Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19841105Elc042.shtml

Повышение эффективности управления благодаря применению цифровых процессоров сигналов

Патрик Мок (Patrick Mock)
Фирма Texas Instruments Inc. (Уолтем, шт.Массачусетс)

Patrick Mock. Digital processors up efficiency, No 30, pp.71-73

Цифровой процессор сигналов, заменяющий дорогостоящие и склонные к дрейфу аналоговые фильтры в контроллерах технологических процессов, обеспечивает расширение функциональных возможностей и повышение точности.

Большинство систем сбора данных или управления технологическими процессами в производстве имеет специализированные входные схемы, которые используются для формирования и предварительной обработки сигналов. Подобные схемы — это по преимуществу аналого-цифровые преобразователи и соответствующие фильтры, которые служат для сопряжения управляемого или контролируемого оборудования со своим контроллером, — как правило, цифровым компьютером того или иного типа.

Для построения традиционных систем сбора данных требуются крупногабаритные, дорогостоящие и склонные к дрейфу параметров аналоговые компоненты. Сигналы, поступающие на эти схемы, зачастую настолько радикально различаются по своему динамическому диапазону, частотным характеристикам, уровню помех и точности, что для каждой входной линии приходится использовать совершенно различные фильтры. В то же время микрокомпьютер специального типа, так называемый цифровой процессор сигналов, позволяет заменить чувствительные к температуре аналоговые фильтры на фильтры цифрового типа, благодаря чему обеспечиваются гораздо более высокая точность и температурная стабильность. Кроме того, такая входная схема будет содержать гораздо меньше прецизионных АЦП, чем традиционные системы.

Цифровой процессор сигналов — это специализированный однокристальный микрокомпьютер, оптимизированный для высокоскоростного выполнения операций умножения и сложения. Эти операции являются основными при расчетах для быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые необходимы при обработке аналоговых сигналов. Специализированный микрокомпьютер позволяет выполнять БПФ с гораздо более высокими скоростями, чем с помощью аналоговых методов.

В современных системах обработки сигналов аналоговые методы уже вытесняются цифровыми почти во всех приложениях; для этого имеется несколько веских причин. Во-первых, многие исключительно сложные функции обработки сигналов в системах управления трудно или даже невозможно реализовать при помощи аналоговых методов. Во-вторых, цифровые системы, которые в принципе надежнее аналоговых, кроме того, гораздо менее чувствительны к таким факторам, как изменение окружающих условий и старение компонентов. В-третьих, в аналоговой технике нет средств, аналогичных полупроводниковой памяти, которая широко применяется в цифровой технике.

Все методы аналого-цифрового преобразования в системах управления базируются на принципе Найквиста — его теореме о выборке. Если производить выборку (дискретизацию) аналогового сигнала непрерывно с частотой, по меньшей мере в два раза превышающей максимальную составляющую его спектра, то по полученным отсчетам можно будет реконструировать первоначальный сигнал. Хотя нарушать этот критерий Найквиста нельзя, в некоторых системах, использующих цифровые сигнальные процессоры, предусматриваются модуляция, уплотнение и кодирование сигналов таким образом, чтобы обеспечить максимальное информационное содержание в расчете на бит данных. Подобные методы сжатия данных направлены на то, чтобы при как можно более низких скоростях побитовой передачи данных можно было сохранить требуемый динамический диапазон и отношение сигнал — шум для исходного аналогового сигнала.

Сравнительные характеристики различных систем

В наиболее распространенных в настоящее время аналоговых системах каждый чувствительный элемент или датчик выдает сигналы на свою собственную аналоговую входную схему (рис.1). За этой входной схемой следует АЦП для каждого датчика. Здесь сигналы преобразуются из аналоговой формы в цифровую, а затем поступают на мультиплексор. В некоторых случаях входная схема может не иметь своего полного АЦП. Другими словами, в зависимости от типа датчика в Аналого-цифровой секции может использоваться простой компаратор напряжения или тактовый сигнал для синхронизации. Иногда требуется схема выборки и хранения, которая обеспечивает фиксацию значения выборки входного сигнала для АЦП.

Аналоговая система сбора данных. Входная схема аналоговой подсистемы сбора данных системы управления процессами содержит множество аналого-цифровых пр
Рис.1. Аналоговая система сбора данных. Входная схема аналоговой подсистемы сбора данных системы управления процессами содержит множество аналого-цифровых преобразователей и сложных фильтров для каждого входного датчика. Подобный вариант системы обработки сигналов отличается малым быстродействием и требует применения дорогостоящих и склонных н: дрейфу компонентов.

