Разработка микропроцессорного устройства цифрового фильтра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Обзор аналогичных цифровых фильтров

2. Выбор микроконтроллера

2.1 Микроконтроллеры компании NXP

2.2 Микроконтроллеры компании Freescale Semiconductor

2.3 Микроконтроллеры компании Atmel Corporation

2.4 Обоснование выбранного варианта

3. Разработка алгоритма программы проектируемого цифрового фильтра

4. Характеристики цифровых фильтров

4.1 Расчет мощности собственных шумов фильтра

Список использованной литературы

Введение

Аналоговая обработка сигнала, традиционно используемая во всех радиотехнических устройствах, является во многих случаях более дешевым способом достижения требуемого результата. Однако тогда, когда требуется высокая точность обработки, миниатюрность устройства, стабильность его характеристик в различных температурных условиях функционирования, цифровая обработка оказывается единственным приемлемым решением.

Примерами цифровой обработки являются:

- фильтрация сигнала;

– свертка двух сигналов;

– вычисление значений корреляционной функции двух сигналов;

– усиление, ограничение или трансформация сигнала;

– прямое/обратное преобразование Фурье.

Цель работы - построение цифрового фильтра с применением современных микропроцессорных систем, разработка алгоритма программы проектируемого устройства, параметры и характеристики цифрового фильтра и расчет одного из параметров.

Цифровые фильтры давно и хорошо исследованы. Существуют методики расчета как самих фильтров с заданными характеристиками, так и методики расчета характеристик конкретного фильтра заданного его формулой, набором весовых коэффициентов или его импульсной характеристикой.

Мир современных технологий наполнен разнообразием микропроцессорных устройств. Десятки крупнейших фирм производителей конкурируют между собой, предлагая каждый день новую более совершенную продукцию. Тема курсовой работы «Разработка микропроцессорного устройства цифрового фильтра». Поэтому в работе должна использоваться цифровая обработка сигналов. Для цифровой обработки сигналов используются так называемые сигнальные микропроцессоры. В работе нужно будет рассмотреть некоторые микроконтроллеры, выпускаемые современной промышленностью, наиболее подходящие для реализации курсовой работы.

1. Обзор аналогичных цифровых фильтров

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 1 МГц), 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 [16].

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.

а) фильтр нижних частот

б) фильтр верхних частот



в) полосовой фильтр

Рисунок 1. - 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.

Цифровые фильтры подразделяются на 4 группы: фильтры частотной селекции, оптимальные (квазиоптимальные), адаптивные и эвристические.

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 [5].

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 микроконтроллера

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 Микроконтроллеры компании NXP

Семейство цифровых сигнальных контроллеров компании NXP на базе чипов Cortex-M4 создано по 90-нанометровой технологии со сверхнизким током утечки, что обеспечивает им производительность свыше 150 МГц, а также очень низкое потребление активной мощности. Кроме того, эти микроконтроллеры будут обеспечивать очень низкий ток при выключении питания благодаря особым технологиям разработки компании NXP. Благодаря высокоэффективной функциональности обработки сигнала процессоров Cortex-M4, микроконтроллеры компании NXP могут применяться в самых разных областях, включая интеллектуальное управление двигателями, цифровое управление питанием и встроенные средства записи, обработки и воспроизведения звука.

Обычные микроконтроллеры предназначены для выполнения задач по контролю и не очень хорошо подходят для интеллектуальных алгоритмов обработки цифрового сигнала. Добавление отдельной функции цифровой обработки сигнала (DSP) может слишком усложнить систему и сделать её чересчур дорогой, однако оптимизированные высокопроизводительные DSP-модули процессоров Cortex-M4 позволяют этому новому классу цифровых сигнальных контроллеров легко и незаметно решать как задачи по управлению, так и задачи по обработке сигнала.

Процессор ARM Cortex-M4 поддерживает широкий набор одноцикловых команд умножения с накоплением (MAC), команды централизованного управления потоком данных (SIMD) и арифметические команды «с насыщением», а также имеет модуль обработки операций с плавающей запятой (FPU) с одинарной точностью. Всё это в сочетании с производительностью свыше 150 МГц делает микроконтроллеры NXP на базе процессоров Cortex-M4 идеальным решением для обработки аналоговых данных и выполнения сложных алгоритмов обработки данных.

2.2 Микроконтроллеры компании Freescale Semiconductor

Компания Freescale также пошла по пути создания цифровых сигнальных контроллеров семейства 568000 на базе ядра сигнального процессора 56800Е. Сейчас компания выпускает три группы сигнальных контроллеров семейства 56F8xxx, выполненных на базе ядра 56800Е. 16-бит ядро 56800Е с Гарвардской архитектурой содержит 16Ч16 умножитель, выполняющий операцию умножения с накоплением за один цикл, четыре 32-бит аккумулятора, 32-бит арифметическое и логическое многобитное сдвигающее устройство, три адресных шины и четыре шины данных. Векторы прерываний (с пятью уровнями приоритета) могут располагаться в любом месте памяти. Поддерживаются быстрые прерывания, что позволяет в два-три раза повысить скорость обработки события.

