Вычислительная система цифровой обработки сигналов в реальном времени пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине: «Процессоры для цифровой обработки сигналов»

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Тульский государственный университет

Кафедра электронных вычислительных машин

Вычислительная система цифровой обработки сигналов в реальном времени

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине:

«Процессоры для цифровой обработки сигналов»

Выполнил:

студент гр. 250261 Сафронова А. Д.

Обозначение КП:

К2.002.110

Руководитель работы:

НовиковА.В.

Работа защищена:

_____________оценка_______________

Члены комиссии:

__________________________________

__________________________________

__________________________________

Тула 2011

УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой
____________________ «____»_________201г.

ЗАДАНИЕ

на курсовуюработу по дисциплине__Процессоры для цифровой обработки сигналов_

студенту группы ____250261__________________________________________

Тема работы__ Вычислительная система цифровой обработки сигналов в реальном времени ____________________________________________________________
__________________________________________________________________

Входные данные__процессор ADPS, звук частотой 48000 Гц, тип фильтра MAX (вычисление максимального значения по окну)_______________________________

__________________________________________________________________
Задание получил _____Косухин К.Ю.______________ «____»________ 201г.

График выполнения работы

Выдача задания «____» __________________201 г.
Срок предоставления готовойработы«____»_______________ 201г.

Замечания консультанта_____________________________________________

__________________________________________________________________

К защите. Консультант (руководитель) ________________________________
«____»____________201г.

Графические материалы прикладываются к заданию.

При защите курсового проекта наличие рецензии обязательно.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

3

К2.002.110.ПЗ

Разраб.

Сафронова А.Д.
Провер.

Новиков А.В.

Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Вычислительная система.

пояснительная записка

Лит.

Листов

20

ТулГу, гр.250261

Оглавление

Теоретические сведения 9

Выбор элементной базы. 13

Разработка программного обеспечения спецвычислителя 19

Заключение 24

Библиографический список 25

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

4

К2.002.110.ПЗ

Введение

Цель данного курсового проекта заключается в выполнении с целью закрепления знаний по курсу «Процессоры для цифровой обработки сигналов» и развития навыков самостоятельного проектирования вычислительных систем.

Задачами курсового проекта являются:

практическое овладение методикой проектирования вычислительной системы на основе современной элементной базы;
оценка параметров проектируемой системы и применения мер по повышению качества проектирования.Тематика курсового проекта
В курсовом проекте проектируется вычислительная система, предназначенная для реализации заданного цифрового фильтра и структурно состоящая из устройств:
- спецвычислитель, выполняющий цифровую фильтрацию аналогового сигнала (вход и выход спецвычислителя - аналоговые).
- персональной ЭВМ (ПЭВМ) типа IBM PC, связанной со спецвычислителем по одному из стандартных последовательных интерфейсов (RS-232, RS-485, USB, CAN), выполняющей управлением параметрами фильтрации.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

5

К2.002.110.ПЗ

Проектируемая система должна работать в режиме реального времени, т.е. запаздывание потока результатов от потока входной информации не должна превышатьзаданного интервала времени.
Задачами проектирования являются:

разработка функциональных и принципиальных электрических схем спецвычислителя;
разработка программного обеспечения спецвычислителя;
оценивание параметров всей системы в целом на основе исходных данных и полученных параметров проектируемого спецвычислителя;

К параметрам проектируемой системы, частным и общим, относятся:

- время задержки выходной последовательности данных относительно входной (или время выполнения алгоритма);

- производительность спецвычислителя и всей системы в целом.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

6

К2.002.103.ПЗ

Техническоезадание

Разработать систему для фильтрации звука частотой 48 кГц, используя тип фильтра MIN (вычисление минимального значения по окну).

Выбираемый процессор должен быть модели TMS. Размерность входного звука составляет 16 разрядов.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

7

К2.002.110.ПЗ

Анализ исходных данных

Анализ задания позволяет сделать следующие предварительные выводы:

Выбор алгоритма вычисления заданной функции должен учитывать следующие особенности:

Алгоритм должен реализовывать работу с входными данными, ограничиваясь частотой входного звука (48 кГц).
Алгоритм должен реализовывать выполнение операций с 16-битными числами.

Теоретические сведения

Цифровая обработка сигналов (ЦОС, DSP - англ. digitalsignalprocessing) — преобразование сигналов, представленных в цифровой форме.

