23. Цифровые сигнальные процессоры

Назначение, классификация и области применения ЦСП

Цифровой сигнальный процессор (ЦСП) – это специализированный процессор, предназначенный для обработки в реальном масштабе времени сигналов непрерывного вида с использованием математического аппарата цифровой обработки сигналов (ЦОС).

Предметом ЦОС является представление непрерывных сигналов в виде кодированных последовательностей цифровых сигналов полученных в результате аналого-цифровых преобразований и их обработки с помощью различных вычислительных процедур и алгоритмов.

Появление цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) было обусловлено несколькими причинами:

− Развитие теории ЦОС привело к появлению различных алгоритмов, которые могли практически использоваться во многих областях техники;

− развитие технологии изготовления микросхем.

ЦСП делятся:

- по способу представления чисел:

-с плавающей точкой

-с фиксированной точкой

- по разрядности и производительности:

-16,32,64-разрядные

- по возможности их применения

-универсальные

-специализированные

Основные достоинства ЦСП

1. Перепрограммируемость.

2. Стабильность.

3. Повторяемость.

4. Специальные приложения.

Программная реализация алгоритмов ЦОС с помощью ЦСП по сравнению с их жесткой реализацией на интегральных микросхемах различной степени интеграции дает следующие преимущества:

• возможность существенного снижения массогабаритных показателей аппаратуры;

• многофункциональность данного метода реализации: изменение программы приводит и к полному изменению алгоритма обработки;

• существенное упрощение этапов разработки и отладки аппаратуры;

• значительное снижение цены как разработки, так и изготовления аппаратуры.

Основные характеристики ЦСП

1. Формат данных и разрядность.

2. Скорость.

3. Организация памяти

4. Удобство разработки приложений.

5. Энергопотребление.

6. Стоимость.

Особенности архитектуры ЦСП

Цифровая фильтрация является одним из наиболее мощных инструментальных средств ЦОС. Существует два основных типа цифровых фильтров:

• фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ);

• фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ).

Высокоэффективные КИХ-фильтры строятся с большим числом операций умножения с накоплением и поэтому требуют использования быстрых и эффективных ЦСП. Операция умножения с накоплением является базовой операцией ЦОС

Структура ЦСП

Типовые ЦСП состоят из:

• арифметико-логического устройства (АЛУ); • блока аппаратного умножения;• памяти программ и данных; • портов ввода/вывода.

24. Влияние помех на работоспособность мпусу

МПУСУ предназначены для работы в жестких условиях эксплуатации, которым относятся:

1) наличие пыли и твердых предметов;

2) наличие влаги, капель;

3) электромагнитные излучения;

4) наличие агрессивных сред;

5) вибрация и удары;

6) наличие взрывоопасных зон;

7) сбои по электропитанию;

8) расширенный диапазон температур.

Для обеспечения работы в жестких условиях электронные устройства промышленного компьютера размещают в специализированном металлическом электронном корпусе, который называют шасси. Однако применение шасси не гарантирует полного исключения влияние вредных факторов на функционирование электронной части МПУСУ.

Необходимо выделить три фактора, которым не может противостоять шасси:

1. Электромагнитными излучениями (ЭМИ). ЭМИ естественного (например, разряды молний) или искусственного (например, сварка) происхождения наводят в кабельных соединениях паразитные импульсы большой амплитуды, которые по проводам проникают вовнутрь шасси в электронную часть и могут полностью нарушить ее работоспособность (привести к сбоям и отказам).

2. Сбои по системе электропитания. В системе электропитания возможны помехи различного рода и происхождения, включая пропадания питания.

3. В электронной части МПУСУ имеются аналоговые контура, чувствительные к различным родам помех, включая помехи, наводимые цифровыми устройствами в процессе их переключений.

ЭМИ влияют на работоспособность входных каскадов измерительного контура и контура управления, а также порта ЛВС. Для борьбы с данными помехами во входных и выходных каскадах применяют гальваническую развязку с оптической или трансформаторной связью. Для защиты от короткого замыкания и перегрузок по току, которые могут возникнуть под воздействием ЭМИ используют самовосстанавливающие предохранители.

Для защиты входных и выходных цепей от превышения уровней напряжений применяют диодные ограничители на базе диодов Шотки.

Сбои по электропитанию влияют на функционирование источника вторичного электропитания (ИВЭП) электронного оборудования вычислительного устройства МПУСУ. Шасси промышленного компьютера снабжается отказоустойчивым ИВЭП с диапазоном входных напряжений от 110 до 260В переменного тока. Однако, этого недостаточно для обеспечения непрерывной работы вычислительного устройства МПУСУ. Для защиты МПУСУ от сбоев по электропитания применяют источники бесперебойного питания (ИБП).

ИВЭП шасси относятся к импульсным источникам питания, которые используют инверторы на высоких частотах. Достоинства импульсного источника питания известны, в первую очередь, это высокий КИД и малые массогабаритные параметры. Недостатком импульсного источника питания является «шумный» контур питания и земли, наводимый внутренним генератором, и данные шумы не всегда удается отфильтровать в ИВЭП.

Подключение аналоговых контуров к ИВЭП напрямую приводит к снижению точностных характеристик измерения и искажению уровня сигнала управления.

Вычислительный контур реализован на цифровых устройствах, которые в процессе переключений наводят помехи в линиях питания и заземления. Для борьбы с данными помехами используют шунтирующие емкости, которые устанавливают в непосредственной близости от ножки заземления интегральной схемы. Однако шунтирующие емкости только минимизируют уровни помех и полностью их подавить не могут. Как следствие, прямое подключение сигнальных линий, шин питания и заземления между цифровыми и аналоговыми устройствами приводит к снижению точностных характеристик последних, а в некоторых случаях возможны ситуации нарушения функционирования аналоговых устройств.

Повышение помехоустойчивости аналоговых устройств

Использование фильтров низких частот.

Оптоизоляторы (оптопары) используются для создания недорогой и простой гальванической изоляции. При ее наличии между преобразователем (АЦП/ЦАП) и микропроцессором отпадает необходимость соединения аналоговой и цифровой земли системы. Для предотвращения дребезга выходы оптоизоляторов должны быть буферизированы триггерами Шмитта, чтобы обеспечить достаточно крутые фронты для преобразователя.