Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Задание 2
• Введение 3
• 1 Теоретическая часть 4
• 1.1 Синтез ЦФ 4
• 1. 2 Расчет фильтра 5
• 2 Разработка структуры 11
• 2.1 Выбор микроконтроллера 11
• 2.2 Выбор канала связи 15
• 3 Ход работы 20
• Вывод 22
• Список литературы 23


Задание

Реализовать программно-аппаратный фильтр высоких частот (ФВЧ) на базе микроконтроллера (МК).



Введение

Под цифровым фильтром (ЦФ) в широком смысле понимают любую цифровую систему, которая согласно заданному оператору

(1)

выполняет некоторое преобразование, действующей на ее входе аддитивной смеси

(2)

цифрового сигнала x(n) и помехи о(n). Т.к. любая система обладает определенной передаточной функцией, выполняющей операцию (3), то она имеет соответствующую ей АЧХ и ФЧХ, т.е. обладает определенными фильтрующими свойствами, подавляя одни частоты входного сигнала и передавая другие. В этом смысле любая система является фильтром.

Под цифровым фильтром в узком смысле понимают частотно-избирательную систему, которая обеспечивает селекцию сигналов по частоте.

К таким фильтрам относятся:

1. Фильтры нижних частот (ФНЧ);

2. Фильтры верхних частот (ФВЧ);

3. Полосовые фильтры (ПФ);

4. Режекторные фильтры (РФ).



1 Теоретическая часть

1.1 Синтез ЦФ

Требования к фильтрам могут формироваться как во временной, так и в частотной области, что определяется назначением фильтра и его описанием.

Во временной области требования могут задаваться по отношению к импульсной (h(n)) или к переходной (g(n)) характеристике.

h(n) - реакция на единичный импульс.

g(n) - реакция на единичный скачок.

При этом к частотным свойствам сильных ограничений не предъявляется.

Пример: фильтры, входящие в состав высокоскоростных систем критичны к длительности переходных процессов, поэтому такие фильтры удобнее описывать переходными характеристиками.

В частотной области синтезируют обычно избирательные фильтры. При этом предъявляются требования к АЧХ, ФЧХ или к обеим одновременно.

Фильтр верхних частот (рисунок. 1) (ФНЧ).

Рисунок 1 - АЧХ идеального и реального ФВЧ



f_k - граничная частота задерживания.

f_ч - частота среза.

ФНЧ имеет три полосы: полосу пропускания, полосу задерживания и переходную полосу.

1. Полоса пропускания (ПП) ограничена частотой среза f_ч.

Ширина полосы пропускания Дf_ПП= f_ч.

д₁ - максимально допустимое отклонение АЧХ от единицы в полосе пропускания.

2. Полоса задерживания (ПЗ) лежит от граничной частоты f_k до частоты Найквиста f_s/2.

Ширина полосы задерживания: Дf_ПЗ = f_s/2 - f_k.

д₂ - максимально допустимое отклонение АЧХ в полосе задерживания.

3. Переходная полоса (Пер. П) расположена между полосами пропускания и полосой задерживания.

Ширина переходной полосы: Дf = f_k - f_ч.

Требования к АЧХ в переходной полосе не задаются. Она может быть произвольной.

1.2 Расчет фильтра

Задача расчета фильтра сводится к нахождению его коэффициентов (a_i и b_i), обеспечивающих аппроксимацию заданных характеристик фильтра, например, таких как импульсная характеристика, частотная характеристика, характеристика групповой задержки.

Фильтры Баттерворта нижних частот характеризуются тем, что имеют максимально гладкую амплитудную характеристику в начале координат в s-плоскости. Это означает, что все существующие производные от амплитудной характеристики в начале координат равны нулю.

Чтобы не создавать теорию расчета цифровых фильтров, можно использовать теорию расчета аналоговых фильтров, а затем использовать методы отображения из одной области в другую, т.е. дискретизировать аналоговый фильтр.

Наиболее распространенными методами дискретизации аналоговых фильтров являются:

1) Метод отображения дифференциалов

2) Метод инвариантного преобразования импульсной характеристики

3) Метод билинейного преобразования

4) Метод согласованного z-преобразования

Рассмотрим подробнее метод билинейного преобразования.

Билинейным преобразованием называется преобразование вида, когда производится следующая замена:

(4)

При использовании данного преобразования вся ось j из s-плоскости отображается в единичную окружность на z-плоскости (рисунок 2): левая полуплоскость s отображается в единичный круг, а правая полуплоскость s - в область, расположенную вне единичного круга на z - плоскости.

