Цифрові фільтри для пристроїв кодування графічної інформації

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.372.54.037.372

ЦИФРОВІ ФІЛЬТРИ ДЛЯ ПРИСТРОЇВ КОДУВАННЯ ГРАФІЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ

Спеціальність 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки

та систем керування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Яковлев Сергій Дмитрович

Одеса 2000

Дисертацією є рукопис

робота виконана на кафедрі "Комп'ютерні системи" Одеського державного політехнічного університету, Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник залужений діяч науки і техніки України, чл._кор. АПН України, доктор технічних наук, професор Малахов Валерій Павлович зав. кафедрою "Комп'ютерні системи" Одеський державний політехнічний університет

Офіціальні опоненти: доктор технічних наук, професор Дейнега Віктор Тимофійович заст. директора НДІ "Шторм"

кандидат технічних наук, доцент Мещеряков Володимир Іванович зав. кафедрою "САПР", Одеська державна академія холоду

Провідна установа Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться "_18__"_січня_2001 р. о 13 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.052.01 в Одеському державному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського державного політехнічного університету за адресою: м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий "_18_"_грудня_2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, професор Ямпольський Ю.С.

Загальна характеристика роботи

цифровий фільтр кодування модуляція

Актуальність теми. В зв'язку з широким впровадженням ЕОМ в пристроях обробки даних в автоматизованих системах керування технологічними процесами (АСКТП) виникає задача розробки засобів взаємодії проектувальника та ЕОМ. Тому при розробці АСКТП і при проектуванні радіоелектронної апаратури (РЕА) особливе місце займають діалогові графічні комплекси.

Прикладом таких комплексів служать автоматизовані робочі місця (АРМ) проектувальника, конструктора і технолога, які залежно від призначення комплектуються різноманітними типами ПЕОМ, дисплеями, автоматами для креслення, пристроями вводу графічної інформації.

В ряді випадків із-за специфіки самої інформації (графічні зображення з лініями довільного типу, що пересікаються) неможливо повністю автоматизувати її кодування та обробку. Тому, для цілого ряду задач використання напівавтоматичних пристроїв кодування графічної інформації (ПКГІ) краще, ніж автоматичних, бо притягнення зорового аналізатору оператора для ідентифікації різноманітних характерних точок і ділянок зображення істотно підвищує оперативність її обробки.

В цей час велика увага приділяється розробці п'єзоелектричних напівавтоматичних ПКГІ, які, як правило, включають в себе: задаючий генератор, випромінювачі, планшет-звукопровід, зйомник координат та схему керування і кодування. При розробці п'єзоелектричних ПКГІ виникає задача виділення слабкого сигналу, що надходить від зйомника координат на фоні інтенсивних перешкод, що виникають в планшеті-звукопроводі.

В останній час велика увага приділяється цифровій фільтрації сигналів, що має ряд привілеїв порівняно із аналоговою. До них відноситься підвищена точність, стабільність характеристик, можливість змінити характеристики програмним шляхом. Крім того, цифрові фільтри (ЦФ) можуть бути достатньо складними для забезпечення необхідної крутизни частотної характеристики в перехідній області і точного положення полюсів.

В разі якщо ЦФ реалізується на потужному сигнальному процесорі, стають доступними і інші можливості. Наприклад, можна скористатися процесором для реалізації адаптивної фільтрації, або інших підхожих до конкретної задачі алгоритмів, що підвищать загальну якість системи.

Треба визначити, що структур аналогових фільтрів розроблено на декілька порядків більше, ніж цифрових. Аналогові структури лічаться тисячами, цифрові десятками. Виникає ситуація, коли проектувальник не має достатньо великої кількості структур цифрових фільтрів порівняно із аналоговими. В зв'язку з цим, немає свободи вибору таких структур по різноманітним критеріям, наприклад, по таким як швидкодія і мінімум шуму.

Виходячи з цього, є актуальною задача одержання таких структур ЦФ, які дозволять здійснити обробку сигналу в ПКГІ за менший проміжок часу, а також підвищити точність роботи пристрою за рахунок використання принципу частотної модуляції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Науково_дослідна робота по темі дисертації проводилась згідно з держбюджетною темою:

260-64 "Матричні перетворення в теорії проектування різних класів електронних ланцюгів" (реєстраційний 0196U0223193).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методики проектування структур цифрових фільтрів за аналоговими прототипами, завдяки яким здійснюється обробка слабкого сигналу в пристроях кодування графічної інформації на фоні інтенсивних перешкод в планшеті_звукопроводі.