Любой непрерывный (аналоговый) сигнал s(t) может быть подвергнут дискретизации по времени и квантованию по уровню (оцифровке), то есть представлен в цифровой форме. Если частота дискретизации сигнала Fd не меньше, чем удвоенная наивысшая частота в спектре сигнала Fmax (то есть $f_d\geq 2\cdot f_{max}$ ), то полученный дискретный сигнал s(k) эквивалентен сигналу s(t) (см. теорему Котельникова). При помощи математических алгоритмов s(k) преобразуется в некоторый другой сигнал s1(k) имеющий требуемые свойства. Процесс преобразования сигналов называется фильтрацией, а устройство, выполняющее фильтрацию, называется фильтр. Поскольку отсчёты сигналов поступают с постоянной скоростью Fd, фильтр должен успевать обрабатывать текущий отсчет до поступления следующего (чаще - до поступления следующих n отсчётов, где n - задержка фильтра), то есть обрабатывать сигнал в реальном времени. Для обработки сигналов (фильтрации) в реальном времени применяют специальные вычислительные устройства — цифровые сигнальные процессоры.

Всё это полностью применимо не только к непрерывным сигналам, но и к прерывистым, а также к сигналам, записанным на запоминающие устройства. В последнем случае скорость обработки непринципиальна, так как при медленной обработке данные не будут потеряны.

Различают методы обработки сигналов во временной (англ. timedomain) и в частотной (англ. frequencydomain) области. Эквивалентность частотно-временных преобразований однозначно определяется через преобразование Фурье.

Обработка сигналов во временной области широко используется в современной электронной осциллографии и в цифровых осциллографах. А для представления сигналов в частотной области используются цифровые анализаторы спектра. Для изучения математических аспектов обработки сигнала.

В последние годы при обработке сигналов и изображений широко используется новый Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

9

К2.002.110.ПЗ

математический базис представления сигналов с помощью "коротких волночек" - вейвлетов. С его помощью могут обрабатываться нестационарные сигналы, сигналы с разрывами и иными особенностями и сигналы в виде пачек.

Цифровые фильтры на сегодняшний день применяются практически везде, где требуется обработка сигналов, в частности в спектральном анализе, обработке изображений, обработке видео, обработке речи и звука и многих других приложениях.

Характеристика цифровых фильтров

Линейный стационарный цифровой фильтр характеризуется передаточной функцией. Передаточная функция может описать, как фильтр будет реагировать на входной сигнал. Таким образом, проектирование фильтра состоит из постановки задачи (например, фильтр восьмого порядка, фильтр низких частот с конкретной частотой среза), а затем производится расчет передаточной функции, которая определяет характеристики фильтра.

Передаточная функция фильтра имеет вид:

где порядок фильтра большее N или M. В данном случае это формула БИХ-фильтра. Если знаменатель равен единице, то получаем формулу КИХ-фильтра (без обратной связи).

Преимущества

Преимуществами цифровых фильтров перед аналоговыми являются:
Высокая точность (точность аналоговых фильтров ограничена допусками на элементы).
В отличие от аналогового фильтра передаточная функция не зависит от дрейфа характеристик элементов.
Гибкость настройки, лёгкость изменения.
Компактность — аналоговый фильтр на очень низкую частоту (доли герца, например) потребовал бы чрезвычайно громоздких конденсаторов или индуктивностей.

Недостатки

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

10

К2.002.104.ПЗ

Недостатками цифровых фильтров по сравнению с аналоговыми являются:

Трудность работы с высокочастотными сигналами. Полоса частот ограничена частотой Найквиста, равной половине частоты дискретизации сигнала. Поэтому для высокочастотных сигналов применяют аналоговые фильтры, либо, если на высоких частотах нет полезного сигнала, сначала подавляют высокочастотные составляющие с помощью аналогового фильтра, затем обрабатывают сигнал цифровым фильтром.
Трудность работы в реальном времени — вычисления должны быть завершены в течение периода дискретизации.
Для большой точности и высокой скорости обработки сигналов требуется не только мощный процессор, но и дополнительное, возможно дорогостоящее, аппаратное обеспечение в виде высокоточных и быстрых ЦАП и АЦП.

Выбор элементной базы.

Изм.Изм.

ЛистЛист

№ докум.№ докум.

