Реализация цифрового фильтра нижних частот

Реализация цифрового фильтра нижних частот

Министерство образования и науки РФ

РГРТУ

Пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине:

"Цифровые устройства и микропроцессоры"

Студент Дмитриев А.Ю.

Группа 415 Специальность 2015

2007

Содержание

1. Постановка задачи (введение)

2. Формализация задачи

3. Разработка и описание общего алгоритма функционирования устройства

4. Обоснование построения аппаратной части устройства

5. Разработка и отладка программы на языке команд микропроцессора

6. Составление и описание электрической принципиальной схемы устройства

7. Расчёт быстродействия устройства

8. Расчёт АЧХ и ФЧХ устройства для заданных и реальных значений коэффициентов. Оценка устойчивости устройства

Заключение

Список использованных источников

1. Постановка задачи (введение)

Цифровая обработка сигналов , т.е. обработка сигналов с помощью средств электронной вычислительной техники ,стала известна около 35 лет назад. Электронные вычислительные машины тогда были дороги и несовершенны и поэтому их применяли лишь в сложных радиокомплексах , например, при расчете координат и траекторий объектов в радионавигационных системах слежения за космическими объектами , при расчете координат цели в радиолокационных станциях.

В последующие годы благодаря широкому применению транзисторов а затем и развитию микроэлектроники ЭВМ стали совершеннее, дешевле, а главное, компактнее. Появилась возможность использования вычислительной техники в сравнительно простой аппаратуре, например, в специальных радиоприемниках, системах фазовой подстройки частоты, системах телеметрии и т.д. С помощью цифровых устройств можно реализовать очень сложные алгоритмы обработки сигналов, которые трудно, а часто даже невозможно реализовать, используя обычную аналоговую технику. Алгоритм обработки сигналов можно изменять в зависимости от характера входного сигнала. Следовательно, легко построить самонастраивающуюся (адаптивную) систему. Цифровые фильтры могут анализировать параметры сигнала и принимать те или иные решения , например, вырабатывать управляющие команды. С помощью цифровых методов можно реализовать любой алгоритм обработки сигнала , который может быть описан совокупностью арифметических и логических операций. Точность обработки сигнала цифровыми фильтрами определяется точностью выполняемых расчетов. Она может быть несоизмерима выше точности обработки сигнала в аналоговых фильтрах. Одним из источников погрешности аналоговых фильтров является нестабильность их параметров , вызываемая колебаниями температуры , старением , дрейфом нуля , изменением питающих напряжений и т.д. В цифровых фильтрах эти неприятные эффекты отсутствуют. При разработке цифровых фильтров не возникает задача согласования нагрузок. Недостатком цифровых фильтров является их большая сложность по сравнению с аналоговыми , более высокая стоимость и не очень высокое быстродействие. В последние годы в связи с появлением микропроцессоров цифровая обработка сигналов получила еще более широкое распространение. Для цифровых фильтров стало возможным построение разнообразных частотных характеристик, путем их аналитической задачи. При этом реализуемы и фильтры традиционных типов: нижних частот, верхних частот, полосовые и режекторные.

В данном курсовом проекте необходимо реализовать цифровой фильтр нижних частот, основой микропроцессорной системы которого служит микроконтроллер КР1830ВЕ31.

2. Формализация задачи

Минимальная конфигурация МП-системы на основе набора БИС КР1830ВЕ31, КР1821РФ55, КР1821РУ55,совместно с ЦАП AD9708 и вспомогательными элементами определяет функциональную схему фильтра нижних частот, которая представлена на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема фильтра нижних частот.

Входное напряжение в виде кода поступает в порт РВ БИС РУ 55 с частотой дискретизации . Для формирования импульсов с частотой дискретизации будем использовать внутренний Т/С0 БИС КР1830ВЕ31, который должен работать в непрерывном режиме (без блокировки сигналом ). Поэтому выбираем режим 2 (с перезагрузкой после каждого цикла счета).

Примем частоту задающего кварцевого генератора =12 МГц, тогда частота машинного цикла равна = /12=1 МГц. Частота дискретизации =8,8 кГц, следовательно Т/С0 должен иметь в режиме с перезагрузкой коэффициент пересчета . Так как максимальный коэффициент пересчета 8-разрядного счетчика равен , для обеспечения требуемой частоты дискретизации в Т/С0 должно записываться число

.

