دراین تحقیق مراحل طراحی یک سیستم دیجیتال و کاربردهای آن شرح داده شده است.
در فصل اول با مشخص کردن نیازهای هر سیستم پردازشگر دیجیتال و مشخصات پردازنده های DSP لزوم استفاده از این نوع پردازنده ها، بیان شده است.
در فصل دوم به معرفی پردازنده های DSP و مقایسه آنها از جهات گوناگون پرداخته شده است و اجزای جانبی آنها برای تولید سیگنال های خارجی و ارتباط با محیط خارج مورد بررسی قرار گرفته است. پس از معرفی کارت های آموزشی و صنعتی با استفاده از مهندسی معکوس امکانات مورد نیاز برای طراحی یک سامانه حداقلی بیان شده است.
در فصل سوم با معرفی انواع نرم افزارهای پردازش سیگنال ها به صورت دیجیتال چگونگی یکپارچه کردن سیستم، به کمک دستورات پیوند دهنده شرح داده شده است که پس از این مرحله سیستم
آماده ی تحویل به مشتری است.
برای بیان نقش پردازنده های DSP در زندگی روزمره ، چندین مثال از کاربردهای بیشمار پردازش دیجیتال در فصل چهارم آورده شده است. این کاربرد ها را می توان به دو دسته آنالیز/ فیلتر اطلاعات و فرآیندهای کنترلی تقسیم بندی کرد. بنابراین هر کاربرد به سخت افزار و نرم افزار خاصی نیاز دارد که در این مجموعه تا حدودی معرفی شده اند.
پردازش سیگنال های دیجیتال با استفاده از عملیات ریاضی قابل انجام است. در مقایسه، برنامه نویسی و پردازش منطقی روابط، تنها داده های ذخیره شده را مرتب می کند. این بدان معنی است که کامپیوترهای طراحی شده برای کاربردهای عمومی و تجارتی به منظور انجام محاسبات ریاضی، مانند الگوریتم های انجام تحلیل فوریه و فیلتر کردن مناسب و بهینه نیستند. پردازشگرهای دیجیتال وسایل میکروپروسسوری هستند که به طور مشخص برای انجام پردازش سیگنال های دیجیتال طراحی شده اند. پردازنده های DSP دسته ای از پردازنده های خاص
می باشند که بیشتر برای انجام بلادرنگ پردازش سیگنال های دیجیتال استفاده می شوند.
این پردازنده ها توانایی انجام چندین عملیات همزمان در یک سیکل دستورالعمل شامل چندین دسترسی به حافظه، تولید چندین آدرس با استفاده از اشاره گرها و انجام جمع و ضرب سخت افزاری به طور همزمان را دارا می باشند و سرعت بالای آن ها نیز به واسطه این ویژگی ها است. این وسایل به میزان بسیار زیادی در دهه اخیر رشد کرده اند و کاربردهای متنوعی از دستگاه های تلفن سیار تا ابزارهای علمی پیشرفته پیدا کرده اند. همچنین بعضی قابلیت اجرای منطق ممیز شناور (Floating point) به صورت سخت افزاری را دارند. در صورتی که سیگنال در بازه دینامیکی بزرگی متغیر با زمان باشد، این قابلیت بسیار مفید می باشد. اگر نمونه ها در زمان بین نمونه برداری ها نیاز به پردازش با سرعت بالا داشته باشند می توان از پردازنده های عملکرد بالا استفاده نمود. در این حالت پردازنده باید در سریع ترین زمان ممکن پردازش را به پایان برساند که این نیازمند کم بودن زمان سیکل دستورالعمل در پردازنده می باشد. از دیدگاه هزینه، ابعاد و طراحی آسان، تجهیزات جانبی پردازنده بسیار مهم
می باشند.