Дана мета досягається вирішенням наступних задач:

- аналіз існуючих способів одержання структур ЦФ;

- розробка методики одержання структур ЦФ по схемам аналогових прототипів;

- проектування структур ЦФ за схемами аналогових RC_фільтрів на 3_х та 4_х операційних підсилювачах;

- вибір оптимальних структур ЦФ;

- дослідження стійкості структур ЦФ;

- створення та дослідження математичної моделі ЦФ;

- виготовлення фізичної моделі ЦФ та перевірка на ній теоретичних положень.

- розробка способу кодування графічної інформації з використанням принципу частотної модуляції;

- розробка пристрою кодування графічної інформації з використанням принципу частотної модуляції та визначення вимог до ЦФ.

Об'єкт досліджень -- цифровий фільтр.

Предмет досліджень -- цифрові фільтри для пристроїв кодування графічної інформації.

Методи досліджень базуються: на теорії матриць, за допомогою якої складається матриця провідностей, яка використовувалась для одержання структур ЦФ; теорії електричних кіл, яка використовувалась при складені системи рівнянь за методом вузлових потенціалів; теорії графів, яка використовувалась для побудови структур ЦФ та знаходження дисперсії вихідного шуму ЦФ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- дістали подальший розвиток методи одержання структур ЦФ, а саме вперше розроблено методику проектування ЦФ з побудовою матриці провідностей аналогового прототипу, яка дозволяє на відміну від відомих раніше методик одержати більшу кількість структур ЦФ;

- вперше запропоновано використати ЦФ в пристроях кодування графічної інформації, що дозволяє підвищити швидкодію кодування за рахунок зменшення паузи між вимірюванням координат;

- вперше побудовані та досліджені фізичні моделі ЦФ, які дозволили визначити швидкодію алгоритмів цифрової фільтрації;

- удосконалена фізична модель пристрою кодування графічної інформації за рахунок використання частотної модуляції, яка, на відміну від відомих раніше моделей з амплітудною модуляцією, дозволяє підвищити точність кодування.

Практичне значення одержаних результатів.

Результати досліджень, які одержані в дисертації, знайшли практичне застосування при розробці автоматизованої системи забезпечення технологічного процесу розмолу зерна, яка була впроваджена на Куліндоровському млині. Використання у системі пристрою кодування графічної інформації на базі мікроконтролеру з програмною реалізацією цифрового фільтру дозволило прискорити розрахунки балансу виходу розмолу млина по зерну та зменшити час підготовки системи.

Ряд положень дисертації використовується у навчальному процесі Одеського державного політехнічного університету на кафедрі "Комп'ютерні системи" при викладанні курсу "Цифрові системи", а також у навчальному процесі Одеської державної академії холоду на кафедрі "Електротехніки та електронних пристроїв" при викладанні курсів "Обробка сигналів та зображень" та "Цифрові системи керування і обробки інформації".

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі існуючих способів проектування цифрових фільтрів, а також принципів кодування графічної інформації. Автор розробив оригінальну методику проектування цифрових фільтрів по схемам аналогових прототипів та спосіб кодування графічної інформації з використанням частотної модуляції.

В опублікованих працях із співавторами здобувачем виконано: у роботі [1] розроблена методика синтезу ЦФ за схемою АП з використанням матриці провідностей; у [2] розроблена та досліджена математична модель ЦФ; у [5] запропоновано використати принцип частотної модуляції в пристроях для читання графічної інформації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались на:

- наукової конференції "Наука і освіта", м. Дніпропетровськ;

- науковому семінарі "Моделювання в прикладних наукових дослідженнях", м. Одеса.

Публікації. Основні результати роботи відображені в сімох публікаціях, три із співавторами, чотири самостійно, в тому числі, у чотирьох статтях у наукових фахових журналах, одному авторському свідоцтві, та двох матеріалах наукових конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів та шести додатків. Загальний обсяг дисертації 137 сторінок, кількість додатків 6. Дисертація містить 69 рисунків, 6 таблиць та список джерел з 60 найменувань.

Основний зміст

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформована мета і задачі досліджень, викладені основні наукові і практичні результати, що отримані у роботі, основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі розглянуто способи синтезу ЦФ за аналоговим прототипом і прямому синтезу. Відмічено, що основна увага приділяється одержанню структур ЦФ за даними аналогових прототипів.

Пропонується звернути більше уваги на проектування цифрового фільтру по матриці провідностей аналогового прототипу, що дозволяє реалізувати одержання ряду структур, що відповідають наданої передатної функції.

