Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Лабораторна робота виконується на експериментальній платі з цифровим процесором сигналів adsp-21990 фірми Analog Devices із застосуванням фірмового програмного забезпечення Visual dsp

Лабораторна робота виконується на експериментальній платі з цифровим процесором сигналів adsp-21990 фірми Analog Devices із застосуванням фірмового програмного забезпечення Visual dsp




Дата конвертації28.05.2017
Розмір90.1 Kb.
ТипЛабораторна робота



ПРОЦЕСОР ЦИФРОВОЇ ОБРОБКИ СИГНАЛІВ.

Цифрова обробка сигналів (ЦОС - англ. digital signal processing, DSP) - перетворення сигналів, представлених у цифровій формі.

ЗАСТОСУВАННЯ В ЯДЕРНІЙ СПЕКТРОСКОПІЇ.
1. Вступ.
Класична аналогова обробка сигналів детекторів ядерного випромінювання має два фундаментальних недоліки. По перше, суттєво обмежені можливості фільтрації сигналу, які можуть бути реалізовані в аналоговій формі. По-друге, аналогові компоненти сприйнятливі і до шумових, і до дрейфових явищ, що можуть впливати на якість сигналу і, як наслідок, на якість результуючого спектру.

Ці недоліки усуваються за допомогою сучасних цифрових технологій – в системах цифрової обробки сигналів (ЦОС). У цих системах реального часу, сигнал з детектора після обробки в зарядово–чутливому попередньому підсилювачі, невеликого посилення та антіелайзінгової фільтрації поступає безпосередньо на АЦП, який із деякою частотою виконує дискретизацію сигналу.

Система реального часу (СРЧ) - це система, яка повинна реагувати на події у зовнішньому по відношенню до системи середовищі або впливати на середовище в межах необхідних тимчасових обмежень. Оксфордський словник англійської мови свідчить про СРЧ, як про систему, для якої важливий час отримання результату.
Подальша обробка (фільтрація, оптимізація і таке інше) виконується в цифровому процесорі сигналів (ЦПС) з використанням цифрових алгоритмів. При цьому повністю виключається вплив температурних і часових нестабільностей на цифровані сигнали та з'являється можливість динамічної зміни параметрів формування і побудови адаптивних спектрометричних систем.


2. Цифрова обробка сигналів
Сучасна архітектура спектрометру ядерного випромінювання з цифровою обробкою сигналів значно простіша за аналогову (Рис.1). Практично відразу після ЗЧПП (після невеликого підсилення та антіалайзінгового фільтру) сигнал оцифровується АЦП, у вигляді послідовності цифрових кодів подається на цифровий процесор сигналів (ЦПС) де і відбувається в реальному часі вся необхідна обробка.
Реальний час - режим роботи автоматизованої системи обробки інформації і керування, при якому враховуються обмеження на часові характеристики функціювання.




Рис.1. Блок-схема цифрового спектрометру [E.Gatti, NIM A417(1998)131-136] .




Детальний огляд методів ЦОС в ядерній спектроскопії знаходиться в файлі “Цифрові процесори сигналів в ядерній спектроскопії”.


Лабораторна робота виконується на експериментальній платі з цифровим процесором сигналів ADSP-21990 фірми Analog Devices із застосуванням фірмового програмного забезпечення Visual DSP.

3. Цифровий процесор сигналів ADSP-21990.
Цифровий процесор сигналів має на кристалі 14-розрядний АЦП конвеєрного типу з максимальною частотою дискретизації 20 МГГц, цифровий процесор сигналів (DSP Core), оперативну та флеш пам’ять програм і даних, а також розвинену систему послідовних і паралельних інтерфейсів.
Analog Devices - одна з найбільших американських компаній з виробництва інтегральних мікросхем для вирішення задач перетворення сигналів (у тому числі аналого-цифрових перетворювачів та цифрових сигнальних процесорів).
Частота́ дискретиза́ції (англ. sample rate) - визначає кількість сигналів за секунду (або за іншу одиницю) при перетворенні безперервного сигналу в дискретний сигнал (тобто його дискретизації). Як правило, частота дискретизації вимірюється в герцах (Гц).
Блок схему ЦПС наведено на рис.2.



Рис.2. Блок-схема цифрового процесора сигналів ADSP-21990.

ЦПС працює з 16-бітними словами у форматі з фіксованою точкою із швидкістю до 160 MIPS. На кристалі розміщено 8К слів RAM, конфігуровану як 4К по 24 біт пам’ять програм та 4К 16-бітову пам’ять даних. Він має незалежний арифметично-логічний пристрій (ALU), перемножувач-накопичувач, зсуваючий пристрій типу “баррель” з подвійним 40-бітовим акумулятором.

