В среде LabVIEW с библиотекой Digital Filter Design процесс проектирования начинается с разработки прототипа фильтра с плавающей запятой, который
Необходимость немедленного, интерактивного отклика работы системы очевидна всем, кто занимался проектированием и созданием фильтров с арифметикой фиксированной запятой. Этот тип фильтров может оказаться очень экономичным и недорогим, но при проектировании требуются значительные усилия, связанные со сниженной арифметической точностью.
Среда программирования на основе ВП позволяет пользователю одновременно тестировать фильтр и подбирать его параметры. На ВП эти переменные параметры представляют собой элементы управления на лицевой панели. В ВП вы можете описать не только полную схему системы, но и увидеть на графиках и других элементах отображения или индикаторах результат работы. При изменении входных параметров вы сразу видите отклик системы на индикаторах. Среда разработки это не только набор средств проектирования и тестирования системы, это еще и возможность увидеть результат ее работы.
Таблица 1. Библиотека разработки цифровых фильтров предлагает различные схемы фильтров: от классических до современных.
Еще одно достоинство среды разработки виртуальных приборов LabVIEW графическое программирование: несколько иконок позволят вам описать нужную схему тестирования прибора. Замена тестируемого фильтра сводится просто к замене одной иконки. Например, обратный фильтр Чебышева можно сразу заменить фильтром Ремеза или наименьшей нормы P-ого порядка. На самом деле, методы проектирования фильтров, перечисленные в таблице 1 представляют собой готовые решения. Например, при выборе метода Ремеза получается КИХ фильтр, минимизирующий отклонение частотной характеристики фильтра от заданной. Поведение ошибки этого фильтра описывается формулой Чебышева. Также, при использовании метода Ремеза можно генерировать фильтры с линейной фазой типа 1-4, с произвольной формой конечно-импульсной характеристики, аппроксимацией оптимальной амплитуды (по максимальной или минимальной фазе), можно указать полосу работы одной точкой (по провалу или пику) и точно управлять коэффициентом усиления. При использовании метода проектирования фильтра наименьшей нормы Р-ого порядка можно сделать фильтры как с конечной, так и бесконечной импульсной характеристикой, с различными ограничениями по амплитуде и фазе. В библиотеке Digital Filter Design эти фильтры генерируются либо методом Ньютона, либо Итерационным взвешенным методом наименьших квадратов.
Рисунок 1. Экспресс ВП создания классического цифрового фильтра это интерфейс для интерактивной настройки схемы на основе классических фильтров: Чебышева, Баттеруорта и других.
Первый шаг в проектировании определение нужного типа фильтра: низких или высоких частот, полосовой, с конечной (КИХ) или бесконечной (БИХ) импульсной характеристикой, необходимо определить частоту оцифровки и требуемый отклик фильтра при расчетах с плавающей точкой. На рисунке 1 приведен интерфейс настройки классических фильтров: Баттеруорта, Чебышева (низких частот, прямой и обратный), эллиптический, окно Кайзера и Дольфа-Чебышева. На рисунке 1 задан цифровой фильтр низких частот, частота оцифровки 8 кГц, полоса пропускания 1 кГц, полоса подавления 20 кГц с затуханием 60 дБ. После задания этих параметров автоматически рассчитывается амплитудный отклик, строится график нулей и полюсов (pole-zero plot), генерируется порядок фильтра. Порядок фильтра необходим при его проектировании: он определяет количество вычислений в конечной системе. В примере на рисунке 1 мы выбрали обратный фильтр Чебышева: характеристики его полосы пропускания отличные, а порядок достаточно низок.
Давайте рассмотрим преимущества виртуальных приборов на примере разработки цифровых фильтров в LabVIEW с библиотекой Digital Filter Design. Основным преимуществом ВП является интерактивность вы сразу видите результат при изменении параметров системы.
Параметрический анализ схемы
Уже почти 20 лет инженеры, ученые и технические специалисты в тысячах компаний начали применять LabVIEW для более быстрого и простого решения задач проектирования. LabVIEW оказалась мощнее и проще традиционных текстовых средств, при этом ширина и глубина ее возможностей не уступает стандартным средам программирования. Но обусловленная интуитивно понятным подходом к программированию высокая производительность работы позволила значительно снизить время решения многих задач. Программа на LabVIEW, которую называют виртуальным прибором (ВП) описывает функции в виде иконок, связанных вместе проводниками данных, аналогично блок-схемам, которые широко применяются в проектировании. ВП состоит из лицевой панели и блок-диаграммы интерфейса пользователя и исполняемого кода соответственно. Иконки ВП можно поместить на другую блок-диаграмму и связать в законченное приложение. Экспресс ВП отличаются интерактивной настройкой широкого класса функций под решение задачи, что позволяет заметно сэкономить время и усилия разработчика.
