМ: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1984.

3. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ-Петербург, 2001.

4. Рафикузаман М. Микропроцессоры и машинное проектирование микропроцессорных 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 микропроцессорных систем. М.: Энергоатомиздат, 1983.

7.Солонина А.И., Улахович Д.А., ЯковлевЛ.Н. Алгоритмы и процессоры 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-цифрового преобразования 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.