Система цифровой обработки информационного сигнала

 

3.2.7 Блок питания

 

Блок питания необходим для питания всей схемы. Блок сконструирован на основе диодного моста и стабилизатора напряжения.

Диодный мост в сочетании с включенными в цепь конденсаторами  предназначен для выпрямления переменного тока в постоянный. Для диодного моста используются диоды 1N4148. В схеме так же используется стабилизатор L7805AB2T. Он позволяет получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при колебаниях входного напряжения или сопротивления нагрузки.

Благодаря переключателю SB1 возможно принудительное отключение блока питание от питания системы. Это необходимо в случае питания системы от шины USB.

Схема подключения блока питания представлена на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 – Схема подключения блока питания

 

3.2.8 Устройство управления

 

В модуле устройство управления используется для настройки параметров, таких как чувствительность канала к входным сигналам, назначение MIDI каналов, номер ноты, наличие перекрестных помех, кривая динамической чувствительности, пороговые значения и время повторного запуска. Устройство реализовано в виде простых четырех кнопок, которые, в свою очередь, подключены к трем линиям PB5 – PB7 МК. В устройстве управления используются кнопки типа PB-22E78 и диоды 1N4148.

Схема подключения устройства управления  представлена на рисунке 3.11.

 

Рисунок 3.11 – Схема подключения устройства управления

 

3.2.9 Жидкокристаллический индикатор

 

Жидкокристаллический дисплей используется для отображения графической информации во всем множестве электронных устройств, где необходим вывод информации для интерактивного восприятия.

Основу   ЖКИ   составляют   жидкие   кристаллы, молекулы   которых упорядочены послойно определенным образом между двумя стеклянными пластинами. ЖКИ являются пассивными индикаторами, преобразующими падающий на них свет для создания изображений цифр. В отличие от светодиодных жидкокристаллические индикаторы не излучают свет. Основные параметры ЖКИ - информационная емкость индикатора.

В MIDI модуле системы цифровой обработки информационного сигнала ЖКИ используется для отображения активности системы и настройки системы. Данные на ЖКИ поступают с микроконтроллера.

В качестве жидкокристаллического индикатора   выбран ЖКИ MC1602M-SYR. Выбранный ЖКИ является знакосинтезирующим индикатором. Его отличительная особенность заключается в том что в состав ЖКИ входит микросхема преобразователя двоичного кода в код управления индикатором, являясь с ним одним целом такой индикатор удобен и в использовании. Индикатор MC1602M-SYR представляет собой индикатор LCD типа, имеет 2 строки по 16 столбцов, размер одного символа - 5,56 мм, режим отображения -  Transflective, геометрические размеры дисплея - 64,5 х 16 х 32 мм, имеет зеленый цвет подсветки и напряжение питания 5 В.

Схема подключения ЖКИ MC1602M-SYR представлена на рисунке 3.12.

 

Рисунок 3.12 – Схема подключения ЖКИ MC1602M-SYR

 

Входные линии ЖКИ подключаются к линиям PD микроконтроллера который посылает на индикатор сигналы управления, тем самым сигнализируя режим работы, активность системы и настройки режимов чувствительности.

 

3.3 Настройка аппаратного и программного интерфейса

 

В соответствии со структурной схемой, представленной на рисунке 1.9, система включает в себя входной первичный преобразователь - датчик (Д), MIDI модуль (MM), персональный компьютер (ПК) и акустическую систему (АС).

Для работы системы к ММ необходимо подключить необходимое для работы количество входных датчиков и  блок питания, дождаться загрузки программы. Посредством USB кабеля подключить ММ к USB порту компьютера. Работа с системой происходит в среде Windows. При первоначальном подключении к USB-порту операционная система ПК определяет устройство и запрашивает файлы драйвера. Данный процесс называется инсталляцией устройства. Так как система обработки информационного сигнала имеет функцию Plug&Play, то драйверы инсталлируются напрямую из ММ. Для выполнения инсталляции необходимо не только создать драйвер устройства, но также инсталляционный скрипт, в котором описывается последовательность инсталляции.