ЦПС має розвинену систему команд, орієнтовану на цифрову обробку сигналів в реальному часі, зокрема операції множення і додавання (Multyplying and Acquisition – MAC). Максимально можлива швидкість обробки визначається тактовою частотою кора, яка програмується і може досягати 160 МГц. Функціональну схему кора наведено на рис.3.

Та́ктова частота́ - основна одиниця виміру частоти тактів у синхронних колах, що визначає кількість елементарних операцій (тактів), що виконуються системою за 1 секунду.(За підручником І.Л. Володіна, В.В. Володін 9 клас)
Функціона́льна схе́ма - схема, що роз'яснює певні процеси, що відбуваються у певних функціональних частинах виробу (устаткування) чи у виробі (устаткуванні) в цілому.




Рис.3. Функціональна схема ЦПС ADSP-21990.

Ефективний обмін даними в корі забезпечується шинами




  • Program Memory Address (РМА) Bus;

  • Program Memory Data (PMD) Bus;

  • Data Memory Address (DМА) Bus;

  • Data Memory Data (DМD) Bus;

  • Direct Memory Access Address Bus;

  • Direct Memory Access Data Bus.

Механізм прямого доступу АЦП до внутрішньої та зовнішньої пам’яті дозволяє в реальному часі проводити різноманітну цифрову обробку дискретизованих сигналів, наприклад реалізувати FIR-фільтри, фільтри рекурсивного типу, цифрове перетворення Фур’є і таке інше.

Структура пам’яті ADSP-21990 наведена в таблиці.


4. Вбудований АЦП.
Кристал ADSP-21990 містить швидку, високої точності АЦП систему з архітектурою конвеєрного типу (pipeline flash convertor). АЦП має 6-ти каскадну структуру, два пристрої виборки-зберігання (Sample & Hold amplifiers), що дозволяє одночасно вибирати значення двох сигналів. Повний час перетворення складає 7.5 тактів, тривалість яких можна програмувати. Амплітуда вхідних сигналів в діапазоні 2 вольта перетворюється в 14-бітний двійковий код (16384 рівнів квантування) з мінімальним періодом дискретизації 50 нс (20 МГц). АЦП має 8 незалежних аналогових входів, які мультиплексуються по 4 на два пристрої вибірки зберігання (ASHAN та BSHAN). Першій код на виході АЦП з’являється приблизно через 375 нс після виконання команди СТАРТ. На рис. 4 наведено схему вхідних буферів АЦП. Блок-схема АЦП показано на рис. 5.



Для забезпечення роботи АЦП на кристалі розташовано три групи регістрів:



  • регістри даних;

  • регістри режиму роботи;

  • регістри, що забезпечують прямий доступ до пам’яті.
    Прями́й до́ступ до па́м'яті ( англ. Direct Memory Access, DMA) - режим обміну даними між пристроями або ж між пристроєм і основною пам'яттю (RAM) без участі центрального процесора (ЦП). У результаті швидкість передачі збільшується, так як дані не пересилаються в ЦП і назад.

Програмування АЦП виконується за допомогою запису в регістри управління обумовленої інформації. Повна інформація щодо регістрів АЦП і його програмування міститься в файлі ADC_ADSP_2199x_HRM0.pdf.


Таблиця 2. Формат регістрів даних АЦП.

VIN0(V)

Вхід


ASHAN(V)

Зміщення


вибірки

VCORE(V)

Зміщення АЦП



Digital Data (HEX)

Digital Data (Binary 16 біт)

OTR

(Bit 0)


≥ 2 x VREF

2xVREF - 1LSB

VREF

0

< 0



VREF

VREF


VREF

VREF


VREF

VREF

VREF - 1LSB

0

-VREF


< -VREF

0x7FFC/D

0x7FFC


0x0000

0x8000


0x8000/1

0111 1111 1111 110x

0111 1111 1111 110x

0000 0000 0000 000x

1000 0000 0000 000x

1000 0000 0000 000x


1

0

0



0

1


OTR (Out of Range) =1 - вихід вхідної напруги за межі діапазону АЦП.

5. Типові алгоритми цифрової фільтрації.
На рисунках 6, 7 наведені типові рекурсивні алгоритми цифрової фільтрації, які застосовуються в ядерній спектроскопії (IIR-фільтри).

Позначення: v(n) – вхідний цифровий сигнал, s(n)- вихідний сигнал після фільтрації.

Цифрови́й сигна́л - дискретний сигнал з певним значенням інформативного параметра, яке визначається у цифровій формі. Цифрові сигнали є цифровим зображенням дискретного сигналу, який часто видобувається шляхом квантування аналогового сигналу.