Рисунок 2 - Отображение s-плоскости в z-плоскость при билинейном преобразовании

Особенностью этого преобразования является то, что так как в единичную окружность на z-плоскости отображается вся ось j плоскости, то эффекты, связанные с наложениями в частотной характеристике цифрового фильтра, характерные для метода инвариантного преобразования импульсной характеристики будут отсутствовать. Однако соотношение между частотами аналогового фильтра Щ и цифрового фильтра оказывается существенно нелинейными. Это условие ограничивает область применение билинейного преобразования, то есть метод применим только к фильтрам, частотная характеристика которых имеет ступенчатый характер.

При расчете цифровых ФВЧ, ФНЧ, ПФ и РФ используется два подхода (рисунок 3): аналоговый -> аналоговый, цифровой->цифровой.

Рисунок 3 - Частотные преобразования фильтров нижних частот

В первом случае нормализованный аналоговый фильтр, предварительно преобразуется в другой аналоговый фильтр, из которого затем путем дискретизации рассчитывается цифровой фильтр.

Во втором случае нормированный фильтр нижних частот дискретизируется сразу же, а затем путем преобразования его полосы частот формируется цифровой фильтр с заданными характеристиками.

В данной работе будем пользоваться первым методом. Преобразование полосы частот из нормализованного ФНЧ в ПФ представляет собой:

(5)



Запишем частотную характеристику звена второго порядка фильтра в S-плоскости:

(6)

где ,

Далее раскроем скобки в формуле (6):

(7)

Учитывая, что:

(8)

(9)

Тогда формула (7) запишется как

(10)

Учитывая, что , сократим:

(11)

Для преобразования полосы частот от ФНЧ к ФВЧ, необходимо использовать формулу (2), где - частота среза.

После преобразования к ФВЧ получим формулу:



(12)

где .

Выполним билинейное преобразование, выполнив следующую подстановку для формулы (12):

(13)

Получим:

Учитывая, что

а также, сокращая на числитель и знаменатель, запишем значения всех коэффициентов:



Запишем частотную характеристику звена первого порядка фильтра в S-плоскости:

(14)

Основываясь на формулах (8) и (9) сократим формулу (7):

(15)

После преобразования к ФВЧ получим формулу:

(16)

Выполняем билинейное преобразование:

(17)

Получаем следующие коэффициенты (учитывая сокращение на g):



2 Разработка структуры

2.1 Выбор микроконтроллера

В последние годы при разработке систем управления объектами различного типа и уровня сложности все больше внимания уделяется микроконтроллерной технике. Это связано с ее бурным развитием и широким ассортиментом предлагаемой продукции. Использование микроконтроллеров позволяет конструировать устройства, обладающие такими качествами, как небольшие габариты, относительная дешевизна, простота и надежность, совместимость с персональным компьютером через стандартные интерфейсы.

При разработке устройства возникает необходимость в выборе микроконтроллера, удовлетворяющего требованиям по производительности, надежности, условиям применения и т.д.

Выбор микроконтроллера является одним из самых важных решений, от которых зависит успех или провал всего проекта. При выборе микроконтроллера существуют многочисленные критерии, большинство из которых представлены в этом разделе.

Основная цель - выбрать микроконтроллер с минимальной ценой (чтобы снизить общую стоимость системы), но в то же время удовлетворяющий системной спецификации, т.е. требованиям по производительности, надежности, условиям применения и т.д.

Второй шаг - поиск микроконтроллеров, которые удовлетворяют всем системным требованиям. Он обычно включает подбор литературы, технических описаний и технических коммерческих журналов, а также демонстрационные консультации.

Последняя стадия выбора состоит из нескольких этапов, цель которых - сузить список приемлемых микроконтроллеров до одного. Эти этапы включают в себя анализ цены, доступности, средств разработки, поддержки производителя, стабильности и наличия других производителей.

Проведение системного анализа проекта позволяет определить требования к микроконтроллеру:

· разрядность вычислительного ядра;

· набор встроенных периферийных устройств (таймеры, АЦП и т.п.);

· наличие битовых операций;

· аппаратная организация обработки данных (структура машинного цикла, соотношение тактов ГТИ и машинных циклов);

· возможность работа по прерываниям, по внешним сигналам готовности или по командам человека;

· количество управляемых портов ввода/вывода, характер передачи -

· байтовая или битовая, программная настройка направления передачи;

· тип устройств ввода/вывода, которыми должен управлять выбираемый МК в проектируемой системе (терминалы, выключатели, реле, клавиши, датчики, цифровые устройства визуальной индикации, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, модуляторы и т.д.);

· поддерживаемые способы загрузки программ в микроконтроллер, возможность внутрисистемного программирования (ISP), использование при этом стандартизированных интерфейсов (SPI, I2C);

· количество и тип напряжений питаний;

· отказоустойчивость источника питания;

· массогабаритные и эстетические ограничения;

· условия окружающей среды, необходимые для эксплуатации.