Цифровые сигнальные контроллеры компании находят применение в автомобильных электронных системах (средствах торможения, трансмиссии, стартерах, определения давления шин, управления двигателем); в бытовых устройствах (стиральных машинах, посудомоечных машинах, холодильниках); импульсных и бесперебойных источниках питания; торговых автоматах, измерительных устройствах, системах безопасности, интеллектуальных игрушках.

2.3 Микроконтроллеры компании Atmel Corporation

Atmel Corporation объявила о выпуске нового прибора в семействе AVR микроконтроллеров для таких беспроводных приложений, как ZigBee и IPv6/6LoWPAN. Удовлетворяющая стандарту IEEE802.15.4, микросхема ATmega128RFA1 объединяет в себе трансивер диапазона 2.4 ГГц и AVR микроконтроллер.

Используемая фирмой Atmel технология picoPower позволила создать микроконтроллер с ультранизким энергопотреблением, увеличивающий время работы от одного комплекта батарей беспроводной аппаратуры ZigBee в таких приложениях, как интеллектуальные системы энергосбережения, автоматизация зданий, телекоммуникации и медицинское обслуживание. Для поддержки разработки на ATmega128RFA1 предлагается библиотека QTouch, благодаря которой облегчается подключение к микроконтроллеру сенсорных клавиатур.

В ATmega128RFA1 объединены на одном кристалле трансивер диапазона 2.4 ГГц, удовлетворяющий стандарту IEEE802.15.4 и AVR микроконтроллер. Объединение двух устройств на одном кристалле сокращает площадь печатной платы, уменьшает число внешних компонентов и, в конченом счете, экономит деньги потребителей.

Среди прочих особенностей приборов, следует выделить экономичный радиочастотный приемопередатчик с большой дальностью действия. Микроконтроллеры в этих приборах могут работать при низком напряжении питания без какого-либо ухудшения характеристик. И наконец, функция дистанционного включения по радио, когда линии Tx и Rx активны во время спящего состояния микроконтроллера, позволяет экономить потребляемую мощность.

2.4 Обоснование выбранного варианта

Сейчас будущее 16-разрядных микроконтроллеров видится весьма неопределенным. С одной стороны, их теснят все более производительные 8-разрядные микроконтроллеры, а с другой стороны, конкуренцию им составляют недорогие (и продолжающие постоянно дешеветь) 32-разрядные платформы. Некоторые производители совсем покидают этот сегмент рынка, другие прекращают развитие 16-разрядной линейки, но оставляют в производстве уже разработанные и пользующиеся спросом чипы, третьи же наоборот увеличивают свою активность на этом рынке и предлагают потребителям новые разработки. К последним относится и компания Cyan Technology, которая объявила о выпуске в конце 2006 года нового семейства 16-разрядных микроконтроллеров - eCOG1x.

Компания Cyan Technology была основана в 2002 году как дизайн-центр с головным офисом в Кембридже (Великобритания). Она не имеет собственных производственных мощностей и специализируется исключительно на разработке полупроводниковых изделий и программно-инструментальных средств их поддержки. Производство чипов и готовых изделий (например, отладочных и оценочных комплектов) заказывается на полупроводниковых фабриках и заводах сторонних производителей, которые владеют необходимыми технологиями и предлагают наиболее выгодные условия сотрудничества. Такая бизнес-модель позволяет исключить ситуации, когда технологические возможности собственного производства не позволяют реализовать на кристалле все задуманные идеи и инновации. Это дает возможность компании полностью сконцентрироваться на процессах разработки и дистрибуции и предложить потребителям решения, которые по своим возможностям и совокупности параметров будут наиболее востребованы на рынке.

Первым микроконтроллером компании Cyan Technology был 16-разрядный микроконтроллер eCOG1k, производство которого началось в сентябре 2003 года. Через некоторое время была выпущена его несколько «урезанная» по функционалу версия eCOG1m в более миниатюрном корпусе. Оба МК сопровождались бесплатной средой разработки CyanIDE, отличались достаточно низким энергопотреблением в сочетании с высокопроизводительным 16-разрядным ядром и развитой периферией и сразу же привлекли к себе внимание, особенно на рынках Юго-Восточной Азии, где конкуренция в последние годы очень серьезная и закрепиться там без достаточных на то оснований очень сложно. Под влиянием растущего интереса к своей продукции в этом регионе компания Cyan Technology в мае 2005 года открыла в Гонконге свое представительство и центр технической поддержки, что свидетельствует о серьезных планах фирмы по развитию и росту.

Однако долговременный успех на рынке полупроводников невозможен без постоянного улучшения и совершенствования своей продукции. Понимая это, Cyan Technology разработала новое семейство eCOG1x, которое должно, как минимум, повторить успех серии eCOG1k/eCOG1m. Микроконтроллеры серии eCOG1x и отладочные платы для них уже поступили в продажу, и теперь разработчики могут оценить все выгоды и преимущества от использования eCOG1x в своих проектах.