Р
ис. 6. Форма вихідних сигналів і рекурсивні цифрові алгоритми для трикутника і трапеції, коли вхідний сигнал є одинична сходинка.
Вхідни́й сигна́л (автоматика) - зумовлений (заздалегідь обумовлений) стан або зміна стану параметра, що відображає інформацію, яка міститься у впливі. Звичайно сигнал виражається певною математичною функцією, що однозначно відображає зміни у часі певного представницького параметра.




Рис. 7. Форма вихідних сигналів і рекурсивні цифрові алгоритми для каспа (ліворуч) і обмеженого каспа з плоскою вершиною, коли вхідний сигнал є одинична сходинка (IIR-фільтри).


6. Приклад реалізації FIR-фільтру.
Лістінг демонстраційної програми FIR-фільтру та інших додаткових програм приводиться у папці programs. Для того, щоб проводити ЦОС будемо використовувати FIR-фільтр, а значення отриманих даних будемо обраховувати по такій формулі :

Для простоти візьмемо вхідний сигнал сходинкою, а відфільтрований сигнал визначимо як трапецію.

Тоді значення коефіцієнтів будуть :

Де К1 – характеризує швидкість зростання трапеції (кількість точок на ділянці зростання - К1) , К2 – характеризує довжину постійного плато (кількість точок на горизонтальній ділянці – К2) , К3 – характеризує швидкість спадання трапеції (кількість точок на ділянці спада – К3).
Зауваження.
Слід також зауважити одну деталь, а саме: демонстраційну програму розроблено для цілочисельних значень коефіцієнтів ак, з постійним коефіцієнтом зростання, якій дорівнював 1, для вихідного сигналу – симетрична трапеція, порядок фільтру – 15() , де n – кількість коефіцієнтів). Якщо буде необхідно зробити програму для дрібних значень ак, тоді треба модифікувати регістри MSTAT та ASTAT . Також не слід забувати що формат чисел, які можна встановити в MSTAT – 1.15 (fractional format) та 16.0 (integer format).
Нижче, на рис. 8-9, проілюстровані вхідні параметри і результат роботи програми (рис.10):

Рис 8. Вхідний сигнал



Рис 9. Коефіцієнти FIR-фільтру.

Після застосування алгоритму фільтрації вихідний сигнал має вигляд:

Рис 10. Вихідний сигнал після фільтрації.



7. Програмування експериментальної плати.
Програмування ЦПС може бути виконано безпосередньо на експериментальній платі. Для цього виробником передбачена процедура спілкування ADSP-21990 з персональним комп'ютером по послідовному інтерфейсу USB з використанням стандартного протоколу USB. Цей інтерфейс прозорий для програміста, що забезпечується програмним комплексом Visual DSP. Процес програмування потребує наступних кроків:


  1. На мові Ассемблер (або С ) розроблюється програма, яка буде повністю обумовлювати роботу ADSP-21990.

  2. Експериментальну плату підключають до USB-порту за допомогою відповідного кабелю. Вмикають живлення плати.

  3. В РС запускають програму Visual DSP. Відкривають файл з текстом розробленої програми і включають процес програмування. Процес програмування коментується у відповідних вікнах Visual DSP.

  4. Якщо завантаження пройшло без помилок, то треба запустити програму на виконання та проаналізувати хід її виконання і результати роботи.

На рис.11 наведено розташування компонентів на експериментальній платі EZ-LITE BOARD.




Р1 - роз’їм для підключення живлення.

Р3 – інтерфейс зовнішньої пам’яті.

Р4 - входи до буферів АЦП.

Р5 – виходи ЦАП, які розташовані на платі.

Р9 –підключення до СОМ-порту (послідовний інтерфейс UART).

Р11- роз’їм підключення до порту USB.


8. Завдання


  1. Ознайомтеся з технічною документацією ЦПС ADSP-21990 і методами його програмування.
    Техні́чна документа́ція - система графічних і текстових документів, необхідних і достатніх для безпосереднього використання на усіх стадіях життєвого циклу продукції (конструюванні, виготовленні та експлуатації промислових виробів; при проектуванні, зведенні і експлуатації будівель і споруд; при розробці технологічних процесів виробництва; при розробці та використанні програмного забезпечення).


  2. Ознайомтеся з технічною документацією на експериментальну плату EZ-LITE BOARD.

  3. Навчиться працювати з програмою Visual DSP.

  4. Виконайте індивідуальні завдання, запропоновані викладачем (наприклад реалізувати FIR або IIR фільтри, які б давали для вхідного сигналу у вигляді сходинки вихідний сигнал у формі трикутника, трапеції, каспа, обмеженого каспа, або інші).


Література


  1. Загальні питання цифрової обробки сигналів в папці Додаткова література у вкладеній папці DSP-Gide.

  2. Е. Шрюфер, Обробка сигналів. Цифрова обробка дискретизованих сигналів. Київ, “Либідь”, 1992.

  3. Цифрові процесори сигналів в ядерній спектроскопії – doc-файл в папці Lab_Rab_5.