Учитывая сказанное, к микроконтроллеру были выдвинуты следующие требования:

· наличие АЦП (т.к. генерация исходного сигнала выполняется в аналоговом виде);

· большой объем FLASH-памяти (т.к. фильтрация требует большого количества операций с плавающей точкой);

· возможность управления терминалом и ЖК-дисплеем для вывода результатов обработки в текстовом и графическом виде;

· возможность разработки прошивки на языке C.

Выбор выполнялся среди микроконтроллеров фирмы Atmel Corporation семейства AVR. Данный выбор был обусловлен тем, что данное семейство имеет широкий спектр микроконтроллеров, имеющих необходимые характеристики. Не менее важным критерием в выборе семейства микроконтроллеров является наличие большого числа сред для программирования таких микроконтроллеров.

Микроконтроллеры AVR имеют гарвардскую архитектуру (программа и данные находятся в разных адресных пространствах) и систему команд, близкую к идеологии RISC. Процессор AVR имеет 32 8-битных регистра общего назначения, объединённых в регистровый файл.

Стандартные семейства:

· tinyAVR (ATtinyxxx):

§ Флэш-память до 16 Кб; SRAM до 512 б; EEPROM до 512 б;

§ Число линий ввод-вывода 4-18 (общее количество выводов 6-32);

§ Ограниченный набор периферийных устройств.

· megaAVR (ATmegaxxx):

§ Флеш-память до 256 Кб; SRAM до 8 Кб; EEPROM до 4 Кб;

§ Число линий ввода-вывода 23-86 (общее количество выводов 28-100);

§ Аппаратный умножитель;

§ Расширенная система команд и периферийных устройств.

· XMEGA AVR (ATxmegaxxx):

§ Флеш-память до 384 Кб; SRAM до 32 Кб; EEPROM до 4 Кб;

§ Четырёхканальный DMA-контроллер;

§ Инновационная система обработки событий.

Микроконтроллеры семейства tinyAVR являются наиболее дешевыми, но имеют малый объем FLASH-памяти (до 16 Кб). Данного объема памяти может быть недостаточно, для выполнения цифровой фильтрации.

Наиболее оптимальным из стандартных является семейство megaAVR, т.к. микроконтроллеры, входящие в него имеют объем FLASH-памяти до 256 Кб.

В результате выполненного анализа был выбран микроконтроллер ATmega32, данный микроконтроллер имеет следующие характеристики:

· Высокопроизводительный, маломощный 8-разрядный AVR-микроконтроллер;

· Развитая RISC-архитектура:

§ 133 мощных инструкций, большинство из которых выполняются за один машинный цикл;

§ 32 8-разр. регистров общего назначения + регистры управления встроенной периферией;

§ Полностью статическая работа;

§ Производительность до 16 млн. операций в секунду при тактовой частоте 16 МГц;

§ Встроенное умножающее устройство выполняет умножение за 2 машинных цикла;

· Энергонезависимая память программ и данных:

§ 32 кбайта внутрисистемно перепрограммируемой флэш-памяти;

· Отличительные особенности периферийных устройств:

§ Два 8-разр. таймера-счетчика с раздельными предделителями и режимами сравнения;

§ Два расширенных 16-разр. таймера-счетчика с отдельными предделителями, режимами сравнения и режимами захвата;

§ Счетчик реального времени с отдельным генератором;

§ Два 8-разр. каналов ШИМ;

§ 6 каналов ШИМ с программируемым разрешением от 2 до 16 разрядов;

§ Модулятор выходов сравнения;

§ 8 мультиплексированных каналов 10-разрядного аналогово-цифрового преобразования:

ћ 8 несимметричных каналов;

ћ 7 дифференциальных каналов;

ћ 2 дифференциальных канала с выборочным усилением из 1x, 10x и 200x;

§ Двухпроводной последовательный интерфейс, ориентированный не передачу данных в байтном формате;

§ Два канала программируемых последовательных УСАПП;

§ Последовательный интерфейс SPI с поддержкой режимов ведущий/подчиненный;

§ Программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором;

§ Встроенный аналоговый компаратор.

