Каталог :: Радиоэлектроника

Курсовая: Реализация КИХ-фильтра с треугольной импульсной характеристикой на микроконтроллере INTEL 80C196KC

                           Министерство Образования РФ                           
             Уральский Государственный Технический Университет – УПИ             
                                  Кафедра ТиСС                                  
                                 Курсовая работа                                 
                                  по дисциплине                                  
                     «Микропроцессорные Системы Управления»                     
«Реализация КИХ-фильтра с треугольной импульсной характеристикой на
микроконтроллере INTEL 80C196KC»
                          Преподаватель: Мироненко О.В.                          
Студент: Черепанов К.А.
Группа: Р-507
                                  Екатеринбург                                  
                                      2003                                      
     

Цель и задание на проектирование

Цель: Практическое освоение методов цифровой обработки сигнала с использованием целевой платы на базе микроконтроллера INTEL 80C196KC. Задание: Реализовать КИХ-фильтр с треугольной импульсной характеристикой (треугольник равнобедренный N отсчётов) предварительно отмоделировать на ПЭВМ (пакет Маtlab), затем реализовать на лабораторном стенде, получить АЧХ, ФЧХ, H(z) (модели и реального) фильтра с использованием генератора синусоидальных колебаний (программного и аппаратного) как входного сигнала, выходной сигнал должен анализироваться как в цифровой форме (выходной массив) так и с ЦАП на осциллографе. Определить передаточную функцию фильтра. Исходные данные: 1. Реализовать нерекурсивный фильтр для f=50,100, 200Гц при N=16, 64, 128 и f/f d=0.5, 0.1, 0.01. Определить характеристики фильтра. 2. То же для рекурсивной реализации. Таблица №1. Определение частота дискретизации Fd (Гц)

Частота (Гц)

Нормированная

частота (f/fd )

50

100

200

0.5

100

200400

0.1

50010002000

0.01

50001000020000

Содержание:

Цель и задание на проектирование.. 2 Содержание: 3 Условные обозначение, символы и сокращения: 4 Описание рабочей установки. 5 Состав АРМ отладки.. 5 Целевая плата.. 5 Импульсная характеристика цифрового фильтра.. 6 Расчет параметров цифрового фильтра.. 6 Программа построения модели системы РФ по оценке ее ИХ: 6 Программа расчета параметров РФ: 8 Параметры НРФ... 9 Программа расчета коэффициентов НРФ: 9 Программа моделирования АЧХ и ФЧХ НРФ: 11 Программа фильтрации сигнала: 14 Текст программы фильтра для микроконтроллера INTEL 80C196KC.. 15 Программа для анализа внутренних данных: 15 Программа для анализа внешних данных (с АЦП): 17 Выводы по работе. 20 Список использованной литературы: 21

Условные обозначение, символы и сокращения:

b- коэффициенты фильтра h(t) - импульсная характеристика N - количество отсчетов импульсной характеристики Y(ωT)- фазо-частотная характеристика (ФЧХ) А(ejωT)- амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) H(z) - переходная характеристика t - время, с x(n)- входной сигнал y(n) - выходной сигнал f/fd - нормированная частота f - частота входного сигнала АЧХ - амплитудно-частотная характеристика ФЧХ - фазо-частотная характеристика РФ – рекурсивный фильтр НРФ – нерекурсивный фильтр КИХ – конечная импульсная характеристика

Описание рабочей установки.

Выполнение курсовой работы происходит с помощью метода аппаратной отладки. Суть этого метода состоит в том, что программа отлаживается в реальном масштабе времени, а механизм отладки для нее прозрачен. Вся отладка выполняется на персональном компьютере в удобном для пользователя виде с использованием интегрированной среды разработки MCSMaster. Необходимо отметить, что реализация фильтра происходит в оперативной памяти микроконтроллера, но при этом возможна его реализация с использованием АЦП для ввода входного сигнала и ШИМа для вывода выходного сигнала, установленных на целевой плате микроконтроллера. Целевые платы выполнены как блоки, подсоединяемые к персональным компьютерам. Их аппаратное и программное обеспечение позволяет: · производить отладку программного обеспечения, в том числе и тестового, для разрабатываемого устройства до создания экспериментального образца с использованием различных режимов отладки (запуск, останов, установка точек останова, просмотр и изменение содержимого ячеек памяти и регистров, оценка времени выполнения участков программы и т.п.); · плата позволяет вести отладку программ в реальном времени и на реальном кристалле; · вести отладку аппаратной части устройства на заранее подготовленных тестовых программах.

Состав АРМ отладки

В состав АРМ отладки входят: · ПК, 128Мб ОЗУ, Windows 95/98/Me/NT/2000/XP, свободный последовательный порт; · Целевая плата на базе микроконтроллера INTEL 80C196KC\KD; · Кабель связи RS-232; · MCSmaster - интегрированная среда разработки микропроцессорных устройств. Рис. 1. Блок-схема стенда цифровой обработки звукового сигнала с использованием процессора INTEL 80C196KC АЦП - Аналогово-цифровой преобразователь процессора; ШИМ - Широтно-импульсный модулятор процессора.