Прежде всего, следует обратить внимание на новую политику продвижения своей продукции, проводимую компанией Cyan Technology. В случае выпуска на рынок микроконтроллеров нового семейства под новым брендом достаточно велик риск того, что спрос на них будет расти слишком медленно, и молодой фирме не хватит «запаса прочности», чтобы дождаться того момента, когда объемы заказов превысят порог рентабельности. Чтобы уменьшить этот риск и ускорить темпы роста спроса, необходимо минимизировать количество МК в семействе и сделать их как можно более универсальными. Поэтому предыдущая (она же и самая первая) линия eCOG1k/eCOG1m включала всего два микроконтроллера, максимально насыщенные периферией и предназначенные для удовлетворения нужд максимального количества приложений. Такой подход позволил Cyan Technology закрепиться на рынке, «раскрутить» свой бренд, определить пути развития своих будущих продуктов и оценить емкость рынков для них. Новое же семейство eCOG1x будет состоять почти из трех десятков микроконтроллеров, отличающихся друг от друга набором периферийных модулей, корпусным исполнением, некоторыми техническими параметрами и, разумеется, ценой. Такая стратегия говорит о том, что компания твердо стоит на ногах, уверена в конкурентоспособности своих продуктов и не сомневается в том, что спрос на микроконтроллеры каждого типа превысит экономически оправданные объемы производства.

Обобщенная структурная схема микроконтроллеров семейства eCOG1x приведена в приложении Б.

Ниже перечислены ключевые особенности МК семейства eCOG1x:

- 16-разрядное ядро CPU с гарвардской архитектурой и тактовой частотой до 70 МГц;

- быстрые векторные прерывания;

- развитая система команд (включая операции деления и умножения как со знаком, так и без знака), ориентированная на языки высокого уровня, гибкие режимы адресации, пересылки типа «регистр-регистр». Использование упреждающей выборки позволяет выполнять большинство команд за один тактовый цикл (при извлечении их из кэш-памяти);

- встроенный отладчик eICE и JTAG-интерфейс, обеспечивающие функции внутрисхемного программирования Flash-памяти, тестирования и граничного сканирования;

- встроенная Flash-память объемом до 512 кбайт;

- встроенная память SRAM объемом 24 кбайт;

- функция защиты кода;

- диспетчер памяти, преобразующий логические адреса памяти программ и памяти данных в адреса физических устройств памяти;

- программно настраиваемый кэш команд;

- интерфейс внешней памяти (EMI), поддерживающий различные типы памяти, в том числе SDRAM;

- интерфейс внешнего хост-контроллера (EHI), обеспечивающий внешнему хосту доступ к памяти eCOG1x;

- два независимых модуля DUART (Dual UART);

- модуль DUSART (Dual USART), поддерживающий протоколы SPI/I2C/SCI/IR, а также позволяющий реализовать собственный последовательный протокол:

- ESPI;

- I2S;

- отдельный сдвоенный интерфейс смарткарт (Dual SCI);

- сдвоенный 7-канальный 12-разрядный АЦП;

- сдвоенный 12-разрядный ЦАП;

- встроенный датчик температуры;

- встроенный монитор питания;

- модуль USB2.0 On-The-Go, поддерживающий высокоскоростной режим обмена данными (480 Мбит/с);

- 10/100 Ethernet-контроллер MAC-уровня;

- ЖКИ-контроллер 4Ч32, поддерживающий режимы прямого и мультиплексированного управления и использующий простой регистровый интерфейс;

- интерфейс сопряжения с 8/16/32-разрядными устройствами;

- богатый набор таймеров;

- гибкая система тактирования;

- различные режимы электропитания;

- до 116 портов ввода/вывода с допустимым напряжением 3,3 В (некоторые выводы совместимы с 5 В логикой).

Рассмотрим подробнее некоторые особенности микроконтроллеров eCOG1x, отличия их от предыдущего семейства и впервые появившиеся периферийные модули.

Прежде всего, следует отметить возросшую до 70 МГц тактовую частоту ядра, что означает почти трехкратное увеличение производительности МК по сравнению с семейством eCOG1k/еCOG1m. Напряжение питания ядра понижено до 1,8 В. По своим функциональным возможностям ядро аналогично предыдущей серии: гарвардская архитектура, 32 Мбайт пространства памяти программ, 128 кбайт пространства памяти данных, поддержка операций отладки в полном объеме, сверхэкономичный режим Sleep, векторные прерывания, мощный набор арифметических операций.

Некоторые изменения затронули и модуль системного тактирования. В связи с увеличением тактовой частоты ядра был усовершенствован встроенный высокочастотный генератор. Теперь он может работать с кварцевыми кристаллами с резонансной частотой от 5 до 10 МГц. Как и в предыдущем семействе, имеется низкочастотный генератор, использующий часовой кварцевый резонатор (32,768 кГц). Для получения опорных тактовых сигналов можно использовать любой из этих генераторов или сразу оба, а также схемы ФАПЧ, которые подключаются к выходам этих генераторов и реализуют функцию умножения частоты. В результате частота внутреннего опорного тактового сигнала может достигать 200 МГц. Возможно последовательное соединение схем ФАПЧ. В этом случае от кварцевого генератора 32,768 кГц можно получить опорный тактовый сигнал с частотой почти 100 МГц, правда, за счет незначительного увеличения джиттера (то есть фазовых искажений) тактового сигнала. Опорные тактовые сигналы подаются на программируемый блок делителей, конфигурируя который (программно, с помощью регистров специального назначения), можно индивидуально настроить тактирование каждого узла МК:

- ядра CPU;

- устройств памяти;

- цифровых и аналоговых периферийных модулей.

