Блок электронного ключа на базе преобразования Фурье

Министерство  Образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ  И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

 

Факультет Компьютерного Проектирования 

 

Кафедра ЭВС

 
 

« К защите  допускаю »

Руководитель  проекта

Клюс  В.Б.

«       »               2002 г.

 
 
 
 
 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому  проекту на тему:

« Блок электронного ключа  на базе преобразования Фурье »

 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:                   Принял:

студент гр. 810702       доцент каф. ЭВС

Ларионов А.А.                                                                              Клюс В.Б.

 
 
 

- Минск 2002 -

 

Содержание

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

    Современный этап развития вычислительной техники  характеризуется разработкой микропроцессорных средств. Микропроцессоры (МП) используются в качестве элементной базы для реализации устройств обработки данных. При этом каждая сфера применения МП предъявляет свои специфические требования к их составу и структуре. Особенно ярко эти требования выражены в области цифровой обработки сигналов (ЦОС), методы и средства которой широко используются в настоящее время в самых различных отраслях науки и техники.

    Как правило, задачи ЦОС требуют выполнения больших объёмов вычислений над большими массивами данных в реальном масштабе времени. При этом важность таких задач делает целесообразной разработку специализированных устройств, для их решения. Не так давно такие спецпроцессоры разрабатывались на микроэлектронной элементной базе общего назначения, в результате чего эффективность их применения была низкой. Возрастание требований к технико-экономическим характеристикам современных систем ЦОС, расширение областей их применения и усиливающаяся тенденция к параллельным (конвейерным) методам их организации - привели к необходимости создания быстродействующей элементной базы, ориентированной на построение систем ЦОС с DSP процессорами.

    Значительное  место в ряду DSP процессоров занимает семейство процессоров TMS фирмы Texas Instruments. Особенности построения данного семейства следующие:

    1) гарвардская архитектура;

    2) широкое использование конвейерного  режима;

    3) наличие специального устройства  умножения;

    4) существование специальных команд  для цифровой обработки сигналов;

    5) короткий командный цикл.

    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 практически особое значение.

    Для системы, содержащей 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 проектирования. 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 целиком.

    Таким образом, основываясь на этих положениях легко сделать заключение, что  система, спроектированная с помощью  и на основе микрокомпьютера будет  в большей мере соответствовать  требованиям нынешнего времени, и быть более целевой, по сравнению с системами, реализованными на дискретных элементах.

    В данном курсовом проекте мы используем проблемно-ориентированный процессор.

      DSP процессоры имеют команды ориентированные на отдельные задачи. Большинство команд выполняются за один такт, идет параллельная адресация. Данные процессоры применяются в технике связи информации, технике обработки изображения, измерительной технике.

 
 
 
 
 
 

1 Анализ задачи

    Функциональная  спецификация должна определять, какие  функции должно выполнять проектируемое  устройство для удовлетворения требований пользователя и обеспечения интерфейса между системой и окружением. Таким образом, функциональная спецификация включает два основных компонента:

1. Список функций выполняемых системой;
2. Описание интерфейса между системой и пользователем.

    В настоящем курсовом проекте поставлена цель разработать блок электронного ключа на базе преобразования Фурье, основной частью которого будет являться модуль ЦОС на базе TMS320C26. В качестве остальных характеристик, представлены ограничения на память программ, память данных, частоту дискретизации, динамический диапазон частот, частоты.

    Устройство  производит анализ входного сигнала, поступающего с АЦП и при совпадении требуемых трёх частот, замыкает ключ.

    Исходные  данные для проекта следующие:

1. Модуль ЦОС на базе процессора TMS320c26.
2. Память программ 32к(8к×16), память данных 32к(16к×8).
3. Частота дискретизации 10кГц, динамический диапазон 48 дБ.
4. Выделение заданной комбинации 3-х частот из 8.
5. Частоты: 650, 850, 1050, 1250, 1450, 1650, 1850, 2050.
6. Условия срабатывания: уровень выше 20дб, отклонение менее ±30 Гц.
7. Условия несрабатывания: уровень ниже 30дб, отклонение более ±60 Гц.

    Посредством персонального компьютера будет  реализовываться взаимодействие пользователя с устройством, то есть интерфейс пользователя. Человек с помощью клавиатуры, подсоединённой к устройству, будет задавать требуемые частоты, по которым должен “сработать” электронный ключ.

