Содержание к диссертации
Введение
Глава 1, Многоканальные акустические системы. Основные задачи параллельной обработки данных, решаемые электронными системами MP реального времени 14
1.1. Основные классы MP, использующие электронные и неэлектронные принципы обработки сигналов 14
1.2. Особенности обработки акустической информации в системах класса MP-NE 16
1.3. Особенности обработки акустической информации в системах класса МР-Е 20
1.4. Анализ интерполяционных алгоритмов в MP 27
1.5. Тенденции развития MP 31
Выводы к главе 1 35
Глава 2. Композиционный аналого-цифровой подход к построению многоканальных систем компенсации временных задержек в MP .37
2.1. Композиционный подход к построению многоканальных систем компенсации временных задержек в MP 37
2.2. Основные требования к аналоговым и цифровым узлам компенсации фаз MP 39
2.3. Анализ и классификация структур MP 43
2.4. Одномерный класс MP 44
2.5. Двумерный класс MP 46
2.6. Трехмерный класс MP 50
Выводы к главе 2 53
Глава 3. Разработка структурных и схемотехнических решений для построения аналоговых и цифровых узлов компенсации разницы фаз на основе предложенного подхода 54
3.1. Структурная схема многоканальной системы обработки данных для одномерного ID класса MP 54
3.2. Разработанная структурная схема электронной системы обработки для одновременного формирования различных диаграмм направленности 58
3.3. Разработанная структурная схема электронной системы обработки для формирования двумерной диаграммы направленности 63
3.4. Разработанная структурная схема электронной системы обработки для одновременного формирования различных двумерных диаграмм направленности 67
3.5. Разработка структурной схемы узла цифровой компенсации разницы фаз 69
3.6. Разработка структурных схем узла аналоговой компенсации разницы фаз 79
3.7. Характеристики специализированных АЦП, ориентированных на применение в акустических системах 85
3.8. Методика проектирования цифровых узлов компенсации фаз MP 91
3.9. Методика проектирования аналоговых узлов компенсации фаз MP 94
ЗЛО. Рекомендации к создаваемым унифицированным аналого-цифровым модулям 96
Выводы к главе 3 98
Глава 4. Разработка аналого-цифровых модулей реального времени для обработки данных в микрофонных решетках 99
4.1. Разработка специализированного компьютерного стенда на основе PC 99
4.2. Разработка 16 - канального лабораторного макета обработки данных в MP на основе унифицированного 16-канального модуля 103
4.3. Разработка 128-канального лабораторного макета обработки данных в MP на основе унифицированного 16-канального модуля 105
4.4. Основные характеристики разработанного 16-канального аналого-цифрового модуля компенсации фаз 107
4.5. Модуль цифровой обработки данных в MP 112
Выводы к главе 4 116
Глава 5. Проведение экспериментальных исследований лабораторного образца электронной системы обработки данных 117
5.1. Исследование АЧХ каналов электронной системы 117
5.2. Результаты моделирования диаграмм направленности MP
на основе системы моделирования MathCAD 126
Выводы к главе 5 131
Заключение 132
Список литературы
- Особенности обработки акустической информации в системах класса MP-NE
- Основные требования к аналоговым и цифровым узлам компенсации фаз MP
- Разработанная структурная схема электронной системы обработки для формирования двумерной диаграммы направленности
- Разработка 16 - канального лабораторного макета обработки данных в MP на основе унифицированного 16-канального модуля
Введение к работе
Повышение качества и конкурентоспособности продукции нефтедобі чи и нефтепереработки невозможно без оптимизации функционировал] всех этапов производства, начиная с добычи нефти, ее транспортировки, ра деления на товарную нефть и подтоварную воду, дегазации и т.д. В качесті критериев оптимизации выступают как показатели качества продукции (об' ем добываемой жидкости и нефти, обводненность нефти, содержание нефти подтоварной воде и др.), так и показатели технико-экономической эффекта ности (ПТЭЭ): удельные материало- и энергозатраты, технологическая себ стоимость, прибыль, выручка и др.
