מבוא ל DSP מתואם עם חיישנים ו Actuators

מעבדי אותות דיגיטליים (DSPs) הם מיקרו-מעבדים מבוססי תכלית שהצטיין חישובים מספריים מהירים במהירות גבוהה, מה שהופך אותם עמוד השדרה של יישומים בזמן אמת החל ביטול רעש פעיל ושליטה מוטורית תעשייתית לניתוח אותות ביו-רפואיים.היכולת לגשר על DSP עם חיישנים חיצוניים ומבצעים מניעים משנים נתונים פיזיים גולמיים לתפוקה יעילה, המאפשרים מערכות להגיב בצורה חכמה לשינוי של תהליכי תכנון מעמיקים, וטכניקות עיצוב מעמיקות, והדרכה יעילות של שיטות פעולה, והדרכה יעילה ביותר, והדרכה.

אפשרויות לDSP Interface

DSPs מציעים מסלולים מרובים עבור החלפת נתונים עם העולם הפיזי.הבחירה של ממשק תלויה בטבע של החיישן או פועל - אנלוגי לעומת דיגיטלי, רוחב פס נדרש, מגבלות כוח ומורכבות המערכת.קטגוריות ממשק העיקרי כוללים ממירים אנלוגיים (ADCs ו DACs), אוטובוסים תקשורת דיגיטליים, ו- I / O (GP) עם Modthulation הדופק (MW).

Analog-to-Digital ו- Digital-to-Analog Converters

חיישנים Analog משתנים כל הזמן מתחים או זרמים.כדי לעבד אותות אלה דיגיטלית, DSP חייב לכלול או להיות מצמד עם אנליסט-to-Digital Converter (ADC) Key ADC פרמטרים כדי להעריך את ההחלטה (ביטים), sampling Rate, טווח קלט, ויחס אותות ל-con-noise (SNR) לדוגמה, 16 סיביות הצלחה-reative ביצועים 24 דרישות אנלוגיות (C) עבור הדבקה טובה של הדבקה (apation) ו-apig-apig-indexital-ap) עבור רזולוציה דיגיטלית של ⁇ dexital-apation) עבור ⁇ dexapation) עבור ® (מתאים רבים).

פרוטוקול תקשורת דיגיטלית

יותר ויותר, חיישנים ופועלים משלבים ממשקים דיגיטליים שפשטו את הקשר ולשפר את חסינות הרעש.שלוש הפרוטוקולים הדומיננטיים במערכות משובצות הם I2C, SPI, ו-UART.

  • (FLT:0)I2C (מעגל משולב): ראטל:1 (אוטובוס שני-חוטי (SDA, SCL) תומך עבדים מרובים.זה אידיאלי עבור יישומים מהירים עד בינוניים (בדרך כלל עד 1 Mbps ב- Fast-Mode Plus) כגון קריאה של חיישן טמפרטורה או accelerometer.2C משתמש והכרה, מה שהופך אותו ל-ipreperimple כדי למשוך תשומת לב, אך נדרש כדי למשוך כמה קלושטפוסקים, אך הוא זהיר, אך הוא דורש כדי למשוך תשומת לב, אך הוא דורש.
  • (FLT:0SPI (Serial Peripheral Interface): ההרחבה של A Four-wire מלאה-duplex אוטובוס (MOSI, MISO, SCK, CS) שיכול להשיג מהירויות מעל 50 MHz. SPI מעדיף חיישנים בעלי ערך גבוה (למשל, במהירות גבוהה ADCs, מדידה לא רצויה) בגלל הקיבולת הנמוכה ביותר של כל עבד דורש ספירת שבבים, אשר יכול להגדיל את הסיבים אלקטרוניים.
  • (FLT:0)UART (Universal Asynchronous Acceptr-Transmitter): ממשק שני-wire פשוט (TX, RX) המשמש לתקשורת נקודה לנקודה עם שיעור baud משותף.UART הוא נפוץ לחיבור DSPs למודולים Bluetooth, מקלטי GPS, או מסופי דה-bugging.זה פחות מתאים עבור אוטובוסים מרובים ללא פרוטוקולים נוספים.

