Использование специализированных микропроцессоров

Проектирование устройства, выполняющего быстрое преобразование Фурье на 512 точек сигналов. Описание архитектуры процессоров ЦОС семейства ADSP-219x. Реализация последовательного канала связи. Разработка структурной и функциональной схем устройства.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Задание

Тема курсовой работы: «Использование специализированных микропроцессоров»

Разработать микропроцессорную систему для реализации определённой математической задачи программным путём.

Параметры:

микропроцессор фирмы Analog Device;

диапазон входных сигналов 100 Гц до 10000 Гц;

точность представления информации 0,01%;

количество входных каналов- 4

количество процессоров ЦОС - 2;

использование внешней памяти - нет;

реализация последовательного канала связи - RS 485;

программа - БПФ 1024.

Состав курсовой работы:

пояснительная записка;

графическая часть: 1) схема электрическая функциональная устройства;

2) текст программы.

Этапы проектирования:

выбор процессора, описание архитектуры и системы команд ;

разработка структурная схема устройства и выбор элементной базы;

разработка функциональная схема и алгоритм функционирования;

разработка программного обеспечения

защита.

Примечание: работа, оформленная с отступлениями от ЕСКД (ГОСТ 2.105-95), до защиты не допускается.

Содержание

Введение

1 Выбор процессора ЦОС

2 Описание архитектуры процессоров ЦОС семейства ADSP-219x

2.1 Архитектура ядра

2.2 Описание процессора ADSP-2192

2.3 Периферия процессора ЦОС ADSP-2192

2.4 Архитектура памяти

2.5 Особенности системы команд процессора ЦОС ADSP-2192

3 Выбор элементной базы

3.1 Выбор АЦП

3.2 Кодек AD73322

3.3 Реализация последовательного канала связи (RS-485)

3.4 Выбор микроконтроллера

4 Разработка структурной схемы устройства

5 Разработка функциональной схемы устройства

6 Описание особенностей схемы

6.1 Несколько слов о шине PCI

7 Разработка и описание программы. Особенности ввода/вывода

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Алгоритм программы быстрого преобразования Фурье

Приложение 2. Функциональная схема устройства

Введение

Рассмотрим преимущества цифровой обработки сигналов (ЦОС) на сравнении аналоговых и цифровых фильтров. Цифровые фильтры всё чаще находят своё применение в модемах, радарах, анализаторах спектра, оборудовании обработки речи и изображений (образов), и этому есть причины: в сравнении с аналоговыми фильтрами, цифровые схемы обеспечивают более резкие спады, не требуют калибровки и имеют несоизмеримо лучшую стабильность по времени, температуре, и нестабильности питания. Простые изменения программного обеспечения могут изменить характеристику фильтра в реальном времени, создавая так называемые «адаптивные фильтры», в то время как аналоговые фильтры обычно требуют аппаратных изменений.

Но цифровые фильтры хороши не в каждом приложении. Аналоговая техника имеет лучшее соотношение цена/качество в схемах со спадом до 24 дБ/октава. Если же требования к спаду характеристики превышают 24 - 36 дБ/октава, то цифровые фильтры начинают приобретать актуальность. Фактически, в приложениях, требующих таких крутых спадов, многие разработчики находят цифровые фильтры существенно более лёгкими в разработке. Прототипы могут быть легко изменены заменой программ. И ещё, компьютерная симуляция цифрового фильтра даёт точное исполнение фильтра, в то время как компьютерная симуляция аналогового фильтра может только аппроксимировать реальное исполнение фильтра, потому что аналоговые фильтры чувствительны к значениям компонентов, которые изначально неточны и могут существенно изменяться.

Микроконтроллеры, микропроцессоры и процессоры цифровой обработки сигналов.

Традиционные компьютеры особенно хороши для применения в двух областях деятельности: (1) манипуляция данными, например, подготовка текстов и управление базами данных; и (2) математические вычисления, используемые в науке, технике и цифровой обработке сигналов. Однако, большинство компьютеров не могут одинаково хорошо работать в обеих сферах. В компьютерных приложениях, таких как, например, подготовка текстов, данные запоминаются, сортируются, сравниваются, перемещаются и т.д., и время на выполнение этих операций не имеет большого значения до тех пор, пока оно удовлетворяет конечного пользователя. В приложениях, работающих с базами данных, периодически возникает необходимость реализации математических операций, но скорость их выполнения не является главным фактором. В большинстве случаев при проектировании приложений общего назначения компании производители не концентрируют внимания на создании более эффективных программ. Прикладные программы оказываются перегруженными различными дополнительными возможностями, для каждого обновления которых требуется все больше памяти и нужны все более быстрые процессоры.

