Проектирование цифрового фазового звена (стр. 2 из 3)

Исходное состояние аппаратной части и программы фильтра устанавливается при включении питания по сигналу аппаратного узла сброса (схемы сброса). При этом:

· программный счетчик (ВМ85) принимает нулевое значение;

· сбрасывается флаг разрешения прерываний (ВМ85);

· все линии портов РА и РВ (РФ55) настраиваются на ввод;

· порты РА, РВ, РС (РУ55) настраиваются на ввод в режиме простого обмена данными;

· таймер (РУ55) останавливается;

· содержимое ячеек ОЗУ и буферных регистров портов (РУ55) сохраняется.

Из этого следует, что переходу фильтра в рабочий режим должна предшествовать его настройка (инициализация) на обеспечение принятого принципа функционирования, выбранных режимов работы узлов, заданных рабочих характеристик.

3. Разработка общего алгоритма функционирования фильтра

Общий алгоритм функционирования фильтра строится на основе выводов и определений, сделанных при анализе задачи, и включает в себя все функции устройства, реализуемые аппаратно и реализуемые программно. Он содержит также все сигналы и сообщения, необходимые для взаимосвязи аппаратно-реализуемых и программно-реализуемых операций (сигналы и сообщения, которые обеспечивают взаимодействие аппаратной части фильтра и программы). Общий алгоритм функционирования фильтра приведен на рис.2. Работа фильтра начинается с подачи питания на схему сброса. Импульс, сформированный схемой сброса (аппаратный узел), обнуляет счетчик команд МП и инициирует формирование импульса сброса RESET для установки МП-системы в исходное состояние.

Таким образом запускается программа инициализации МП-системы, которая должна начинаться с нулевого адреса. При инициализации: разрешаются прерыванияМП типа RST 7.5; в указатель стека SP записывается начальный адрес, с которого начинается стек; порт РА (РУ55) настраивается на ввод, а порт РА (РФ55) – на вывод; таймер (аппаратный узел) настраивается на период переполнения, равный Т_Д в режиме 3; таймер запускается для формирования непрерывной последовательности импульсов с частотой дискретизации F_Д, которые используются далее для взятия отсчетов входного сигнала и запуска АЦП (аппаратного узла). Программа инициализации завершается операцией останова МП.

Из состояния останова МП выводится сигналом /BUSY (код АЦП готов), поступающим на вход RST 7.5 МП.

Последующие операции (ввод, вывод, преобразование кодов, оперативные обращения к памяти, арифметические преобразования) в каждом цикле работы фильтра выполняются под управлением рабочей программы фильтра.

Каждый рабочий цикл МП есть реакция на прерывание (выполнение подпрограммы обслуживания прерывания), поэтому после обслуживания прерывания по команде возврата из подпрограммы в каждом рабочем цикле МП возвращается в состояние останова (в состояние ожидания очередного прерывания).

4. Синтез операционного узла (выбор и обоснование аппаратной части устройства)

Однокристальный МП К1821ВМ85 (ВМ85) является усовершенствованной версией МП КР580ВМ80 (ВМ80). Разработка ВМ85 была направлена на повышение производительности, уменьшение числа БИС, необходимых для построения законченного МП устройства. В результате на одном кристалле размещено устройство, функционально эквивалентное трем БИС: микропроцессору ВМ80, генератору тактовых импульсов ГФ24 и системному контроллеру ВК28/ВК38. МП ВМ85 более экономичный (технология КМОП), использует только один источник питания (+5 В), имеет мультиплексированную шину адреса/данных, расширенные возможности обработки прерываний.

Система команд ВМ85 включает весь набор команд ВМ80 в их старой кодировке, что гарантирует полную совместимость с программным обеспечением МП ВМ80 на уровне объектного кода. Вместе с этим в состав системы команд ВМ85 введены новые: SIM (установка маски прерывания) и RIM (чтение маски прерывания).Есть модификации Intel 8085, в которых 12 дополнительных команд, включая SIM и RIM.

Команды SIM и RIM расширяют средства обработки прерываний и обеспечивают последовательный ввод – вывод.

По команде SIMобеспечивается установка нового состояния маски в соответствии с содержимым аккумулятора:

А0 – А2 – соответственно маски RST 5.5, RST 6.5, RST 7.5;

А3 - разрешение установки маски;

А4 – сброс триггера приема запроса RST 7.5;

А5 – не используется;

А6 – разрешение вывода данных;

А7 – бит данных для вывода через SOD.

Установка маски запрещает соответствующее прерывание. Смена маски в соответствии с А0 – А2 выполняется только при разрешении ее установки (А3 = 1). В противном случае функция установки маски подавляется. Команда RIM читает текущее состояние масок в аккумулятор в соответствии со следующим распределением:

А0 – А2 – соответственно маски RST 5.5, RST 6.5, RST 7.5;

A3 - флаг разрешения прерывания;

А4 – А6 – соответственно флаги запросов RST 5.5, RST 6.5, RST 7.5;

А7 – бит данных с входа SID.