Байт должен загружаться при инициализации МП системы.

Необходимость хранения данных определяется видом заданного разностного уравнения. Для каждого цикла вычисления текущих выходных отсчетов требуется использовать выборку входных отсчетов , , и выборку выходных отсчетов , . Также требуется сохранить в памяти два текущих произведения

и .

Следовательно, 7 ячеек ОЗУ БИС РУ 55 при составлении программы определим для хранения данных в текущем цикле обработки входного сигнала (в текущем интервале дискретизации).

После вычисления выходного отсчета и записи его 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 на место n-1-го. Это требуется для подготовки следующего цикла вычислений.

В результате вычисления разностного уравнения может получится так, что при 8-разрядном формате представления данных может получится результат, выходящий за пределы +1, -1, т.е. возникает переполнение разрядной сетки.

Для исключения переполнения разрядной сетки, введем масштабирование

входных отсчетов, путем умножения на коэффициент масштабирования .

;

;

;

Реальные значения коэффициентов разностного уравнения и коэффициента отличаются от расчетных, в виду ограничения разрядной сетки:

==;

;

Вывод выходного отсчета осуществляется через порт РВ БИС РФ 55.

Согласование кода МК и кода ЦАП необходимо, так как ЦАП преобразует в ток смещенный входной код (положительные числа), а арифметический код МК - дополнительный. Для согласования - вычисленный отсчет перед выводом на ЦАП суммируется с константой .

При сбросе МК в указатель стека загружается адрес SP=70, - во внутренней памяти данных назначается стек (16 ячеек ОЗУ) с начальным адресом 70.

При включении питания в схеме МП - системы вырабатывается импульс сброса RST для МК. По сигналу RST =1 выполняются следующие действия:

1. Программный счетчик и все управляющие регистры МК, кроме PCON, IE, IP - устанавливаются в нулевое состояние;

2. В управляющих регистрах PCON, IE , IP - резервные биты принимают случайные значения, все остальные биты сбрасываются в 0;

3. В указателе стека устанавливается адрес SP=70 (вершина стека);

4. Запрещаются прерывания от всех источников, запрещается работа Т/С, запрещается работа последовательного порта;

5. Выбирается банк 0 РОН (текущий банк регистров);

6. Порты Р0, Р1, Р2, Р3 настраиваются на ввод для приема данных;

В БИС РФ 55 и РУ 55 исходное состояние после включения питания произвольное, так как импульс RST на их входы сброса не поступает.

Поэтому для перехода фильтра в рабочий режим, сначала необходима его настройка (инициализация).

3. Разработка и описание общего алгоритма функционирования устройства

Общий алгоритм функционирования фильтра представлен на рисунке 2. Работа фильтра начинается с подачи питания на дифференцирующую цепь RC, которая формирует импульс сброса RST, устанавливающий МК в исходное состояние и обнуляющий программный счетчик. Следовательно, программа инициализации должна начинаться с нулевого адреса. Программа инициализации включает в себя настройки аппаратных и программных модулей МК и МП -системы на заданные режимы функционирования и с определенными параметрами:

1. Настройка Т/С0 на частоту дискретизации , в режиме 2

2. Настройка портов: РВ БИС РУ 55-на ввод данных, РВ БИС РФ 55-на вывод данных

3. Запуск Т/С0 для формирования непрерывной последовательности импульсов с частотой

4. Настройка прерываний: разрешаются внутренние прерывания от Т/С0, которые используются для программного формирования импульса запуска внешнего источника входного кода, и внешние прерывания от входа - для запуска выполнения рабочей программы фильтра.

5. Организовать стек.

Программа инициализации завершается остановом МП-системы. Из состояния останова МК выводится внутренним сигналом прерывания от Т/С0. По данному прерыванию выполняется программный модуль формирования импульса запуска внешнего источника данных, после чего МК снова переходит в состояние останова и находится в нем до следующего прерывания по входу сигналом готовности входного кода. То есть выполнение рабочей программы фильтра, по сути, является реакцией на прерывания.