המונחים: I / O and Pulse-Width Modulation

רבים ממריצים דורשים פשוט על / או החלפת חשמל משתנה.דוקטורנטים יכולים לנהוג נוריות, הודעות (באמצעות transistor), או סולמות קטנות כאשר מוגן על ידי buffers מתאים. Pulse-width Modulation (PWM) מייצר גל מרובע עם מחזור חובה מבוקר, המאפשר בקרת מהירות יעילה של מנועים DC, התאמות של נוריות, או מיקום מדויק של מנועים כוללים בדרך כלל מספר רב של רזולוציה גבוהה.

חיבור אנליסטים ל-DSP

אותות חיישן Analog הם לעתים רחוקות נקי או ברמת המתח הנכון עבור קלט ADC.התת אות נכונה היא הקישור הקריטי בין החיישן לבין DSP.

המונחים:

רוב החיישנים האנלוגיים דורשים שלושה שלבים עיבוד: הדגימה, סינון והחלפת רמת.

  • (FLT:0) amplification:FLT:1 נמוך אותות של thermocouples, מד מתח, או photodiodes חייב להיות מוגדל כדי להתאים את טווח קלט בקנה מידה מלא של ADC (למשל, 0-3.3 V או ±5 V). מגבר מכשיר מספק דחייה גבוהה ורעש נמוך.
  • (ב) על פי המשפט הניקוי, כל רכיב תדירות מעל מחצית מקצב הדגימה יהיה מתווסף לפס המעבר. מסנן נמוך (בדרך כלל מסדר שני פעיל או פסיבי) שהוצב לפני ADC יסיר רעש גבוה ומנע מכפלת התדירות של 3F:2Fling to beduction to low-Fling: 4F2Fling to low-Fling to low-Fling:
  • (FLT:0) Pathel Shifting:FLT:1 פלטי חיישן bi קוטבי (למשל, ±2.5 V מ accelerometer) יש לעבור לתוך טווח קלט של ADC. מעגל מדגימה ספקטרום יכול להוסיף די-סי כדי למפות את האות ל 0-3.3 V, או ADC אחר יכול לקבל ישירות קלט דו קוטבי.

דוגמה מעשית: Interding armocouple

סוג-K thermocouple מייצר שינוי מתח של כ-41 μV / ° C. ללא מיזוג, אות זה הוא הרבה יותר קטן מדי עבור תקן 3.3 VDC. An AD8497 thermocouple amplifier עם פיצוי צו צום קר יכול להגביר את האות ל 10 mV / C, מתן תפוקה יעילה 0-5 V עבור טווח 0-500 ° C.

ADC Configuration and Sampling

לאחר אות אנלוגי מותנה מגיע ל-DSP של ADC pin, הממיר חייב להיות מוגדר כראוי.זה כולל הגדרת זמן הרכישה (כדי לאפשר את המדגם-and-hold capacitor לטעון), בחירת מתח ההתייחסות (בין או חיצוני), ובחירת ההגר המרה (מודעה תוכנה או זמן חומרה) עבור מערכות בזמן אמת, להשתמש במצבי ניקוי אוטומטי כי דגימות מרובות ללא CPU, ולבחון את התוצאות ישירות של DSP.

חיישנים דיגיטליים

חיישנים דיגיטליים מפשטים את החומרה על ידי שילוב של ADC וממשק לוגיקה על שבב.הם מתקשרים על אוטובוסים סטנדרטיים, אשר מפחית ספירת פינים ורגישות רעש.

שימוש ב- I2C ל-Cybering

חיישן BME280 (Bosch) הוא טמפרטורה משולבת פופולרית, לחות, חיישן לחץ שמתקשר דרך I2C או SPI. בעת חיבור ל- DSP, אוטובוס I2C דורש משיכת מתנגדים (בדרך כלל 4.7 k ⁇ עד 10 k ⁇ ) על SDA ו- SCL.DSP חייב להחדיר את החיישנים (למשל, הגדרות דגימה), לקרוא במהירות סטנדרטית של 10C כדי להפריע נתונים סטנדרטיים (למשל, כלומר, כדי להפריע).

רכישה מהירה עם SPI

עבור חיישנים המייצרים נתוני הזרמת סטרימינג - כגון Accelerometer (למשל, ADXL345) או מיקרופון דיגיטלי - SPI הוא הבחירה המועדפת. מודול SPI של DSP חייב להיות מוגדר לקוטב השעון הנכון בשלב (CPOL, CPHA) תואם את גליון הנתונים של החיישן.