Проаналізовані методи переходу із аналогової плоскості до дискретної і рекомендується обрати спосіб відображення диференціалів із зворотними різностями або бiлінійне z_перетворення.

Розглянуті основні принципи побудови напівавтоматичних пристроїв кодування графічної інформації.

Основна увага приділяється п'єзоелектричним пристроям кодування графічної інформації (ПКГІ). Узагальнена структурна схема такого пристрою приведена на рис.1. Пристрій складається з задаючого генератору (ЗГ); п'єзовипромінювачів б і в; планшету_звукопроводу а, зйомника координат г; підсилювача (П); смугового фільтру (СФ); формувача імпульсів (ФІ); координатних RS_тригерів T; схем І та двійкових лічильників.

Рис. 1 Узагальнена структурна схема п'єзоелектричного пристрою кодування графічної інформації

В процесі роботи пристроїв кодування графічної інформації на результат виміру впливають хвильові процеси, що виникають в планшеті_звукопроводі. Тому, швидкодія приладу обмежується необхідністю після виміру однієї із координат вводити достатньо велику паузу для затухання в планшеті_звукопроводі хвильових процесів.

Для підвищення швидкодії запропоновано в ПКГІ застосувати смуговий фільтр, що дозволить зменшити вплив хвильових процесів на результат виміру координат. Сформульовано ряд вимог до смугового фільтру.

Визначено об'єкт досліджень - цифровий фільтр, що належить до приймальної частини пристрою кодування графічної інформації.

Зважаючи на те, що в процесі розвитку теми дисертації припускається використання для реалізації пристроїв кодування графічної інформації мікропроцесорної техніки, реалізацію ЦФ можна перевести на програмний рівень і сумістити її з процесами вимірювання і кодування.

Другий розділ присвячено розробці методики проектування структур ЦФ.

Запропонована методика використовує спосіб проектування ЦФ за аналоговим прототипом (АП). Шляхи одержання структур ЦФ за АП відображені на рис. 2.

Рис. 2 Схема проектування структур ЦФ

Більшість традиційних способів зводяться до одержання структур ЦФ по передатній характеристиці аналогового прототипу, використовуючи один із видів z_перетворення.

На рис.2 цей шлях зображений на верхньої гілцi схеми. Шлях дозволяє одержати обмежену кількість структур ЦФ, що достатньо добре досліджені.

Запропоновано методику одержання структур ЦФ, яка зображена на нижній гілці рис. 2.

Методика складається із наступних етапів проектування:

1. Вибір аналогового прототипу.

В якості аналогових прототипів для реалізації ЦФ другого порядку можуть бути обрані схеми активних фільтрів на одному, двох, трьох і чотирьох операційних підсилювачах (ОП).

На рис. 3 приведена узагальнена структурна схема активного аналогового RС_фільтру на трьох ОП.

Рис. 3 Узагальнена схема активного аналогового RС-фільтру

2. Для обраного аналогового прототипу (рис. 3) складається матриця провідностей.

[Y] = (1)

Для складання матриці провідностей необхідно в схемі аналогового прототипу розставити номери вузлів таким чином, щоб вузол з номером 1 був вузлом входу фільтру, а вихідний вузол мав би останній номер. Після цього в матрицю [Y] вносяться провідності, виходячи з наступних правил:

- діагональні елементи матриці позитивні Y_jj і дорівнюють сумі провідностей, що підключені до j-го вузла;

- позадіагональні елементи матриці [Y] негативні Y_ij і дорівнюють сумі провідностей, що включені між вузлами i та j.

Одержану матрицю провідностей можна спростити. Показано, що крутизна S ОП не впливає на передатну функцію фільтру. Отже, можна викреслити із матриці провідностей (1) всі рядки з номерами, що відповідають номерам вузлів, до яких підключені виходи ОП і всі стовпці, до яких підключені iнвертовані входи ОП. Внаслідок одержуємо спрощену матрицю провідностей.

[Y] = (2)

По даній матриці знайдемо передатну характеристику фільтру.

, (3)

де Y - міжвузлові провідності.

В свою чергу, для смугового фільтру другого порядку передатна функція записується в загальному вигляді наступним чином:

(4)

Аналізуючи формули (3) і (4), можна зробити висновок, що частотно_залежні змінні можна включати в різноманітні дільниці узагальненої структурної схеми та одержати ряд конкретних аналогових прототипів. Це дає можливість на наступних етапах проектування одержати різноманітні структури ЦФ і провести їх аналіз.