После инсталляции драйверов система распознается при каждом новом подключении к ПК автоматически, так система инициируется ПК как новое виртуальное аудиоустройство. Для достоверности можно произвести проверку того, что ПК распознал ММ как новое виртуальное аудиоустройство. Для этого необходимо проделать следующую последовательность действий:

Настройка - Панель Управления – Диспетчер Устройств -  
Звуковые, видео и игровые устройства – Megadrum USB MIDI.

Результат проверки и данные диспетчера устройств показаны на рисунке 3.13.

 

Рисунок 3.13 – Аудиоустройства в диспетчере устройств

 

После того как модуль запушен и налажен обмен информацией между ММ и ПК  необходимо произвести настройку программного комплекса. С системой  может работать любая программа аудио обработки или нелинейного монтажа, имеющая функции MIDI секвенсора. Рассмотрим программные настройки на примере программы Steinberg Nuendo 3.0.

После запуска программы перед пользователем  появляется основное рабочее поле. Далее для работы необходимо создать новый проект. Для этого на верхней панели нужно выбрать раздел File – New Project. Появиться диалоговое окно как показано на рисунке 3.14.

 

Рисунок 3.14 – Диалоговое меню создания нового проекта

 

В диалоговом меню нажимаем кнопку ОK и, при появлении следующего окна, указываем директорию где будет сохранен проект как показано на рисунке 3.15.

 

 

Рисунок 3.15 – Диалоговое меню директории сохранения проекта

 

Затем в рабочем поле программы создаем новый MIDI канал, нажав правую клавишу мыши и выбрав  Add MIDI track. Далее необходимо загрузить внешний MIDI инструмент в программу. В данной дипломной работе в качестве MIDI инструмента будет использоваться XLN Addictive Drums. Это многофункциональный виртуальный музыкальный инструмент, сочетающий в себе превосходные исполнительские свойства и огромное множество различных пользовательских настроек. Для загрузки инструмента в рабочем поле программы выбираем пункт меню Devices – VST Instrumets – Addictive Drums. Результат загрузки представлен на рисунке 3.16.

 

Рисунок 3.16 – Виртуальный MIDI инстрeмент XLN Addictive Drums

 

 Для организации виртуального соединения между ММ и MIDI инструментом в подпункте настройки входной и выходной  линии выбираем виртуальное аудиоустройство и MIDI инструмент так, как показано на рисунке 3.17.

Рисунок 3.17 – Созданный MIDI канал с настроенными входным и выходным линиями

 

Для начала работы системы нажимаем кнопку рекорд на MIDI канале. Система готова к работе. 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 MIDI модуля, который оцифровывает динамические и временные характеристики сигнала и передает цифровые данные в ПК. Активность системы можно сигнализировать на дисплее модуля. В компьютере эти данные через порты виртуального аудиоустройства поступают в программу Steinberg Nuendo 3.0 на виртуальный MIDI инструмент XLN Addictive Drums созданного MIDI канала. С приходом на MIDI инструмент сигнала он подставляет на его место определенный звук акустического барабана, соответствующий его динамическим и временным характеристикам. Этот  звук через ЦАП ПК поступает на воспроизводящую акустическую систему, одновременно обеспечивая минимальную задержку между ударом в мембрану барабана  и слышимым выходным сигналом.

Так же виртуальный MIDI инструмент XLN Addictive Drums позволяет производить широкий спектр настроек и регулировок обеспечивая пользователю широкий выбор возможностей.

3.4 Расчет потребляемой мощности

 

Для того чтобы MIDI модуль системы цифровой обработки информационного сигнала работала корректно должны быть предъявлены определенные требования к источнику питания. Для этого необходимо определить мощность, потребляемую всеми микросхемами схемы при напряжении питания равному 5 В.

