Комп’ютеризований стенд для дослідження систем цифрової обробки сигналів

Реферат: Лабораторний стенд для практичного дослідження цифрових систем управління містить електронно-обчислювальну машину, модулі аналогово-цифрового та цифро-аналогового перетворення, блоки моделювання об'єктів дискретної та безперервної дії, цифровий сигнальний процесор, модуль вбудованої пам'яті. UA 81333 U (54) КОМП'ЮТЕРИЗОВАНИЙ СТЕНД ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ СИСТЕМ ЦИФРОВОЇ ОБРОБКИ СИГНАЛІВ UA 81333 U UA 81333 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі учбових демонстраційних приладів, призначена для проведення лабораторних робіт із вивчення задач обробки та аналізу сигналів у комп'ютеризованих системах керування технічними об'єктами і може бути використана для більш ефективного засвоєння теоретичного учбового матеріалу студентами у навчальних закладах. Відомий лабораторний стенд "Основы микропроцессорной техники МП-01" [Паспорт [Електронний ресурс]. Режим доступу: www.kvazar-ufa.com/uf/file/Pasport%20MP-01.pdf] розроблений підприємством «Квазар». Навчальний лабораторний стенд МП-01, який складається з електронно-обчислювальної машини, мікропроцесора ATMHGA 128, модулів аналогово-цифрового та цифро-аналогового перетворення, USB інтерфейсу, рідкокристалічного дисплею та призначений для програмування і відладки мікропроцесорних систем на лабораторних заняттях. Суттєві ознаки, які збігаються з корисною моделлю, що заявляється: наявність електроннообчислювальної машини, процесора, модулів цифро-аналогового та аналогово-цифрового перетворення. Недоліками даного стенду є його невеликий термін служби, велика вартість та неможливість використовувати його для дослідження цифрових систем обробки сигналів, оскільки процесор ATMHGA 128 не призначений для цього. Найближчим аналогом є навчальний стенд для дослідження комп'ютеризованих систем управління (КСУ) [Пат. 96317С2 Україна, МПК G05В17/00. Спосіб побудови та дослідження комп'ютеризованих систем управління та пристрій для його реалізації/ Прус В.В., Кушпіль А.А. № 96317 С2; Заявл. 13.08.2009; Опубл. 25.10.2011, Бюл. № 20, 2011 р.], у якому вирішується задача вдосконалення способів побудови та дослідження комп'ютеризованих систем управління при їх проектуванні та при навчанні шляхом створення та дослідження прототипів систем зі спільним використанням віртуальних та електронних моделей об'єктів дискретної (ОДД) та безперервної (ОБД) дії, реалізованих на базі запропонованого пристрою за допомогою набору уніфікованих елементарних електронних вузлів. До складу комп'ютеризований стенду для дослідження систем управління входить персональна електронно-обчислювальна машина, процесор для обробки даних, модулі аналогово-цифрового та цифро-аналогового перетворення, програмовані логічні інтегральні схеми. Суттєві ознаки, які збігаються з корисною моделлю, що заявляється: наявність електроннообчислювальної машини, процесора, модулів цифро-аналогового та аналогово-цифрового перетворення. Недоліками даної корисної моделі є неможливість реалізовувати цифрову обробку сигналів, оскільки до складу приладу не входить цифровий сигнальний процесор, а також необхідність використання персональної електронно-обчислювальної машини для зберігання поточних результатів вимірів, оскільки це не дозволяє використовувати стенд автономно. В основу корисної моделі поставлено задачу створення зручного у застосуванні стенду, що має невеликі габарити, може виконувати задачі обробки та аналізу сигналів у комп'ютеризованих системах керування та для початку роботи з яким не потрібно тривалого навчання. Поставлена задача вирішується тим, що реалізація системи цифрової обробки сигналів здійснюється на сучасній елементній базі, що включає цифровий сигнальний процесор, значний об'єм вбудованої пам'яті для