3. Складання системи рівнянь аналогового прототипу.

Для складання системи рівнянь використовується спрощена матриця провідностей (2).

[Y] [U] = [I], (5)

де [Y] -- спрощена матриця провідностей; [U] -- матриця_стовпець напруг у вузлах; [I] -- матриця_стовпець струмів.

Матриця_стовпець струмів [I] буде рівна нулю в усіх рядках, крім першого рядка у який включається струм I_г. Струм I_г, дорівнює струму генератору, який підключено до входу схеми.

Внаслідок перемноження матриць одержимо систему n рівнянь, що залежать від частотної змінної s, де n - розрядність матриці провідностей (2).

4. Складання і рішення системи рівнянь дискретного виду.

Для одержання рівнянь, що описують цифровий фільтр необхідно в системі рівнянь аналогового прототипу, яка одержана на третьому етапі замінити частотно_залежну змінну s на дискретну z-¹.

Рекомендовано для переходу із аналогової s_плоскості до дискретної z_плоскостi застосувати наступні підстановки:

- по методу відображення диференціалів

, (6)

де f_a -- частота дискретизації, z¹ -- затримка імпульсу на один такт періоду дискретизації.

- по білінейному перетворенню

, (7)

де T_a -- період дискретизації.

Внаслідок одержимо систему рівнянь дискретного виду. Вирішуючи систему рівнянь щодо U_вих, одержимо:

(8)

Система рівнянь дискретного виду вирішується однім із відомих методів: за допомогою методу Гауса або методу послідовної підстановки, причому кожний із можливих варіантів рішень буде визначати структурну схему ЦФ, що дає можливість додатково збільшити їх кількість.

5. Побудова графів ЦФ. Для побудови графа необхідно розташувати вершини графа, що відповідають вузлам схеми і додати в нього вершини, які відповідають значенням напруг, що затримані елементами затримки z¹. По системі рівнянь дискретного виду (8) необхідно провести орієнтовані гілки між вершинами графа. Усі гілки графа будуть мати коефіцієнти передачі міжвузлових напруг.

6. Побудова структур ЦФ. При побудові структур цифрових фільтрів використовуються наступні правила:

- орієнтована гілка графа, рядом з якою записується постійний множник, замінюється на помножувач;

- орієнтована гілка графа рядом із якої записується z¹_, замінюється на ланку затримки;

- усі вузли графа замінюються на суматори.

7. Вибираємо чергову структуру згідно з п. 2 та п. 4 до тих пір, доки не здійснюємо повний перебір.

Розглянуто конкретний приклад одержання структур ЦФ другого порядку за схемою АП на трьох та чотирьох операційних підсилювачах.

Використовуючи підстановки по методам відображення диференціалів та білінійного перетворення, було одержано 15 структур ЦФ.

Для прикладу на рис. 4 приведені найбільш характерні структури.

З приведених етапів слідує, що процес одержання структур ЦФ і алгоритмів їх роботи характеризуються неоднозначністю рішень, що притаманно будь-який процедурі синтезу.

8. Аналіз одержаних структур. Як правило, для оцінки кінцевого результату при виборі "найкращих" рішень використається кількісний критерій (цільова функція).

При застосуванні для реалізації ЦФ мікроконтролерів (МК) і мікропроцесорних комплектів (МПК) використаються наступні цільові функції: Ф₁ = min { N_ОП }, де N_ОП - число операцій в алгоритмі; Ф₂ = min { n_К }, де n_К кількість команд у програмі; Ф₃ = min { n_О }, де n_О - розрядність операндів; Ф₄ = min { }, де - дисперсія шуму округлення (зрізки), що викликані кінцевою розрядністю операндів в алгоритмі цифрового фільтру; Ф₅ = min { N_П }, де N_П - число змінних в алгоритмі цифрової фільтрації (число вузлів у графі).

Усі перелічені цільові функції на етапі одержання структур ЦФ неможливо використати для вибору оптимальної структури. Так наприклад, цільову функцію Ф₂ = min { n_К } краще використати при розробці програми цифрової фільтрації.

Тому, на етапі синтезу алгоритму можуть бути використані критерії синтезу, спрямовані на підвищення швидкодії за рахунок зменшення кількості операцій N_ОП (реалізація цільової функції Ф₁=min {N_ОП}) і зменшення мінімуму шуму (реалізація цільової функції Ф₄=min {}).

В табл.1 приведені дані по кількості операцій в алгоритмі цифрової фільтрації і дисперсії вихідного шуму для структур, що відображені на рис. 4.