Рис. 2. Общий алгоритм функционирования фильтра.

4. Обоснование построения аппаратной части устройства

Основой аппаратной части устройства является набор БИС КР1830ВЕ31, КР1821РФ55, КР1821РУ55.

1. КР1830ВЕ31- микроконтроллер, выполненный по комплементарной МОП технологии (КМОП);

2. КР1821РФ55- ПЗУ с двумя портами ввода/вывода, работающими в режиме простого обмена;

3. КР1821РУ55- микросхема, в состав которой входят: ОЗУ, таймер, два 8-разрядных (РА и РВ) порта ввода/вывода и один 6-разрядный порт (РС).

Выходной сигнал должен иметь аналоговый вид, для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал, используя ЦАП типа AD9708. Микросхема AD9708 представляет собой 8-разрядный ЦАП, построенный по схеме на транзисторных источниках тока, весовые токи формируются с помощью матрицы R-2R. В качестве опорного источника напряжения может выбираться либо внутренний - с напряжением +1,2 В, либо - внешний. Для обеспечения требуемого размаха напряжения ±5 В, к токовым выходам ЦАП подключаем операционный усилитель.

5. Разработка и отладка программы на языке команд микропроцессора

Рабочая программа фильтра разрабатывается на основе алгоритма функционирования устройства. Для настройки таймера/счетчика Т/С0, в качестве таймера, на работу в непрерывном режиме 2 (без блокировки сигналом и с перезагрузкой после каждого цикла счета) необходимо управляющие биты GATE0=0, C/=0 и код режима 10 записать в состав управляющего слова (константа #02) для регистра TMOD при инициализации - команда MOV 89, #02.

Для обеспечения требуемой частоты дискретизации , при инициализации, константа #8Е должна быть записана в регистр TH0 - команда MOV 8C, #8Е. Пуск Т/С0 производится путем установке в управляющем регистре TCON бита TR0=1. Команда SETB 8C.

Для настройки порта РВ БИС РУ55 на ввод данных надо в состав регистра управляющего слова записать константу #00.

При инициализации - команды MOV A, #00, MOV DPTR, #7000, MOVX @DPTR, A.

А для настройки порта РВ РФ 55 на вывод данных надо в регистр направления передачи порта РВ записать 1. При инициализации - команды MOV A, #01, MOV DPTR, #0803, MOVX @DPTR, A.

Формирование импульса запуска внешнего источника данных выполняется по прерывания от флага TF0, устанавливающегося при переполнении Т/С0. Подпрограмма обработки прерывания от флага TF0 имеет стартовый адрес 000В и содержит команды: CLR 90, SETB 90(сброс и установка бита по линии Р1.0).

Настройка прерываний необходима, так как в результате сброса МК все прерывания запрещены (управляющий регистр IE обнуляется). В первую очередь необходимо разрешить прерывания вообще (бит EA=1), также разрешить прерывания от Т/С0 (бит ET0=1) и по входу (бит EXO=1).

При инициализации - команда MOV A8, #83.

Переопределять приоритеты прерываний не требуется, так как в результате задержки преобразования внешним устройством аналогового сигнала в цифровой код, запросы на прерывания от Т/С0 и по входу по времени не совпадают (в результате сброса МК управляющий регистр IP - обнуляется).

Распределение памяти ОЗУ (КР1830ВЕ31).

70h-7Fh - стек;

30h, 31h, 32h - хранение отсчетов , , ;

40h, 41h - хранение выходных отсчетов , ;

50h, 51h - хранение отсчетов , .

Распределение памяти ПЗУ (КР1821РФ55).

0000h - команда перехода к программе инициализации по сигналу RST

0003h - команда перехода к программе вычисления и вывода выходного отсчета по сигналу на входе ;

000Bh - команда перехода к программе формирования импульса внешнего источника данных по сигналу переполнения от Т/С0;

00A0h … 00СFh - программа инициализации;

00D0h … 00FFh - программа формирования импульса запуска внешнего источника данных;

0100h … 07FFh - программа вычисления и вывода выходного отсчета на ЦАП.

Страницы: 1, 2