ПодписьПодпись

ДатаДата

ЛистЛист

108

К2.002.110.ПЗ

К2.002.110.ПЗ
TMS320C6201 содержит большой банк встроенной памяти и содержит мощный и разнообразный набор периферийных устройств. Память программ состоит из блока размером 64 кбайт, который может конфигурироваться пользователем как кэш-память или как табличная память. Память данных TMS320C6201 состоит из двух блоков ОЗУ размером по 32 кбайт для улучшения параллелизма. В состав периферийных устройств входят два многоканальных буферизованных последовательных порта (McBSP), два таймера общего назначения, интерфейс хост-порта (HPI) и интерфейс внешней памяти (EMIF) для непосредственного подключения к SDRAM или SBSRAM, а также асинхронной памяти.

Высокопроизводительный ЦПОС с фиксированной точкой TMS320C6201

Длительность цикла инструкции 5 нс

Тактовая частота 200 МГц

Восемь 32-разрядных инструкций/цикл

1600 миллионов инструкций в секунду

Ядро ЦПУ ЦПОС TMS320C62x с архитектурой VelociTI усовершенствованного очень длинного слова инструкции (VLIW)

Восемь независимых функциональных блоков:

Шесть АЛУ (32-/40-разр.)

Два 16-разрядных умножающих устройства (32-разрядный результат)

Архитектура чтения-записи с 32 32-разрядными регистрами общего назначения

Упаковка инструкций снижает размер кода

Все инструкции условия

Особенности набора инструкции

Байт-адресуемые (8-, 16-, 32-разр. данные)

32-разрядный адресный диапазон

8-разрядная защита от переполнения

Насыщение

Извлечение битового поля, установка, сброс

Счет бит

Нормализация

1 Мбит встроенного статического ОЗУ

512 кбит внутренней кэш-памяти программ (16 тыс. 32-разр. инструкций)

512 кбит внутренней памяти данных с двухпутевым доступом (64 кбайт), организованной как 2 блока для улучшения параллелизма

32-разрядный интерфейс внешней памяти (EMIF)

Непосредственное подключение к асинхронной памяти: статические ОЗУ и ЭППЗУ

Непосредственное подключение к синхронной памяти: SDRAM и SBSRAM

Четырехканальный контроллер прямого доступа к памяти (ПДП) со вспомогательным каналом

16-разрядный интерфейс хост-порта (HPI)

Доступ ко всей карте памяти

Два многоканальных буферизованных последовательных порта (McBSP)

Непосредственное подключение к фреймерам T1/E1, MVIP, SCSA

Совместимость с ST-Bus-Switching

До 256 каналов в каждом

Совместимость с AC97

Совместимость с интерфейсом SPI (Motorola)

Два 32-разрядных таймера общего назначения

Конфигурируемый тактовый генератор с ФАПЧ

Граничное сканирование в соответствии с IEEE-1149.1 (JTAG)

352-выв. корпус BGA (суффикс GJC)

352-выв. корпус BGA (суффикс GJL)

КМОП-технология

0.18-мкм/5-уровневая металлизация

3.3В-ый ввода-вывод, внутреннее питание 1.8ВИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

11

К2.002.110.ПЗ

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

12

К2.002.110.ПЗ

Структурная схема

Расположение выводов TMS320C6201 в 352-выводных корпусах BGA (суффиксы GJC/GJL, вид снизу):

Выбор АЦП пал на 16-битный последовательный MAX1169 корпорации MAXIM.

ЦАП -Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

13

К2.002.110.ПЗ

- 16-битный последовательный MAXIM .

Оба АЦП и ЦАП могут работать с частотой до 10 МГц, это удовлетворяет требованию – обработать 48кГц сигнал.

Принципиальная схема индикации приведена в приложении.

Разработка программного обеспечения спецвычислителя

Основная цель спецвычислителя – читать данные из первого последовательного порта, применять фильтрацию с помощью скользящего окна и отдавать отфильтрованное значение на выходной последовательный порт.

Так как скользящее окно способно меняться динамически через порт, подключенный к внешнему устройству, то алгоритм работы фильтра будет следующий

Вход

w[i], m

i += 1

min = w[0]

j = 0,m - 1

w[i]>min

min = w[i]

put_dac(min)

Выход

i >= m

i = 0

0
В данном алгоритме переменная “iИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

14

К2.002.110.ПЗ

” и массив w(отвечающий за скользящее окно)должны быть статичны, чтобы сохранять состояние при каждом выходе из процедуры.

Сама же настройка процессора в программном обеспечении сведется к настройке последовательных портов.