Какие возможности сулят новые средства проектирования разработчикам цифровых сигнальных процессоров? Использование стандартных приборов в этой области связано с особыми трудностями. Обычно процесс разработки начинается с создания алгоритма в различных средах математического моделирования, в которых необходимо отличное знание синтаксиса и команд текстового языка. После формирования алгоритма наступает черед реализовывать систему, тут свои трудности. Проектирование встроенных систем требует досконального понимания процессов реального времени и сильно ограничивается объемом доступной памяти.
Виртуальные приборы и цифровая обработка сигналов доказали свои преимущества программной платформы, но компания National Instruments пошла дальше. LabVIEW это графическая среда программирования, которая открыла возможности разработки приложений и управления приборами более широкому кругу пользователей, благодаря отсутствию строгого синтаксиса стандартных текстовых языков программирования.
Преимущества виртуальных приборов перед железными аналогичны возможностям цифровых сигнальных процессоров, которых нет у аналоговых средств. Например, аналоговые фильтры, основанные на традиционных электротехнических компонентах: операционных усилителях, конденсаторах и резисторах, не дают возможностей настройки, особенно по сравнению с цифровыми фильтрами на основе процессоров с плавающей запятой или фиксированной точкой. Хотя аналоговых фильтры намного дешевле и проще, их сложно калибровать и поддерживать работу. При конструировании ими также неудобно пользоваться. Например, если понадобится фильтр более высокого порядка, электронику придется переделывать. У цифровых фильтров эта проблема отсутствует: его функциональность определяется программой, гибкая платформа позволяет реализовать на одном и том же оборудовании несколько различных задач.
С 1976 года National Instruments развивает новую концепцию измерений. Ее суть заключается в разделении стандартной конструкции на две составляющих: аппаратную для оцифровки сигнала и программную для обработки и представления результатов. Теперь у пользователя появилась возможность создать законченный прибор для произвольного приложения с нужной функциональностью. Приведенных выше ограничений больше не существует это и есть одно из основных преимуществ виртуальных приборов. После того как программа стала составляющей частью прибора, открылись новые возможности по тестированию, управлению и проектированию.
Одна из причин появления виртуальных приборов несовершенство стандартных средств. Для измерений и тестирования обычно пользовались осциллографами и генераторами сигналов, но их возможности сильно ограничены. Можно выделить три основных ограничения: 1) трудно осуществить сбор данных с необходимой точностью и скоростью; 2) ограниченное число функций преобразования и анализа данных, предусмотренных производителем прибора; 3) низкие возможности визуализации данных, обычно ограниченные экраном прибора. Если хоть одно из этих ограничений мешало выполнению проекта, требовался новый прибор, стоимость система оказывалась весьма значительной.
Что такое виртуальные приборы?
Рассмотрим, например, обработку цифровых сигналов. Цифровой сигнальный процессор (или ЦСП) это микропроцессор, предназначенный для выполнения математических операций над оцифрованным сигналом. Для обработки сигнала ЦСП сначала необходимо избавиться от шумов, затем оцифровать с помощью АЦП и передать получившийся поток данных в цифровой процессор. После выполнения необходимых математических операций сигнал можно преобразовать обратно в аналоговый. В обычных приборах, например осциллографах, используются специализированные встроенные ЦСП с набором фиксированных операций. Вместо отдельного осциллографа можно воспользоваться компьютером с платой оцифровки внешнего сигнала, а для обработки воспользоваться центральным процессором. Этот подход и составляет основу технологии виртуальных приборов: прибор обработки данных это программа с заданной вами функциональностью.
Что могут виртуальные приборы дать инженеру-проектировщику? Даже если вы не имеете дела с компьютером, совсем без измерительных приборов вам не обойтись. Виртуальные приборы, благодаря средствам разработки, интерактивной настройке и тесному взаимодействию с измеряемыми сигналами позволяют решить задачи проектирования на качественно новом уровне.
-- Суббота, 01 Март 2008 22:01
Виртуальные приборы и проектирование цифровых сигнальных процессоров
Комментариев нет:
Отправить комментарий