Курсовая работа: Устройство цифровой фильтрации на основе микроконтроллера фирмы AVR ATmega16

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 AVRсемейства 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 A Т mega 16

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

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--