зберігання поточних результатів роботи, модулі аналоговоцифрового (АЦП) та цифро-аналогового перетворення (ЦАП), модулі зв'язку з ЕОМ, генератор основних сигналів та пристрій відображення інформації - осцилограф. Технічним результатом є можливість швидкої та простої роботи з лабораторним обладнанням, збільшується швидкодія обробки сигналів, підвищується надійність елементів стенду, що дає змогу використовувати його в навчальному процесі. Завдяки цьому зменшуються габарити запропонованого стенду, матеріальні затрати для його створення, що робить дану модель універсальним бюджетним рішенням для впровадження в навчальний процес вищих навчальних закладів. Застосування такого стенду дозволить студентам без змін у апаратній частині здійснювати на лабораторних роботах синтез, налаштування і експериментальне дослідження систем цифрової обробки сигналів. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показана блок-схема приладу, на якій прийняті позначення: 1 - ЕОМ (електронна обчислювальна машина); 2 - осцилограф з USB-інтерфейсом (наприклад, OWON); 3 - генератор сигналів ГС (наприклад Matrix); 4 демонстраційна плата DSK6713; 4.1 - модуль пам'яті МП; 4.2 - цифровий сигнальний процесор ЦСП, (наприклад, TMS320C6713); 4.3 модуль АЦП/ЦАП; 4.4 - інтерфейс JTAG. На фіг. 2 наведено математичну модель в пакеті Matlab для дослідження цифрової фільтрації. На фіг. 3 1 UA 81333 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 показано результат дослідження системи фільтрації, на якій прийнято позначення: 1 - сигнал з генератора; 2 - сигнал зі стенду. На фіг. 4 наведено математичну модель в пакеті Matlab для дослідження адаптивної фільтрації. На фіг. 5 показано результат дослідження системи адаптивної фільтрації, на якій прийнято позначення: 1 - зашумлений сигнал; 2 - вхідний сигнал; 3 - отриманий сигнал. На фіг. 6 наведено структурну схему програмно-процесорного тестування. На фіг. 7 показано результат моделювання системи, на якій прийнято позначення: 1 - сигнал з цифрового сигнального процесора; 2 - сигнал з ЕОМ. Стенд складається з пластмасового корпусу; плати, на якій встановлено цифровий сигнальний процесор, інтерфейс JTAG, модуль вбудованої пам'яті, модуль АЦП та ЦАП, порти вводу та виводу інформації, світлодіоди для відображення стану ЦСП; USB кабеля; блоку живлення. Робота стенду здійснюється наступним чином (фіг. 1). Користувач за допомогою ЕОМ 1 розробляє програмне забезпечення, що реалізує типові функції систем цифрової обробки сигналів. Після цього генерується програмний код та завантажується до ЦСП 4.2. Для обміну даними через шину USB на демонстраційній платі 4 встановлено спеціальне обладнання JTAG інтерфейс 4.4. Згенерований у 1 код завантажується до 4.4, який передає його до ЦСП 4.2. Після того як програму завантажено до ЦСП, починається обробка сигналів, що надходять від зовнішнього джерела - генератора 3. На платі 4 встановлено модуль АЦП/ЦАП 4.3. Сигнал з 3 потрапляє до 4.3, в якому відбувається його перетворення з аналогового в цифровий, після чого цей сигнал надходить у ЦСП 4.2. Для зберігання поточної інформації ЦСП обмінюється даними з модулем пам'яті 4.1. Після обробки згідно заданого алгоритму, сигнал потрапляє до модуля 4.3, де проводиться перетворення його знову в аналоговий, після чого він передається на перший канал осцилографа 2. Для перевірки отриманих результатів з генератора 3 сигнал передається на другий канал осцилографа 2, де порівнюється з сигналом, що надійшов з плати 4. Якщо вони співпадають за амплітудою та частотою, то система цифрової обробки сигналів (СЦОС) працює правильно. За допомогою лабораторного стенду можна реалізовувати такі типові задачі цифрової обробки сигналів як синтез цифрових фільтрів, адаптивна цифрова фільтрація, програмнопроцесорне тестування цифрових сигнальних