Рис. 4 Структури ЦФ

Проведено аналіз одержаних структур по критеріям швидкодії і мінімуму шуму та визначені оптимальні структури, які рекомендовані для подальшої реалізації (наприклад, рис. 4а).

Проведено перевірку стійкості одержаних структур. Це дозволяє позбавитися від структур, в яких порушені умови стійкості.

Остаточна перевірка стійкості ЦФ виконується, як правило, на етапі моделювання характеристик ЦФ.

Таблиця 1

Кількість операцій та дисперсія вихідного шуму в структурах ЦФ

	Параметр	Структура ЦФ
п/п		рис.4.а	рис.4.б	рис.4.в	рис.4.г	рис.4.д	рис.4.е
1	Кількість операцій додавання	3	4	4	6	4	3
2	Кількість операцій множення	4	6	7	9	8	5
3	Кількість операцій затримки	2	2	3	4	2	2
4	Загальна кількість операцій NОП	9	12	14	19	14	10
5	Дисперсія вихідного шуму	2,02410-4	2,18510-4	2,12310-4	3,80510-4	4,64610-4	1,77210-4

При моделюванні кожної із структур були розроблені програми в системі Matlab 5.3, що дозволяють зробити наступні розрахунки:

- розрахунок елементів аналогових прототипів (апроксимація характеристик), розрахунок амплітудно_частотних характеристик (АЧХ);

- розрахунок вихідної напруги ЦФ, при синусоїдальному сигналі на вході ЦФ із 25% перешкодою;

- розрахунок АЧХ ЦФ;

- розрахунок АЧХ ЦФ при різноманітній частоті дискретизації;

- розрахунок АЧХ ЦФ при різноманітній розрядності змінних ЦФ.

Аналіз результатів моделювання показав, що АЧХ ЦФ має той же вигляд, що і АЧХ АП. При зміні частоти дискретизації спостерігається тенденція зменшення частоти резонансу f₀. Графік АЧХ ЦФ (рис.4а) для різноманітних частот дискретизації приведений на рис. 5.

Рис. 5 Графік АЧХ ЦФ при різноманітній частоті дискретизації

Наприклад, при частоті дискретизації f_a = 20 f₀ відхилення f₀ ЦФ від f₀ АП (250 кГц) не перевищує 10 кГц, що складає 4%. Корегування АЧХ ЦФ необхідно проводити на етапі апроксимації характеристики АП. Крім того спостерігається зменшення амплітуди вихідної напруги, що при необхідності можна компенсувати введенням додаткового помножувача на виході фільтру.

Показано, що ЦФ достатньо чітко фільтрує 25% перешкоду, організовану за допомогою генератора випадкових чисел.

Третій розділ присвячено питанню розробки способу та пристроїв кодування графічної інформації з використанням частотної модуляції.

Проведено аналіз шляхів підвищення точності п'єзоелектронних ПКГІ.

Показано, що відомі п'єзоелектричні ПКГІ використовують амплітудно_модульований спосіб визначення координат і тому мають обмеження по усуненню впливу нестаціонарного механічного контакту між зйомником координат і планшетом_звукопроводом на точність. Тому, пропонується спосіб кодування графічної інформації з використанням частотної модуляції.

Суть способу заключається в наступному: в планшеті_звукопроводі за допомогою задаючого генератору і п'єзовипромінювачів збуджується поперечна ультразвукова хвиля з частотою f₀, що розповсюджується уздовж однієї із координат (наприклад, X) звукопроводу. При досягненні амплітуди коливань на виході зйомника координат певного рівня, що забезпечується введенням у схему (рис.1) компаратора і джерела опорної напруги, частота змінюється (наприклад, зменшується) на f шляхом перебудови задаючого генератору. При цьому зводиться координатний RS_тригер, що приводить до формування переднього фронту координатного імпульсу і в планшеті_звукопроводі розповсюджується ультразвукова хвиля з частотою f₀ - f (або f₀ + f).

При досягненні цією хвилею зйомника координат в п'єзоелектричній пластині виникає електричний сигнал з частотою f₀ - f, що виділяється частотним детектором і скидає координатний RS_тригер, при цьому формуються задній фронт координатного імпульсу. Тривалість координатного імпульсу однозначно визначає величину координати, бо швидкість розповсюдження ультразвукової хвилі в планшеті_звукопроводі постійна. Після затухання хвильових процесів у планшеті_звукопроводі активується випромінювач по координаті Y, процес виміру якої аналогічний.

