Модуль генератора телефонных сигналов на базе алгоритма ОБПФ

Doc1.docx

Белорусский государственный университет
информатики и радиоэлектроники
Факультет компьютерного проектирования
Кафедра электронно-вычислительных средств
Пояснительная записка
Тема: “ Модуль генератора телефонных сигналов на базе алгоритма ОБПФ ”
Предварительное проектирование устройства
Разбиение устройства на модули
Выбор соотношения между аппаратными и программными средствами
Построение и описание структурной схемы устройства
Разработка алгоритма работы
Проектирование аппаратных средств устройства
Проектирование программного обеспечения
Уточнение алгоритма работы устройства
Разработка программного обеспечения устройства
Список использованных источников
В настоящее время сложно представить свою жизнь без электроники. Создание микропроцессоров – является одним из крупнейших достижений микроэлектроники и вычислительной техники. Внедрение электронной аппаратуры – один из основных признаков прогресса современного общества.
Уникально малые размеры микропроцессоров и выполненных на их основе микро-ЭВМ при больших вычислительных и логических возможностях дешевизне и высокой надёжности представляют собой огромный качественный скачок в развитии микроэлектроники и вычислительной техники. Он расширил почти беспредельную сферу использования цифровых вычислительных устройств сделал возможным создание на основе микропроцессоров и микро-ЭВМ контролирующих управляющих и обрабатывающих цифровых устройств и систем.
Микро-ЭВМ или микрокомпьютером называют устройство обработки данных содержащее один или несколько микропроцессоров БИС постоянной и оперативной памяти БИС управления вводом и выводом информации и другие схемы.
Микрокомпьютер в отличие от других электронных компонентов не обладает фиксированным набором функциональных характеристик. Его характеристики определяются во время проектирования системы с помощью процесса называемого программированием. Практически неограниченный диапазон программируемых функциональных возможностей микрокомпьютера придает этому компоненту особое значение.
Для системы в состав которую входит микрокомпьютер требуется проектирование как аппаратных так и программных средств. Необходимо определить из каких частей должна состоять система и как эти части должны быть взаимосвязаны. Проектирование аппаратной части может быть выполнено с использованием стандартной методологии проектирования аппаратуры. Проектирование программного обеспечения лучше всего может быть выполнено с использованием языка программирования. Программное обеспечение строится путем преобразования конструкций языка программирования в язык программирования микрокомпьютера. Оно тестируется и одновременно с аппаратурой объединяется в единое целое. После него оцениваются эксплуатационные характеристики в целом.
Зачастую микрокомпьютеры используются в системах реального времени как составные части в системы требующие быстрого принятия решений. В системах реального времени решающее значение предаётся цифровой обработке сигналов что привело к разработке класса DSP процессоров. Особенностями цифровой обработки сигналов являются большой объём вычислений работа в реальном времени обработка оцифрованных данных большая гибкость.
Цифровые процессорные системы решают следующие задачи: цифровая фильтрация кодирование речи обработка изображений быстрое преобразование Фурье цифровая техника работы со звуком и так далее.
Нельзя не вспомнить о DSP процессорах фирмы Texas Instruments – процессорах TMS которые имеют свои особенности построения:
гарвардская архитектура;
специальное устройство умножения;
использование конвейерного режима;
специальные команды для цифровой обработки сигналов;
короткий командный цикл.
В текущем курсовом проекте необходимо разработать модуль генератора телефонных сигналов на базе алгоритма ОБПФ. Выполнено устройство должно быть на базе процессора TMS320VC5402 фирмы Texas Instruments иметь память программ 16К (4К х 16) память данных 32К (16К х 8) иметь частоту дискретизации 22кГц динамический диапазон 62 дБ формировать синусоидальные сигналы частот формата 2 из 6 работать с частотами 850 1050 1250 1450 1650 1850. Уровень -18 дБ (полная шкала +3 дБ) длительность 2020 сек.
Определим функции которые будет выполнять система:
ввод в систему аналогового сигнала (сигнал вводится через устройство сопряжения с компьютером);
генерация синусоидальных сигналов в соответствии с ТЗ;
вывод полученных результатов на устройство сопряжения с компьютером или иным устройством (разъём для вывода сигнала).
Интерфейс между системой и пользователем будет организован следующим образом:
пользователь набирает цифры телефонного номера;
полученную АЧХ пользователь считывает с помощью сопряженной системы из буфера вывода устройства.
В итоге имеем на входе – устройство сопряжения с компьютером или иным устройством на выходе – разъем для вывода сигнала. Функции устройства – прием данных генерация телефонных сигналов вывод полученных сигналов на устройство сопряжения (буфер вывода).
