Устройство цифровой фильтрации на основе микроконтроллера фирмы AVR ATmega16

ВВЕДЕНИЕ

В связи с повсеместным использованием цифровых управляющих систем постоянно растет необходимость разработки и усовершенствования их.

Большинство цифровых систем строится на микропроцессорах либо на микроконтроллерах. При помощи микропроцессорных систем происходит управление различными технологическими процессами и операциями. Данные системы практически универсальны, так как они имеют очень высокое быстродействие, и достаточную разрядность для различных выполнения различных расчетов на производстве. Используя в данных системах ППЗУ, возможно, при помощи одной компьютерной системы управление различным оборудованием. То есть необходимо изменение только программы управления.

Центральное место в структуре микропроцессорного устройства занимает микропроцессор, который выполняет арифметические и логические операции над данными, программное управление процессором обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему. Микропроцессор представляет собой функционально законченное устройство, состоящее из одной или нескольких программно-управляемых БИС и предназначенное для выполнения операций по обработке информации и управления вычислительным процессом.

В курсовой работе разрабатывается устройство на базе микроконтроллера фирмы AVR семейства Mega.

Эти контроллеры характеризуются наиболее развитой периферией, наибольшими среди всех микроконтроллеров AVR объемами памяти программ и данных, поддерживают несколько режимов пониженого энергопотребления, имеют блок прерываний, сторожевой таймер и допускают программирование непосредственно в готовом устройстве. Они предназначены для использования в мобильных телефонах, контроллерах различного периферийного оборудования (принтеры, сканеры, современные дисковые накопители, приводы CD-ROM / DVD-ROM и т. п.), сложной офисной технике и т. д.

Микроконтроллер АТmega16 выбран на основании того, что он полностью удовлетворяет требованиям для реализации заданного устройства, а также имеет доступную цену и широко распространен.

1. АНАЛИЗ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ

Процесс проектирования интегрирующего устройства состоит из тех же этапов, что и процесс проектирования аналоговых фильтров. Сначала формулируются требования к желаемым характеристикам интегратора, по которым затем рассчитываются его параметры. Амплитудная и фазовая характеристики формируются аналогично аналоговым фильтрам. Ключевое различие между аналоговым и цифровым интеграторами заключается в том, что, вместо вычисления величин сопротивлений, емкостей и индуктивностей для аналогового интегратора, рассчитываются значения коэффициентов для цифрового. Иными словами, в цифровом интеграторе числа заменяют физические сопротивления и емкости аналогового. Эти числа являются коэффициентами, они постоянно находятся в памяти и используются для обработки (фильтрации) дискретных данных, поступающих от АЦП.

Интегрирующее устройство, работающий в реальном масштабе времени, оперирует с дискретными по времени данными в противоположность непрерывному сигналу, обрабатываемому аналоговым интегратором. При этом очередной отсчет, соответствующий отклику интегратора, формируется по окончании каждого периода дискретизации.

Вначале сигнал должен быть оцифрован с помощью АЦП для получения выборки x(n). Далее эта выборка поступает на цифровой интегратор. Отсчеты выходных данных y(n) используются для восстановления аналогового сигнала с использованием ЦАП с низким уровнем ложного сигнала.

В дискретных системах, даже с высокой степенью избыточной дискретизации, требуется наличие аналоговых ФНЧ перед АЦП и после ЦАП для устранения эффекта наложения спектра.

1.1 Описание интегратора 1-го порядка

Интегрирующее устройство (ИУ), интегратор – вычислительное устройство для определения интеграла, например вида где х и у — входные переменные. Входными переменными величинами могут быть механическое перемещение, давление, электрический ток (напряжение), число импульсов, температура и т. п.

Интегратор используется как самостоятельное вычислительное устройство при решении математических задач методами интегрирования; может служить элементом системы автоматического регулирования (интегрирующее звено); входить в состав вычислительной машины; использоваться для моделирования физического процесса и т. д. Интегратор применяют для изучения фильтрации.

Цифровые интеграторы входят в состав цифровых дифференциальных анализаторов, а также некоторых специализированных вычислительных устройств, например интерполяторов. Интегрирование функции в цифровых ИУ заменяется операцией суммирования конечного числа последовательных значений этой функции (её приращений), заданных в дискретных точках. При этом входная и выходная числовая информация представляется в виде электрических импульсов, а интегрирование осуществляется суммированием этих импульсов. Выбирая цену импульсов достаточно малой, можно обеспечить практически необходимую точность при замене интеграла суммой; точность аналогового ИУ ограничена.

ИУ описывается системой уравнений

x₁[n]=x[n];

x₂ [n]= x₁[n] + x₃[n-1];

x₃ [n]= x₁[n] + x₂[n-1];

x₄ [n]= kx₁[n];

y[n]= x₄[n] .

где y[n], x[n] – входная и выходная последовательности;

x_i[n] – состояние i-го узла графа схемы усреднения;

 - постоянный коэффициент усреднения,

где δ – заданная погрешность восстановления идеальной АЧХ;

f_d- частота прихода значений входной последовательности;

N – число циклов усреднения.

Частота сигнала, поступающего на вход равна 50 Гц, тогда минимальная частота дискретизации должна быть не менее 100Гц.

Рис.1.2 – Структурная схема интегратора

 

1.2 Аналитический обзор микроконтроллера AТmega16

AТmega16 представляет собой 8-разрядные микроконтроллеры с 16 Кбайтами внутрисистемной программируемой Flash памяти. Он обладает следующими характеристиками:

·  8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением

·  Прогрессивная RISC архитектура

1. 130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл,

2. 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения

Полностью статическая работа

3. Производительность приближается к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц)

4. Встроенный 2-цикловый перемножитель

·  Энергонезависимая память программ и данных

1. 16 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash) :

-обеспечивает 1000 циклов стирания/записи

- дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки

- Внутрисистемное программирование встроенной программой загрузки

- Обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write)

2. 512 байт EEPROM:

- Обеспечивает 100000 циклов стирания/записи

3. 1 Кбайт встроенной SRAM

- Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя

·  Интерфейс JTAG (совместимый с IEEE 1149.1)

1. Возможность сканирования периферии, соответствующая стандарту JTAG

2. Расширенная поддержка встроенной отладки

3. Программирование через JTAG интерфейс: Flash, EEPROM памяти, перемычек и битов блокировки

·  Встроенная периферия

1. Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения

2. Один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения

3. Счетчик реального времени с отдельным генератором

4. Четыре канала PWM

5. 8-канальный 10-разрядный

6. Байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс

7. Программируемый последовательный USART

8. Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый)

9. Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором

10. Встроенный аналоговый компаратор

·  Специальные микроконтроллерные функции

1.Сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания

2.Встроенный калиброванный RC-генератор

3. Внутренние и внешние источники прерываний

4. Шесть режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby, Extended Standby и снижения шумов ADC

·  Выводы I/O и корпуса

32 программируемые линии ввода/вывода

40-выводной корпус PDIP и 44-выводной корпус TQFP

·  Рабочие напряжения 4,5 - 5,5 В

·  Рабочая частота 0 - 16 МГц (ATmega16)

Рис.1.3 - Расположение выводов контролера ATmega16

Рис.1.4 - Архитектура модели AVR ATmega16