Координатні імпульси, після заповнення їх імпульсами високої частоти, перетворюються за допомогою лічильників у цифровий код, слушний для подальшої обробки.

Привілеї способу кодування графічної інформації з використанням частотної модуляції складаються в тому, що частотний сигнал не викривляється при передачі через середовище з нестаціонарним контактом (між зйомником координат і планшетом_звукопроводом). При цьому змінюється лише амплітуда коливань, яка не несе корисної інформації і може бути скомпенсована додатковим підсилювачем з регулюємим коефіцієнтом підсилення.

На підставі запропонованого способу розроблено два пристрої кодування графічної інформації. В першому пристрої п'єзовипромінювачі розташовувалися на планшеті_звукопроводі (рис.1) і збуджувалися від задаючого LC_генератору.

В другому пристрої для підвищення швидкодії в 2 рази було запропоновано розмістити п'єзовипромінювач в елементі, що рухається, на місце зйомника координат. При цьому вимір обох координат здійснюється одночасно.

Проведено вибір основних елементів акустичної системи, що складається із випромінювача, планшета_звукопроводу і приймача.

Рекомендовано у якості випромінювача і приймача застосувати п'єзокерамику типу ЦТС_19, а у якості звукопроводу -- скло ИКС-13 або звичайне.

Проведені експериментальні дослідження впливу зусилля тиску елементу, що рухається, до планшету_звукопроводу. Рекомендовано обирати зусилля тиску рівним 6-10 Н, при якому амплітуда напруги на виході зйомника координат практично не змінюється.

Обгрунтовано доцільність застосування в ПКГІ смугового фільтру, який дозволить виділити корисний сигнал на фоні інтенсивних перешкод у планшеті_звукопроводі, при цьому зменшується час паузи між виміром координат і підвищується швидкодія кодування графічної інформації.

У четвертому розділі запропонована реалізація теоретичних положень другого і третього розділів.

Розглянуто приклад програмної реалізації цифрового фільтру (рис. 4а) на різноманітній елементній базі, в якості якої можуть бути використані: окремі мікропроцесорні комплекти (МПК); мікроконтролери (МК); спеціалізовані процесори для обробки цифрових сигналів (ЦПОС).

Перші дві групи використовуються, як правило, тоді, коли необхідно застосувати цифровий фільтр уже в готовий пристрій, що збудований на МПК, МК або в багатопроцесорних системах. Застосування цифрового фільтру в даному разі дозволить підвищити його якісні показники.

Третя група, як правило, застосовується у тому разі, коли цифровий фільтр буде використовуватися в пристроях обробки і передачі інформації, які виконано без застосування МПК або МК.

Проведена систематизація відомостей по окремим мікросхемам кожної групи. Враховуючи, що ЦФ повинен працювати в реальному масштабі часу, одним із найважливіших параметрів є час обробки одного відліку t_ОТ, що однозначно визначає максимально можливу частоту дискретизації f_a. Для найбільш розповсюджених мікросхем кожної групи було визначено час виконання одного відліку.

Алгоритм обчислення вихідної напруги для схеми рис. 4.а можна записати у вигляді системи різностних рівнянь:

(9)

По системі різностних рівнянь складається структурна схема алгоритму. Дані по визначенню основних параметрів програмної реалізації ЦФ приведені в табл. 2.

Таблиця 2

Основні параметри програмної реалізації ЦФ

п/п	Тип мікросхеми	fТГ, МГц	tОТ, мкс	fД, МГц	Розрядність шини даних	Кількість аналогових входів
1	Pentium III	550	0,03	33,3	32	-
2	TMS32010	20	4	0,25	16	-
3	TMS320C62XX	100	0,4	1,25	32	-
4	K83C51GB	16	35	0,02	8	8
5	80C296SA	50	0,6	1,66	16	-

Показано, що для реалізації ПКГІ із умонтованим ЦФ з програмною реалізацією доцільно застосувати МК, що має команди, які орієнтовані на цифрову обробку сигналів.

Реалізовано ПКГІ з використанням принципу частотної модуляції на МК 80С296SA.

Приведено опис ПКГІ і результати експериментальних досліджень які показали, що включений в схему пристрою смуговий фільтр дозволяє зменшити паузу між вимірюваними координатами X і Y з 20 мс до 4 мс і підвищити швидкість виміру координат в 5 раз. Відносна приведена похибка розробленого ПКГІ склала 0,34 % на відміну від базового ПКГІ з амплітудним принципом модуляції, похибка якого складає 1 %.