تجهیزات معمول روی پردازنده ها، پین های ورودی / خروجی، مدارهای واسط سریال و موازی، مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) و مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) می باشند. لحاظ کردن فاکتورهای فوق در طراحی و ساخت DSPها، موجب شده است که DSP های متنوعی موجود باشند. بدیهی است در چنین پردازشی باید بتوان اطلاعات نهفته در سیگنال را نیز استخراج کرد.
1-1) تحلیل سیستم های DSP :
سیستم نمونه DSP در شکل(1-1) نشان داده شده است. همان گونه که دیده می شود این سیستم ازسه بخش اصلی تشکیل گردیده است. بخش ابتدایی برای آماده سازی سیگنال و تبدیل آن به نوع دیجیتال و بخش انتهایی که نتایج حاصل از پردازش دیجیتالی را دوباره به شکل اولیه تغییر می دهد و قسمت مرکزی که پردازشگر دیجیتال را برای اجرای یک الگوریتم، یک برنامه و یا مجموعه ای از محاسبه های منطقی – ریاضی تشکیل می دهد. واحدهای ابتدایی و انتهای سیستم فوق مورد بحث ما نمی باشند و در این فصل به طور عمده به بخش اصلی پردازشگر پرداخته می شود
اولین نکته قابل توجه این است که چگونه سیستم DSP طراحی می شود؟ چگونگی و روش طراحی سیستم را
می توان در شکل(1-2) مشاهده کرد. اولین قدم در این طراحی، تحلیل سیگنال ورودی و تعیین مشخصات آن مانند حداقل و حداکثر دامنه، پهنای باند، محتوای طیفی سیگنال و حدود تغییرات، نسبت سیگنال به نویز (SNR) آن است.
همان طور که سیگنال اصلی آنالوگ باشد، اولین مرحله، پیش پردازش سیگنال و تبدیل آن به شکل دیجیتالی است. میزان و نوع تقویت کننده ورودی، طراحی فیلتر ضدهمپوشانی، حداقل نرخ نمونه برداری و در نهایت طراحی مبدل آنالوگ به دیجیتال در مهمترین موارد این مرحله از طراحی سیستم پردازشگر دیجیتالی است.
سومین مرحله از طراحی سیستم پردازشگر، طراحی نرم افزاری – سخت افزاری پردازشگر دیجیتال است. محتوای طیفی سیگنال و SNR سیگنال ورودی و نیز مشخصات مورد نیاز در خروجی عملیات پردازش که می تواند آشکارسازی مولفه های فرکانس باشد و یا ممکن است بهبود خصوصیات SNR سیگنال مد نظر باشد، تابع انتقال سیستم DSP و الگوریتم های محاسبه آن را تعیین می کند.
در پردازش زمان – حقیقی پهنای باند سیگنال، سرعت پردازش و میزان بار پردازشی میان سخت افزار و نرم فزار را تعیین می کند. اکنون این سوال اساسی قابل مطرح است که تفاوت پردازشگرهای DSP و میکروپروسسورها چه هستند؟ همان طور که می دانیم کامپیوترهای دیجیتال بر مبنای میکروپروسسورها کار می کنند که با اجرای مراحل منطقی در آن ها، محاسبه و الگوریتم هایی انجام می یابد.
اما نوع محاسبه ها و سرعت انجام آن ها بسیار پایین تر از انتظاراتی نظیر انجام روباتیک، کنترل سریع ماشین ها، استخراج سریع پارامترها از سیگنال های زمان – حقیقی و امثال آن است. ولی به هر حال در دهه های اخیر نشان داده شده است که کامپیوترها به میزان بسیار زیادی در دو زمینه مدیریت و کار با داده، مانند پردازش متن[1]، مدیریت پایگاه داده[2] و محاسبه های ریاضی مورد استفاده قرار می گیرد.
همه میکروپروسسورها کم و بیش هر دو وظیفه فوق را می توانند اجرا کنند، ولی بسیار مشکل و یا گران است که بتوان وسیله ای داشت که برای هر دو وظیفه بهینه باشد.
