Коллекция дипломов

Разработка статистического анализатора

3 Предварительное проектирование

Прежде, чем начинать детальное проектирование программных и аппаратных средств, необходимо определить, какие функции лучше выполняются с помощью программного обеспечения, а какие – с помощью аппаратных средств, при этом учитывается стоимость реализации.

3.1 Разбиение устройства на модули

Общая схема модульной структуры аппаратных средств микрокомпьютерной системы показана на рисунок 3.1. Система разбита на модули, которые соответствуют функциям системы “вход”, “выход”, “преобразова-ние сигнала”, “микрокомпьютер”. Модули преобразования входного сигна-ла и преобразования выходного сигнала содержат компоненты, необходимые для обмена входными и выходными сигналами с внешней средой. Модули интерфейса ввода и интерфейса вывода содержат интерфейсные компоненты, необходимые для связи микрокомпьютера с другими модулями системы. Модуль комбинированной аппаратуры содержит компоненты, необходимые для реализации остальных функций системы.

В модуле комбинированной аппаратуры (рис. 3.2) можно выделить следующие модули:
1. исполнительный модуль – управление работой всей системы
2. модуль обработки – вычисление заданных функций
3. модуль инициализации – осуществление начальной инициализа-ции
4. входной модуль – ввод в систему аналогового сигнала
5. выходной модуль – вывод результата на устройство сопряжения (шину вывода)

Определим для каждого модуля те процедуры, которые реализуют принадлежащие модулю функции:
- Исполнительный модуль выполняет управление работой всей системы и состоит из процедуры исполнения.
- Модуль обработки выполняет функцию статистического анализатора и обеспечивает вычисление требуемых величин.
- Модуль инициализации выполняет начальную инициализацию аппаратуры и системы и состоит из процедур начальной инициализации аппаратуры и системы.
- Входной модуль выполняет ввод в систему аналогового сигнала и состоит из процедуры ввода в систему аналогового сигнала.
- Выходной модуль выполняет функции вывода обработанного сигнала на устройство сопряжения (шину вывода) и состоит из процедур вывода и анализа состояния буфера записи на шину.

3.2 Выбор соотношения между программными и аппаратными средствами

Соотношение между аппаратными и программными средствами показано на рисунке 3.3.

На аппаратные средства возлагаются следующие функции:
1. Аналогово-цифровое преобразование и дискретизация сигнала.
2. Буферизация процесса обмена данными между TMS и Host процессорами
3. Дешифрация адресов памяти и портов ввода-вывода

Программные средства выполняют основные оговоренные в ТЗ функции:
1. Управление вводом/выводом и его синхронизация
2. Цифровая обработка полученных данных и представление их в требуемой форме
3. Выдача внешнему устройству данных, необходимых для визуализации результатов обработки.

3.3 Построение структурной схемы устройства

Рассмотрев соотношение программных и аппаратных средств, и произведя разграничение функций, выполняемых аппаратно, и функций, выполняемых программно, можно приступать к разработке структурной схемы устройства.
Прежде всего, в состав разрабатываемого устройства должен быть включен основной элемент данного устройства – микропроцессор (МП). Для его работы необходим тактовый генератор.
Далее осуществляется подключение внешней памяти программ 16К (8К х 8) и данных 8К (2К х 16). Память программ используется для хранения программы и констант, память данных – для хранения переменных, и внутренних буферов.
Так как разрабатываемое устройство представляет собой устройство цифровой обработки сигналов, а сигнал, подаваемый на вход системы, является аналоговым, то для его преобразования в цифровой вид необходимо использовать аналогово-цифровой преобразователь.
Исходя из заданного динамического диапазона, можно определить необходимую разрядность АЦП. Это значение вычисляется по следующей формуле:

b = log2(D) +1

где b – число разрядов АЦП;
D – динамический диапазон аналогового сигнала.

Для перехода динамического диапазона от дБ к единицам восполь-зуемся выражением:

D1 = 20 lg( D2 )

где D1 – динамический диапазон аналогового сигнала в дБ;
D2 – динамический диапазон аналогового сигнала в единицах.

Таким образом зная, что 60 = 20 lg( D2 ) , получим D2 = 1000 . Исходя из этого разрядность выхода АЦП будет b=12.

МП, используемый нами (TMS320VC5402) является более быстро-действующим элементом в схеме, чем АЦП. Поэтому микропроцессор оп-рашивает АЦП с некоторой заранее заданной частотой, определяемой в ТЗ, а в остальное время может обрабатывать полученные данные.
После поступления сигнала на АЦП, преобразования его в цифровой вид, передачи его в процессор и ряда соответствующих вычислений, ре-зультат работы программы выводится микропроцессором в регистр вы-ходных данных. Вырабатывается сигнал готовности для сопрягаемого уст-ройства, сигнализирующий о том, что регистр выходных данных полон.
Структурная схема анализатора представлена в приложении 1.

3.4 Разработка алгоритма работы

Порядок работы устройства следующий:
1. Инициализация устройства: сброс микропроцессора, установка требуемого значения частоты опроса АЦП, пересылка констант в память данных.
2. Аналого-цифровое преобразование и дискретизация аналогового сигнала посредством АЦП.
3. В момент возникновения прерывания от таймера производится за-пись в буфер одного из 128 отсчетов сигнала (отдельный буфер для каж-дого канала). При заполнении буфера - вычисление матожидания, диспер-сии и плотности вероятности, а так же выдача данных на шину сопряжения с ЭВМ.
Частота дискретизации входного сигнала дана в ТЗ и равна 16 кГц.