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА
Определим какие функции лучше выполняются с помощью программного обеспечения а какие – с помощью аппаратных средств.
Общая схема модульной структуры аппаратных средств микрокомпьютерной системы показана на рис. 1. Система разбита на модули которые соответствуют функциям системы “вход” “выход” “преобразование сигнала” “микрокомпьютер” и “комбинированной аппаратуры”. Модули “преобразования входного сигнала” и “преобразования выходного сигнала” содержат компоненты необходимые для обмена входными и выходными сигналами с внешней средой. Так как сигнал поступает с клавиатуры в цифровом виде то модуль преобразования в данном конкретном случае не нужен. Модули “интерфейса ввода микрокомпьютера” и “интерфейса вывода” содержит микрокомпьютер и его компоненты а также интерфейсные компоненты необходимые для связи микрокомпьютера с другими модулями системы. Модуль “комбинированной аппаратуры” содержит компоненты необходимые для реализации остальных функций системы. Это как раз те функции которые могут быть реализованы с помощью как аппаратных так и программных средств.
Рисунок 1 - Общая схема
В модуле “комбинированной аппаратуры” показанном на рисунке 2 можно выделить следующие подмодули:
ввод в систему аналогового сигнала осуществляет “входной подмодуль”;
генерацию телефонных сигналов осуществляет “подмодуль генерации телефонных сигналов”;
вывод синусоиды и вывод результата на устройство сопряжения (шину вывода) осуществляет “выходной подмодуль”;
начальную инициализацию выполняет “подмодуль инициализации”;
работой всей системы управляет “исполнительный подмодуль”.
Рисунок 2 - Подмодули комбинированной аппаратуры.
Теперь для каждого модуля определим процедуры которые реализуют принадлежащие модулю функции.
Входной модуль реализует ввод сигнала. Следовательно в нем будет 1 процедура – процедура ввода сигнала.
Выходной модуль выполняет функцию вывода результатов на шину вывода следовательно включает процедуру вывода результатов.
Модуль генерации телефонных сигналов состоит из процедуры вычисления синусоидального сигнала который зависит от поступающего входного сигнала.
Модуль инициализации выполняет инициализацию аппаратуры и системы и состоит из двух процедур: процедуры инициализации системы и процедуры инициализации аппаратуры.
Исполнительный модуль состоит из одной процедуры – процедуры исполнения.
Все расчеты генерации телефонных сигналов и процессом ввода–вывода должен выполнять микропроцессор. Это его прямое предназначение. Также микропроцессор будет заниматься инициализацией устройства и обработкой входного и выходногосигнала.
В итоге соотношение между аппаратными и программными средствами приведены на рисунке 3.
Рисунок 3 - Соотношение между аппаратными и программными средствами.
Рассмотрев соотношение программных и аппаратных средств произведя разграничение функций выполняемых аппаратно и функций выполняемых программно можно приступать к разработке структурной схемы устройства.
Структурная схема разрабатываемого устройства должна укрупненно отображать состав (основные блоки) устройства. В состав разрабатываемого устройства прежде всего должен быть включен основной элемент данного устройства – микропроцессор (МП). Для его работы необходим тактовый генератор.
Далее осуществляется подключение внешней памяти программ 16К (4К х 16) и данных 32К (16 х 8). Память программ используется для хранения программы и констант память данных – для хранения переменных и массива результатов. Внутренняя память процессора не используется поэтому она отключается.
Разрабатываемое устройство представляет собой устройство цифровой обработки сигналов. Это значит сигнал который подаётся на выход системы является цифровым. В таком случае для его преобразования в аналоговый вид необходимо использовать цифро-аналоговый преобразователь.
Исходя из заданного динамического диапазона можно определить необходимую разрядность ЦАП. Это значение вычисляется по следующей формуле:
где b – число разрядов ЦАП;
D – динамический диапазон аналогового сигнала.
Для перехода динамического диапазона от дБ к единицам воспользуемся следующим выражением:
где D1 – динамический диапазон аналогового сигнала в дБ;
D2 – динамический диапазон аналогового сигнала в единицах.
Таким образом зная что получим что . Исходя из этого разрядность входа ЦАП будет .
Микропроцессор используемый нами (TMS320VC5402) является более быстродействующим элементом в схеме чем ЦАП. Поэтому для нормальной работы системы необходим контроль микропроцессора за работой ЦАП – генерация управляющих сигналов. Кроме всего этого необходимым элементом любой схемы является схема управления которая будет обеспечивать запуск ЦАП на преобразование осуществлять управление передачей входных и выходных данных.