Таким образом, выбранный микроконтроллер полностью соответствует предъявляемым требованиям.

2.2 Выбор канала связи

В настоящее время существует множество протоколов для связи как нескольких микроконтроллеров между собой, так и микроконтроллеров с периферией. В результате анализа преимуществ и недостатков различных интерфейсов, был сделан выбор в пользу SPI.

SPI (Serial Peripheral Interface) - последовательный синхронный стандарт передачи данных в режиме полного дуплекса, разработанный компанией Motorola для обеспечения простого и недорогого сопряжения микроконтроллеров и периферии. SPI также иногда называют четырёхпроводным (four-wire) интерфейсом.

SPI - популярный интерфейс для последовательного обмена данными между микросхемами. Интерфейс SPI, наряду с I²C, относится к самым широко используемым интерфейсам для соединения микросхем. Изначально он был придуман компанией Motorola, а в настоящее время используется в продукции многих производителей. Шина SPI организована по принципу «ведущий-подчиненный» («Master-Slave»).

Достоинства шины SPI:

· Полнодуплексный обмен;

· Скорость передачи выше, чем у I2C, SMBus;

· Протокол передачи битовый, а значит, гибкий для реализации и назначения:

· Очень простая аппаратная реализация интерфейса;

· Является 4-проводным (по сравнению с параллельными интерфейсами), при этом при независимом подключении очередного подчиненного устройства нужна только одна дополнительная линия (SSn), все остальные являются разделяемыми;

· Протяженность SPI сравнима с интерфейсами RS-232, RS-485, CAN;

· Предельная простота протокола передачи на физическом уровне обуславливает высокую надежность и быстродействие передачи. Предельное быстродействие шины SPI измеряется десятками мегагерц и, поэтому, она идеальна для потоковой передачи больших объемов данных и широко используется в высокоскоростных ЦАП/АЦП, драйверах светодиодных дисплеев и микросхемах памяти.

2.2.1 Электрическое подключение

Самое простое подключение по шине SPI, в котором участвуют только две микросхемы, показано на рисунке 4. Здесь, ведущий шины передает данные по линии MOSI синхронно со сгенерированным им же сигналом SCLK, а подчиненный захватывает переданные биты данных по определенным фронтам принятого сигнала синхронизации. Одновременно с этим подчиненный отправляет свою посылку данных. Представленную схему можно упростить исключением линии MISO, если используемая подчиненная ИС не предусматривает ответную передачу данных или в ней нет потребности. Одностороннюю передачу данных можно встретить у таких микросхем как ЦАП, цифровые потенциометры, программируемые усилители и драйверы. Таким образом, рассматриваемый вариант подключения подчиненной ИС требует 3 или 4 линии связи. Чтобы подчиненная ИС принимала и передавала данные, помимо наличия сигнала синхронизации, необходимо также, чтобы линия SS была переведена в низкое состояние. В противном случае, подчиненная ИС будет неактивна. Когда используется только одна внешняя ИС, может возникнуть соблазн исключения и линии SS за счет жесткой установки низкого уровня на входе выбора подчиненной микросхемы. Такое решение крайне нежелательно и может привести к сбоям или вообще невозможности передачи данных, т.к. вход выбора микросхемы служит для перевода ИС в её исходное состояние и иногда инициирует вывод первого бита данных.

Рисунок 4 - Простейшее подключение к шине SPI

2.2.2 Протокол передачи

Протокол передачи по интерфейсу SPI предельно прост и, по сути, идентичен логике работы сдвигового регистра, которая заключается в выполнении операции сдвига и, соответственно, побитного ввода и вывода данных по определенным фронтам сигнала синхронизации. Установка данных при передаче и выборка при приеме всегда выполняются по противоположным фронтам синхронизации. Это необходимо для гарантирования выборки данных после надежного их установления. Если к этому учесть, что в качестве первого фронта в цикле передачи может выступать нарастающий или падающий фронт, то всего возможно четыре варианта логики работы интерфейса SPI. Эти варианты получили название режимов SPI и описываются двумя параметрами:

1. CPOL - исходный уровень сигнала синхронизации (если CPOL=0, то линия синхронизации до начала цикла передачи и после его окончания имеет низкий уровень (т.е. первый фронт нарастающий, а последний - падающий), иначе, если CPOL=1, - высокий (т.е. первый фронт падающий, а последний - нарастающий));

2. CPHA - фаза синхронизации; от этого параметра зависит, в какой последовательности выполняется установка и выборка данных (если CPHA=0, то по переднему фронту в цикле синхронизации будет выполняться выборка данных, а затем, по заднему фронту, - установка данных; если же CPHA=1, то установка данных будет выполняться по переднему фронту в цикле синхронизации, а выборка - по заднему). Информация по режимам SPI обобщена в таблице 1.