קישוריות למודולים חיצוניים

מקלטי GPS רבים, טרנזירים אלחוטיים (כחול, לור), וחיישנים אופטיים סידרהיים תפוקה נתונים על UART. The DSP's UART צריך להיות מוגדר עם שיעור החיקוי המתאים (למשל, 115200 bps) ו framing (8N1) עבור ריצות למרחקים ארוכים, להשתמש RS-232 או RS- transceive כדי לשפר את החסינות של NART, כדי למנוע ® (APT-A) כדי למנוע שימוש ב-Action for a high-A.

נהיגה ב-DSP

Actuators להמיר אותות חשמליים להילוך מכני, חום, אור או פעולות פיזיות אחרות.התפוקה של DSP חייבת להיות מותנית כדי לעמוד במתח של המבצע, הנוכחי, דרישות התזמון.

GPIO-Controlled On/Off Actuators

פשוט מתנהג כמו נוריות, זמזמים, או סולמות קטנות ניתן לנוע ישירות מציון GPIO, בתנאי שהזרם נמצא בדירוג של DSP (בדרך כלל פחות מ 5 mA) עבור זרמים גבוהים יותר, N-ערוץ MOSFET או עובר דינגטון (למשל, ULN 2003) הוא הכרחי.

PWM for Variable-Speed Motors ו- Servos

מנוע Brush-type DC נשלט ביעילות עם אותות PWM. A טיפוסי ההתקנה משתמשת נהג H-bridge (למשל, L298N, DRV8833) לשלוט הן מהירות והן כיוון.הזמן PWM של DSP יוצר תדר 20 kHz (above audable טווח) עם מחזור מחובת מותאם.

בקרת מנועים

מנועים של סטפר דורשים הדופק הדיגיטלי מדויק כדי להשיג מיקום מדויק.DSPs יכול ליצור את השלבים ואת אותות כיוון באמצעות GPIO או פלטי זמן ייעודי ולאחר מכן רצף אותם באמצעות נהג microstepping (למשל, A4988). עבור שליטה סגורה-loop, אות משוב קודר ניתן לקרוא על ידי DSP כדי לאמת מיקום.

ניתוח באמצעות DAC

כמה ממריצים, כגון שסתום פרופורציונלי או בקרים מנועים אנלוגיים, דורשים מתח מתמשך או אות נוכחית. DAC המשולב של DSP (או DAC חיצוני המחובר באמצעות SPI) יכול לייצר 0-10 V או 4 מ"א אות. a a a a a a amplifier עשוי להיות נחוץ כדי להגדיל את הפלט של DAC (למשל, 0-3.3) לטווח הנדרש עבור לולאה-X.

טכניקות אינטגרציה מתקדמות

כדי להשיג ביצועים גבוהים ביישומים תובעניים, מהנדסים צריכים למנף תכונות DSP מתקדמות.

גישה ישירה לזיכרון (DMA) עבור Dataסטרימינג

DMA מאפשר לפריפריה (ADC, SPI, UART) להעביר נתונים ישירות או מזיכרון ללא התערבות CPU רציפה. לדוגמה, DSP יכול להיות מוגדר כדי מדגם רב-ערוצי ADC ב 100 kSPS, עם DMA כותב את התוצאות לתוך חיץ מעגלי.CPU רק צריך לעבד אחד חיץ של דגימות כאשר חצי-שבר-פראט מאפשר לרקמות גבוהות יותר.

I/O for Event- Based Systems

חיישנים שיוצרים הפרעות (למשל, זיהוי תנועה, מעבר סף) מאפשרים ל-DSP לישון או לבצע משימות אחרות עד לאירוע מתרחש.תרגילות שירות (ISRs) יש לשמור קצרות - בדרך כלל על ידי הצבת דגל וניתן תהליך הלולאה העיקרי של הנתונים.התעד מפריע כראוי (למשל, באמצעות בקר של DSP) הוא קריטי: זמן המשמש עבור לוח זמנים גבוה יותר מאשר חיישן צריך להפריע נתונים.

חיישנים Fusion ו- Digital Filter

יישומים רבים משלבים חיישנים מרובים כדי לשפר את הדיוק.לדוגמה, בקר טיסה מל"ט ממזג את מדמטר, גירוסקופ, ונתוני מגנטימטר באמצעות מסנן קלמן או מסנן משלים פועל על מסנן DSP.D. Digital (למשל, ממוצע נע, IIR נמוך-pass) הוא מיושם בתוכנה כדי לנקות נתונים נוספים.

