Система цифровой обработки информационного сигнала

Федеральное агентство по образованию

 

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 

“Московский государственный университет приборостроения и информатики”

 

Факультет  ПР  специальность(направление)        200101  

 

Кафедра  ПР-1  квалификация(степень)         инженер 

 

              Утверждаю

Зав. кафедрой  В. В. Слепцов

«______»___________2011 г.

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе (бакалаврской работе,

дипломной работе или проекту) на тему:

 

          ___ Система цифровой обработки информационного сигнала___

    на базе ПК     

 

 

 

Дипломник            Бардашев И.А. 

                                                            подпись,дата                инициалы и фамилия

Группа  ПР1-06-02д   шифр              06377  

Обозначение проекта (работы)  ДР-2068752-200101-ПР1-19-11 

 

 Руководитель проекта (работы)            Снедков А.Б. а

                                                                         подпись, дата                инициалы и фамилия

Консультанты по разделам:

Наименование разделов:

 

подпись, дата  инициалы и фамилия

 

подпись, дата  инициалы и фамилия

 

подпись, дата  инициалы и фамилия

 

подпись, дата  инициалы и фамилия

 

подпись, дата  инициалы и фамилия

Нормоконтроль            

подпись, дата  инициалы и фамилия

 

МОСКВА 2011 г.

 

 

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………………………………………...6

1 Обзор работ по решаемой проблема и постановка задачи………………………….9

    1.1 Обзор принципов оцифровки………………………………………………….....9

    1.2 Обзор известных технических решений………………………………………...16

    1.3 Обзор разрабатываемой системы………………………………………………..19

    1.4 Постановка задачи………………………………………………………………..21

    1.5 Техническое задание……………………………………………………………..22

2 Исследовательский раздел…………………………………………………………....23

    2.1 Исследование методик определения инструментального сигнала…………...23

    2.2 Определение характеристик источника сигнала……………………………….24

    2.3 Исследование  формата передачи данных MIDI……………………………….28

    2.4 Оценка целесообразности широкого применения системы…………………...35

3 Конструкторский раздел……………………………………………………………...26

    3.1 Разработка функциональной схемы и обобщенного алгоритма……………....37

    3.2 Разработка принципиальной электрической схемы…………………………...39

        3.2.1 Входные разъемы……………………………………………………………39

        3.2.2 Схема ограничения напряжения…………………………………………....40

        3.2.3 Аналоговый мультиплексор………………………………………………...41

        3.2.4 Микроконтроллер…………………………………………………………....43

        3.2.5 Гальваническая развязка………………………………………………….....49

        3.2.6 Микроконтроллер универсальной последовательной шины……………..50

        3.2.7 Блок питания…………………………………………………………………55

        3.2.8 Устройство управления……………………………..………………………56

       3.2.9 Жидкокристаллический индикатор………………………………………...57

    3.3 Настройка аппаратного и программного интерфейса…………………………58

    3.4 Расчет потребляемой мощности………………………………………………...64

    3.5 Расчет надежности…………………………………………………………….....64

4 Безопасность жизнедеятельности……………………………………………………69

    4.1 Анализ опасных и вредных факторов, возникающих

при разработке системы……………………………………………………………..…69

        4.1.1 Влияние длительных статических нагрузок и

монотонности производимых операций……………………………………………....69

        4.1.3 Возможность поражения человека электрическим

током от питающих сетей…………………………………………………………..….70

        4.1.4 Возможность возникновение пожаров от электрооборудования………..71

    4.2 Разработка мероприятий защиты…………………………………………….....73

        4.2.1 Меры по снижению статических нагрузок

на опорно-двигательный аппарат…………………………………………………......73

        4.2.2 Меры по снижению нагрузок на органы зрение………………………….76

        4.2.3 Меры по обеспечению электробезопасности……………………………..78

    4.3 Экологическая оценка системы………………………………………………...80

5 Организационно-экономический раздел……………………………………………86

    5.1 Планирование процесса разработки системы цифровой обработки информационного сигнала на базе ПК……………………………………………….86

        5.1.1 Определение трудоемкости и продолжительности разработки…………90

        5.1.2. Построение ленточного графика разработки системы …………………90

    5.2 Расчет затрат на разработку системы…………………………………………..91

        5.2.1 Основная заработная плата исполнителей………………………………..92

          5.2.2 Дополнительная заработная плата………………………………………....94

        5.2.3 Расчет отчислений на социальное страхование…………………………..94

        5.2.4 Расчет расходов на материалы……………………………………………..95

        5.2.5 Накладные расходы………………………………………………………....95

    5.3 Расчет эффективности внедрения результатов разработки…………………..98

    5.4 Расчет основных технико-экономических показателей и эффективности использования программного продукта………………………………………………99

    5.5 Выводы по организационно-экономическому разделу……………………...101

Заключение…………………………………………………………………………….102

Список использованных источников………………………………………………...103

Приложение А Перечень элементов

Приложение Б Перечь основных настроек MIDI модуля

  
ВВЕДЕНИЕ

Современная радиоэлектронная аппаратура, без преувеличения, преобразила жизнь людей. Постоянный напряженный поиск ученых и инженеров позволяет вводить в производство все более новые и еще более совершенные изделия.

Объемы производства электроники, количество компаний, занятых разработкой аппаратуры постоянно растет. Идут процессы специализации, национальной и межнациональной кооперации, развивается международное техническое сотрудничество. Вместе с тем, как в любой другой области, нарастают тенденции соперничества, борьбы, конкуренции за новые рынки сбыта. Успех приходит в тех случаях, когда наиболее полно учитывается вся совокупность современных возможностей, правильно определяются запросы и нужды потребителя, обеспечиваются высокие показатели технического совершенства, качества и приемлемости цены.