Проблема оптимизации работы технологических установок и ряд по, ходов к ее решению описаны в литературе, однако разработка структур те: нико-экономических моделей оптимизации не осуществлены [1]. Не дост точно изучены также влияния технологических параметров на составляюпц элементы показателей качества (ПК) продукции и ПТЭЭ.
На эффективность технологических процессов при транспортирові водонефтяной эмульсии и ее разделении оказывают влияние такие фактор как скачкообразный характер изменения расхода и давлений подаваемо жидкости, изменения вязкости жидкости, выделение газа, дискретный хараї тер срабатывания противоаварийных защит и т.д. [2, 3]. Это приводит к н< эффективности ручного и автоматического управлений процессами в класса традиционных структур АСР, которые сопровождаются включеній ми/отключениями насосных агрегатов, сепараторов, значительными колебі ниями ПК продуктов. Перечисленные трудности существенно возрастай: при вариантах технологии с использованием нескольких параллельно раб< тающих технологических ниток. В частности, достаточно широко в наскм щее время используются блочные установки подготовки нефти на аппарата типа «Maloney» (AM), в том числе и отечественного производства [1 - 9], кс гда параллельно работают до пяти аппаратов.
Сложность управления технологическим процессом разделения вод нефтяной эмульсии связана со следующими причинами:
1) при нескольких параллельно работающих AM из-за наличия связей меж;
технологическими параметрами как внутри AM, так и между AM чер
входные (сырьевые) и выходные (газовые) коллекторы образуется мног
связная система управления; идентичность или близость динамических х
рактеристик АСР уровней и давлений обуславливают резонансные явл
ния; при этом исследование динамических свойств одного AM не да<
возможности прогнозировать поведение группы AM;
2) аппаратная компактность технологического процесса обуславливаї
большие скорости технологических процессов и высокие требования к к
честву динамических характеристик процессов управления;
предъявляются достаточно жесткие ограничения по расходу эмульсии аппараты;
имеет место сильная нелинейная взаимосвязь между технологическим параметрами и ПК продуктов разделения.
Опыт эксплуатации установок подготовки нефти на основе AM пок; зал, что существующий вариант решения задачи управления при наличии пі раллельно работающих аппаратов является неудовлетворительным, посколі ку:
задача автоматического управления по ПК и технико-экономической э(] фективности системой управления (СУ) решается косвенно, и только в уі ловиях стабилизации режимов, что далеко не всегда выполняется в усл< виях взаимосвязности AM;
подсистемы нижнего уровня по поддержанию температур нефтяных слое: уровней раздела фаз «нефть-вода», давлений в AM часто обеспечивай: низкое качество процессов управления, т.к. эти системы плохо парирук возмущения по расходу и качеству сырья;
система противоаварийной защиты (ПАЗ), не включает в себя защиту с таких событий как прогар жаровой трубы, нарушение условий горени
7 топлива и предельных значений параметров топливного коллектора, ч
предусмотрено правилами взрывопожаробезопасности ПБ 09-540-03, ]
предусматриваются операции прогноза и мониторинга, резервирован
жизненно важных источников информации о процессе, что приводит
частым аварийным отключениям AM.
Задача разработки АСУТП по ПК и ПТЭЭ является актуальной, и р
шение задачи лежит в использовании адаптивных систем управления (С!
каскадной структуры, включающих в себя модели технологических проце
сов и расчета ПК и ПТЭЭ.
Задачи управления по показателям технико-экономической и эконом
ческой эффективности обычно относят к задачам менеджмента предприят
ем (ERP-системы) и решают на верхних уровнях АСУП или интегрирова:
ных систем управления (ИАСУ).
В то же время большие возможности повышения эффективное!
управления процессами в смысле ПТЭЭ связаны с нижним уровнем автом
газированных систем - АСУТП. Подчеркнем, что возможности современнс
техники и технологий управления позволяют ставить и решать задачи опер
тивного управления производством по ПТЭЭ.
