Система цифровой обработки информационного сигнала

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 и широкого применения системы.

 

 

 3 КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

 

В рамках дипломной работы главной целью является разработка MIDI модуля, который осуществляет идентификацию, распознавание динамических параметров сигнала, процесс АЦП входного сигнала, передачу в персональный компьютер с минимальной задержкой во времени по шине USB 2.0 с функцией Plug&Play.

 

3.1 Разработка функциональной схемы и обобщенного алгоритма работы MIDI модуля

 

Работа модуля основана на принципе преобразования импульсов звукового сигнала в последовательность электрических импульсов с последующей их обработкой и передачей в формате цифрового музыкального обмена данными MIDI в среду ПК.  На рисунке 3.1 представлена функциональная схема модуля.

 

Рисунок 3.1 – Функциональная схема MIDI модуля

 

Схема включает в себя входной первичный преобразователь - датчик (Д), схему ограничения напряжения (ОН), аналоговый мультиплексор (АМ), генератор тактовых импульсов (ГТИ), микроконтроллер (МК), устройство управления (УУ), устройство вывода (УВ), блок питании (БП), микроконтроллер универсальной последовательной шины (МУПШ) и персональный компьютер (ПК).

MIDI модуль в рамках системы цифровой обработки информационного сигала на базе ПК для преобразования вибрации мембран барабанов в электрический сигнал с последующей передачей сигнала в формате цифрового музыкального обмена данными MIDI работает следующим образом. В момент удара в мембрану барабана прикрепленный к нему первичный преобразователь -  датчик преобразует акустическое колебание в электрический импульс пропорционально силе произведенного удара. Далее этот импульс поступает на вход системы,  на линии аналогового мультиплексора, предварительно пройдя через схему ограничения напряжения, которая необходима для защиты входных линий мультиплексора от завышенного уровня сигнала.

Микроконтроллер (МК) организует вывод сигнала с определенного входа мультиплексора, последовательно посылая сигналы управления на адресные входы мультиплексора. Далее сигнал поступает на линии АЦП микроконтроллера, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. Из полученного кода микроконтроллер в соответствии с программой вычисляет значение силы удара и момент прихода импульса, преобразуя его в формат цифрового музыкального обмена данными MIDI. Устройство управления позволяет производить управление и настройку параметров МК, а жидкокристаллический индикатор позволяет отображать установленные параметры, а так же активность работы модуля. Подключенный к МК генератор тактовых импульсов задает частоту работы микроконтроллера

Состояние датчиков опрашивается и считывается микроконтроллером постоянно пока к  системе подведено питание. Для обеспечения работоспособности всех микросхем используется единый блок питания. Так же предусмотрено питание системы от шины USB.

Цифровой код в формате MIDI передается на устройство вывода и микроконтроллер универсальной последовательной шины. Для полной развязки системы и ПК, их независимости от внешних факторов, контроллер USB изолирован от МК узлом гальванической развязки (ГР) на основе оптопары, тем самым  обеспечивая защиту системы.

Микроконтроллер универсальной последовательной шины осуществляет преобразование и передачу в ПК кода в формате цифрового музыкального обмена данными MIDI в код последовательного интерфейса передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств – USB 2.0. Для работы этого микроконтроллера так же необходим генератор тактовых импульсов, который  задает его частоту работы. MIDI модуль имеет функцию Plug&Play. Она так же реализована в микроконтроллере универсальной последовательной шины. При первом же подключении системы к ПК по шине USB происходит автоматическая установка драйверов системы — система инициируется ПК как новое виртуальное аудиоустройство, с которым может работать множество программ аудиообработки с функцией MIDI секвенсора. Например, такие программы как Wavelab, Cubase, Nuendo и т. п.

 

3.2 Разработка принципиальной электрической схемы

 

Для разработки принципиальной схемы необходимо подобрать элементную базу и описать принцип подключения элементов.

 

3.2.1 Входные разъемы

 

Первичные преобразователи – датчики, установленные на мембранах барабанов, подключаются к системе через стандартные в музыкальной аппаратуре гнезда типа TRS. Для установки таких штекеров на плату выбраны разъемы NYS216 0.25 PCB.

Схема подключения входных гнезд NYS216 0.25 PCB представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Схема подключения входных гнезд NYS216 0.25 PCB

Отдельно стоит рассмотреть первые два входа X1 и X2, входы для хай-хета (тарелок).  Их подключение отличается от остальных входов. Это обусловлено их функциональным назначением. Два этих входа работают по принципу взаимного исключению, технологически эта функция реализовано внутри МК.

 

3.2.2 Схема ограничения напряжения

 

Схема ограничения входного напряжения предназначена для защиты модуля от чрезмерно высоких входных сигналов с первичных преобразователей. Схема выполнена на диодах Шоттки.

Диод Шоттки - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки вместо p-n перехода, как у обычных диодов. При достижении определенных значениях напряжения на входе диод ограничивает дальнейшее повышение напряжение, тем самым защищая входы АЦП микроконтроллера от повышенных нагрузок [3.1].. 

Схема подключения цепи ограничения напряжения на диодах Шоттки представлена на рисунке 3.3.