Висновки

Виконана дисертаційна робота вирішує комплекс завдань, що мають наукове та практичне значення.

1. Показано місце і роль ПКГІ в автоматизованих робочих місцях проектувальника, конструктора, технолога. Обгрунтована доцільність використання ЦФ в ПКГІ, це дозволяє скоротити час розробки конструкторської і технологічної документації для систем контролю і керування технологічними процесами.

2. Показана актуальність задачі одержання таких структур ЦФ, що дозволяють виконати обробку сигналів в пристроях кодування графічної інформації за менший проміжок часу, а також підвищити точність роботи пристрою за рахунок застосування принципу частотної модуляції.

3. Запропонована методика проектування структур ЦФ за аналоговим прототипом з побудовою матриці провідностей, яка дозволяє одержати ряд структур.

4. Проаналізовані та обрані оптимальні структури ЦФ. Вивчено поводження характеристик ЦФ при зміні розрядностi коефіцієнтів фільтру і частоти дискретизації.

5. Запропоновано спосіб побудови пристроїв кодування графічної інформації з використанням частотної модуляції.

6. Розроблено пристрій кодування графічної інформації з використанням принципу частотної модуляції і застосуванням смугового ЦФ.

7. Розроблені алгоритми і програми реалізації структур ЦФ на різноманітній елементній базі. Показана доцільність використання для побудови ПКГІ мікроконтролерів з умонтованими командами цифрової обробки сигналів.

8. Результати запропонованих рішень підтверджені математичним моделюванням за допомогою програмних пакетів Matlab 5.3 і Matcad 7.0.

9. Доцільно застосування розроблених структур ЦФ не тільки в ПКГІ, але і в інших пристроях обробки сигналів, що використовуються в автоматизованих системах керування. Результати дисертації можуть бути використані не тільки в автоматизованій системі забезпечення технологічного процесу розмолу зерна на млині, але і в інших галузях промисловості України, де застосовується аналіз складних форм графічної інформації, що одержані від різноманітних технологічних процесів.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Яковлев С.Д., Малахов В.П. Синтез структур цифровых фильтров по схеме активного RC_фильтра // Труды Одесского политехнического университета. Одесса: ОГПУ. Вып. 2. 1997. С. 80 - 82.

2. Яковлев С.Д., Малахов В.П., Майко Г.В. Анализ структур цифровых фильтров // Труды Одесского политехнического университета. Одесса: ОГПУ. Вып. 2(6). 1998. С. 83 - 84.

3. Яковлев С.Д. Проектирование структур цифровых фильтров // Труды Одесского политехнического университета. Одесса: ОГПУ. Вып. 2(6). 1998. С. 84 - 85.

4. Яковлев С.Д. Микропроцессорное устройство для кодирования графической информации // Труды Одесского политехнического университета. Одесса: ОГПУ. Вып. 1(7). 1999. С. 175 - 177.

5. Устройство для считывания графической информации: А.с. 1325536 СССР, кл. G06 K 11/06. / Д.П. Яковлев, Р.Г. Джагупов, С.А. Крыжановский и С.Д. Яковлев (СССР). 4021056/24; Заявлено 11.02.86. Опубл. 23.07.87 // Бюл. 27. 2 с.

6. Яковлев С.Д. Моделирование структур цифровых фильтров // Материалы IV семинара "Моделирование в прикладных научных исследованиях". Одесса, 1997. С. 3 - 4.

7. Яковлев С.Д. Проектирование структур цифровых фильтров // Матеріали першої міжнародної конференції "Наука і освіта, 98". Дніпропетровськ, 1998. С. 400.

Анотація

Яковлев С.Д. Цифрові фільтри для пристроїв кодування графічної інформації. - Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки і систем керування. - Одеський державний політехнічний університет, Одеса, 2000. Дисертація присвячена питанню створення структур цифрових фільтрів (ЦФ) для пристроїв кодування графічної інформації (ПКГІ) і засобів для їх дослідження.

Проведено аналіз існуючих способів одержання структур ЦФ і ПКГІ. Обгрунтована необхідність використання ЦФ в ПКГІ. Запропонована методика проектування структур ЦФ по аналоговому прототипу з побудовою матриці провідностей і спосіб побудови УКГІ з використанням принципу частотної модуляції. Проведено аналіз і обрані оптимальні структури ЦФ.

Результати запропонованих рішень підтверджені математичним моделюванням в програмних пакетах Matlab 5.3 і Matcad 7.0 і фізичним моделюванням з використанням мови Assembler.