Как следует из литературных данных [10,11 и др.], экономический эс
фект решения задач оперативного управления установками по переработі
нефти по ПТЭЭ очень часто лежит в пределах от 0,3 до 1,0 доллара на куб<
метр производимой продукции, а в относительных цифрах повышение эс
фективности составляет обычно от 2 до 8 %.
В связи с этим несомненный интерес представляют задачи оценки эк<
номической эффективности оперативного управления процессами подготої
ки нефти по ПТЭЭ и вопросы разработки АСУТП, которые могут решать ті
кие задачи.
Данная работа направлена на разработку концепции построения подо*
ных СУ применительно к процессам подготовки нефти.
8 Таким образом, ставится задача разработки для системы параллелы
работающих AM более совершенного варианта системы управления проце
сами, обеспечивающего заданное качество подготовки нефти, возможное
парирования возмущений по расходам и давлениям, безаварийную рабої
AM, снижение частоты отключений AM, а также повышение безопасное!
автоматизированного технологического комплекса (АТК).
Анализ путей улучшения процессов управления и разработки перспеї
тивных вариантов основан на идеологии имитационного моделировани
включающей сбор и обработку исходных данных с итерационным подборо
параметров моделей [3,10,12].
Цель работы
Разработка концепции и методов оперативного управления технолоп
ческим процессом подготовки нефти по технико-экономическим показателя и оценка их эффективности. Для достижения поставленной цели в работ рассматриваются следующие задачи:
Провести системный анализ существующих АСУ технологическим процессами подготовки нефти с целью определения: факторов, влияющих к эффективность транспортировки водонефтяной эмульсии и последующей є разделении; возможностей повышения эффективности управления по ПТЭЭ
Разработать концепцию построения АСУ технологическими проце( сами подготовки нефти по показателям технико-экономической эффектш ности и показателям качества продукции.
Разработать модели одного аппарата «Maloney» и группы совмести работающих аппаратов для четырех уровней моделирования: концептуальне го, топологического, структурного и параметрического.
Разработать структуру автоматизированной системы управления те? нологическим процессом подготовки нефти по показателям технике экономической эффективности.
Оценить эффективность предложенной АСУ технологическим прс цессом подготовки нефти по ПТЭЭ.
9 Методы исследования.
В работе использованы теоретические положения теории систем и си темного анализа, теории автоматического управления, теории моделировані и оптимизации, методы менеджмента качества и экономического анализ методы имитационного моделирования. Экспериментальные исследоваю проведены на предприятиях ОАО «Лукойл-Западная Сибирь».
На защиту выносятся:
1. Результаты системного анализа факторов, влияющих на эффекта
ность транспортировки водонефтяной эмульсии и последующей ее раздел
НИИ.
Концепция построения АСУ технологическими процессами подг< товки нефти по показателям технико-экономической эффективности и пок зателям качества продукции.
Модели аппарата «Maloney» и группы совместно работающих апп ратов для четырех уровней моделирования: концептуального, топологич ского, структурного и параметрического.
Структура автоматизированной системы управления технологич ским процессом подготовки нефти по показателям технико-экономическс эффективности.
Результаты имитационного моделирования: структурная и шраме рическая оптимизация процесса подготовки нефти по ПТЭЭ.
Научная новизна.
Предложенная структура системы автоматического управлені процессами подготовки нефти, направленная на оптимизацию ПТЭЭ пр обеспечении заданных ограничений по показателям качества и технологии ским параметрам;
Модели оценки показателей качества продуктов в процессах подп товки нефти и модели расчета ПТЭЭ, с использованием которых проводите управление процессами подготовки нефти;
3) Методика и соответствующее программное обеспечение задач м
делирования и оптимизации структуры и параметров автоматизирование технологического комплекса процессов подготовки нефти;
4) Конструкция сепаратора и автоматическая система управления е:
работой на входном потоке жидкости на установку подготовки нефти, позв
ляющая парировать сильные возмущения по расходу и качеству сырья и с
щественно улучшить качество процессов управления.