процесорів. Разом зі стендом було розроблено програмне забезпечення, яке реалізовує вище вказані задачі. На фіг. 2 показано розроблену в математичному пакеті Matlab програму, за допомогою якої реалізується цифрова частотно-селективна фільтрація з використанням створеного лабораторного стенду. Вхідним сигналом для даної СЦОС є меандр частотою 100 Гц. Специфікацію цифрового фільтра задано таким чином, щоб з цього сигналу можна було виділити синусоїду частотою також 100 Гц шляхом відокремлення основної гармоніки в меандрі. Найкраще для цієї задачі підходить селективний фільтр Баттерворта. Результати роботи показано на фіг. 3: сигнал з генератора 1 та виділена за допомогою СЦОС синусоїда 2. На фіг. 4 показано розроблену в математичному пакеті Matlab модель, що реалізує цифрову адаптивну фільтрацію. Адаптивний фільтр представляє собою фільтр із змінними в процесі роботи параметрами. Параметри адаптивного фільтра визначаються за певним критерієм. Таким критерієм часто є мінімум деякої цільової функції, - як правило, функція помилки між необхідним і вихідним сигналами адаптивного фільтра: J w   e2 k   min . (1) Вихідний сигнал адаптивного фільтра змінюється за рахунок варіації його вагових коефіцієнтів, що розраховуються на основі різних алгоритмів обробки необхідного і вхідного (вхідних) сигналів. Використаний у цій СЦОС адаптивний фільтр LMS (алгоритм найменших квадратів) обновляє свої коефіцієнти за формулою: wk  1  wk   ek u k  . (2) СЦОС з адаптивним фільтром працює наступним чином: до вхідного корисного сигналу (синусоїда частотою 1000 Гц) штучно додано перешкоди з параметрами: коефіцієнт підсилення 12, дисперсія 1.5, частота дискретизації 1000 Гц; задачею адаптивного фільтра є виділення з зашумленого корисного сигналу без зміни його амплітуди та частоти. На фіг. 5 показано результати роботи СЦОС: зашумлений 1, вхідний 2 та отриманий 3 сигнал. Як бачимо існує деяка неточність при виділенні вхідного сигналу за допомогою LMS фільтру, який має найменшу точність з поміж всіх відомих, проте його використання в навчальних цілях є доцільним. На фіг. 6 показано структурну схему програмно-процесорного тестування (ППТ) - технології, призначеної для оцінки наскільки добре алгоритм, що перевіряється, наприклад система управління, працює на обраному DSP процесорі. Для реалізації ППТ у пакеті Matlab створюється програма, яка дозволить спостерігати як виконується цифрова фільтрація сигналів 2 UA 81333 U 5 на ЕОМ та в лабораторному стенді. Для цього потрібно просумувати три сигнали (синусоїди) різних частот, а потім виділити з них одну за допомогою цифрового фільтра одночасно в Simulink та ЦСП. На фіг. 7 бачимо, що обраний до стенду ЦСП TMS320C6713 працює правильно, оскільки сигнали 1 - з ЦСП та 2 - з ЕОМ співпадають за амплітудою та частотою. Запропонований комп'ютеризований лабораторний стенд дозволить швидко та якісно реалізовувати та досліджувати роботу систем цифрової обробки сигналів, оскільки до його складу входить сучасне обладнання, що може виконувати типові задачі ЦОС, не потрібно тривалого часу на навчання для початку роботи зі стендом, що дозволяє використовувати його у навчальному процесі. 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Лабораторний стенд для практичного дослідження цифрових систем управління, який містить електронно-обчислювальну машину, модулі аналогово-цифрового та цифро-аналогового перетворення, блоки моделювання об'єктів дискретної та безперервної дії, який відрізняється тим, що додатково містить цифровий сигнальний процесор для виконання програмнопроцесорного тестування, цифрової частотної та адаптивної фільтрації; модуль вбудованої пам'яті для автономного використання стенду без електронно-обчислювальної машини. 3 UA 81333 U 4 UA 81333 U 5 UA 81333 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6