Система цифровой обработки информационного сигнала

    

Продолжение таблицы 3.2

10	GND	GND	Общий провод земли
11	VCC	VCC	Подключение питания микросхемы +5В
29	PС7	TOSC2	Подключение линий  к управлению напряжением нормирования
34	PС6	TOSC1
35	PС5	TD1	Подключение линии  к сигнальному светодиоду HL1
36	PС4	TD0	Не подключен
37	PС3	TMS	Подключение линий к разъему XA3 для внутрисистемного программирования
38	PС2	TCK
39	PС1	SDA	Не используется
40	PС0	SCL	Не используется
21	PС7	OC2	Подключение линий к индикатору DD2
20	PD6	ICP
19	PD5	OC1A
18	PD4	OC1B
17	PD3	INT1
16	PD2	INT0
15	PD1	TXD	Подключение линий к разъему XA5 для выходных данных
14	PD0	RXD

 

 

Принцип работы МК в MIDI модуле системы обработки информационного сигнала состоит в том, что микроконтроллер последовательно посылает сигналы с выходов PB0 – PB2 в двоичном коде на адресные входа мультиплексора, тем самым организуя последовательный вывод сигналов с определенного входа мультиплексора. Линии PA0 – PA7 опрашиваются  на наличие прихода сигналов. Если на одну из опрашиваемых линий поступил сигнал, то внутренний мультиплексор блока АЦП  коммутирует эту линию непосредственно к аналого - цифровому преобразователю, который преобразует аналоговый сигнал в последовательность цифр. Из полученного кода микроконтроллер в соответствии с программой и заранее занесенными настройками вычисляет динамические характеристики пришедшего сигнала. Для передачи данными в микроконтроллере универсальный синхронно асинхронный приемо-передатчик (USART) производит перевод цифрового кода в формат цифрового музыкального обмена данными MIDI и передает их с линий PD0 и PD1 на выводы разъема XA5 через гальваническую развязку.

Устройство управления реализованное в виде 4 кнопок позволяет управлять параметрами МК, а знакосинтезирующий жидкокристаллический индикатор позволяет отслеживать активность работы системы, данные на которого поступают с четырех шин данных микроконтроллера. Тем самым с устройства управления возможно управлять  напряжением нормирования МК, изменяя чувствительность системы к уровню входного сигнала. Для реализации функции регулировки чувствительности системы к линии AREF, линии управляющей напряжением нормирования, через схему делителя напряжения подключены линии PC6 и PC7, управляя которыми происходит изменение напряжения нормирования. Возможные параметры изменения чувствительности представлены на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 – Параметры изменения чувствительности

 

Выводы XTAL1 и XTAL2 служат для подключения кварцевого резонатора, который задает частоту работы микроконтроллера. Дроссель L1 отфильтровывает паразитные высокочастотные помехи на выводе питания МК AVCC, что улучшает помехоустойчивость работы МК. На вывод VCC МК подаётся напряжение + 5 В с блока питания, а вывод AGND подсоединен к шине заземления. Для обнуления работы программы предусмотрена линия Reset которая активизируется посредством нажатия кнопки SB2.

Линии PC2, PC3, PB3 и PB4 подсоединены к контактам разъема XA3 для отладки передачи данных на ПК. К порту PC5 подсоединен светодиод HL1 который сигнализирует активность системы на приход входного сигнала. Остальные выводы для разработки системы сбора данных в рамках данного курсового проекта не используются и настраиваются на выход.

 

 

3.2.5 Гальваническая развязка

 

Гальваническая развязка используется для передачи энергии между участками электрической цепи без обеспечения между ними электрического контакта и для защиты цепей от слишком больших токов. Устройство, обеспечивающее развязку, искусственно ограничивает передачу энергии из одной части цепи в другую. В качестве такого устройства используется оптопара. Оптопара - элемент, состоящий из излучателя света и фотоприёмника, связанных друг с другом оптическим способом и помещенных в общем корпусе с любыми видами оптической и электрической связи между ними. используют для связи отдельных частей радиоэлектронных устройств (главным образом вычислительной и измерительной техники и автоматики), при которой одновременно обеспечивается электрическая развязка между ними (как и в трансформаторе), а также для бесконтактного управления электрическими цепями (аналогично реле).

В качестве гальванической развязки выбрана оптопара в виде микросхемы 6N138N. Микросхема выполнена в корпусе DIP 8.

Схема подключения микросхемы 6N138N представлена на рисунке 3.8.

 

Рисунок 3.8 – Схема подключения оптопары 6N138N

 

На входные линии микросхемы сигнал приходит с МК в формате цифрового музыкального обмена данными MIDI. Выходные линии подключены к контактам разъема XA5 и к микроконтроллеру универсальной последовательной шины для перевода данных в вид необходимый для их передачи по шине USB.

 

3.2.6 Микроконтроллер универсальной последовательной шины

 

Микроконтроллер универсальной последовательной шины осуществляет приём данных в формате цифрового музыкального обмена данными MIDI  от основного микроконтроллера, их обработку и передачу на ПК согласно стандарту USB 2.0.

Наличие подобного микроконтроллера в схеме модуля обусловлено желанием разделения функций преобразования аналоговых сигналов в формат цифрового музыкального обмена данными MIDI и функций передачи данных через последовательный интерфейс USB. Так же немаловажный фактор повлиявший на такое решение заключается в наличии на рынке специализированных микроконтроллеров, задачи которых сужены для выполнения специализированных по передача данных в виде кода последовательного интерфейса передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств – USB, а также готовых программ для передачи данных в компьютер и позволяющих осуществлять функцию Plug&Play. Использование отдельного микроконтроллера удобно и в случаях, когда выходные данные передаются через MIDI DIP разъем, что позволяет в таком случае снизить нагрузку на схему, не используя  микроконтроллер.