За входной порт возьмем SPORT1потому что он имеет прерывание IRQ0, которое используется, при появлении новой порции данных от АЦП. Так же, настроя частоту чтения порта на 48 кГц, мы избавимся от потребности в таймере - порт будет сам читать данные и выполнять прерывание с нужной нам частотой.Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

14

К2.002.110.ПЗ

Последовательный порт для вывода данных SPORT0 настроим на ту же частоту обновления. Данные для настраиваемого размера окна будем получать по порту DATA.

Алгоритм написан на языке C,используя 16-разрядный компилятор.

Файл с кодом главной функции выглядит очень скромно:

#include "io.h"
int main() {

init_sports();

while(1);

}

Это говорит о том, что нам здесь нужно только настроить порты, прерывания и ждать.

В файле io.cнаходится функционал работы с портами:

#ifndef _IO_H

#define _IO_H

short get_adc();

void put_dac(short value);

int m_get();

void init_sports();

void DR0_receive();
#endif

#include "io.h"

#include "functional.h"

return (short)DR0;

}
void put_dac(short value) {

DX1 = value;

}
int m_get() {

return DATA;

}
void init_ports() {

DR0MODE = 1;

DR0CLKDIV = 4166; // CpuFrequency:200000000 / SoundFrequency:48000 = 4166.6;
DX1MODE = 2;

DX1CLKDIV = 4166;

}
void DR0_receive() /* IRQ EXT_INT0 */ {

int m = m_get();

if(i >= m)

i = 0;

window_write_by_index(i++, get_adc());

put_dac(window_calculate_med(m));

}Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

16

К2.002.110.ПЗ

Здесь в функции «init_sports» настраиваем последовательные порты на частоту чтения 48000 Гц и ставим режимы работы портам SPORT1 и SPORT0 на прием и передачу соответственно.

Основной алгоритм фильтра вызывается в прерывании «SPORT1_receive».

#ifndef _FUNCTIONAL_H

#define _FUNCTIONAL_H

void window_write_by_index(int index, short value);

int window_calculate_min(int window_size);

#endif

#include

#include "functional.h"
#define WINDOW_MAX_SIZE 65535

static short window[WINDOW_MAX_SIZE];

void window_write_by_index(int index, short value) {

index = min(index, WINDOW_MAX_SIZE);

window[index] = value;

}
int window_calculate_min(int window_size) {

int i;

int min = window[0];

window_size = min(window_size, WINDOW_MAX_SIZE);

for(i = 1; i < window_size; i++)

if(window[i] < min)

min = window[i];

return min;

}

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

16

К2.002.110.ПЗ

Заключение

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

17

К2.002.110.ПЗ

В данной работе была проведена разработка спецвычислителя, выполняющего фильтрацию звука. Разработан алгоритм работы препроцессора. Проведена разработка и синтез принципиальной схемы всех функциональных элементов препроцессора.

А так же было приобретение практических навыков оформления и выпуска конструкторской документации в соответствии с ГОСТ.

Библиографический список

Байков В.Д, Смолов В.Б. Специализированные процессоры: Итерационные алгоритмы и структуры – М.: Радио и связь, 1985.- 288 с.
Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник М: Радио и связь, 1990. – 304 с.
Схемотехника ЭВМ /Под ред. Соловьева Г.Н.-М.:Высш.шк.,1985.- 391 с.
Голдсуорт Б. Проектирование цифровых логических устройств – М.:Машиностроение,1985.- 288 с.
Иоффе М.И. Диагностирование логических схем – М.: Наука, 1989. – с.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

18

К2.002.110.ПЗ

Миловзоров О.В. Электроника: Учебник для вузов/О.В.Миловзоров, И.Г.Панков. – М.: Высш. шк., 2004. – 288 с.

Громов Ю.Ю.,Татаренко С.И. Программирование на языке СИ: Учебное пособие. -Тамбов,1995.- 169 с.

19

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

К2.002.110.ПЗ

Разраб.

Сафронова А.Д.
Провер.

Новиков А.В.

Реценз.
Н. Контр.
Утверд.

Вычислительная система.

Схема электрическая принципиальная

Лит.

Листов

20

ТулГу, гр.250261

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

20

К2.002.110.ПЗ

Разраб.

Сафронова А.Д,
Провер.

Новиков А.В.

Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Вычислительная система.

Схема электрическая функциональная

Лит.

Листов

20

ТулГу, гр.250261

Выполнил:	студент гр. 250261 Сафронова А. Д.
Обозначение КП:	К2.002.110
Руководитель работы:	НовиковА.В.
Работа защищена:	_____________оценка_______________
Члены комиссии:	__________________________________
	__________________________________
	__________________________________