برای بررسی و تایید عملکرد سیستم پیشنهادی، ابتدا سیگنال ورودی و مدل پردازش شبیه سازی نرم افزاری
تعیین می گردد. سپس با اطلاعات اولیه و تایید نهایی گراف جریان سیستم از شبیه ساز نرم افزاری استخراج گردیده که مبنای پیاده سازی سخت افزاری – نرم افزاری پردازشگر دیجیتالی قرار می گیرد.
مصالحه زیادی در طراحی سخت افزاری، مانند اندازه مجموعه دستورالعمل ها و تعداد وقفه ها[3] میان آن ها انجام گردیده است. همچنین، مسائل بازاری و تجاری، نظیر هزینه ی توسعه و ساخت، رقابت و طول عمر محصولات از اهمیت فوق العاده ای برخوردارند. این ملاحظات موجب بروز میکروپرسسورهای پنتیوم[4] شد.
به طریق مشابه DSP ها نیز برای محاسبه های ریاضی در پردازش سیگنال های دیجیتال طراحی شدند که سرعت اجرای بیشتر الگوریتم های DSP تقریبا به طور کامل با تعداد ضرب – جمع های مورد نیاز محدود می شوند.
علاوه بر اجرای محاسبه های ریاضی با سرعت زیاد، DSP ها باید دارای توانایی پیشگویی زمان اجرا باشند.
بیشتر DSP های مورد استفاده در کاربردهای مختلف به صورت پیوسته ای عمل پردازش را انجام داده، بدون این که شروع و خاتمه تعریف شده ای داشته باشند و متناسب با سرعت مورد نیاز در کاربرد عمل می کنند.
دلایل متعددی وجود دارد که سرعت سیستم DSP مورد طرح بیش از حد نیاز نباشد، زیرا با افزایش آن هزینه، مصرف توان و پیچیدگی طرح نیز افزایش می یابد. این دلایل اطلاعات درستی از زمان اجرای پردازش را ضروری می سازد تا هم وسیله مناسب انتخاب شود و هم الگوریتم های مورد استفاده به نحو صحیحی طراحی شوند.
-2) معماری پردازشگرهای دیجیتال :
یکی از مهم ترین گلوگاه های اجرای الگوریتم های DSP، انتقال اطلاعات به/ از حافظه است. این اطلاعات شامل «داده» مانند نمونه های سیگنال ورودی و ضرایب فیلتر و «دستورالعمل ها» که به صورت کدهای باینری به صورت دنباله وار به برنامه اعمال می گردد، می شوند.
الف) معماری وان – نیومان :
ساده ترین نوع انجام این عمل توسط وان – نیومان [1903-1957,Von Neumann] ارائه گردید. معماری
وان – نیومان تنها دارای یک حافظه و یک گذرگاه[5] برای نقل و انتقال داده به واحد پردازش مرکزی (CPU)[6] است. این معماری در شکل (1-3) نشان داده شده است. طرح وان – نیومان برای حالتی که همه وظایف در برنامه ای که به صورت سریال انجام می شوند، به طور کامل قابل قبول است.
ب) معماری هاروارد :
معماری دیگر تنها وقتی مورد نیاز می شوند که پردازش سریع مورد نیاز باشد. در شکل (1-4) معماری دیگری به نام هاروارد نشان داده شده است که در دانشگاه هاروارد با هدایت هوارد آیکن [Haward Aiken 1900-1973] در سال 1940 ارائه شده است. در این طرح حافظه های جداگانه ای برای داده ها و دستورالعمل ها در نظر گرفته شده است که دارای گذرگاه های جداگانه ای نیز می باشند. چون در این طرح، گذرگاه ها به طور مستقل دستورالعمل ها و
فهرست مطالب:
چکیده ..........................................................................................................
فصل اول : مشخصات عمومی پردازنده های DSP ......................................................
1-1) تحلیل سیستم های DSP ...........................................................................
1-2) معماری پردازشگرهای دیجیتال ............................................................................... 7
1-3) مشخصات پردازشگرهای DSP.......................................................................
