Проектирование систем на базе микропроцессоров

Использование микропроцессоров или цифровых процессоров обработки сигнала при проектировании различных систем позволяет создавать устройства, особенностью которых является то, что аппаратные средства и программное обеспечение существуют здесь в форме неделимого аппаратно-программного комплекса. Процесс разработки такого аппаратно-программного комплекса удобно представить в виде последовательности трех фаз проектирования:

1) разработки (и/или выбора типовых) аппаратных средств;

2) разработки прикладного программного обеспечения:

3) комплексирования аппаратных средств и программного обеспечения и отладки прототипа системы.

При использовании микропроцессора в качестве комплектующего элемента разработчик системы избавлен от необходимости проектировать и сопровождать технической документацией самую сложную центральную часть изделия. Проектная документация на аппаратные средства изделия содержит только документацию на аппаратуру сопряжения микропроцессора с датчиками и исполнительными механизмами объекта управления. С появлением аналоговых (сигнальных) микропроцессоров, интегральных ЦАП и АЦП, разнообразных больших интегральных схем (БИС) специализированных контроллеров все более сложные функциональные части системы переходят из разряда подсистем в разряд комплектующих элементов. Поскольку эти комплектующие элементы являются сложноорганизованнымн приборами, функционирующими под управлением программы, то удельный вес прикладного программного обеспечения в микропроцессорных системах имеет устойчивую тенденцию к увеличению, а удельный вес аппаратных средств - к снижению.

Если задача уже поставлена, то наиболее трудоемким и сложным (из-за тесной связи с областью приложения будущей программы) этапом работы является этап формирования алгоритма решения поставленной задачи. Связано это с тем, что данный этап практически не поддастся формализации и, следовательно, не может быть автоматизирован обычными средствами. Проектная работа здесь носит глубоко творческий характер и сильно зависит от опыта и квалификации разработчика.

Проиллюстрируем вышесказанное одним из возможных подходов к созданию систем с использованием микропроцессора на примере проектирования цифрового фильтра.

Пусть требуется создать фильтр низкой частоты (ФНЧ) первого порядка.

На рис.5.4, а показана принципиальная схема такого фильтра. Порядок фильтра определяется числом входящих в него реактивных элементов, т.е. конденсаторов и катушек индуктивности. Сигналы низких частот проходят через фильтр низкой частоты на его выход. Высокочастотные сигналы «замыкаются» через конденсатор на землю и не появляются на выходе фильтра. На рис.5.4,б приведена АЧХ этого фильтра. Граничная частота фильтра (частота излома, перегиба) логарифмической АЧХ , где τ=RC - постоянная времени. Для представления частоты в герцах используется соотношение

а) б)

Рис.5.4. Фильтр нижних частот: а – принципиальная схема; б – АЧХ

Рассмотрим дифференциальное уравнение, описывающее процессы, происходящие в ФНЧ (рис.5.4). С учетом того, что , а , уравнение будет иметь вид

. (5.1)

Рассмотрим значения входного и выходного сигналов в дискретные моменты времени , где n=0,1,2,… и заменим производную конечной разностью:

,

тогда (5.1) примет вид

. (5.2)

Проделаем с (5.2) следующие преобразования:

(5.3)

Объединим первые два члена в (5.3) и вынесем за скобки :

. (5.4)

Перенесем второй член (5.4) в правую часть равенства и разделим левую и правую часть полученного равенства на , тогда

. (5.5)

Разделим числитель и знаменатель членов правой части (5.5) на :

. (5.6)

Наконец, обозначив как , как , получаем

. (5.7)

Реализовав (5.7) в виде программы для микропроцессора и использовав схему на рис.5.5 при , получим цифровой фильтр нижних частот.

Рис.5.5. Схема цифрового фильтра

Цифровые устройства, созданные на базе микропроцессоров, имеют ряд преимуществ перед аналоговыми. Приведем некоторые из них на примере рассмотренного выше цифрового фильтра.

1. Нечувствительность характеристик фильтра к разбросу параметров входящих в него элементов, их временному и температурному дрейфам.

2 Малые размеры и высокая надежность работы фильтра, связанные с использованием БИС.

3. Легкость изменения параметров и характеристик цифровою фильтра, что при использовании микропроцессора осуществляется модификацией программного обеспечения или таблиц коэффициентов.

4. Возможность реализации адаптивных фильтров, т.е. фильтров с изменяющимися в процессе работы параметрами.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: