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.

Рисунок 1.2 - Типовые характеристики фильтров.

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. ВЫБОР 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

Последовательные порты (SPORTs) обеспечивают последовательный интерфейс с большинством стандартных последовательных устройств, а также с аппаратными средствами сжатия-восстановления данных, использующими A- и - 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 - 21msp5x 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

2.3 МИКРОПРОЦЕССОРЫ КОМПАНИИ TEXAS INSTRUMENTS

Первый процессор семейства - TMS320C10 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.

TMS320C10 является 16-разрядным процессором. Его адресное пространство составляет 4K 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 TMS320C2x.

Микропроцессоры семейства TMS320C2x имеют анлогичную архитектуру, но обладают повышенной производительностью и более широкими функциональными возможностями. Все процессоры семейства поколения могут использовать по 64K слов памяти программ и данных, имеют 16 16-разрядных портов ввода/вывода и последовательный порт.

Процессоры семейства TMS320C2x 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 PIC16C711. Приведем преимущества использования данного микропроцессора в курсовой работе, а также общие его характеристики.

PIC16C711 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 20MHz.

На рисунке 2.1 представлена структурная схема PIC16C711. 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 68x8; 13-битный счетчик команд (Program Counter), младшие 8 бит приходят из регистра PCL, старшие 5 из регистра PCLATH; ППЗУ (EPROM), составляет 1K 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 Timer0.

Рис. 2.1 - Структурная схема PIC16C711

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 : .

34

Рис. 3.1 - Структурная схема цифрового фильтра

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

первое звено:

;

второе звено:

;

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:

да

нет

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:

Калабеков Б. А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1988. - 368с.: ил.

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

MICROCHIP PIC16/17 MICROCONTROLLER DATA BOOK.

Документация на CD, поставляемая компанией MICROCHIP.