В отличие от предыдущего семейства, в микроконтроллерах eCOG1x появился внутренний релаксационный генератор, отличающийся низким энергопотреблением и не требующий подключения каких-либо внешних резонаторов. Этот генератор используется для тактирования системы сразу после включения питания. Для точной настройки частоты (в пределах 1ч11МГц) используется внешний подстроенный резистор, хотя можно обойтись и без него.

Модуль таймеров/счетчиков дополнен блоком ШИМ-таймеров, предназначенных специально для управления двигателями. Основные его особенности перечислены далее:

– шесть ШИМ-выходов;

– два независимых периодических таймера;

– режимы функционирования с выравниванием по фронту или по центру;

– гибкий механизм синхронизации и тактирования независимых каналов;

– возможность попарного объединения каналов с установкой программируемых защитных интервалов (dead time) на верхней и нижней границе диапазона коммутации;

– высокая точность управления за счет «тонкой» регулировки момента переключения ШИМ.

Микроконтроллеры новой серии eCOG1x содержат до 116 портов ввода/вывода (зависит от корпусного исполнения конкретного МК), которые могут быть индивидуально настроены как входы, выходы или двунаправленные выводы, причем выходы могут быть обычными, с открытым стоком или с тремя состояниями. Возможно непосредственное подключение светодиодов к выходам. В режиме входа каждый порт ввода/вывода может генерировать прерывание, причем некоторые выводы совместимы с 5В логикой. С помощью конфигуратора портов входные/выходные сигналы периферийных модулей и внутренних узлов МК могут быть разведены на различные выводы микросхемы (наиболее удобные для конкретного приложения) непосредственно из программы. Это позволяет при необходимости переопределять функционирование каждого вывода «на лету» (например, переходить на другой протокол последовательной связи) и выбирать только те периферийные модули, которые требуются для конкретного приложения. Наличие конфигуратора портов позволяет микроконтроллерам eCOG1x содержать большое количество периферийных модулей при относительно небольшом числе внешних выводов, что положительно отражается на стоимости всей системы. Для настройки конфигуратора портов можно использовать специальный графический редактор среды разработки CyanIDE, который позволяет исследовать различные конфигурации МК и схемы распределения его выводов, а также автоматически генерирует исходный код для инициализации регистров конфигурации.

Следует также отметить, что МК eCOG1x, как и микроконтроллеры предыдущего семейства, содержат параллельный интерфейс, состоящий из двух 16-разрядных параллельных шин ввода/вывода, которые можно развести на внешние выводы и независимо настроить на вход или выход (обычный, с открытым стоком или с тремя состояниями).

В новом семействе существенно расширены возможности аналоговой подсистемы. Микроконтроллеры eCOG1x содержат сдвоенный 14-канальный 12-разрядный АЦП последовательного приближения (фактически два 7-канальных 12-разрядных АЦП) с производительностью до 200 тысяч выборок в секунду по каждому каналу. Поддерживаются 10-, 8- и 6-разрядные режимы быстрого преобразования с производительностью 350, 500 и 800 тысяч выборок в секунду соответственно. Сдвоенная схема выборки/хранения позволяет осуществлять одновременную выборку сигналов по обоим каналам. Запуск преобразования может инициироваться внутренним или внешним сигналом (событием), поддерживаются однофазный и дифференциальный режимы работы, возможно измерение температуры и напряжения питания (с помощью встроенных датчиков).

В новых микроконтроллерах eCOG1x появилась возможность реализовать функцию цифро-аналогового преобразования без использования внешних устройств. Встроенный сдвоенный ЦАП с максимальным временем преобразования 4 мкс имеет разрешение 12 бит и поддерживает асинхронный (из программы) и синхронный (по таймеру) режимы запуска. Возможен одновременный запуск преобразования сразу по обоим каналам. По окончании преобразования ЦАП могут генерироваться прерывания и сигналы «пробуждения» CPU.

В микроконтроллерах Cyan Technology отображение устройств внутренней и внешней памяти в адресном пространстве памяти (программ и/или данных) не является фиксированным, а устанавливается программно с помощью диспетчера памяти, который преобразует логические адреса, используемые CPU, в физические адреса, закрепленные за устройствами памяти. При этом одна и та же область физической памяти может быть отображена как в адресном пространстве памяти программ, так и в адресном пространстве памяти данных. Возможно также перекрытие адресов, то есть отображение одной и той же физической памяти в различных адресных диапазонах.

Различные типы памяти, поддерживаемые eCOG1x (например, Flash-память, память SRAM, внешняя память, в том числе SDRAM), существенно отличаются друг от друга по времени доступа и энергопотреблению. Поэтому использование диспетчера памяти предоставляет разработчику возможность гибко настраивать систему под требования конкретного приложения, добиваясь оптимального соотношения производительности и тока потребления. В итоге это позволяет существенно повысить эффективность программного кода и всей системы в целом. Например, часть памяти SRAM можно отобразить в пространстве памяти программ, предварительно переписав туда циклический участок программного кода из Flash-памяти. Так как память SRAM является более быстрой и экономичной, чем Flash-память, то передача управления программному коду, размещенному в SRAM, не только улучшает производительность МК, но и значительно снижает его ток потребления.