Целевая плата

Целевая плата спроектирована на основе специального микроконтроллера 80C196KC (68 выводной корпус типа PLCC). В состав установки на основе целевой платы входят: · целевая плата с процессором 80C196KC, последовательным портом для связи с ПК, внешним ОЗУ, перемычками конфигурации платы, индикатором на внутренний порт процессора (IOPORT1); · электретный микрофон, усилитель с электретного микрофона; · сглаживающий фильтр; · стереоколонки. Плата позволяет работать как со внутрикристальным ПЗУ, так и с внешним ПЗУ. Плата имеет стандартный кварц 20МГц. Сброс целевой платы производится нажатием кнопки RESET. Его необходимо делать после включения питания.

Импульсная характеристика цифрового фильтра

Фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтры), или нерекурсивные фильтры, являются простейшими средствами цифровой фильтрации сигналов. Они работают по заданной импульсной характеристике – реакции фильтра на единичный импульс, задаваемый функцией Хевисайда. Для КИХ-фильтров импульсная характеристика является конечной числовой последовательностью. Значения импульсной характеристики в каждый момент времени являются коэффициентами разностного уравнения фильтра и его передаточной функции. Зная импульсную характеристику h[n], можно при нулевых начальных условиях рассчитать реакцию ЦФ (выходной сигнал y[n]) на любое воздействие (входной сигнал x[n]). Для этого следует воспользоваться формулой дискретной свертки: где n – количество отсчетов импульсной характеристики, x(n) – входная последовательность, h(k) – импульсная характеристика, y(n) – выходная последовательность.

Расчет параметров цифрового фильтра

Предложенный вариант задачи параметрического моделирования предполагает построение модели системы по имеющейся оценке ее импульсной характеристики . Для этого в пакете Signal Processing (MatLab) имеются две функции. Функция prony использует тот факт, что импульсная характеристика рекурсивной дискретной системы при отсутствии у нее кратных полюсов представляет собой сумму дискретных экспоненциальных функций (в общем случае комплексных). Алгоритм, реализуемый данной функцией, был первоначально разработан в 18 веке бароном де Прони с целью подгонки параметров экспоненциальной аналитической модели под экспериментальные данные. Устойчивость полученной системы не гарантируется, однако первые n отсчетов (n — заданный при расчете порядок числителя функции передачи системы) ее импульсной характеристики точно совпадают с заданными. Вторая функция моделирования системы по импульсной характеристике — функция stmcb — не стремится обеспечить точное совпадение начальных фрагментов импульсных характеристик — вместо этого она минимизирует квадратичное отклонение полученной характеристики от заданной, то есть сумму квадратов модулей разностей отсчетов полученной и желаемой импульсных характеристик. Функция реализует итерационный метод Штейглица—МакБрайда, который сводится к многократному решению системы линейных уравнений относительно коэффициентов полиномов функции передачи искомой системы. Получим методами Прони и Штейглица—МакБрайда модель системы 3-порядка, задав в качестве образца треугольную импульсную характеристику:

Программа построения модели системы РФ по оценке ее ИХ:

Функция:Комментарий:
Импульсная характеристика системы
N=16;% количество отсчетов треугольника
K=16/N;% шаг дискрета
t=0:K:16;% задание временных характеристик
x=tripuls(t-8,16);% генерация одиночного треугольного импульса

for i=1:1:N,

h(1,i)=x(1,i+1);

end

% исключение первого нулевого коэффи-% циента массива (для функции stmcb)
[b1, a1] = prony(h,3,3);% метод Прони (n=13)
[b2, a2] = stmcb(h,3,3);% метод Штейглица—МакБрайда (n=3)
impz(b1, a1, 2*N)% графики ИХ полученных систем
title('Prony')
figure
impz(b2, a2, 2*N)
title(' Steiglitz-McBride')
Рис.2 Импульсная характеристика РФ методом Прони Рис.3 Импульсная характеристика РФ методом Штейглица—МакБрайда Вывод: Сравнение графиков наглядно демонстрирует различия двух алгоритмов. При использовании метода Прони первые четыре отсчета полученной импульсной характеристики точно совпадают с заданными, однако в дальнейшем отклонения от заданных величин сильно возрастают, а после окончания заданного фрагмента наблюдается “хвост” с довольно большим уровнем, так как функция prony не делает никаких предположений о требуемых значениях импульсной характеристики за пределами заданного фрагмента. Функция stmcb минимизирует квадратичную ошибку воспроизведения заданной бесконечной импульсной характеристики, при этом по окончании явно заданного фрагмента она считается равной нулю. В результате точного соответствия отсчетов заданной и полученной импульсных характеристик не наблюдается (за исключением первого), зато ошибка воспроизведения характеристики “размазана” по отсчетам более равномерно.

Программа расчета параметров РФ:

Функция:Комментарий:
Импульсная характеристика системы
N=16;% количество отсчетов треугольника
K=16/N;% шаг дискрета
t=0:K:16;% задание временных характеристик
x=tripuls(t-8,16);% генерация одиночного треугольного импульса

for i=1:1:N,

h(1,i)=x(1,i+1);

end

% исключение первого нулевого коэффи-% циента массива (для функции stmcb)
Определение коэффициентов РФ N-порядка:
[b1, a1] = prony(h,13, 13);% метод Прони
[b2, a2] = stmcb(h,3,3);% метод Штейглица—МакБрайда
Амплитудно-Частоная и Фазо-Частоная характеристики системы:
Fs=100;% частота дискретизации
nfft = 512; % число точек характеристики
[H1,f,s] = freqz(b1,a1,nfft,Fs);% частотная характеристика первого фильтра
[H2,f,s] = freqz(b2,a2,nfft,Fs);% частотная характеристика второго фильтра
H = [H1 H2];