3.4. Моделирование алгоритмов и проверка работоспособности
Для проверки используемых алгоритмов было создано программное обеспечение, имитирующее фильтрацию сигнала. Разработанные функции синтеза ядра фильтра и БПФ использованы в дальнейшем при написании программы фильтрации для сигнального процессора.
Тестирование алгоритмов проводилось на сгенерированной выборке сигнала, состоящего из двух синусоид с частотами 400 Гц и 32 Гц и амплитудами 0.5 и 1 соответственно. Выборка составляла 2048 отсчетов. График данного сигнала для интервала выборок с номерами 0-512 приведен на рис.8. Частота дискретизации fd при построении фильтра принималась равной 8000 Гц. Спектр этого сигнала приведен на рис.9. На этом графике хорошо видны две частоты, которые составляют сигнал.
X[i]=sin(i*M_PI*0.1)+0.5*sin(i*M_PI*0.004);
Рис. . Исходный сигнал до фильтрации
Ядро полосового фильтра синтезировалось для диапазона частот среза fcl=300 Гц среза fc=2000 Гц, размерность его была принята 512 точек. График импульсной характеристики ядра показан на рис.10. После свертки с применением БПФ и наложением в отфильтрованном сигнале осталась только одна гармоническая составляющая с частотой 400 Гц (выше частоты среза fcl), а составляющая с частотой 32 Гц исчезла. Это хорошо видно из графиков на рис.11 и рис.12, которые отображают отфильтрованный сигнал во временной области и частотной соответственно.
Рис. . Спектр исходного моделируемого сигнала
Рис. . Импульсная характеристика высокочастотного фильтра
Рис. 0. Отфильтрованный сигнал
Рис. 1. Спектр отфильтрованного сигнала
Для тестирования фильтра так же был построен его спектр. Частотная характеристика полосового фильтра приведена на рис.13.
Рис. . Спектр ядра фильтра
-
Разработка принципиальной схемы
4.1. Выбор элементной базы
В соответствии с заданием для реализации цифрового фильтра необходимо использовать сигнальный процессор типа TMS фирмы Texas Instruments. Как уже было определено ранее при анализе задания, процессор должен быть 16-разрядным, иметь последовательные порты и один параллельный, работать на высокой тактовой частоте и иметь встроенный таймер, а также достаточный объем внутренней памяти данных и программ.
Рассмотрев предварительно ряд процессоров типа TMS, выбор был сделан в пользу модели TMS320VC5402 [5-6]. Это 16-разрядный сигнальный процессор с фиксированной запятой. Максимальная тактовая частота составляет 100 МГц, время выполнения одного такта на этой частоте 10 нс., а подавляющее большинство команд процессора выполняется за один такт. Данная модель имеет два встроенных мультиканальных буферных последовательных порта с поддержкой интерфейса SPI (McBSP0 и McBSP1), два таймера, один параллельный порт типа HPI (Host Port Interface). Внутренняя память составляет 4К16 бит ПЗУ и 16К16 бит ОЗУ с двусторонним доступом. Процессор имеет улучшенную Гарвардскую архитектуру, которая обеспечивает одну внутреннюю шину программной памяти и три шины памяти данных, что позволяет осуществлять одновременный доступ к памяти программ и данных и выполнять команды за один такт с максимальной степенью параллелизма. Процессор имеет встроенный механизм управления прерываниями и вызовами функций в программе. Модель TMS320VC5402 выполнена по технологии CMOS и имеет низкий уровень напряжения питания 3 В. Корпус микросхемы имеет 144 вывода. Условное графическое обозначение процессора изображено на рис.13.
В качестве преобразователя входного сигнала в цифровую форму выбран АЦП модели ADS8320 той же фирмы Texas Instruments [7]. Это 16-разрядный последовательный АЦП с поддержкой синхронного интерфейса SPI, то есть совместимый с портами McBSPx процессора TMS320VC5402. Максимальная частота выборки данных составляет 100 КГц, то есть позволяет получать данные с частотой 48 КГц, заданной в исходных данных к курсовому проекту. Данный АЦП имеет низкое напряжение питания и малую потребляемую мощность (максимум 1.8 мВт на полной частоте в 100 КГц). Преобразователь имеет дифференцирующий вход для обрабатываемого сигнала, что позволяет измерять разность двух потенциалов. Опорное напряжение может составлять от 500 мВ до напряжения питания микросхемы Vcc=2.7– 5.25 В. Микросхема выполнена в корпусе типа MSOP-8 с восемью выводами. Условное графическое изображение АЦП ADS8320 приведено на рис.14.
Рис. . Условное графическое обозначение TMS320VC5402
Рис. . Условное графическое обозначение ADS8320
В качестве ЦАП, преобразующего результаты цифровой обработки сигнала процессором в аналоговый выход, выбрана модель DAC8531 той же фирмы Texas Instruments [8]. Это 16-разрядный последовательный синхронный ЦАП с поддержкой интерфейса SPI, то есть совместимый с портами процессора TMS320VC5402. Потребляемая мощность микросхемы мала и составляет от 2 мВт при напряжении питания 5 В до 1мкВт в режиме пониженного энергопотребления (во время ожидания данных). Напряжение питания составляет от 2.7 В до 5.5 В. Время установки выходного значения составляет порядка 10 мкс. Выходной уровень определяется опорным напряжением и колеблется в диапазоне от 0 до 5 В. Микросхема DAC8531 выполняется в корпусе типа MSOP-8 и имеет 8 выводов. Условное графическое изображение DAC8531 приведено на рис.15.
Рис. . Условное графическое обозначение DAC8531
|