1-4) بهبود کارایی پردازنده های DSP معمولی ............................................................................................. 15
1-5) ساختار SIMD ....................................................................................................................
فصل دوم : معرفی پردازنده های DSP و سخت افزار لازم جهت کار با آنها.................................................. 20
2-1) مقدمه..................................................................................................................................... 21
2-2) خانواده ی پردازنده های Texas Instrument ...............................................................................
2-2-الف( خانواده ی TMS320C2000..............................................................................
2-2-ب ( سری C5000............................................................................................................
2-2-ج( سری C6000...................................................................................................
2-3) تجهیزات سخت افزاری جهت کار با پردازنده های دیجیتال ............................................................................... 38
2-3- الف( نحوه ی راه اندازی و تست اولیه بورد های DSK ............................................................................
2-3-ب) EVM .............................................................................................................................
2-3-ج) DVEM ...................................................................................................................
2-3- د) بورد های TDK............................................................................................
2-4) خانواده ی پردازنده های Motorola یا به عبارتی Free scale.......................................................
2-4- الف) سری DSP56000......................................................................................................
2-4-ب) سری DSP56100 .................................................................................................
2-5) خانواده ی پردازنده ی Analog Devices.................................................................................................
2-5- الف) پردازنده های سری BLACFIN.....................................................................................................
2-5- ب) پردازنده های سری SHARC.................................................................................................................
2-5- ج) پردازنده های سری Tiger SAHRC.........................................................................................
فصل سوم : معرفی نرم افزارهای DSP ..............................................................................................................
3-1) مقدمه................................................................................................................................ 61
3-2) تقسیم بندی انواع نرم افزارهای DSP...........................................................................................................
3-3) مقدمه ای بر ابزارهای توسعه یافته ی DSP...............................................................................................
3-3- الف) کامپایلر C....................................................................................................
3-3- ب) اسمبلر...................................................................................................... 65
3-3- ج) پیوند دهنده..................................................................................................... 65
3-4) بقیه ابزارهای توسعه............................................................................................................. 67
3-5) نرم افزار Code Composer Studio ......................................................................................................
3-6)نرم افزار های با محیط گرا فیکی برای نوشتن کد................................................................................................. 74
فصل چهارم : کاربردهای پردازنده های DSP................................................................................................
4-1) کاربردهایی از رادار................................................................................................................................................. 78
4-2) آماده کردن سیگنال آنالوگ برای برقراری ارتباط از طریق یک کانال مخابراتی.................................................... 82
4-3) تحلیل سیگنال آنالوگ برای استفاده از شناسایی صدا در سیستم تلفن.................................................................. 83
4-4) کاربرد DSPدر پردازش سیگنال های زلزله ثبت شده در شبکه ملی لرزه نگاری ایران..................................... 84
4-5) لنز به عنوان یک ابزار قدرتمند برای محاسبه تبدیل فوریه جهت پردازش سیگنال های دریافتی......................... 85
4-6) کاربرد پردازنده های DSP و تبدیل فوریه چند بعدی در تصویر برداری MRI................................................
4-7) استفاده از پردازنده های DSP در تشخیص الگوی گاز................................................................ 88
4-8) کاربرد پردازنده های DSP در پردازش تصویر..................................................................................................... 89
4-9) فیلترهای تطبیقی و نقش آنها در پردازش سیگنال های دیجیتال............................................................................ 89
4-10) توموگرافی..................................................................................................... 90
4-11)کاربرد پردازنده های DSPدر سیستم های قدرت و رله های حفاظتی.................................................. 91
ضمیمه ی الف: شماتیک بورد DSP STARTER KIT (DSK)TMS320C6711................................
شامل 100 صفحه فایل word قابل ویرایش بهمراه ضمایم وشماتیک
دانلود پروژه مطالعه و بررسی پردازنده های DSPو امکان سنجی یک سامانه ی حداقلی جهت کار با آنها
