3389 ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА - Страница 5

  1. 3. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ ЭТАПОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦИФРОВОГО ФИЛЬТРА НА ОСНОВЕ МП К1821ВМ85

3.1. Постановка задачи

Рассмотрим этапы проектирования цифрового фильтра для задания, приведенного во введении на с.3.

При реальном проектировании цифрового фильтра задаются:

  • спектр сигнала, подлежащего фильтрации, по которому выбирается частота дискретизации FД ;
  • динамический диапазон изменения сигнала, который определяет разрядность представления цифровых данных;
  • частотные характеристики фильтра, на основе которых строятся структура фильтра, его аппаратная часть и программа.

В ТЗ на КП частота дискретизации, разрядность данных, типы основных БИС заданы. Заданы также разностное уравнения и значения коэффициентов, которые определяют частотные характеристики фильтра.

Таким образом, задачей проекта является:

  • разработка электрической принципиальной схемы фильтра;
  • разработка рабочей программы, обеспечивающей управление всеми БИС, входящими в состав фильтра, и реализацию заданного разностного уравнения;
  • расчет частотных характеристик спроектированного фильтра и оценка их искажений, вызванных конечной разрядностью представления коэффициентов.

 

3.2. Анализ и формализация задачи

Минимальная конфигурация МП-системы на основе набора К1821, характеристики АЦП (572ПВ3), ЦАП (572ПА1) и технические требования по обеспечению их работы определяют функциональную схему фильтра, приведенную на рис.2.

Входное напряжение UВХ 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 UCМ, поступающее на вход AI2. Опорное напряжение UОП1 требуется для работы ЦАП, 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 с выхода TOUT таймера, настроенного на формирование импульсов с частотой дискретизации FД.

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 FCLK АЦП = FCLK МП = 1,5 МГц. Если при такой тактовой частоте не обеспечивается требуемое быстродействие фильтра, тактовую частоту МП необходимо повысить, а для тактирования АЦП  использовать делитель частоты FCLK МП или внутренний асинхронный генератор тактовых импульсов, настроенный на частоту FCLKАЦП выбором постоянной времени времязадающей RC-цепи.

Время преобразования текущего отсчета входного напряжения в код составляет 8 периодов тактовой частоты:   tПР = 8TCLK АЦП = 5,3 мкс.

Схема выборки и хранения (СВХ) необходима, если за время tПР = 5,3 мкс самый быстроизменяющийся сигнал (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 изменение синусоиды на интервале tПР равно   Dx = sin 2pfВtПР = 0,000726.       Dx < 0,5h, поэтому СВХ для хранения текущего отсчета сигнала на время преобразования АЦП не требуется.

Частота дискретизации FД = 2,5 кГц формируется аппаратным таймером РУ55, в котором частота переполнения   FП в режиме 3 равна FД При использовании в качестве входных импульсов таймера тактовых импульсов CLK МП-системы (FCLK МП = 1,5 МГц) исходное состояние таймера равно NТАЙМЕРА = FCLK МП/FД = 600(10) = 00 0010 0101 1000(2) .При дополнении 14-разрядного двоичного кода NТАЙМЕРА двумя битами 11, задающими режим 3, получаем байты NСТ = 1100 0010(2) = C2(16), NМЛ = 0101 1000(2) = 58(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 UСМ. 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 целесообразно 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. Уравнение использует входную   выборку  отсчетов   (xn, xn-1,

xn-2), промежуточную (vn, vn-1, vn-2) и выходную (yn, yn-1, yn-2). Все выборки должны быть доступны для вычислений, следовательно, должны храниться в памяти МП-системы. Требуется также вычислять три текущих произведения: p1n = 0,921 vn-2;   p2n = 1,2 yn-1;    p3n = 0,927 yn-2,    которые также должны храниться в памяти. Следовательно, 12 ячеек ОЗУ (РУ55) при составлении программы необходимо определить для хранения данных в текущем цикле обработки входного сигнала (в текущем интервале дискретизации). После вычисления промежуточного отсчета  vn,  выходного отсчета  yn, и записи их в ОЗУ, перед приемом нового входного отсчета необходимо сдвинуть отсчеты всех выборок в памяти: n-1-й отсчет на место n-2-го, n-й отсчет на место n-1-го. Это требуется для подготовки следующего цикла вычислений.

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 kМ < 1, при котором вычисление разностного уравнения никогда не дает недопустимого результата.

 

 

 

Коэффициент kМ 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 vn в уравнение для вычисления yn и просуммировав по модулю коэффициенты, получим yn мах = 7,048, что является недопустимым результатом.      Отсюда      заданный        коэффициент      масштабирования

kМ = 1/ yn мах = 0,142.

Реальные значения коэффициентов разностного уравнения и коэффициента kМ отличаются от заданных вследствие ограничения длины разрядной сетки:                                  a12 = 0,921(10) » 0,11101011(2) = 0,91796875(10);

a21 = 1,2(10) » 1,00110011(2) = 1,19921875(10);

a22 = 0,927(10) » 0,11101101(2) = 0,92578125(10);

kМ = 0,142(10) » 0,00100100(2) = 0,140625(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.

Если затраты времени на вычисление произведений программным способом не допускают обработку сигнала в реальном времени, для вычисления произведений следует использовать БИС аппаратных перемножителей, которые вычисляют произведение за один машинный такт.

Согласование кода МП и кода ЦАП необходимо, так как АЦП преобразует в ток смещенный входной код (положительные числа). Для согласования вычисленный отсчет yn перед выводом на ЦАП суммируется с константой 1000 0000(2).

Вывод данных на ЦАП целесообразно осуществлять через порт РА (РФ55), так как этот порт имеет выходной буферный регистр, в котором отсчет yn хранится в течение всего интервала дискретизации (ЦАП не имеет входного буфера). Напряжение на выходе ЦАП на интервале дискретизации остается постоянным.

Опорное напряжение для ЦАП UОП2 в схеме четырехквадрантного умножения определяет диапазон изменения напряжения на выходе фильтра UВЫХ. Задание на КП требует обеспечить изменение выходного напряжения в диапазоне – 2… + 2 В. Поэтому примем UОП2 = - 2 В.

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.

 

 

3.3  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.3.

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 ТД в режиме 3; таймер запускается для формирования непрерывной последовательности импульсов с частотой дискретизации FД, 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).