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/fd=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

0.5 100 200 400

0.1 500 1000 2000

0.01 5000 10000 20000

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

(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 80C196KCKD;

• 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