В микроконтроллерах eCOG1x объемы встроенных блоков памяти существенно (в несколько раз) увеличены по сравнению с предыдущим семейством: Flash-память до 512 кбайт, память SRAM - до 24 кбайт. Flash-память разделена на несколько секторов, каждый из которых может быть индивидуально защищен по чтению и/или записи. Это позволяет исключить случайное или преднамеренное изменение программных кодов, а также предотвратить нелегальное чтение и копирование фирменного ПО. Программирование Flash-памяти осуществляется через отладочный интерфейс eICE с использованием специального JTAG-адаптера. Поддерживается возможность стирания и/или программирования Flash-памяти из программы без использования каких-либо внешних источников напряжения, что позволяет производить обновление встроенного ПО в уже готовых (и эксплуатируемых) изделиях.

Длительность цикла обращения к Flash-памяти может превышать период тактирования CPU. В связи с этим при извлечении команд из Flash-памяти в цикл выборки команды добавляются несколько (в зависимости от частоты тактирования CPU) периодов ожидания, что приводит к некоторому снижению производительности системы. Традиционным решением этой проблемы является использование кэширования команд. Программа, запущенная из кэш-памяти, выполняется с той же скоростью, с какой тактируется процессор. Относительно встроенной кэш-памяти микроконтроллеров eCOG1x на данный момент нет подробной информации, однако в связи с возросшими объемами Flash-памяти и памяти SRAM есть все основания предполагать, что объем кэш-памяти также будет увеличен. Сейчас же известно, что функциональность кэша ни в чем не будет урезана по сравнению с предыдущим семейством. Как и ранее, кэш можно будет использовать в различных конфигурациях, а также в качестве дополнительного внутреннего ОЗУ данных. Сохранится возможность индивидуальной блокировки каждой отдельной строки кэша. Следует также отметить, что использование кэширования команд позволяет не только повысить производительность системы, но и уменьшить ее энергопотребление.

Для наращивания объема памяти можно использовать интерфейс внешней памяти EMI (External Memory Interface). Он позволяет подключать внешние устройства памяти и с помощью диспетчера памяти отображать их в адресном пространстве памяти программ и/или данных. EMI поддерживает два типа интерфейса памяти:

- шинный интерфейс, использующий отдельные шины адреса (25 разрядов) и данных (8 разрядов) или мультиплексированную шину адреса (24 разряда) и данных (16 разрядов). Поддерживаются различные типы памяти, в том числе Flash, SRAM, ROM;

- интерфейс SDRAM, обеспечивающий непосредственное подключение до 256 Мбайт 16-битной памяти типа SDRAM без использования каких-либо внешних компонентов. Поддерживаются четыре комбинации адреса строки/столбца, автоматическая регенерация, режимы пониженного энергопотребления, доступ к памяти за один цикл, пакетный режим доступа к памяти программ с использованием кэширования.

Микроконтроллеры eCOG1x могут предоставить доступ к своей внутренней памяти другому (внешнему) микроконтроллеру. Обеспечивает такую возможность встроенный интерфейс внешнего хост-контроллера EHI (External Host Interface), который поддерживает передачу данных в режимах MMP и DMA. В режиме MMP (Memory Mapped Peripheral) внутреннее ОЗУ eCOG1x отображается в пространстве памяти внешнего устройства. Этот режим предназначен для обмена небольшими пакетами данных с произвольным доступом. В режиме DMA (Direct Memory Access) для передачи данных между внешним устройством и ОЗУ eCOG1x используется протокол квитирования связи, основанный на сигналах запроса и подтверждения. Режим DMA наиболее удобен для быстрой передачи больших блоков данных. При этом eCOG1x может быть как ведомым, так и ведущим устройством в канале DMA.

В настоящее время 16-разрядные МК испытывают все более острую конкуренцию со стороны 32-разрядных МК, цены на которые постоянно снижаются. Следует признать, что практически по всем основным показателям (например, производительность, функциональные возможности) они превосходят 16-разрядные МК, и едва ли не единственным параметром, который не позволяет окончательно вытеснить их с рынка, является более низкое энергопотребление 16-разрядных МК по сравнению с 32-разрядными. В предыдущем семействе eCOG1k/еCOG1m специалистам компании Cyan Technology удалось достичь почти рекордных значений по этому показателю в своем классе устройств. По заявлениям Cyan Technology, микроконтроллеры новой серии eCOG1x превзойдут предыдущее семейство по экономичности в пересчете на один MIPS и будут идеальным решением для высокопроизводительных устройств с батарейным питанием.

Наряду с собственно невысоким энергопотреблением, определяемым структурными и технологическими особенностями, МК eCOG1x предоставляют широкие возможности по управлению энергопотреблением. Как известно, ток потребления МК напрямую зависит от частоты тактирования отдельных его узлов и модулей. Гибкая система тактирования позволяет для каждого внутреннего модуля МК выбирать необходимую частоту тактового сигнала (а также менять ее «на лету»), оптимизируя тем самым систему по соотношению производительность/энергопотребление. Кроме того, добиваясь дополнительного уменьшения энергопотребления, можно программно отключать неиспользуемые тактовые генераторы, схемы ФАПЧ, различные периферийные модули и включать их лишь по мере необходимости.