Практическая ценность работы.
Разработана методика расчета и оптимизации процессов управлені по показателям качества и ПТЭЭ.
Разработаны модели автоматизированного технологического кої плекса установки подготовки нефти при управлении по ПТЭЭ с огранич ниями на технологические параметры и показатели качества.
Разработаны расчетные соотношения по выбору конструктивных п раметров сепаратора на входном потоке жидкости на установку подготовї нефти и автоматической системы управления сепаратором-смесителем.
Приведены рекомендации по выбору вариантов структуры и пар метров автоматической системы управления, оптимизирующих качество прі цессов управления установкой подготовки нефти в зависимости от имев щихся ресурсов модернизации автоматизированного технологического кої плекса.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались і II Межотраслевой научно-практической конференции «Проблемы совершеї ствования дополнительного профессионального и социогуманитарного обрі зования специалистов топливно-энергетического комплекса» (Уфа, УГНТ! 2005 г.), Второй Всероссийской конференции с международным участие «Мехатроника, автоматизация, управление» (МАУ'2005, Уфа, УГАТУ, 2005 научно-практической конференции «Вклад науки Республики Башкортоста в реальные секторы экономики» (Уфа, ТРАНСТЭК, 2003).
Публикации. Список публикаций включает 10 научных трудов, в то числе 7 статей, 3 из которых опубликованы в изданиях из списка ВАК, 2 т<
зиса докладов и материалов конференций различного уровня и один пате: РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четі рех глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложени содержит 122 страницы машинописного текста (без приложений), включа 34 рисунка, 8 таблиц, 117 наименований использованных литературных и точников.
Автор выражает благодарность коллективу кафедры АХТП УГНТ и, в частности, доценту Кирюшину О.В. за помощь при редактировании м териалов диссертации.
Особенности обработки акустической информации в системах класса MP-NE
Данный класс устройств представляет собой специализированные микрофоны на основе акустических методов обработки многоканальной информации. Основной областью применения систем класса MP-NE является акустический контроль источников звуков (шума) на открытом воздухе.
Системы данного класса MP-NE характеризуются: - высокой пороговой акустической чувствительностью, что гарантирует превышение звуковым сигналом уровень собственных шумов приемника, - высокой направленностью действия, что дает возможность измеряемому звуковому сигналу превысит уровень остаточных внешних помех.
Существует по меньшей мере четыре вида специализированных систем класса MP-NE: параболические направленные микрофоны; плоские акустические фазированные решетки; трубчатые микрофоны, или микрофоны " бегущей " волны; градиентные микрофоны.
Принцип обработки данных в параболическом микрофоне показан на рис. 1.2. Направленный микрофон имеет параболический отражатель, в фокусе которого находится обычный высокочувствительный микрофон. звуковая волна u яарзбоятєсхоя \ звркапс DCBBOS - - W I 7 1 шарттт J А Г уснлигш " ашктФт микрофон / Рис. 1.2. Параболический направленный микрофон
Формирование фиксированной диаграммы направленности осуществляется за счет суммирования аналоговых сигналов в фокусе отражающей поверхности, изготавливаемой из оптически непрозрачного материала. Наиболее простым по конструкции является направленный микрофон "Большое ухо", выпускаемый в ФРГ. Основой устройства является параболоид вращения диаметром 43 см, в фокусе которого помещён электретный микрофон, подключённый ко входу малошумящего усилителя. Плоские фазированные решетки
Плоские фазированные решетки реализуют идею одновременного приема звукового поля в дискретных точках плоскости, перпендикулярной к направлению на источник звука (рис.1.3.). В точках Al, А2, A3,.., An размещаются открытые торцы звуководов, которые обеспечивают синфазное сложение звуковых полей от источника в акустическом сумматоре, что и позволяет сформировать требуемую диаграмму направленности.
Основным достоинством данной многоканальной акустической системы являются малые габариты, что позволяет использовать такие системы в сотовых телефонах, компьютерах и другой малогабаритной технике.