Схема ограничения входного напряжения на диодах Шоттки включена таким образом, что она производит ограничение напряжения в диапазоне от Vcc + Vdd до минус Vdd, где Vcc – напряжение питания, а Vdd – прямое падение напряжения на диоде. Диаграмма работы схемы изображена на рисунке 3.4.

 

Рисунок 3.3 – Схема ограничения напряжения на диодах Шоттки

 

Рисунок 3.4 – диаграммы работы схемы ограничения напряжения на диодах Шоттки

 

3.2.3 Аналоговый мультиплексор

 

Mультиплексор — коммутационное устройство, позволяющее передать сигнал с одного из входов устройства на выход, при этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов на адресные входа мультиплексора, значение которых будет означать с какого конкретного информационного входа произойдет  передача сигнала к выходу.

В качестве аналогового мультиплексора выбрана микросхема M74H4051. Мультиплексор M74H4051имеет следующие характеристики:

– 8 входов;

– 3 управляющих входа;

– диапазон входных сигналов от -6В до +6В;

– скорость переключению порядка 15 нс;

– диапазон частот 20 – 80 МГц;

– напряжение питания от 2 В до 7 В;

– микросхема выполнена в корпусе PDIP 16.

Схема подключения мультиплексора представлена на рисунке 3.5.

 

Рисунок 3.5 – Схема подключения аналогового мультиплексора M74H4051

 

На входы мультиплексора сигналы поступают от первичных преобразователей – датчиков, предварительно пройдя через схему ограничения напряжения, которая необходима для защиты входных линий мультиплексора от завышенного уровня сигнала. Управляющие входы мультиплексора подключены к линиям микроконтроллера через разъем XA2 аналоговой платы. МК последовательно посылает сигналы в двоичном коде на адресные входа мультиплексора, тем самым организуя вывод сигнала с определенного входа мультиплексора. Алгоритм работы аналогового мультиплексора показан в таблице 3.1.

 

Таблица 3.1 – Алгоритм работы аналогового мультиплексора M74H4051

Входные линии				Выходная линия
INN	C	B	A
0	0	0	0	0
0	0	0	1	1
0	0	1	0	2
0	0	1	1	3

 Продолжение таблицы 3.1

0	1	0	0	4
0	1	0	1	5
0	1	1	0	6
0	1	1	1	7
1	х	х	х	нет

 

 

3.2.4 Микроконтроллер

 

Микроконтроллер является сердцем модуля, он осуществляет приём данных, их обработку и передачу данных в формате цифрового музыкального обмена данными MIDI в ПК, отображение информации на дисплее и взаимодействие с пользователем.

Выбранная микросхема ATmega324Р – 8-разрядный микроконтроллер семейства AVR с Гарвардской архитектурой и сокращённым набором команд (RISC). В состав МК входят:

– 32 восьмиразрядных регистров общего назначения;

– внутренняя оперативную запоминающую память объемом  512 байт;

– два восьмиразрядных таймера/счётчика с отдельным предделителем и режимом сравнения;

– один шестнадцатиразрядный таймер/счётчик с отдельным предделителем, режимом сравнения и режимом захвата;

– счётчик реального времени с отдельным генератором;

– пять каналов широтно-импульсной модуляции;

– восьмиканальный десятиразрядный АЦП;

– программируемый последовательный модуль передачи данных USART;

– SPI-интерфейс для возможности внутрисхемного программирования;

– встроенный аналоговый компаратор.

В данной дипломной работе используется МК ATmega324Р, выполненный в корпусе PDIP-32. Микросхема имеет 32 программируемые линии портов ввода-вывода. Напряжение питания микросхемы составляет 1,8 - 6 В. Частота работы МК 0 - 20 МГц. МК имеет 32 кБ внутрисистемной программируемой FLASH-памяти, способной выдержать 10000 циклов стирания/записи и 512 байт памяти EEPROM, способной выдержать 100000 циклов стирания/записи [3.2].

Схема подключения МК ATmega324Р представлена на рисунке 3.6.

 

Рисунок 3.6 – Схема подключения микроконтроллера ATmega324Р

В таблице 3.2 указаны назначения выводов МК, используемых для работы

системы.

 

       Таблица 3.2 – Назначение выводов МК ATmega324Р

№ вывода	Название вывода	Название линии	Назначение вывода
33	PA7	ADC7	Подключение входных линий на каналы аналого-цифрового преобразования
34	PA6	ADC6
35	PA5	ADC5
36	PA4	ADC4
37	PA3	ADC3
38	PA2	ADC2
39	PA1	ADC1
40	PA0	ADC0
8	PB7	SCK	Подключение линий к выводу управляющих кнопок
7	PB6	MISO
6	PB5	MOSI
5	PB4	SS	Подключение линий к разъему XA3 для внутрисистемного программирования
4	PB3	AIN1
3	PB2	INT2	Подключение линий к разъему XP1 для управления мультиплексорами
2	PB1	T1
1	PB0	T0
12	XTAL2	XTAL2	Подключение кварцевого резонатора BQ1 для задания тактовой частоты работы микроконтроллера
13	XTAL1	XTAL1
32	AREF	AREF	Подключение линии  к управлению напряжением нормирования
30	AVCC	AVCC	Подключение питания микросхемы +5В
31	AGND	AGND	Общий провод земли