Мощность вычисляется по формуле (3.1):

 

,      (3.1)

 

где I – потребляемый ток;

       U – напряжение питания;

       n – количество микросхем.

 

Полученные результаты вычислений представлены в таблице 3.4.

 

   Таблица 3.4 – Расчет потребляемой  мощности микросхем

№	Наименование микросхемы	Iп, [мА]	Кол-во	Потребление микросхем одного типа, [мВт]
1	M74HC4051	1,3	3	19,5
2	6N138N	3,1	1	15,5
3	L7805AB2T	0, 12	1	0,6
4	ATMEGA 324Р	12	1	60
5	MC1602M-SYR	1,5	1	7,5
6	PIC18F2455	10	1	50
	Итого	27,97	8	153,1

 

 

 

Рассчитав сумму потребления всех микросхем, выяснили что суммарная мощность потребления составляет 153,1 мВт. Для работы микропроцессорной системы сбора данных потребуется источник питания на 5 В  мощностью не менее

153,1 мВт.

 

3.5 Расчет надежности

 

На этапе проектирования расчёт надёжности производится с целью прогнозирования надёжности работы и оценки количественных показателей надёжности проектируемой системы. Отказ хотя бы одного элемента устройства приводит к отказу всего устройства.

Для оценки работоспособности разрабатываемой системы произведем расчет всех элементов устройства на надежность. Величина, определяющая насколько часто элементы устройства будут отказывать, называется интенсивностью отказов. Интенсивность отказов зависит от электрической нагрузки, климатических факторов таких, как температура окружающей, а также влияние пониженного атмосферного давления. Величина интенсивности отказов каждого элемента определяется по формуле (3.2):

 

,      (3.2)

 

где  – интенсивность отказов данного типа элементов при номинальной       электрической нагрузке и нормальных условиях эксплуатации;

 – коэффициент, учитывающий  влияние температуры окружающей среды и электрической нагрузки элемента;

k1 – коэффициент, учитывающий влияние механических факторов, принимается равным 1,07, так как наш прибор наземный стационарный;

k2 – коэффициент, учитывающий влияние климатических факторов, принимаем равным 1, при температуре от 20 до 40 0С и влажности 60 – 70 %;

k3 – коэффициент, учитывающий влияние пониженного атмосферного давления, принимаем равным 1 при высоте до 1 км.

 

Значения соответствующих коэффициентов берутся из справочных таблиц. В таблице 3.5 приведены данные об интенсивности отказов элементов и прибора в целом.

Интенсивность отказов устройства в целом вычисляется по формуле (3.3):

 

                                                 ,                                                        (3.3)

 

где  число элементов i-ого типа;

число типов элементов.

 

Полученные результаты вычислений представлены в таблице 3.5.

 

Таблица 3.5 – Данные об интегральности отказов элементов и системы в целом

Тип элемента	Число элементов, mi	Коэффициент нагрузки	l0i∙10-6, 1/ч	αi	l0i∙ αi∙10-6, 1/ч	li∙10-6, 1/ч	limi∙10-6, 1/ч
Резисторы	49	0,2	0,02	0,2	0,004	0,00428	0,20972
Конденсаторы керамические	12	0,3	0,07	0,28	0,0196	0,02097	0,25164
Диоды	48	0,3	0,2	0,78	0,156	0,1669	8,0112
Катушки индуктивности	1	0,2	0,07	0,1	0,007	0,00749	0,00749
Светодиод	1	0,3	0,2	0,1	0,156	0,1669	0,1669
Микросхемы	8	0,2	0,5	0,35	0,175	0,18725	1,498
Печатные платы	3	0,2	0,1	0,16	0,016	0,01712	0,05136
Паяные соединения	324	0,2	0,01	0,16	0,0016	0,00171	0,55404
Переключатели	7	0,2	0,05	0,16	0,008	0,00856	0,05992
Разъемы	20	0,3	0,05	0,16	0,008	0,00856	0,1712
ИТОГО							10,98147·10-6