С другой стороны, для цифровой обработки сигналов важно, чтобы математические операции выполнялись быстро, и время, требуемое на выполнение команд, должно быть известно точно и заранее. Для этого и программа, и аппаратура должны быть очень эффективными. Быстрое выполнение операции умножения с последующим суммированием очень важно для реализации быстрого преобразования Фурье, цифровых фильтров реального времени, умножения матриц, манипуляции с графическими изображениями и т.д.

Проведенное предварительное обсуждение требований, предъявляемых к цифровым сигнальным процессорам, важно для понимания различий между микроконтроллерами, микропроцессорами и цифровыми сигнальными процессорами. Хотя микроконтроллеры при использовании в промышленных устройствах управления процессами могут выполнять такие функции как умножение, сложение, деление, они лучше подходят для приложений, где возможности процессора по реализации ввода-вывода и управления важнее, чем скорость. Микроконтроллеры, например семейства 8051, обычно содержат ЦП, ПЗУ, ОЗУ, последовательный и параллельный интерфейсы, счетчики и схемы прерываний. Микроконвертеры MicroConverter™ компании Analog Devices Inc. содержат не только ядро, построенное по архитектуре 8051, но также высококачественные ЦАП, АЦП и блок энергонезависимой памяти, реализованной по технологии FLASH.

Процессоры ЦОС находят применение везде, где нужны математические вычисления в реальном масштабе времени - это коммуникации, обработка речи, обработка изображений, обработка звука, медицина, инструменты, анализаторы спектра, системы управления в индустрии, военная техника, системы АBS и EPS в автомобилях, и т.д.

В настоящее время на рынок процессоров ЦОС свои продукты предлагают несколько очень крупных фирм, таких как Lucent, Analog Devices Inc., Motorola, Texas Instruments. Каждая из компаний выпускает несколько семейств, среди них процессоры с фиксированной точкой, плавающей точкой и специальные процессоры для конкретных приложений. Кроме готовых процессоров некоторые фирмы предлагают ядра ЦОС, среди этих фирм - Analog Devices Inc., Infineon technologies, DSP Group. Все фирмы продают процессоры одного класса в одной ценовой категории, и если один процессор дешевле другого, то он обычно в чём-то уступает, например, в разрядности обрабатываемых данных.

Модельный ряд фирмы Analog Devices Inc., сегодня представлен 16-ти разрядными процессорами с фиксированной запятой семейств ADSP-21xx и Blackfin™, 32-х разрядные процессоры с плавающей запятой SHARC®, и процессоры, способные обрабатывать данные в различных форматах TigerSHARC®. Кроме отдельных процессоров фирма Analog Devices Inc. Выпускает встроенные процессоры, объединённые с кодеками.

1. Выбор процессора ЦОС

Согласно заданию нужно реализовать быстрое преобразование Фурье на 1024 точки, это накладывает определённые требования на размер памяти. В общих словах, требования, предъявляемые к памяти для N-точечного преобразования Фурье это N слов для вещественных входных данных, N слов для мнимых данных, N слов для отсчётов синусоиды, часто называемых коэффициентами БПФ или поворачивающими множителями и N слов для вещественных преобразованных данных. Итого для преобразования на 1024 точки требуется память в 4Кб слов. Кроме того, процессор должен выполнить вычисление за время, меньшее длительности окна. Согласно теореме Котельникова частота дискретизации должна быть не меньше удвоенной верхней частоты спектра сигнала. В нашем случае верхняя частота сигнала составляет 10кГц, следовательно частота дискретизации не может быть меньше 20кГц, мы выберем частоту дискретизации в 44,1 кГц - стандартная частота формата CD. Длительность окна можно вычислить следующим образом:

где Tо - длительность окна,

N - количество точек преобразования,

- частота дискретизации.

Требования к процессору таковы:

Размер памяти не меньше 4Кб слов;