Структурная схема генератора телефонных сигналов представлена в приложении.
Порядок работы устройства следующий:
инициализация устройства – сброс микропроцессора пересылка констант из памяти программ в память данных;
цифровой сигнал поступает из устройства сопряжения с компьютером (клавиатурой);
в зависимости от значения поступившего цифрового сигнала (от 1 до 15) генерируется синусоидальный сигнал частот;
преобразование полученного цифрового сигнала в аналоговый посредством ЦАП.
Генерация синусоидального сигнала частот осуществляется следующим образом:
На вход из устройства сопряжения поступает цифровой сигнал значением от 1 до 15. Синусоидальный сигнал генерируется в зависимости от поступившего на вход цифрового сигнала. Синусоидальный сигнал состоит из двух гармонических составляющих. В таблице 1 приведем значения составляющих синусоидальный сигнал гармоник и их двоичный код в соответствии с нажатой клавишей.
Таблица 1 – Соответствия клавиш к частоте.
Входной сигнал в двоичном коде
Частота первой гармонической составляющей Гц
Частота второй гармонической составляющейГц
Заданные частоты: 850 1050 1250 1450 1650 1850 Гц. Частота дискретизации 22 кГц оговорена в ТЗ.
Следовательно нам необходима таблица синусов на 22000 отсчетов из которой будут выбираться данные с шагом k=850 (для получения частоты 850 Гц) k=1050 k=1250 k=1450 k=1650 k=1850 соответственно. Количество отсчетов на 20 сек. будет равно 20*22кГц то есть 44000.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ УСТРОЙСТВА
В этой части курсового проекта необходимо описать проектирование аппаратных средств устройства. Оно предполагает проектирование микропроцессорной системы включающее процессорный модуль модуль ГТИ модули памяти и др. модули а так же проектирование интерфейса между микропроцессорным блоком и центральным процессором;
В данном курсовом проекте микропроцессорная система у нас будет строиться на основе TMS320VС5402. Данный процессор характеризуется наличием следующих особенностей:
внутренние шины данных и 2 генератора адреса что позволяет выполнять операции параллельно с несколькими операндами;
сумматор в сорок разрядов и аккумулятор что позволяет производить параллельную обработку команд в одном цикле;
дополнительный аккумулятор в сорок разрядов на выходе умножителя позволяет выполнять операции MAC типа двух суммирований и умножения одновременно за один такт;
одноцикловая нормализация и экспоненциальное декодирование позволяет операции с плавающей запятой;
Умножитель 17 × 17 позволяет производить умножение 16-ти разрядных чисел знаковых и без знаковых с возможностью округления;
АЛУ в сорок разрядов может работать в таком режиме когда выполняются 2 операции над 16-разрядными числами параллельно (при построении цепей переноса);
Наличие вспомогательных регистров и программного стека.
В курсовом проекте по заданию к цифровому процессору сигналов необходимо подключить внешнюю память программ и данных заданного объёма и конфигурации. Т.к. процессоры семейства TMS320 обмениваются данными только 16-разрядными словами то при использовании микросхем памяти разрядностью 8 бит данных необходимо параллельное подключение двух микросхем. В нашем случае надо получить память программ емкостью 16К (4К × 16) и память данных объёмом 32К (16К × 8). Следовательно мы должны использовать 4 микросхем ПЗУ 4К × 16 и 4 микросхемы ОЗУ 16К × 8.
Рассмотрим сигналы которые должны управлять работой с памятью. Опишем каждый из сигналов.
D0 D15 – шина данных
A0 A15 – шина адреса
-DS – выбор памяти данных
-PS – выбор памяти программ
R-W – чтениезапись данных
STRB – строб записичтения
Подключение устройства ЦОС будет производиться через порт RS-232 (рисунок 4).
Рисунок 3.2 – Подключение ЦПС к порту RS-232.
При этом требуются только 2 микросхемы преобразователей уровня сигнала(75189 и 75188) для сопряжения ТТЛ уровня микросхемы процессора с уровнем RS-232.