  4. Лістінг програми FIR-фільтру та інших додаткових програм приводиться у папці programs



  1. Довідкова інформація та додатки приводяться у папці book.

Додаткова інформація по точному місцезнаходженню потрібної літератури:


ADC_system:

ADC_ADSP_2199x_.pdf - вичерпна інформація про АЦП у ADSP 21990.


ADSP_21990_board_manual:

ADSP21990_board_manual.pdf – інформація про роботу з експериментальною платою EZ-LITE BOARD.


Application Note:


  • PWM_sine.pdf – генерація 3-х фазної синусоїди за допомогою PWM

  • EE068v09.pdf – документація про інтерфейс JTAG

  • EE237v01.pdf – документація про .ldf файли у VisualDSP

  • ee_18.pdf – документація про FFT (швидке Фур’є перетворення)

  • ee_123.pdf – огляд конвеєрної системи у ADSP 21990.

  • AN334.pdf – документація про ЦОС (у тому числі і цифрову фільтрацію).

  • EE144.pdf – документація про інтерфейс SPI(для зв’язку між MCU).

  • EE153.pdf – документація про програмування PLL (original doc).


ASM_literature:


  • asm_book.pdf – оглядова книга про асемблер для ADSP 21990

  • У папці Description – більш повний опис про асемблер для ADSP 21990.


Core_and_ports_information:


  • 9xsequen.pdf – документація про програмний синтезатор у Visual DSP.

  • 9xsystem.pdf – документація про дизайн системи.

  • 9xnumeri.pdf – документація про формати чисел у ADSP 21990.

  • 9xregist.pdf – документація про регістри ADSP 21990.

  • 9xmemory.pdf – документація про організацію пам’яті у ADSP 21990.

  • 9xinterr.pdf – документація про переривання у ADSP 21990.

  • 9xintrod.pdf – вступ .

  • 9xioproc.pdf – документація про Input/Output процесор у ADSP 21990.

  • 9xhwrTOC.pdf – головний документ, який зшиває усі інші в цій папці; тому щоб не гаяти часу рекомендовано одразу відкривати його.

  • 9xhwrIX.pdf – індекс – файл .

  • 9xdags.pdf – документація про Data Address Generator (DAG).

  • 9xglssry.pdf – глосарій.

  • 9xcompu.pdf – інформація про обчислювальні модулі у ADSP 21990.

  • 9x_spi.pdf – вичерпна інформація про SPI інтерфейс (загальна).

  • 9x_sport.pdf – документація про послідовні порти у ADSP 21990.
    Послідо́вний порт (англ. serial port) - двонаправлений послідовний інтерфейс, призначений для обміну байтовою інформацією. Послідовний тому, що інформація через нього передається по одному біту, біт за бітом (на відміну від паралельного порту).


  • 9x_uart.pdf – документація про UART порт.

  • 9x_jtag.pdf – документація про JTAG порт.

  • 9x_eport.pdf- документація про EXTERNAL порти (зокрема для підключення зовнішньої пам’яті і т.д.)

  • 9x_hport.pdf – документація про HOST порти.

  • 91regist.pdf – документація про регістри ADSP 21991.


For_programming:


  • "PLL Control Register Bits.doc" – документ, що має короткий опис застосування бітів у регістрі PLL_CTRL

  • Questions.pdf – FAQ .

  • 9x_shftops.pdf – документація про багаторегистровий циклічний пристрій для зсуву інформації.

  • 9x_multiops.pdf – документація про мультифункціональні інструкції.

  • 9x_opcodes.pdf – документація про мнемоніку та означення кодів операцій.

  • 9x_mltops.pdf – документація про MAC-інструкції.

  • 9x_moveops.pdf – документація про інструкції переміщення даних.

  • 9x_is_TC.pdf – головний документ, який зшиває усі інші в цій папці; тому щоб не гаяти часу рекомендовано одразу відкривати його.

  • 9x_iset.pdf – резюме про інструкції ADSP 21990.

  • 9x_is_IX.pdf – індекс – файл .

  • 9x_flowops.pdf – документація про потокові інструкції.

  • 9x_intro.pdf – вступ .

  • 9x_ALUops.pdf – документація про ALU інструкції.



  • 2. Цифрова обробка сигналів
  • Analog Devices
  • 5. Типові алгоритми цифрової фільтрації.
  • 6. Приклад реалізації FIR-фільтру. Лістінг демонстраційної програми FIR-фільтру та інших додаткових програм приводиться у папці programs
  • 7. Програмування експериментальної плати.
  • 8. Завдання Ознайомтеся з технічною документацією
  • Література Загальні питання цифрової обробки сигналів
  • Цифрові процесори сигналів в ядерній спектроскопії
  • ADC_system
  • Core_and_ports_information