После того как все входные сигналы датчиков преобразованы в цифровую форму, они поступают на цифровой мультиплексор, выбирающий каждое цифровое значение аналогового входного сигнала для обработки на контроллере процесса. Контроллер процесса — это цифровой компьютер, анализирующий входную переменную и инициирующий корректирующее действие при помощи сигналов, выдаваемых на физический регулятор системы управления процессами. В современных системах управления процессами контроллер процесса — это, как правило, либо 8- или 16-разрядный процессор, либо специализированный микропроцессор, называемый микроконтроллером.

В новых недорогих и имеющих меньшее количество аппаратных средств системах управления процессами каждый датчик связан с дешевым фильтром подавления спектральных наложений, подключаемым к аналоговому мультиплексору (рис.2). Мультиплексор периодически опрашивает каждый канал и передает аналоговые данные в схему выборки и хранения, которая соединяется с одним АЦП, обеспечивающим преобразование этих данных в цифровой формат.

Цифровая обработка сигналов. Если заменить традиционный микроконтроллер системы управления процессами на микрокомпьютер, реализующий функции цифровой
Рис.2. Цифровая обработка сигналов. Если заменить традиционный микроконтроллер системы управления процессами на микрокомпьютер, реализующий функции цифровой обработки сигналов, то система сможет работать с недорогими фильтрами подавления спектральных наложений. При этом все мультиплексированные входные сигналы будут проходить через единственный аналого-цифровой преобразователь.

Многие из преимуществ системы управления подобного типа обусловливаются функциональными возможностями микрокомпьютера, играющего роль цифрового процессора сигналов. Например, цифровой процессор сигналов сам реализует функцию уплотнения цифровых сигналов, а не использует для этой цели дополнительный внешний компонент. Вместо многочисленных прецизионных аналоговых фильтров, применяемых в традиционной системе, цифровой процессор сигналов работает с более точными цифровыми фильтрами. Каждый цифровой фильтр может быть выделен конкретному аналоговому каналу; можно также разработать несколько универсальных фильтров, которые предусматривали бы возможность оперативного программирования параметров и обеспечивали бы выполнение конкретных видов фильтрования сигналов для выбранных каналов данных.

Главное достоинство системы на базе цифрового процессора сигналов заключается в том, что в ней могут широко использоваться программные средства. Например, можно создать цифровые фильтры, обеспечивающие реализацию различных передаточных функций в зависимости от значений параметров, загружаемых в цифровой процессор сигналов из вторичной памяти. Кроме того, программы управления процессами могут либо храниться в памяти, размещаемой на кристалле цифрового процессора сигналов, либо загружаться в эту память из внешнего ЗУ.

В традиционных системах управления и в устройствах на базе цифрового процессора сигналов для выполнения основных операций применяются различные виды аппаратных средств (см. таблицу). В традиционной системе требуются различные типы аппаратных фильтров, ограничивающих полосу пропускания входного сигнала данных. А в системе с цифровым процессором сигналов применяются фильтры подавления спектрального наложения, служащие для ограничения спектра частот сигнала до некоторого приемлемого приблизительного значения полосы.

Методы, схемы, аппаратура цифровая обработка сигналов в системах управления процессами

Операция

Традиционная реализация

Цифровая реализация

Классическая фильтрация

Аналоговые фильтры

Цифровая система

Линейная фазовая фильтрация

Аналоговая линия задержки

Цифровая линия задержки

Некаузальная фильтрация

Не может быть реализована

Хранение данных в памяти и манипуляции ими

Нахождение суммы или разности сигналов

Дифференциальный усилитель

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)

Логарифмические или экспоненциальные функции

Нелинейные компоненты

АЛУ и умножитель

Тригонометрические функции

Реализовать трудно

АЛУ и умножитель

Прецизионный опорный сигнал

Прецизионный стабилизатор напряжения

Содержимое памяти данных

Преобразование «частота—напряжение»

Преобразователь «частота—напряжение»

Цифровой счетчик

Преобразование «напряжение—частота»

Генератор, управляемый напряжением

Генератор меняющейся частоты с цифровым управлением

Еще одно важное достоинство системы с цифровым процессором сигналов заключается в том, что он позволяет без труда выполнять сложные функции. Если тригонометрические, экспоненциальные и другие нелинейные функции довольно трудно реализовать на операционных усилителях и дискретных компонентах, то микрокомпьютер цифрового процессора сигналов позволяет сделать это относительно просто.