Выбранная микросхема PIC18F2455 – 8-разрядный микроконтроллер семейства AVR с Гарвардской архитектурой и сокращённым набором команд (RISC). В состав МУПШ входят:

– 24 восьмиразрядных регистров общего назначения;

– внутренняя оперативную запоминающую память объемом  2 кБ;

–один восьмиразрядный таймера/счётчика с отдельным предделителем и режимом сравнения;

– три шестнадцатиразрядных таймера/счётчика с отдельным предделителем, режимом сравнения и режимом захвата;

– счётчик реального времени с отдельным генератором;

– восьмиканальный десятиразрядный АЦП;

– программируемый последовательный модуль передачи данных USART;

– SPI-интерфейс для возможности внутрисхемного программирования;

– два встроенных аналоговых компаратора.

В данной дипломной работе используется МУПШ PIC18F2455, выполненный в 28-выводном PDIP-корпусе. Микросхема имеет 24 программируемые линии портов ввода-вывода, 24 кБ внутрисистемной программируемой FLASH-памяти, 256 байт памяти EEPROM и 2 кБ оперативной памяти. Частота работы микроконтроллера 0 - 48 МГц. Напряжение питания микросхемы составляет 1,8 - 6 В.

Схема подключения микроконтроллера универсальной последовательной шины  PIC18F2455 представлена на рисунке 3.9.

 

Рисунок 3.9 – Схема подключения микроконтроллера универсальной   последовательной шины  PIC18F2455

 

В таблице 3.3 указаны назначения выводов микросхемы, используемых для

работы системы.

 

       Таблица 3.3 – Назначение выводов МУПШ PIC18F2455

№ вывода	Название вывода	Название линии	Назначение вывода
9	RA7	CLK 1	Подключение кварцевого резонатора для задания тактовой частоты работы микроконтроллера
10	RA6	CLK 0
7	RA5	C2OUT	Не используются
6	RA4	C1OUT

 

     

        Продолжение  таблицы 3.3

5	RA3	VREF+	Не используются
4	RA2	VREF-
3	RA1	AIN1
2	RA0	AIN0
28	RB7	KBI3	Подключение линий к разъему XA4 для внутрисистемного программирования
27	RB6	KBI2
26	RB5	KBI1	Не используются
25	RB4	KBI0
24	RB3	AIN1
23	RB2	INT2
22	RB1	INT1
21	RB0	INT0
1	VPP	VPP	Подключение питания микросхемы +5В
8	GND	GND	Общий провод земли
18	RС7	TX	Подключение линии  к МК DD1
17	RС6	RX	Подключение линии  к оптопаре DA1
16	RС5	VP	Подключение линий к разъему XA4
15	RС4	VS	Подключение линий к разъему XA4
14	RC3	TOSC2	Не используются
13	RC2	TOSC1
12	RC1	T1OSI
11	RC0	T1OSO
20	VDD	VDD	Подключение питания микросхемы +5В
8	VSS0	VSS0	Подключение к общему проводу земли
19	VSS1	VSS1
14	VUSB	VUSB

 

 

 

Принцип работы МУПШ в рамках системы обработки информационного сигнала состоит в преобразование и передачу в ПК кода в формате цифрового музыкального обмена данными MIDI пришедший на линии RС7 и RС6 c микропроцессора DD1 в код последовательного интерфейса передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств - USB. На вывод VDD подаётся напряжение + 5 В с блока питания или через шину USB, а вывод GND подсоединен к шине заземления. Выводы RA7 и RA6 служат для подключения кварцевого резонатора, который задает частоту работы микроконтроллера. Также МУПШ реализует функцию USB Plug&Play.

При первоначальном подключении модуля к компьютерному USB-порту операционная система определяет устройство и запрашивает файлы драйвера. Данный процесс называется инсталляцией устройства. Для выполнения инсталляции необходимо не только создать драйвер устройства, но также инсталляционный скрипт, в котором описывается последовательность инсталляции.

Драйвер выполнен с использованием Windows2000 DDK. Разработка драйвера USB основана на входящих в DDK примерах - IsoUsb. В оригинальном исходном коде изменения выполнялись вокруг IOCTL-связи путем добавления или расширения, т.к. устройство связывается с компьютером посредством IOCTL-вызовов. Для уменьшения размера кода драйвера из исходного кода были удалены неиспользуемые части. Драйвер обеспечивает работу со всеми версиями 32-разрядных операционных систем Windows. Инсталляционный скрипт, записанный в INF-файл, используется в процессе инсталляции устройства. После инициации инсталляции файл драйвера копируется в операционную систему, а затем выполняются требуемые системные изменения. INF-файл гарантирует инсталляцию DLL-библиотеки в системную папку, что гарантирует простоту ее вызова из различных приложений. Для инсталляции устройства необходимо три файла: INF-файл "PIC309.inf", драйвер "PIC309.sys" и DLL-библиотека "PIC309.dll".

DLL-библиотека связывает с драйвером  устройства и всеми функциями  устройства, реализованных в этой  библиотеке. DLL-библиотека гарантирует привилегированный доступ к устройству. Упорядочение в DLL гарантирует, что только одно приложение или задача будет связано с устройством в данное время. Это необходимо ввиду возможности наложения запросов или ответов от различных приложений в одно и тоже время. В таком случае принятые устройством данные будут отправляться всем приложениям [3.3].

После инсталляции драйверов MIDI модуль распознается при каждом новом подключении к ПК автоматически, так система инициируется ПК как новое виртуальное аудиоустройство. Далее в среде ПК с виртуальным аудиоустройством может работать любая программа аудио обработки, имеющая функции MIDI секвенсора.