Интерфейс внешних устройств TMS обеспечивает подключение к модулю внешних сигналов и связь с ПЭВМ.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Уточненный порядок работы устройства следующий:
Инициализация устройства – сброс микропроцессора пересылка констант из памяти программ в память данных;
Чтение входного цифрового сигнала из порта;
Производится анализ входного цифрового сигнала вычисляется длина и шаг выборки для двух гармонических составляющих;
Генерация очередных отсчётов гармонических составляющих и получение соответствующего отсчёта выходного цифрового сигнала;
Вывод полученного результата в регистр вывода;
Преобразование отсчёта выходного цифрового сигнала в аналоговый сигнал на ЦАП;
Если сформирована вся выборка (её длительность должна составлять 20 сек.) то переход к п.8 иначе переход к п.4;
Начинается счет в течение 20 сек чтобы обеспечить требуемую паузу;
Программное обеспечение разрабатывается в расчете на то что АЦП выдает цифровые значения в дополнительном коде и входные значения находятся в пределах ±1 т.е. используется код Q15.
Частота дискретизации (22 кГц) определяет задержку между посылками отсчетов синусоиды ее можно установить с помощью константы счета в регистре PRD.
Для настройки таймера сначала таймер останавливается установкой бита TSS в регистре TCR. Затем в регистр периода таймера PRD заносится число 1430. Как известно нам нужно оцифровать входной сигнал с частотой дискретизации 22 кГц тогда по формуле:
Далее устанавливаем бит TRB и обнуляем бит TSS в регистре TCR тем самым запускаем таймер.
Блок-схема алгоритма приведена в приложении А.
Для осуществления моделирования работы устройства применялся эмулятор процессора TMS320. В качестве входных значений была использована таблица синусов с периодом на 22000 значений. Амплитуда – 05.
При проектировании данного устройства были применены знания полученные в результате изучения курсов "Цифровая обработка сигналов" и "Проблемно-ориентированные электронно-вычислительные средства". Были решены вопросы подключения внешней памяти к процессору вывода из устройства аналогового сигнала пересылки результатов вычислений на устройство сопряжения.
Для разработки программного обеспечения и моделирования работы устройства применялся эмулятор процессора TMS320 что позволило сократить время проектирования снизить возможность ошибки проверить работу программного обеспечения устройства без его практической реализации.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
[1] В.Б. Клюс Конспекты лекций по предметам «Проектирование проблемно-ориентированных вычислительных средств» и «Программирование проблемно-ориентированных вычислительных средств»
[2] Документация фирмы Texas Instruments «TMS320C54х DSP Design Workshop. C54X-NOTES-4.21. September 2001»
[3] Учебное пособие по курсовому проектированию по дисциплине «Программирование проблемно-ориентированных вычислительных средств» А.А. Петровский В.Б. Клюс А.Б. Давыдов М.В. Качинский. – Мн.: БГУИР 2005.
[4] Клюс Владимир Борисович ППОВСРВ_ЭУМКД_2 БГУИР 2012.

Doc1.asm.docx

st0_vaслово состояния процессора по умолчанию
st1_vaпо умолч +frct
bscr_vaразмер банка памяти
swwsr_vaзадержка при обр. к пам. 0 и к ;io 3 takta
F_флаг сигн. о поступивших данных
;проверка условия F=1
;проверка условия Flag=1
ldчтение входного сигнала
stпоследующего сравнения
;задание шагов выборки
mar*+ar2(адрес текущего смещения в ;таблице
andm#0FF00hsecond_sm
установка нач знач ;счетчика
установка нач знач ;счетчика нулей
;Получение очередного отсчета гармонического сигнала как суммы ;двух значений синусоид
metka1:mvdmf1 шаг в ar0
stm#Buff1 адрес буфера
stm#140размер кольцевого буфера
stm#sначальный адрес таблицы ;синус
mvdd*ar2+0%*запись значения и ;увеличение на шаг
stm#Buff2 адрес буфера
mvdd*ar4+0%*запись значения и увеличен
;проверка вся ли выборка сформирована
banzmetka2*ar7-;уменьшение счетчика на 1 ;go metka2 if a!=0
st#0F;установка флагов
banzmetka2*ar6-;go metka2 if a!=0
st#1Fустановка флагов
st#1F;если выдача нуля завершена
;начальная инициализация
;ssbразрешение прерываний
ssbрежим расширения знака
fпроверка поступления входного ;сигнала
bcfgo first_sign if a=0
reset: BD_c_ RESET vector
tint: Bfunc_obrabotka
.include "sin140.tab"

Doc1.dwg

Схема электрическая структурная
Схема алгоритма работы устройства
Чтение входного цифровогоnсигнала из порта
Анализ входного цифровогоnсигнала
Генерация отсчетовnгармоническихnсоставляющих
Вывод результата вnрегистр вывода
Преобразование отсчетаnвыходного цифровогоnсигнала
сформирована ли всяnвыборка
Отсчет времени паузы
Модуль генератора телефонных сигналов на