Если в аналоговой системе для обеспечения работы линейных схем требуются прецизионные источники эталонного напряжения, то в цифровой системе для этого необходимы только значения данных, хранящиеся в памяти. Другие сложные аналоговые функции, такие как преобразования «частота — напряжение» и «напряжение — частота», также проще реализовать цифровым способом, чем аналоговым.

Цифровые сигнальные процессоры предоставляют также разработчикам возможность применения различных методов снижения необходимых скоростей передачи данных — так называемых способов сжатия данных. Одним из основных способов сжатия данных является прореживание.

Способы сжатия данных

В некоторых системах управления процессами выборка данных производится с чрезмерно высокими частотами, чтобы удовлетворить требованиям небольшой части подсистемы сбора данных для которой необходимы более высокие частоты. Если использовать методы прореживания, то можно уменьшить частоту выборки, но при этом сохранить всю полезную информацию, содержащуюся в исходном сигнале.

Преобразованный в цифровую форму сигнал вначале проходит через фильтр нижних частот, чтобы исключить ненужные высокочастотные составляющие (рис.3). Таким образом исключаются все частоты, превышающие частоту среза фильтра fc0. Критерий Найквиста для прошедшего через фильтр сигнала имеет вид:

2fc0 = fs/N

где fs—первоначальная частота выборки. Поэтому необходимо запоминать только одно значение выборки из каждых N.

Сжатие данных. Сжатие данных по способу прореживания позволяет уменьшить требуемую полосу частот дискретизируемого сигнала данных и при этом сохранить
Рис.3. Сжатие данных. Сжатие данных по способу прореживания позволяет уменьшить требуемую полосу частот дискретизируемого сигнала данных и при этом сохранить необходимое информационное содержание. Однако выборку сигнала требуется осуществлять с соблюдением критерия Найквиста.

Второй метод сжатия данных — это адаптивная дифференциальная модуляция; в основе такого метода лежит предположение, что разность между последовательными значениями выборок данных (отсчетов) можно представить меньшим числом битов данных, чем фактическое значение отсчета. Перед тем как рассматривать адаптивную дифференциальную модуляцию, целесообразно рассказать о более простом методе сжатия данных, называемом дельта-модуляцией.

В процессе дельта-модуляции аналоговый сигнал преобразуется в двоичную последовательность, в которой каждый бит представляет единичную ступеньку изменения амплитуды исходного сигнала либо в положительном, либо в отрицательном направлении. При дельта-модуляции размер такого шага, как правило, является фиксированным, так что при быстром изменении сигнала его представление по способу дельта-модуляции может вызвать «ограничение по скорости отслеживания». Признаком подобной ситуации будет служить длинная последовательность повторяющихся двоичных единиц или нулей (эта ситуация известна также под названием «чрезмерно крутой фронт»). Во избежание ограничения по скорости отслеживания при дельта-модуляции иногда используется более высокая частота выборки.

Можно, однако, предотвратить ограничение по скорости отслеживания, не прибегая к увеличению частоты выборки. Это достигается тем, что размер шага делается переменным. Поскольку схема управления должна «знать», когда меняется размер шага, критерий для изменения его размера необходимо находить в самой поступающей двоичной последовательности, так как это единственная информация, имеющаяся в распоряжении контроллера для реконструирования исходного сигнала. Таким образом, контроллер должен хранить информацию, которая содержится в текущих и предыдущих принимаемых битах данных.

В состав контроллера входит логический блок, который сравнивает текущий бит с предыдущим; если эти биты имеют одинаковые значения, размер шага увеличивается, а если они различны, то сохраняется базовый размер шага.

Метод адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции является расширением способа адаптивной дельта-модуляции, поскольку включает многобитовый разностный сигнал. Это гораздо сложнее побитового сравнения .и требует наличия аналого-цифрового преобразователя. При таком способе каждое последующее значение выборки прогнозируется как линейная комбинация предыдущих N значений выборки, причем разность между предсказанным и фактическим значениями используется как полезный сигнал (ошибки). При реконструировании первоначального сигнала предсказанное значение выборки суммируется с сигналом ошибки.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 57, No.22 (703), 1984г - пер. с англ. М.: Мир, 1984, стр.69

ElectronicsWeek Vol.57 No.29 October 29, 1984 A McGraw-Hill Publication

ElectronicsWeek Vol.57 No.30 November 05, 1984 A McGraw-Hill Publication

Patrick Mock. Digital processors up efficiency, No 30, pp.71-73

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Управление технологическими процессами





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19841105Elc042.shtml