Ключеві слова: цифровий фільтр, проектування структур, матриця провідностей, пристрій кодування графічної інформації.

Аннотация

Яковлев С.Д. Цифровые фильтры для устройств кодирования графической информации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Одесский государственный политехнический университет, Одесса, 2000.

В процессе функционирования любой системы управления необходимо производить оценку контролируемых параметров путем обработки в реальном масштабе времени зашумленных сигналов датчиков. Так как любая система управления является динамической, то для ее нормального функционирования необходимы частотно_избирательные устройства. Одним из таких устройств является цифровой фильтр.

При разработке систем контроля и управления технологическими процессами и при проектировании РЭА особое место занимают диалоговые графические комплексы. В состав таких комплексов входят полуавтоматические устройства кодирования графической информации (ПКГИ), применение которых целесообразно в том случае, когда ряд параметров вводимых в ПЭВМ представлено в графической форме. При разработке таких устройств возникает задача выделения слабого сигнала, который поступает от съемника координат на фоне интенсивных помех, возникающих в планшете_звукопроводе. Эта задача решается применением в УКГИ цифрового фильтра (ЦФ).

Диссертация посвящена вопросу создания структур ЦФ для УКГИ и средств для их исследования.

Проведена классификация ЦФ и определены области их применения. Выполнен анализ существующих способов получения структур ЦФ. Проанализированы УКГИ. Обоснована необходимость использования ЦФ в УКГИ. Сформулированы требования к таким фильтрам и необходимость их разработки.

Предложена оригинальная методика проектирования структур ЦФ по аналоговому прототипу с построением матрицы проводимостей, которая позволяет получить ряд структур ЦФ.

Для выбора оптимальных структур ЦФ определены целевые функции. Проведен анализ и выбраны оптимальные структуры ЦФ по критерия быстродействия и минимума шумов.

Исследована устойчивость структур ЦФ.

Проведено моделирование аналогового фильтра_прототипа и цифровых фильтров с учетом разрядности представления переменных. Промоделировано поведение ЦФ при обработке синусоидального входного сигнала с 25 % помехой при различных частотах дискретизации. Математическое моделирование проведено в программных пакетах Matlab 5.3 и Matcad 7.0.

Предложен способ кодирования графической информации с использованием частотной модуляции, позволяющий значительно снизить влияние нестационарного механического контакта съемника координат с планшетом_звукопроводом на точность преобразования координат.

Разработано УКГИ. Проведен выбор основных элементов устройства и проанализировано влияние усилия прижатия съемника координат к планшету_звукопроводу.

Проанализированы вопросы повышения быстродействия УКГИ. Показано, что применение полосового фильтра в УКГИ позволяет уменьшить паузу между измеряемыми координатами и повысить быстродействие устройства.

Проведен обзор способов реализации ЦФ. Разработаны алгоритмы и программы реализации ЦФ на различных типах микропроцессоров, микроконтроллеров (МК), цифровых процессоров обработки сигналов. Определена максимальная частота дискретизации входного сигнала. Проведено физическое моделирование ЦФ с использованием языка Ассемблер.

Показано, что для разработки УКГИ со встроенным ЦФ целесообразно применять микроконтроллеры со встроенными командами цифровой обработки сигналов.

Разработано микропроцессорное УКГИ на базе МК 80С296SA. Проведены экспериментальные исследования УКГИ и определены его параметры.

Ключевые слова: цифровой фильтр, проектирование структур, матрица проводимостей, устройство кодирования графической информации.

Annotation

Yakovlev S.D. Digital filters for the graphical information coding device. - Manuscript.

The thesis on competition of a scientific degree of candidate of engineering science on the speciality 05.13.05. - Elements and devices of computer facilities and control systems. - Odessa State Polytechnical University, Odessa, 2000.

The thesis is devoted to a problem to create of structures of digital filters for graphical information coding device and a means for their research.

The existing ways to design structures of digital filter and graphical information coding devices have been analysed. The necessity to use the digital filters in graphical information coding device has been grounded.

The method to create the digital filter structures based on analog prototype with combination of the matrix of conductivity and the way of construction the graphical information coding device with use of frequent modulation principle are suggested.

The analysis has been made and the optimum structures of digital filters have been chosen.

The results of suggested decisions are confirmed by mathematical simulation in programme tools Matlab 5.3 and Matcad 7.0 and by physical simulation with use of the Assembler language.

Key words: digital filter, design structures, matrix of conductivity, graphical information coding device.

Размещено на Allbest.ru