Трубчатые микрофоны, или микрофоны " бегущей " волны, в отличие от параболических микрофонов и плоских акустических решеток, принимают звук не на плоскости, а вдоль некоторой линии, совпадающей с направлением на источник звука. Принцип действия таких систем показан на рис. 1.4.
В отличие от фазированных приемных акустических решеток, использующих операцию сложения акустических сигналов, градиентные микрофоны основаны на операции вычитания по направлению прихода сигнала. Простейшим градиентным направленным микрофоном является микрофон, реализующий градиент первого порядка, показанный на рис. 1.5.
Данная система содержит два расположенных рядом высокочувствительных микрофона Ml и М2, выходные сигналы которых вычитаются друг из друга, реализуя в конечных разностях первую производную звукового поля по оси микрофона и формируя диаграмму вида cos(Q), где Q - угол прихода звука. Тем самым обеспечивается относительное ослабление акустических полей с боковых направлений, характеризующихся углами прихода звука - 0-90. Использование градиентных микрофонов высоких порядков, реализующих пространственные производные 2-го, 3-го и более старших порядков, на практике ограничено.
Типичной областью использования таких систем - сотовые телефоны. использующие два микрофона, медицинские системы голосового управления. Многоканальные акустические системы класса МР-Е характеризуются использованием независимых каналов обработки акустической информации в электронном виде, что дает возможность: - синтезировать диаграмма направленности с требуемыми параметрами в реальном масштабе времени, формировать несколько независимых лучей в диаграмме направленности, например, для реализации алгоритмов цифровой фильтрации [6, 14, 29, 60-63, 80], алгоритмов автоматического слежения за источником сигнала [69, 79, 91, 95, 111], - осуществить автоматизированную подстройку параметров каналов обработки на основе использования тестовых источников звука, - автоматизировать процессы обработки акустических сигналов, - повысить эффективность работа акустической системы при наличии нескольких источников шума, в том числе - меняющих свои параметры.
В зависимости от сложности применяемой акустической системы (числа микрофонов, пространственной организации акустической системы) применяются различные алгоритмы шумоподавления, характеризующиеся различной вычислительной сложностью, а также предполагающие использование специализированных электронных средств различной производительности [7,10-13, 31, 32, 53, 64-66, 87, 100, 102].
Основные требования к аналоговым и цифровым узлам компенсации фаз MP
В данной главе рассмотрена сущность предлагаемого композиционного аналого-цифрового подхода к построению многоканальных систем компенсации временных задержек в MP. Представлена обобщенная структурная схема электронной системы обработки данных в MP, реализующая композиционный подход.
Дано математическое обоснование идентичности функций, выполняемых аналоговыми и цифровыми узлами компенсации фаз при создании электронной системы обработки MP различных классов.
Дана классификация конструкций одномерных ID, двумерных 2D и трехмерных 3D MP. Обосновывается возможность создания унифицированных электронных модулей реального времени, предназначенных для построения многоканальных электронных систем обработки.
Сущность предлагаемого в работе композиционного подхода заключается в использовании аналоговых и цифровых компонент для реализации функций компенсации фазы. При этом узел компенсации фаз в каждом из каналов MP содержит две составляющие - аналоговую и цифровую, предназначенные соответственно для: - компенсации дробной части фазового сдвига в данном канале, - компенсации целой части фазового сдвига в канале.
Под целой и дробной частями фазового сдвига понимаются соответственно целая и дробная части временной задержки, нормированной на период дискретизации.
На рис.2.1 представлена обобщенная структурная схема многоканальной электронной системы обработки данных MP, реализующая данный подход. На рис.2.1 используются обозначения: Ml, М2,..., MN -микрофоны MP, ивых - выходной цифровой сигнал электронной системы.