При отключении тактирования ядра CPU микроконтроллер переходит в режим минимального энергопотребления Sleep, в котором ток потребления составляет единицы микроампер. Выход из режима Sleep осуществляется по разрешенному прерыванию от периферийного модуля, внешнему сигналу «пробуждения» или при истечении заданного тайм-аута. Можно выбрать сигналы тактирования, которые будут автоматически отключаться при переходе в режим Sleep и/или включаться при «пробуждении».

Способствует уменьшению энергопотребления системы и кэширование команд. Объясняется этот факт тем, что память SRAM, используемая в качестве кэш-памяти, является более экономичной, чем Flash-память. Кроме того, ток, потребляемый кэш-памятью, пропорционален частоте функционирования, тогда как Flash-память имеет относительно высокий ток покоя при обращении к ней. При использовании кэширования команд Flash-память отключается до тех пор, пока не будет обнаружен промах кэша и не потребуется извлечение новой команды из Flash-памяти. Поэтому, если выполняемый (например, в режиме ожидания) программный код полностью разместить в кэш-памяти, то можно добиться очень низкого энергопотребления МК.

Для приложений с аккумуляторным питанием очень полезным является наличие встроенного датчика напряжения питания. На основе его показаний можно, например, определить степень разряда аккумулятора, рассчитать оставшееся время автономной работы, а при отсутствии возможности подзарядки принимать решения о переходе на более экономичные режимы работы.

С выпуском семейства eCOG1x компания Cyan Technology существенно расширила коммуникационные возможности своих микроконтроллеров, которые теперь содержат встроенные средства поддержки всех уровней взаимодействия: внутрисистемного, межсистемного и сетевого.

Для реализации внутрисистемных связей предназначены следующие периферийные модули: сдвоенный SCI, расширенный SPI, I2S, а также DUSART. Кратко рассмотрим каждый из них.

Впервые появившийся в микроконтроллерах Cyan Technology модуль сдвоенного SCI представляет собой фактически два отдельных интерфейса смарт-карт, каждый из которых обеспечивает совместимость с ISO 7816, соответствие требованиям EMV 2000 и имеет следующие особенности:

- поддержка многопроцессорного режима;

- поддержка протокола типа Т=0;

- детектирование и генерация сигнала ошибки передачи;

- автоматическая повторная передача поврежденных байт;

- автоматическое управление подключением питания карты;

- аппаратная реализация последовательностей подачи питания, сброса и отключения;

- гибкая система тактирования, программируемая скорость передачи данных;

- двойная буферизация как по тракту приема, так и по тракту передачи.

Модуль ESPI (Enhanced SPI) реализует в полном объеме функции стандартного интерфейса SPI, а также обеспечивает поддержку некоторых дополнительных функций, например:

- программируемый размер передаваемого блока данных от 8 до 16 бит;

- четыре линии выбора ведомого;

- поддержка множественных передач с программируемым временем задержки;

- программирование полярности и фазы тактового сигнала.

Еще один новый модуль, появившийся в МК линии eCOG1х - встроенный интерфейс I2S (Inter-IC Sound Standard). Он предназначен для построения высокоскоростных последовательных каналов, ориентированных на передачу цифровых аудиоданных внутри устройства, и позволяет подключать к МК звуковые кодеки и специализированные процессоры для обработки звука (например, Dolby ProLogic DPL 351xA). Поддерживаются один канал приема и один канал передачи.

Модуль DUSART уже знаком разработчикам, имевшим опыт работы с микроконтроллерами eCOG1k/еCOG1m. Он представляет собой сдвоенный последовательный порт общего назначения, каждый канал которого может поддерживать один из следующих фиксированных протоколов:

- стандартный UART;

- SPI, способный функционировать в режиме ведущего или ведомого и обеспечивающий поддержку в ведущем режиме нескольких ведомых устройств;

- I2C, поддерживающий высокоскоростной обмен данными и позволяющий работать на шине с несколькими ведущими;

- IR/IrDA-совместимый интерфейс с поддержкой ASK, PM, PPM кодировок;

- SCI (Smart Card Interface), соответствующий ISO 7816 и поддерживающий все функции, необходимые для реализации терминальной части (контроллера) интерфейса смарткарт;

- пользовательский последовательный интерфейс, который позволяет пользователям определять и поддерживать собственные несложные протоколы последовательной связи, а также может использоваться в качестве дополнительного UART.

Здесь следует отметить, что интерфейсы UART модуля DUSART могут использоваться также и на уровне межсистемного взаимодействия для связи различных устройств по протоколу RS-232. Кроме того, микроконтроллеры eCOG1x содержат два независимых модуля DUART, что позволяет организовать четыре отдельных полнофункциональных UART-порта. Перечислим лишь основные их характеристики:

- двойная буферизация;

- ширина поля данных 5, 6, 7 или 8 бит;

- 1, 1.5 или 2 стоповых бита;

- режимы работы с проверкой на четность, нечетность и без контроля по четности;

- автоматическая вставка защитного временного интервала (от 0 до 64 битовых периодов) по окончании передачи пакета;

- генерация прерывания при истечении тайм-аута после приема последнего пакета данных;

- программная генерация обрыва линии;

- программируемый генератор скорости передачи данных;

- генерация прерываний при заполнении/опустошении буферов приема/передачи;

- обнаружение ошибок на приеме (ложные стартовые биты, неверный бит четности, ошибки формата);

- программируемая полярность данных;

- фильтрация шумов.