 
 
 
 

2 Предварительное  проектирование

    2.1 Разбиение устройства на модули

    На  этапе предварительного проектирования устройство разбивается на модули и производится выбор соотношения между аппаратными и программными средствами.

    Разбиение устройства на модули будет производиться  на базе списка функций, выполняемых  устройством. В соответствии с этим устройство будет содержать модуль преобразования входного сигнала, выходной модуль, модуль микрокомпьютера. В него также будет входить модуль синхронизации (рисунок 2.1.1):

   

 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 2.1.1 - Модульная структура измерителя спектра мощности.

    Модуль  преобразования входного сигнала и выходной модуль содержат компоненты, необходимые для обмена входными и выходными сигналами с внешней средой.

    Модуль  микрокомпьютера осуществляет обработку  данных.

    2.2 Выбор соотношения между аппаратными и программными средствами

    Прежде  чем начинать детальное проектирование программных и аппаратных средств, необходимо определить, какие функции  лучше выполняются с помощью  программного обеспечения, а какие  с помощью аппаратных средств.

    Все функции должны быть предварительно распределены между программными и аппаратными средствами. Во время детального проектирования аппаратных и программных средств часто становится очевидным, что некоторые аппаратные функции лучше выполнимы с помощью программных средств и наоборот.

    Структура программных средств приведена на рисунке 2.2.1.

               

    Рисунок 2.2.1 - Модульная структура программных средств.

    На  высшем уровне модульной структуры  программных средств должен находиться управляющий модуль, обеспечивающий последовательное исполнение системой функций.

    Модуль  инициализации должен производить  инициализацию системы при начальном включении и по сигналу Reset.

    Модуль  выделения заданной комбинации  3-х частот производит выделение трёх заданных нам частот из восьми возможных.

    В модуле ввода считываются входные  сигналы.

    Выбор соотношения между аппаратными  и программными средствами проектируемого устройства является определяющим на этапе предварительного проектирования, поскольку от него зависит будущая  сложность устройства, которая определяет стоимость. В нашем устройстве на программном уровне будет вестись инициализация, непосредственно выделение заданной комбинации трёх частот из восьми, управление приёмом и выдачей данных.

    2.3 Построение структурной схемы устройства

    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 укрупнено отображать состав (основные блоки) устройства.

    Прежде  всего, в состав разрабатываемого устройства должен быть включен основной элемент данного устройства – микропроцессор (МП). Для его работы необходим тактовый генератор.

    Далее осуществляется подключение внешней  памяти программ 32К (8Кх16) и данных 32К (16К х 8). Память программ используется для хранения программы и констант, память данных – для хранения переменных, массива результатов.

    Так как разрабатываемое устройство представляет собой устройство цифровой обработки сигналов, а сигнал, подаваемый на вход системы, является аналоговым, то для его преобразования в цифровой вид необходимо использовать аналогово-цифровой преобразователь.

    Структурная схема устройства приведена в приложении.

    2.4 Разработка алгоритма работы

    Порядок работы устройства следующий:

1. инициализация устройства – сброс микропроцессора, пересылка констант из памяти программ в память данных;
2. выборка 512 значений из АЦП;
3. 512-точечное преобразование Фурье;
4. анализ полученной АЧХ;
5. вывод полученных результатов в последовательный порт;
6. Повторение пунктов 2-5.

 

    Алгоритм  работы устройства приведен в приложении 1.

 
 
 
 
 
 
 
 

3 Проектирование аппаратных  средств

    3.1 Разработка функциональной схемы устройства

    Процессор TMS320С26, на базе которого построено наше устройство,  принадлежит ко второму поколению семейства процессоров TMS. Он характеризуется наличием следующих особенностей :

1. длительность командного цикла 20 нс ;
2. объём внутреннего ОЗУ данных 1568 слова ;
3. объём внутреннего ПЗУ 256К;
4. 8 вспомогательных регистров ;
5. наличие в аккумуляторе разряда переноса С и связанных с ним команд
6. режим адресации с инвертированием разряда для выполнения БПФ ;
7. большинство команд реализуют за 1 цикл с одновременным перемещением данных ;
8. последовательный порт.