בקרתLoop

כאשר חיישנים מספקים משוב על הפלט של המבצע, בקרת שדרה סגורה אפשרית.בקר PID יכול להיות מיושם על DSP כדי לשמור על סטמנט הרצוי.לדוגמה, בקר טמפרטורה קורא thermocouple (רגיש), מצמיד את השגיאה, ומתאים את מחזור החובה PWM של רכיב חימום (actuator).

שיטות עבודה טובות עבור Robust DSP-Sensor-Actuator Systems

ממשק מעוצב היטב חייב לעמוד ברעש חשמלי, תנודות חשמל, ולחץ פיזי.

כוח אספקה ופירוק

חיישנים ו-DSP רגישים לאספקת ripple. השתמש ב הרגולטורים ייעודיים למתח ליניארי לסעיפים אנלוגיים כדי להימנע משינוי דיגיטלי. Place 100 nF קרמיקה כקרוב ככל האפשר לכל פיות הכוח של IC, יחד עם 10 גדול יותר μFlytic capacitor ללוח.עבור עיצובים מחסנים מעורבים, פיצול הקרקע לתוך סעיפים אנלוגיים ודיגיטליים, המחבר אותם בנקודה אחת ליד ADC.

אות בידוד

בסביבות תעשייתיות, בידוד גליוני עשוי להיות נחוץ כדי להגן על DSP מפני מתחים גבוהים או לולאות קרקעיות. ⁇ דיגיטלית (למשל, ISO7241) ניתן להשתמש בקווים SPI או UART. עבור אותות אנלוגיים, מגבר מבודד או ADCs (למשל, ISOADC) זמינים.

הגנה על ESD ו-Overvoltage Protection

מחברים חיצוניים צריכים לכלול קטעי טלוויזיהS diodes כדי clamp אלקטרוסטטי פריקה (ESD) וספיצי מתח. סדרה התנגדות על קווי אותות (100 ⁇ עד 1 k ⁇ ) יכול להגביל את הנוכחי במהלך תנאים פגומים. קווי כוח Actuator לעתים קרובות דורשים פתיחות או איפוס פוליפוס.

אימות המשרד

בדוק כל ממשק בבידוד לפני שילוב המערכת. לכתוב פונקציות נפרדות כדי לקרוא ערכי חיישן ולהגדיר פלטי הפעלה, ולוודא אותם עם oscilloscope או מנתח לוגיקה. עבור אוטובוסים תקשורת, לבדוק עבור תקלות נמוכות או תקועות גבוה. השתמש בדיקות מחזוריות (CRC) או parity על חבילות נתונים כדי לזהות שגיאות שידור. a Watchdog timer צריך להיות כדי לאפשר לאפסת DSP אם הם שולטים לולאות.

התמוטטות ומשאבים נוספים

בין ה- DSP עם חיישנים חיצוניים ו- Actuators הוא אתגר רב-פנים הדורש בחירה חומרה זהירה, מיזוג אותות, תצורה פרוטוקול עיצוב קושחה. על ידי הבנת נקודות של כל ממשק - ADC עבור אותות אנלוגיים, אוטובוסים דיגיטליים עבור חיישנים מורכבים, PWM ו DACs עבור פעולה מדויקת - מהנדסים יכולים לבנות מערכות הן רספוטיות, מדויקות, מתקדמות כגון D, הפרעות / IOSP, חסויפות, חסויפות, חסויפות, חסימת, חיישנים פוטנציאליים, ו-DBT-DBT, חיישנים מודרניים, חיישנים, חיישנים מאובטחים, חיישנים, חיישנים, חיישנים מאובטחים, חיישנים, חיישנים מאובטחים, חיישנים מאובטחים, חיישנים, חיישנים, חיישנים מאובטחים, ו-DBT חיישנים אמיתיים, חיישנים מאובטחים, חיישנים מאובטחים, חיישנים מאובטחים, ו-DBT-DBT.

לצורך מחקר נוסף, התייחס להערות היישום של היצרנים, כגון:0. [Texas Instruments] "מתקני אנליזה מתואמים לדSPs" (SPRAA88)FLT:1 ו-FLT:2Microchip "UART, SPI, ו- I2C Application Note" (AN1166)Fillo Online Courses from פלטפורמות כמו קורס או קורס edexed, ניתן לשלב תפקידים מעודכנים על ידי ניסיון ייצור מבוסס Droniced.