Многоканальная электронная система содержит следующие основные функциональные блоки: - АЛЗ-1, АЛЗ-2, АЛЗ-3, ..., АЛЗ-N - аналоговые фрагменты линии задержки соответственно в каналах обработки микрофонов Ml, М2, МЗ,..., MN, - ЦЛЗ-1, ЦЛЗ-2, ЦЛЗ-3, ..., ЦЛЗ-N - цифровые компоненты линии задержки соответственно в каналах обработки микрофонов Ml, М2, МЗ,..., MN, - УУ АЛЗ - устройство управления аналоговыми линиями задержки, - УУ ЦЛЗ - устройство управления цифровыми линиями задержки, - ЦП - центральный процессорный узел, формирующий управляющие сигналы для аналоговых и цифровых линий задержки, - X - цифровой сумматор сигналов.
Таким образом, цифровые фрагменты линии задержки в каждом из каналов обработки предназначены для компенсации временных сдвигов, пропорциональных периоду дискретизации, то есть N/F0 (секунд), где F0 -частота дискретизации, использующаяся в системе. Аналоговые фрагменты задержки предполагается использовать для компенсации небольших временных сдвигов, составляющих дробные части от периода дискретизации, то есть - 0- 1/Fo (секунд).
Современные многоканальные MP характеризуются определенным набором параметров, значения которых дают возможность определить требования, предъявляемые к аналоговым и цифровым узлам задержки, которые необходимо учитывать при разработке структурных и принципиальных схем электронных узлов.
На рис.2.2 показан механизм возникновения разницы фаз при использовании одномерной ID MP с равномерным распределением микрофонов вдоль оси X. Рассматриваемая MP в данном случае содержит N микрофонов. Источник сигнала R находится на прямой, перпендикулярной плоскости MP. Для микрофона с номером і образуется разница хода звуковых сигналов A.L-, величина которой зависит от местоположения микрофона в MP. Для случая центрального расположения источника сигнала R относительно MP разница хода определяется следующим образом: АЦ = Щ\ + ( (1- ))2-\), (2-1) где do - шаг размещения микрофонов в MP, R - расстояние до источника сигнала.
Разработанная структурная схема электронной системы обработки для формирования двумерной диаграммы направленности
Разработанная структурная схема, представленная на рис.3.6 дает возможность реализовать синтез одной двумерной диаграммы направленности с заданными характеристиками (ширина лепестка, ориентация лепестка в пространстве). Изменение параметров диаграммы направленности осуществляется на основе перепрограммирования аналоговых и цифровых узлов компенсации фаз, для чего используются соответствующие блоки управления УУАЛЗ и УУЦЛЗ, а также общее устройство управления УУСис, блок управления синхронизацией УУСМ и системный интерфейс.
Структурная схема имеет модульный принцип построения, ориентированный на использование унифицированных многоканальных электронных модулей, осуществляющих аналоговую и цифровую компенсацию фаз одновременно для всех каналов одного ряда -соответственно АЛЗЫ,..., АЛЗІлс и ЦЛЗЫ,..., ЦЛЗЬк применительно к последнему ряду с номером L матрицы микрофонов (рис.3.7).
Достоинством структурной схемы является возможность реализации основных цифровых узлов на основе широкого класса ПЛИС типа Altera и Xilinx. Данная модель оформлена в качестве библиотечной и дает возможность синтезировать готовые блоки цифровой обработки, ориентированные на реализацию в качестве макроэлемента в составе ПЛИС при использовании САПР проектирования типа Cadence и Mentor Graphics.
К недостаткам модели следует отнести невозможность одновременной реализации нескольких двумерных диаграмм направленности с различными характеристиками, например, для формирования опорного и рабочего каналов при реализации алгоритмов адаптивной фильтрации. Для этой цели разработан ряд специализированных структурных схем.
Данная модель оформлена в качестве библиотечной и дает возможность синтезировать готовые блоки цифровой обработки, ориентированные на реализацию в качестве макроэлемента в составе ПЛИС при использовании САПР проектирования типа Cadence и Mentor Graphics.