Следует также добавить, что каждый модуль DUART поддерживает функции энергосбережения, позволяющие автоматически включать тактирование UART только на период приема или передачи данных. Все UART-порты функционируют полностью независимо от CPU, что позволяет переводить CPU в режим Sleep на время приема или передачи. Кроме этого, каждый UART может обеспечить полный интерфейс управления квитированием модемной связи.

Однако наибольший интерес представляет другой интерфейс межсистемной связи - USB On-The-Go. В настоящее время последовательный протокол USB очень популярен и используется повсеместно. Информации о нем предостаточно, поэтому мы не будем описывать все его достоинства и преимущества. Напомним лишь о том, что представляет собой дополнение On-The-Go к спецификации USB 2.0.

Как известно, изначально стандарт USB был разработан для связи компьютера с различными периферийными устройствами: модемом, принтером, сканером, цифровыми фотоаппаратами и видеокамерами, CD- и MP3-плеерами, Flash-накопителями и т. п. Однако очень часто возникают ситуации, когда требуется иметь прямое соединение между устройствами, избегая передачи данных через компьютер. Например, печатать фотоснимки на принтере напрямую с цифрового фотоаппарата или обмениваться музыкальными файлами между CD-плеерами. Для решения этих проблем и была разработана спецификация OTG (USB On-The-Go, USB «на ходу»), которая решает следующие задачи:

- специфицирование миниатюрных разъемов и соответствующих кабелей;

- дополнение устройств, традиционно играющих роль периферии персональных компьютеров, способностью работать в режиме хоста (point-to-point connection);

- определение двухролевого устройства (dual-role device), имеющего возможность работать попеременно в режиме хоста и в режиме периферии;

- ограничение потребления питания от шины до 100 мА для устройств с батарейным питанием.

Интерфейс USB OTG, интегрированный в микроконтроллеры eCOG1x, полностью соответствует стандарту на шину USB для высокоскоростных каналов и дополнению On-The-Go к спецификации USB 2.0. Он позволяет реализовать двухролевое устройство USB OTG и поддерживает соединения типа «точка-точка» с одним высоко-, полно- или низкоскоростным устройством. Поддерживаются протоколы запроса сеанса SRP (Session Request Protocol) и согласования роли хоста HNP (Host Negotiation Protocol), сигналы Suspend и Resume. Для реализации полнофункционального USB 2.0 OTG необходим внешний ULPI-интерфейс, позволяющий обеспечить высокую (480 Мбит/с) скорость передачи данных.

При функционировании в режиме хоста встроенный интерфейс USB OTG поддерживает одно низко-, полно- или высокоскоростное устройство. При функционировании в режиме периферии поддерживаются полноскоростной и высокоскоростной режимы передачи данных. Поддержка функционирования в полноскоростном и низкоскоростном режимах обеспечивается внутренним контроллером PHY-уровня. В качестве выделенного буфера Endpoint используются 4 кбайт внутренней памяти SRAM. Для пересылки данных Endpoint предусмотрен быстрый и эффективный канал DMA к внутренней памяти. Более подробную информацию относительно встроенного интерфейса USB OTG компания Cyan Technology обещает представить в ближайшее время.

3. Разработка алгоритма программы проектируемого цифрового фильтра

Прежде чем приступить к программированию цифрового фильтра необходимо основательно изучить его внутреннюю структуру и возможности ресурсов. Простейшая блок-схема проектируемого цифрового фильтра приведена на рисунке 3.1. В ней учтены конфигурация портов и АЦП, вычисление разностного уравнения фильтра, результат вычислений выдается на порт В.

Рисунок 3.1 - 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. Также одной из важных частей программы запуска АЦП является организация разрешения прерываний [16].

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 и.т.д. 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.

4. Характеристики цифровых фильтров

Цифровой фильтр полностью описывается его импульсной характеристикой. Импульсная характеристика - это реакция фильтра на единичный импульс, поданный на его вход. Другая характеристика, используемая при изучении и проектировании ЦФ, называется переходной характеристикой. Она показывает, что делает фильтр с разными частотными составляющими входного сигнала, как он изменяет спектр сигнала и как фильтр изменяет амплитуду и фазу частотных составляющих входного сигнала.

Обе эти характеристики не являются независимыми, они связаны между собой преобразованием Фурье. Зная одну из них с помощью прямого и обратного преобразования Фурье можно получить другую.

Как и другие системы обработки сигналов, цифровые фильтры могут быть стационарными или нестационарными, физически реализуемым или нереализуемым, линейными или нелинейными.

Цифровые фильтры давно и хорошо исследованы. Существуют методики расчета как самих фильтров с заданными характеристиками, так и методики расчета характеристик конкретного фильтра заданного его формулой, набором весовых коэффициентов или его импульсной характеристикой. Следовательно, можно произвести расчет следующих параметров: мощности собственных шумов фильтра, границы устойчивости, входной мощности, выходного сигнала, частота дискретизации, отсчет входного сигнала и.т.п. Из этих параметров я выбрала расчет мощности собственных шумов фильтра.

4.1 Расчет мощности собственных шумов фильтра

Разрядность входного воздействия равна L=8.

Разрядность обрабатываемых результатов равна M=20.