Ведущая и подчиненная микросхемы, работающие в различных режимах SPI, являются несовместимыми, поэтому, перед выбором подчиненных микросхем важно уточнить, какие режимы поддерживаются ведущим шины. Аппаратные модули SPI, интегрированные в микроконтроллеры, в большинстве случаев поддерживают возможность выбора любого режима SPI и, поэтому, к ним возможно подключение любых подчиненных SPI-микросхем (относится только к независимому варианту подключения). Кроме того, протокол SPI в любом из режимов легко реализуется программно.[5]



Таблица 1. Режимы SPI

Режим SPI	0	1	2	3
CPOL	0	1	0	1
CPHA	0	0	1	1
Временная диаграмма первого цикла синхронизации

Обмен информацией по шине SPI представлен на рис. 5. Сдвиговые регистры замкнуты в кольцо по линиям MOSI и MISO, тактовый сигнал от генератора подается на оба сдвиговых регистра (на slave через линию SCK).

Рисунок 5 - Обмен данными по шине SPI

Перед началом обмена данные помещаются в сдвиговые регистры, мастер запускает генератор, генератор отсчитывает 8 тактов. За 8 тактов сдвиговые регистры обмениваются содержимым.



3 Ход работы

Заданием для выполнения курсового проекта является реализация программно-аппаратного фильтра высоких частот на базе микроконтроллера, поэтому, в первую очередь, необходимо добавить на схему генератор исходного синусоидального сигнала, с параметрами: амплитуда 1В, частота 4 Гц. Для вывода исходного сигнала используется «канал А» осциллографа.

В качестве микроконтроллера был выбран «Atmega32». Рассмотрим подключение МК, выполняющего АЦП и фильтрацию (MASTER на схеме). На вход порта питания «AVCC» и на вход подключения источника опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП) «AREF» подается питание 5В.

Резисторы R1 и R2 выполняют роль делителя напряжения, который добавляет к входному сигналу постоянную составляющую, равную половине напряжения питания, так как АЦП преобразует только положительные значения напряжения.

Исходный сигнал подается на вход «PA0» микроконтроллера, имеющий встроенный АЦП. Цифровым способом сигнал нормализуется, и к нему добавляется шум. Шум представляет из себя синусоиду с частотой 0,5 Гц. Далее сигнал фильтруется с помощью цифрового ФВЧ.

Отфильтрованный сигнал по шине SPI передается на второй микроконтроллер (SLAVE на схеме), где выводится на жидкокристаллический индикатор (ЖКИ). Передача осуществляется через порты «-SS», «MOSI», «SCK». Для отладки и контроля передачи используется инструмент «SPI Debugger»

Зашумленный и отфильтрованный сигналы представлены на ЖК-дисплее (рис. 6).



Рисунок 6 - Сигнал с помехой и отфильтрованный сигнал

На рисунке 7 представлена схема полученного устройства. Код прошивки микроконтроллера MASTER представлен в «Приложении А», SLAVE - в «Приложении Б». Компиляция кода прошивки выполнялась в среде «CodeVision AVR».

Рисунок 7 - Схема устройства



Вывод

В результате выполнения данного курсового проекта был спроектирован и реализован программно-аппаратный фильтр высоких частот на базе микроконтроллера Atmega32.

Полученная схема выполняет следующие функции:

1. Генерация исходного сигнала.

2. АЦП и нормализация.

3. ВЧ фильтрация.

4. Передача по шине SPI.

5. Вывода на экран.



Список литературы

цифровой фильтр аппаратный программный

1. К.Ю. Петухов. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Микропроцессоры в измерительных системах».

2. Datasheet микроконтроллера ATmega32. URL: http://www.atmel.com/Images/doc2503.pdf (дата обращения: 05.11.2012).

3. Гитлин В.Б. Конспект лекций по курсу «Теория цифровой обработки сигналов».

4. Рабинер Л.Р., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов, М.: Мир, 1978 г.

5. Последовательный интерфейс SPI. URL: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/spi/index.htm (дата обращения: 07.11.2012)

Размещено на Allbest.ru