Обработка и передача измерительной информации ____________________________________________________________________________________________

Обработка и передача измерительной информации
____________________________________________________________________________________________
HARDWARE REALIZATION OF THE MODULE OF THEDIGITAL PROCESSING SIGNAL INFORMATION
MEASURING SYSTEM OF THE ANALYSIS OF THE CONTACT ELECTROMAGNETIC INTERFERENCES AT
ESTIMATION EMC
Lazarev D.
The Moscow State Institute of the Electronics and Mathematics (technical university)
The information measuring system of the analysis of the contact electromagnetic interferences contains the primary converter
interferences fields, as which is used receiver amplitude modulated signal, charge of the interfacing, realizing digitization taken
signal and sending digital information in mode of the realtime in PC for image and further processing.
The base of the module of the digital processing signal is EPLD of the company Altera EPK50QC208-2 families ACEX
1K50, and also are situated the following device:

the microcontroller Cypress CY7C68013 with interface USB 2.0;

the quartz generator pulsing pulse by frequency before 200 MHz;

12-bit analog-to-digital converter (ADC) Analog Devices AD9225;

10-bit digital-analog converter (the DAC) Analog Devices AD7805;

the loader for EPLD EPC2;

two modules to memories SDRAM Micron MT48LC16M16 capacity on 128 Mbit.
Electric features of the module of the digital processing signal following:

the maximum frequency of digitization fd = 120 MHz;

the range of the frequencies 0 Hz - 30 MHz;

Inaccuracy of the measurement level 0,3 db;

the level own noise -150 dBm/Hz;

the dynamic range 90-100 db;

power supply: 7-9 V;

maximum current of the consumption: 0.5 A.
The kernel of the charge is EPLD company Altera EP1K50QC208-2 from family ACEX EP1K50, capacity in 50 thousand
equivalent valves, since with smaller amount of the logic gravely to realize the schemes of the digital processing signal (the controller SDRAM, interface with controller, ADC, DAC and resource will not remain on the digital processing signal). With standpoint of the speed, we more approach the microcircuit with index of the velocities "2". She allows if required, raise the clockrate
of the work with SDRAM above 100 MHz. That is close to her limiting. Since person of the requirements to warm-up mode was
not presented, was a modification EPLD, answerring commercial range of the temperature (from 0 С before +70 С).
Controller and arithmetical device is formed in EPLD. The big interest can present the microcontroller of the company Cypress CY7C68013 compatible on command with computing machine of the series MCS-51 and equipped by high-speed interface,
presenting itself universal consequent bus with protocol USB 2.0 and velocity before 480 Mbit/sec. The microcontroller is intended for governing speediest interface data communication between computer and charge, as well as for programming EPLD in
system with use of own software. With his help possible to organize management a processing the signal on complex algorithm
that it is difficult to do using EPLD.
EPLD possible to programme four miscellaneouses way:
- stright load in memory EPLD for quick check result from Quartus II through interface ByteBlaster;
- through JTAG interface;
- a programming on way PC - USB - microcontroller - EPLD;
- from flash-memories to desksides, which itself is programmed through ByteBlaster.

ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ БПФ
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА КОНТАКТНЫХ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ ПРИ ОЦЕНКЕ ЭМС
Лазарев Д.В.
Московский Государственный Институт Электроники и Математики (ТУ)
Современные информационно-измерительные системы (ИИС) позволяют не только регистрировать и
измерять наблюдаемые физические процессы, но также обрабатывать полученную информацию по заданным алгоритмам, осуществлять статистический сбор и анализ полученных данных, визуализировать результаты в удобной для оператора форме и передавать их по сетям связи, а также самостоятельно принимать
решения о соответствии полученных результатов измерений заданным. Процесс построения ИИС может
основываться на применении достаточно универсальных устройств с гибкой структурой, позволяющих захватить больший спектр задач за счет перестройки под требования конкретной ситуации. При этом используются персональные компьютеры, в том числе компьютерные измерительные технологии, первичные преобразователи измеряемых сигналов различной природы, аппаратно-программно реализуемые компоненты
(модули) обработки и передачи информации, а также прикладное программное обеспечение позволяющее
собрать, обработать, визуально отобразить и передать по каналам связи текущую информацию. К таким информационно-измерительным системам относятся виртуальные измерительные приборы. При этом решения
задач обработки измерительной информации можно разделить между аппаратно реализованными модулями
и программно реализованными модулями с целью оптимизации быстродействия и ресурсов всей системы.
____________________________________________________________________________________________
Доклады 9-й Международной конференции
Proceedings of the 9-th International Conference
414
Обработка и передача измерительной информации
____________________________________________________________________________________________
Виртуальные приборы (ВП) обычно состоят из компьютера, снабженного функциональными контрольно-измерительными модулями (например, плата ввода-вывода данных) и программного обеспечения, которые в комплексе образуют систему, идентичную традиционным приборам. ВП позволяют использовать всю
вычислительную мощь, производительность, графические и сетевые возможности современных персональных и промышленных компьютеров.
Проблема обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) различных технических средств превратилась в самостоятельное научно-техническое направление, охватывающее многочисленные аспекты радиотехники, электроники и электротехники. Установлено, что она должна учитываться на каждом этапе разработки и изготовлении упомянутых средств – системотехническом, схемотехническом, конструкторскотехнологическом и производственном, а также на этапе эксплуатации.
Контактные помехи представляют собой совокупность импульсных и шумовых процессов. Диапазоны
частот контактных помех связаны с частотой передатчика, облучающего механические контакты: особенно
проявляются на частотах ниже 30 МГц, хотя могут быть ощутимы и в диапазонах до 300 МГц. Как правило,
это достаточно интенсивные и широкополосные помехи со значительными выбросами на шумовом фоне и
их уровень зависит от плотности механического контакта, его электропроводности и мощности передатчика,
облучающего контакт.
ИИС анализа контактных радиопомех содержит первичный преобразователь помехонесущих полей, в
качестве которого используется приемник амплитудно-модулированных сигналов, плату сопряжения, осуществляющую оцифровку принятых сигналов и передающую цифровую информацию через интерфейс USB
2.0 в ПК, где с помощью прикладного программного обеспечения измерительная информация визуализируется в режиме реального времени, а также обрабатывается для получения спектра измеренных сигналов и
передачи обработанной информации по сетям связи.
Для разработки программного обеспечения была использована среда Borland C++ Builder 6.0.
При подключении USB устройства хост сразу начинает процесс нумерации. После этого хост в ответ на
стандартный запрос получает дескриптор устройства и сравнивает полученные VendorID и ProductID (VID и
PID) с имеющимся у него списком. Поскольку драйвер уже должен быть установлен, то Windows успешно
идентифицирует устройство. С помощью набора стандартных классов из библиотеки CyAPI.lib программа
при запуске проверяет это. Если все правильно, то на передней панели программы высветится нужная информация – название USB устройства, USB VID и PID (рис. 1).
Если устройство не подключено или опознано неправильно, или произошла ошибка, то VID и PID не
подхватятся и остальные функции программы будут недоступны.
В программе реализовано «горячее подключение» - она осуществляет постоянный мониторинг по прерыванию драйвера CyUSB.sys. То есть устройство можно подключать к хосту при запущенной программе –
программа обнаружит устройство и продолжит выполнение своего алгоритма.
В ответ на стандартный запрос программа получает дескриптор интерфейса устройства, после чего становится доступной функция выбора альтернативного интерфейса. От выбранного интерфейса зависит конфигурация конечных точек, максимальный размер пакетов и глубина буферизации. Для полноценной реализации высокоскоростного режима (размера пакета 512 байт) по умолчанию выбирается 6 конечная точка для
передачи данных от функции к хосту (EP6IN) и 1 конечная точка для передачи данных от хоста к функции
(EP1OUT).
Итак, хост настроен и готов принимать/отправлять данные. Для того, чтобы само устройство заработало,
необходимо загрузить прикладную 8051-совместимую программу в микроконтроллер. Специальной функцией эта программа в формате .hex загружается в микроконтроллер по команде пользователя. После этого
программа «USB соединение» полностью настроена и сконфигурирована к приему и отправке данных от и к
выбранным конечным точкам.
Рис. 1. Управление конечными точками устройства
____________________________________________________________________________________________
Цифровая обработка сигналов и ее применение
415
Digital signal processing and its applications
Обработка и передача измерительной информации
____________________________________________________________________________________________
Итак, данные исправно поступают по одному от аналогового входа на 12-разрядный АЦП, затем на
ПЛИС, и потом по высокоскоростной шине USB со скоростью 480 Мбит/с в персональный компьютер. Программная часть виртуального осциллографа должна в реальном времени изобразить на экране эти данные в
виде непрерывного сигнала.
Первоочередными для разработки явились такие задачи как принятие оцифрованных отсчетов с макетной платы в ПК по интерфейсу USB. После этого данные отображаются на мониторе с заданным разрешением экрана и частотой развертки в двухмерном виде (в дальнейшем для повышения наглядности можно
перевести изображение сигнала в трехмерную область). Затем для получения спектра над временными отсчетами производится дискретное преобразование Фурье (ДПФ), по алгоритму БПФ. После этого выделяется огибающая сигнала. С помощью какой-нибудь функции окна (Хэмминга, Ханнинга и т.п.).
Прикладное программное обеспечение ПК позволяет отобразить принятый сигнал в режиме реального
времени, а также осуществить его обработку – получить спектр принятого сигнала с помощью быстрого
преобразования Фурье (БПФ), реализованного по алгоритму БПФ Кули-Тьюки по основанию 2, с прореживанием по времени.
Для учета всего многообразия решений в реализации программы была использована модульная структура программы. Каждый модуль может расширяться по функционалу, и легко переноситься как отдельная
часть. Хотя реализации программы на Builder C++ накладывает некоторые ограничения, т.к. для реализации
модулей была использована VCL (Visual Component Library - библиотека визуальных компонентов), и их
перенос в другие среды затруднителен. Для обеспечения легкой переносимости можно локализовать модули
в DLL или статических библиотеках, и тогда вне зависимости от среды можно будет использовать код.
Для того чтобы учесть разрядность данных, поступающих с платы, в реализации классов использовались
шаблоны. Это позволяет применять написанный код повторно.
Программа реализована в MDI (Multiple Document Interface - многодокументный интерфейс) стиле. Что
позволяет работать с несколькими источниками данных.
Для хранения данных был выбран формат WAVE, один из форматов хранения звука. WAVE формат
подходит для описания любой решетчатой функции. И если даже будет использоваться сложная форма сигнала, с разными частотами дискретизации и т.д., то данный формат является расширяемым, и это можно
будет учесть.
Программа работает с дискретным сигналом и предназначена не только для отображения формы сигнала,
спектра и т.п. Кроме этого, программа занимается цифровой обработкой сигналов, т.е. существует возможность подключать модули ОС и наблюдать, как это отразиться на форме сигнала. Также программа может
записывать и воспроизводить звук, что делает программу пригодной к использованию даже при отсутствии
платы сопряжения. Так как сигнал может записываться и с помощью платы сопряжения, то в этом случае
можно отслеживать два сигнала. Если же задействовать правый и левый каналы входа аудио-карты, то количество сигналов можно увеличить до трех.
На рис. 2 представлен внешний вид программного модуля, отображающий осциллограмму измеряемого
сигнала контактных электромагнитных помех в реальном масштабе времени.
Рис. 2. Внешний вид программы, отображающей измеренный сигнал в реальном масштабе времени
На рис. 3 представлен внешний вид программного модуля, отображающий спектр измеряемого сигнала
контактных электромагнитных помех в реальном масштабе времени на основе БПФ.
____________________________________________________________________________________________
Доклады 9-й Международной конференции
Proceedings of the 9-th International Conference
416
Обработка и передача измерительной информации
____________________________________________________________________________________________
Рис. 3. Внешний вид программы, отображающей спектр измеренного сигнала на основе БПФ
Возможность остановки сигнала («замораживания» экрана) в любой момент позволяет четко зафиксировать сигнал. Хорошая масштабируемость позволяет развернуть сигнал вплоть до отчетливого различения
точек выборок. Существует возможность сохранять сигнал в формате WAV и RAW, что позволяет архивировать данные, сравнивать предварительно записанные с текущими. Кроме этого, сигнал можно сразу вывести на принтер или плоттер.
Программный модуль реализует следующие возможности:

высокая точность измерений;

широкая полоса пропускания;

яркий, хорошо сфокусированный экран на любой скорости развёртки;

возможность «замораживания» экрана на произвольное время;

автоматические средства измерения параметров сигналов;

возможность подключения принтера, плоттера для создания отчётов измерений;

резко очерченные контуры изображения сигнала;

считывание предварительно записанных данных;

широкие аналитические возможности и упрощённая архивация;

возможность сравнения предварительно записанных данных с текущими.
Открытая архитектура и модульный принцип организации программы позволяет в дальнейшем реализовать на ней возможность статистической обработки сигнала: суммирование, усреднение, возможность отображения сигнала до момента запуска и многое другое.
Литература
1.
Гатин М.Р., Крючков Н.М., Смирнов Н.В. Виртуальный анализатор формы и спектра сигнала на основе лабораторного стенда цифровой обработки сигналов // «Электромагнитная совместимость и проектирование электронных
средств»: Сб. науч. трудов кафедры РТУиС МИЭМ под ред. Л.Н. Кечиева. – М.: МИЭМ, 2006.
2.
Агуров П.В. Интерфейс USB. Практика использования и программирования - СПб.: БХВ - Петербург, 2004.
3.
Кулаков В. «Программирование на аппаратном уровне». СПб.: Питер, 2003.

____________________________________________________________________________________________
Цифровая обработка сигналов и ее применение
417
Digital signal processing and its applications