По известной разрядности можем найти шаги квантования для АЦП и умножителей

По известному шагу квантования можно найти дисперсию шума на выходе i-го умножителя и на выходе АЦП

Импульсные характеристики цепи от источника шума до выхода будет равна

h(nT)={0,88; -0,3516; -0,0408; -0,2369; 0,047; -0,1552; 0,0955; -0,1121}.

Для источников е₅, е₆, е₇ она будет такой же так они входят в тот же сумматор, что и АЦП.

Для источников шума е₁, е₂, е₃, е₄ передаточная функция будет равна 1, а следовательно импульсная характеристика тоже будет равна 1.

Дисперсия шума определяется следующей формулой

Найдем дисперсию шума на выходе АЦП

Далее посчитаем мощности шума на выходе источников е₅, е₆, е₇

Дисперсия шума на выходе источников е₁, е₂, е₃, е₄ будет равна

Итак, дисперсия на выходе всей цепи будет равна

Заключение

В данной курсовой работе производится разработка микропроцессорного устройства цифрового фильтра. Произведен расчет мощности собственных шумов фильтра. Выбрана оптимальная для наших условий структурная схема реализации выбранного МК.

Выбранная в работе микроконтроллеры семейства eCOG1x являются оригинальным и высокоинтегрированным решением с относительно низкой стоимостью. Они способны успешно конкурировать с подобными решениями других производителей. Высокая производительность в сочетании с низким энергопотреблением, богатая периферия, которая включает широкий набор самых популярных и востребованных коммуникационных интерфейсов, расширяют спектр применения микроконтроллеров eCOG1x, при этом существенно снижая стоимость конечных систем. Область применения новых МК охватывает самые различные направления: это и компьютерная периферия, и измерительная аппаратура, и медицинское оборудование, и торгово-кассовые терминалы, и промышленные роботы, и устройства GPS-навигации и многое-многое другое.

В данной работе был рассчитан мощность собственных шумов цифрового фильтра, т.е. была найдена мощность шумов на выходе цепи которая получилась равной мощности шума на выходе АЦП. Благодаря большой разрядности квантования (20) умножители практически не вносят шумов.

В перспективе ожидается появление универсальных кристаллов (чипов) цифровой обработки сигналов и микропроцессоров для «перемалывания» чисел. История развития микроэлектронной промышленности свидетельствует о том, что можно ожидать значительного снижения стоимости и улучшения качества этих компонентов. Следовательно, можно комбинировать аппаратурную и программную реализации для получения дешевых и тем не менее эффективных цифровых фильтров.

В итоге работы были приобретены умения в расчете мощности собственных шумов фильтра, а так же знакомство с микроконтроллерами компании NXP, Freescale Semiconductor, Atmel Corporation и Cyan Technology.

цифровой микроконтроллер фильтр программа

Список использованной литературы

1. Аналоговые интегральные схемы: Справ./А.Л. Булычёв, В.И. Галкин, 382 с.: В.А. Прохоренко. - 2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Беларусь, 2001.- черт.

2. Антонью А. Цифровые фильтры: анализ и проектирование: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 2000. - 320с., ил.

3. Балабянин Н. Синтез электрических цепей. - М.: Госэнергоиздат, 2003.

4. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник.- М.: Высш. школа. 2003. - 536 с., ил.

5. Введение в цифровую фильтрацию/ Под ред. Р. Богнера и А. Константинидиса. М.: Мир, 2001.

6. Голд Б., Рейдер Ч. Цифровая обработка сигналов с приложением работы Д. Кайлера «Цифровы фильтры». - М.: Сов. Радио, 2000.

7. Гольденберг Л.М., Левчук Ю.П., Поляк М.Н. Цифровые фильтры. - М.: Связь, 2000.

8. Давенпорт В.Б., Рут В.Л. Введение в теорию случайных сигналов и шумов. - М.: ИИЛ, 2000.

9. Зеленин А.Н., Костромицкий А.И., Бондарь Д.В. - Активные фильтры на операционных усилителях. - Х.: Телетех, 2001. изд. второе, исправ. и доп. - 150 с.: ил.

10. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Учебник для техникумов связи. - М.: Радио и связь, 2005, 367 с.

11. Коновалов. Г.Ф. Радиоавтоматика: Учебник для вузов. - М.: Высш.шк., 2000.

12. Мизин И.А., Матвеев А.А. Цифровые фильтры. - М.: Связь, 2006.

13. Новожилов О.П. Основы цифровой техники/Учебное пособие. - М.: ИП РадиоСофт, 2004.-528 с.: ил.

14. Оппенгейм А.В., Вайнштейн К.Д. Влияние конечной длины регистра при цифровой фильтрации и быстром преобразовании Фурье. - ТИИЭР, 2000, т. 60, № 8, с. 41-65.

15. Оппенгейм А.В., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов. - М.: Связь, 2001.

16. Рабинер Л.Р., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов - М.: Мир, 2000.

17. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры: Пер. с англ. / Под ред. Л.И. Филиппова. - М.: Мир, 2003.

18. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры: Пер. с англ. / Под ред. А.М. Трахгмайа. - М.: Сов. Радио, 2004. - 224с.

19. Цифровые системы фазовой синхронизации/ Под ред. М.И. Жодзишского - М.: Радио, 2000.

Размещено на Allbest.ru

...