Представленные структурные схемы построения многоканальных электронных систем компенсации разницы фаз в соответствии с предлагаемым в работе подходом предполагают использование аналоговых узлов для компенсации дробной части значения фазы и цифровых узлов для компенсации целой части значения фазы в каждом из каналов. В работе разработан ряд структурных схем цифровых узлов компенсации целой части значения фазы, ориентированных на реализацию на основе современных ПЛИС.
На рис.3.9 представлена структурная схема цифрового узла компенсации целой части значения фазы, реализованного на основе сдвигового регистра на многоразрядных триггерах DD1, DD2, DD3,...,DDN. Устройство управления УУТЗ осуществляет выбор необходимой цифровой задержки, которая измеряется в тактах частоты синхронизации CLC. В качестве сигнала CLC обычно используется значение частоты дискретизации F0.
На рис.3.10 представлена структурная схема цифрового узла компенсации целой части значения фазы, предназначенного для обработки данных в нескольких каналах. Узел реализован на основе одного сдвигового регистра на многоразрядных триггерах DD11, DD2, DD3,...,DDN. Устройство управления УУТЗ осуществляет выбор необходимой цифровой задержки, которая измеряется в тактах частоты синхронизации CLC. В качестве сигнала CLC обычно используется значение частоты дискретизации F0.
Основными параметрами узла являются: максимальная задержка в тактах - TN, разрядность входной и выходной шин - ND, число обслуживаемых каналов - К. Аппаратные затраты на реализацию узла могут быть определены как (в относительных единицах - одноразрядных триггерных ячейках): Т = TN ND. (3-2)
Данный узел является параметризованным и позволяет получить выигрыш в площади и потребляемой мощности за счет использования одного канала сдвига данных. В иабл.3.9 указаны основные параметры модели, которые позволяют синтезировать данный узел для конкретного применения.
Параметризованная модель данного узла оформлена в качестве библиотечной и дает возможность синтезировать готовые блоки цифровой обработки, ориентированные на реализацию в качестве макроэлемента в составе ПЛИС при использовании САПР проектирования типа Cadence и Mentor Graphics.
Данный узел ориентирован на использование в электронных системах одновременного формирования нескольких (К) диаграмм направленности.
На рис.3.11 представлена структурная схема цифрового узла компенсации целой части значения фазы, предназначенного для обработки данных в нескольких каналах.
Областью применения данного цифрового узла компенсации являются электронные системы MP, формирующие несколько зависимых диаграмм направленности. Типичный пример таких зависимых диаграмм направленности показан на рис.3.4.
Узел реализован на основе одного сдвигового регистра на многоразрядных триггерах, включающих в себя цепи: DD11, DD12, DD13,...,DD1N; DD21, DD22, DD23,...,DD2N, ... , DDN1, DDN2, DDN3,...,DDNN Устройство управления УУТЗ осуществляет выбор необходимой цифровой задержки, которая измеряется в тактах частоты синхронизации CLC. В качестве сигнала CLC обычно используется значение частоты дискретизации Fo.
Узел имеет один вход - Din для данных, поступающих от АЦП, и несколько выходов - Doutl, Dout2,..., DoutK.
Разработка 1 б-канального лабораторного макета обработки данных в MP на основе унифицированного 16-канального модуля
Разработанный аналого-цифровой модуль является второй версией созданного лабораторного макета, представленного на рис.4.3. Модуль предназначен для параллельной независимой обработки в реальном масштабе времени 16 аналоговых каналов акустической информации и может быть использована как в составе макетов по обработке данных от MP в реальном масштабе времени, так и в составе многоканальных встраиваемых устройств. Основными функциональными узлами модуля являются: - 16-канальный аналоговый входной узел, включающий в себя входные усилители, аналоговые узлы компенсации фаз, - 16-канальный модуль АЦП, - блок статической буферной памяти, - интерфейсный блок на основе ПЛИС Altera.