В наши дни в этой области обозначались и интенсивно развиваются несколько основополагающих тенденций, без понимания и учета которых трудно определить перспективные пути исследований, разработок и производства радиоэлектроники. К таким тенденциям, в первую очередь, следует отнести неуклонное движение к интеграции устройств для приема, обработки, хранения и воспроизведения информации.

Другой тенденцией следует считать все более широкое и разнообразное использование в электронной аппаратуре элементов вычислительной техники, микропроцессорных устройств, позволяющих вознести прием, запись и обработку информации на совершенно иной уровень.

Третья тенденция, во многом являющаяся техническим средством для первых двух, - это переход от аналоговых методов представления и обработки информации к цифровым. Сейчас эта тенденция является общей для всей радиоэлектронной

 

 

техники и базируется на фундаментальных принципах информатики.

Переход к цифровой обработке и хранению информации обоснован различием                                       аналогового и цифрового сигнала. Аналоговый, или непрерывный сигнал, может принимать любое значение в пределах динамического диапазона систем воспроизведения. Такой сигнал является аналогом некоторого физического процесса. В процессе передачи сигнал может  претерпевать многочисленные преобразования, которые при этом неизбежно добавляют постороннее воздействие, искажающие его форму: шумы усилительных устройств, помехи, нелинейные искажения и т.д. Поскольку исходная форма аналогового сигнала заранее неизвестна, то полное устранение всех этих искажений практически невозможно.

Иначе дело обстоит с цифровыми, или дискретными сигналами. В отличие от аналоговых, дискретные сигналы принимают лишь строго определенные значения, что позволяет обеспечить существенно более высокие показатели качества передачи и воспроизведения сигнала. Главным образом это обусловлено ростом мировых стандартов и требований, предъявляемых к таким параметрам систем, как помехоустойчивость, точность и быстродействие.

В течении времени и технического прогресса наиболее совершенным вычислительным комплексом для цифровой обработки сигналов стал персональный компьютер (ПК). Технологии, которые ранее были доступны в виде сложных технологических систем, теперь доступны прямо на экране ПК. Это также дает возможность функционального разделения между внешними электронными приборами и внутренней средой ПК, тем самым упрощая приборы, обеспечивая высокое быстродействие и большую надежность.

Одна из наиболее развитых областей применения цифровых технологий лежит в области мультимедийных технологий, то есть обработка звука и изображений, включающей процесс аналого - цифрового преобразования (АЦП), анализа, преобразования, сжатия или кодировки сигнала.

Темой настоящего диплома является применение электронных и компьютерных технологий в области музыкальных ударных инструментов. На сегодняшний день компьютерные технологии прочно вошли в музыкальную индустрию, практически любой музыкальный стиль так или иначе содержит в себе элементы, созданные на базе компьютерных технологий, поэтому важно и необходимо разрабатывать и внедрять новые технологические решения и усовершенствовать существующие.  Подобные системы актуальны и в сегменте ударных инструментов, как среди профессиональных барабанщиков, так и среди любителей. Выбранная тема помогает показать, на что способны современные электронные технологии в музыкальной сфере культуры.

Задачей системы цифровой обработки на базе ПК для преобразования вибрации мембран барабанов в электрический сигнал с последующей передачей сигнала в формате цифрового музыкального обмена данными MIDI является идентификация входного аналогового сигнала и передача в ПК. Система совмещает в себе электронный блок оцифровки – MIDI модуль, целью которого является идентификация, процесс АЦП входного импульсного сигнала, передача в персональный компьютер с минимальной задержкой во времени и ПК, который получает оцифрованный сигнал для его обработки, преобразования  сигнала и передачи на звуковоспроизводящую акустическую систему. Таким образом, совмещение этих двух компонентов  образуют единую комплексную многозадачную систему, которая  способна обеспечить большую производительность и высокую степень гибкости для решения поставленных задач.

 
  

 

 

 

 

1. ОБЗОР РАБОТ ПО РЕШАЕМОЙ  ПРОБЛЕМЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

 

1.1 Обзор принципов оцифровки

 

При проектировании системы цифровой обработки информационного сигнала на базе ПК необходимо определить задачи и функции, выполняемые прибором. Целью системы является преобразования сигналов с мембран барабанов в электрический сигнал с последующей передачей сигнала в ПК.

Под сигналом понимают некоторую физическую величину, изменение которой во времени и пространстве несет нам полезную информацию об интересующем объекте или явлении. Физическая природа сигнала может быть различной. В акустике отношение давления воздуха в точке от времени можно рассматривать как звуковой сигнал. Так же, но уже с позиции радиоэлектроники  звуковой сигнал можно представить как зависимость напряжения в проводнике от времени [1.1].

Множество сигналов чрезвычайно разнообразно. В реальной жизни сигналы часто не укладываются в рамки чистой классификации. Тем не менее, их можно классифицировать, выбирая те или иные критерии различия.

По способу задания сигналы можно разделить на:

– детерминированные, мгновенные значения которого в любой момент времени известны;

– случайные, принимающие произвольные значения в любой момент времени.

В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют:

– аналоговые сигналы;

– дискретные сигналы;

– квантованные сигналы;

– дискретно - квантованные сигналы.

 

Аналоговые сигналы

Сигналы, имеющие аналоговую природу - это непрерывно изменяющиеся во времени сигналы, способные принимать любые значения в некотором интервале времени.  Пример простейшего аналогового сигнала приведен на рисунке 1.1.