Запросы на прерывания строго упорядочены, как это показано в таблице. Установленная приоритетная схема разрешает конфликт при одновременном появлении нескольких запросов и не учитывает текущего приоритета программы.

5. Синтез управляющего узла (разработка программы на языке микропроцессора)

Рабочая программа разработана на основе спроектированного алгоритма функционирования устройства и результатов анализа и формализации задачи. Программа привязана к минимальной конфигурации аппаратной части фильтра.

Распределение памяти ОЗУ:

5000h – хранение отсчета x_n;

5001h – хранение отсчетоа x_{n – 1};

5002h – хранение отсчетоа y_{n – 2};

5003h – хранение произведений p _1n;

5004h – хранение произведений p_2n;

50FFh – начальный адрес стека.

;Программа "Фазовое звено"

;Автор Зенов Павел Васильевич

;Разностное уравнение: y_n = 0.958x_n + x_{n – 1} – 0,958 y_{n – 2};

;

;Инициализация по сигналу "Сброс"

7. Оценка быстродействия устройства

Быстродействие фильтра в рабочем режиме оценим как время, необходимое для обработки каждого прерывания процессора. Рабочая программа фильтра линейная (не содержит разветвлений), поэтому общее число машинных тактов, требуемых для выполнения программы, получим как сумму машинных тактов всех последовательно выполняемых команд, составляющих рабочий цикл процессора.

Сумма машинных тактов для рабочего цикла приведенной выше программы равна 549. Из этого следует вывод, что процессор не успеет выполнить подпрограмму обслуживания прерывания за интервал дискретизации T_Д. При частоте F_{CLK МП} = 1,5 МГц F_Д = 2.0 кГц (750 машинных тактов процессора). Поэтому тактовая частота процессора должна быть увеличена. Примем F_{CLK МП} = 3 МГц, что для заданной БИС МП допустимо, но при этом следует вернуться к вопросам формирования тактовых импульсов для АЦП и входных импульсов таймера.

Повышение тактовой частоты МП может быть также необходимым, если ставить задачу увеличения динамического диапазона представления данных для входного сигнала. При однобайтной обработке данных вследствие масштабирования шумы квантования увеличиваются в k_М раз. Их уменьшения можно добиться переходом к двухбайтному представлению данных при хранении и обработке, что приведет, естественно, к увеличению длины программы и числа машинных тактов для ее реализации.

Уточнение аппаратной части фильтра

Принятые ранее решения по аппаратной части и программе изменятся в минимальной степени, если при F_{CLK МП} = 3 МГц тактовые импульсы для АЦП и таймера с частотой F_{CLK АЦП}= F_{CLK Т} = 1,5 МГц получить путем деления в два раза в счетном триггере. Для этого можно применить ИС КМОП К564ТВ1 (сдвоенный JK-триггер с динамическим тактовым входом и асинхронными RS-входами).

8. Расчёт АЧХ фильтра

Разностное уравнение проектируемого фильтра в общем виде можно представить следующим образом:

y_n = b ₂₀X _n + b ₂₁X _{n – 1} + b ₂₂X _{n – 2} – a ₂₁ y _{n – 1} – a ₂₂ y _{n – 2}.

Коэффициенты b_1i , a_1i , b_2i , a_2iопределяют характеристики фильтра.

При значениях коэффициентов

b ₂₀ = 0.958;b ₂₁ = 1;b ₂₂ = 0; a ₂₁ = 0;a ₂₂ = 0.958

фильтр имеет АЧХ фазового звена.

В z-плоскости свойства цифрового фильтра описывает передаточная функция H(z), которая при двухкаскадной структуре и для приведенного выше разностного уравнения имеет вид:

При z = e^jwT = e^j2pfT, где Т = Т_Д, сигнал на входе фильтра – синусоида с частотой fи с единичной амплитудой, а функция H(e^j2pfT) равна частотной характеристике фильтра, из которой можно получить АЧХ и ФЧХ.

Значения коэффициентов разностного уравнения определяют форму и параметры частотных характеристик, поэтому для выявления влияния их приближенного представления следует рассчитать АЧХ при заданных (точных) и реальных (приближенных) значениях коэффициентов:

9. Заключение

В данной курсовой работе была построена схема цифрового устройства и разработана программа, обеспечивающая работу данного устройства как цифрового фазового звена. Устройство имеет высокое быстродействие и в полной мере удовлетворяет требованиям технического задания. Необходимость в высоком быстродействии связана со стремлением обрабатывать в реальном масштабе времени широкополосные сигналы.