Блок статической памяти для буферизации выходного потока данных, что снижает требования ко времени выполнения рабочей программы в блоке DSP. 108 Общая структурная схема 16-канального узла АЦП представлена на рис.4.7. ОБЩАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА 1 6-КАН АЛ ЬНО ГО ADC Особенностью узла АЦП является наличие встроенной системы тестирования параметров аналогового тракта с помощью дополнительных входов АЦП и тестового ЦАП. Узел содержит входную 16-разрядную аналоговую шину, соединенную с узлами аналоговой компенсации фаз. Печатная плата 16-канального модуля выполнена в стандарте Евромеханика и имеет размеры 160,0 мм х 100,0 мм, Блок загрузки ПЛИС включает в себя ПЗУ EPC2PLCC20 и JTAG-разъем. Начальная инициализация ПЛИС может осуществляться из любого из двух указанных выше устройств. Блок DAC содержит в себе два источника опорного напряжения, необходимых для работы АЦП. Первый источник является фиксированным, а второй управляется DAC. Последовательный интерфейс DAC соединен с соответствующими шинами ПЛИС.
Блок статической памяти предназначен для временного хранения данных после аналого-цифрового преобразования и может быть использован в качестве буфера или кэш-памяти. Блок может содержать в зависимости от модификации 16 микросхем памяти объемом от ІбМбит до 8Гбит каждая. Все управляющие, адресные и информационные выводы микросхем памяти соединены с ПЛИС, что позволяет реализовывать блок памяти с различной архитектурой - разрядностью, объемом, быстродействием, протоколом обмена. Архитектура блока памяти определяется конфигурационной программой, загружаемой в ПЛИС. В частном случае, каждый ADC работает со своей микросхемой памяти. Рис.4.8. Внешний вид 16-канального модуля На рис.4.8 показан внешний вид модуля со стороны 16-канальной аналого-цифровой обработки. На рис.2.9. показан вид модуля со стороны блока памяти.
Разработанный модуль предназначен для цифровой обработки информации MP, реализации алгоритмов формирования луча и слежения за источником звука, цифровой фильтрации в пространственной и частотной областях в реальном масштабе времени. Общая структурная схема модуля цифровой обработки представлена на рис.4.12. Основными узлами модуля являются следующие: - цифровой сигнальный процессор ADSP2106x; - программируемый интерфейс на ПЛИС типа FPGA XILINX; - блок статической памяти SRAM; - блок загрузки; - блок начальных установок SW.SETUP; - индикатор состояния FPGA; - индикатор состояния DSP; - цифровые шины 1-14.
В качестве цифрового сигнального процессора может быть установлен DSP фирмы Analog Devices типа ADSP21060, 21061, 21062. Процессоры данной серии позволяют осуществить за один такт выполнение следующих основных операций: - 32-разрядное умножение с плавающей точкой стандарта ШЕЕ; - 32-разрядную операцию с плавающей точкой стандарта IEEE в АЛУ; - 32- разрядную операцию сдвига с плавающей точкой стандарта IEEE; - чтение/запись двух операндов из/в регистровый файл; - передача и прием данных в умножителе, АЛУ.
На кристалле процессора расположена внутренняя двухпортовая память. Основные параметры SRAM указанных процессоров приведены в табл.4.1.
Для реализации цифровых шин и протоколов обмена по ним используется ПЛИС фирмы XILINX XCV300E BGA432. Возможна установка на плате других ПЛИС этой серии (432 BGA)- XCV400E, XCV600E, XCV1000E.
Основные параметры ПЛИС представлены в табл.4.2. Следует отметить, что определенная часть целочисленной обработки данных может быть реализована также на ПЛИС. Максимальная тактовая частота поточной обработки данных ПЛИС составляет 100-150 мГц.
Блок статической памяти выполнен на основе микросхем TC55M16100FT фирмы TOSHIBA объёмом Імбит х 16 со временем доступа 10-15нс. В блоке используется 3 микросхемы указанного типа для параллельного обслуживания 48 - разрядной шины данных 4.
Блок загрузки предназначен для начальной инициализации DSP и FPGA и содержит постоянную память PROM и разъемы JTAG для загрузки программ соответственно из PROM или из внешнего PC. Начальная инициализация осуществляется при включении напряжения питания или по требованию внешнего PC.
