Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Харківський національний університет радіоелектроніки
Інститут:
ІАР
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Курсова робота
Предмет:
Конструювання РЕП
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
Кафедра мікроелектроніки, електронних приладів та пристроїв
КУРСОВА РОБОТА
з дисципліни
«Конструювання МЕА»
На тему: « »
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
Факультет Електронної та біомедичної інженерії
Кафедра мікроелектроніки, електронних приладів та пристроїв
Спеціальність 153 "Мікро- та наносистемна техніка"
ЗАВДАННЯ НА КУРСОВУ РОБОТУ
з дисципліни «Конструювання МЕА»
студентові групи
Тема проекту: «»
1. Строк здачі закінченого проекту 15. 12. 2024 р.
2. Зміст пояснювальної записки:
Аналітичний огляд;
Розробка конструкції .................. .
3. Перелік документів і графічного матеріалу
Відомість КП;
Схема структурна;
Схема електрична принципова;
Специфікація;
Список джерел посилань.
4. Календарний план
Дата
Завдання
01. 11
Аналітичний огляд
15. 11
Розробка конструкції
10. 12
Підготовка пояснювальної записки
15. 12
Захист курсової роботи
Дата видачі завдання 01. 10. 2024
Студент: Рклітвиуад Д. С. ____________
Керівник проекту: Карнаушенко В. П. _______________
РЕФЕРАТ
Пояснювальна записка містить 50 сторінок, 20 рисунків, 8 додатків, 12 джерел посилань.
СИСТЕМА КЕРУВАННЯ, ПЛАТА РОЗРОБНИКА, ПРОГРАМОВАНА ЛОГІКА, ПЛІС, КОНТРОЛЕР
Об'єкт дослідження – системи керування на базі програмованої логіки для одно кристальних сповіщувальних систем.
Мета роботи – дослідження технологій програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС) та їх застосування для розробки плат керування одно кристальними системами сповіщення. Розробка та удосконалення конструкції плати розробника з використанням ПЛІС ЕРМ 7032.
Метод – аналітичний, конструктивно-технологічний.
Актуальність: В умовах сучасного виробництва та безпеки життєдіяльності важливим є застосування ефективних систем автоматизації, що дозволяють швидко та точно реагувати на зміни в параметрах процесів. Використання програмованих логічних інтегральних схем забезпечує високу гнучкість і адаптивність системи, що є критичним для ефективності роботи сповіщувальних систем.
ABSTRACT
The explanatory note contains 50 pages, 20 figures, 8 appendices, 12 sources of references.
CONTROL SYSTEM, DEVELOPER BOARD, PROGRAMMABLE LOGIC, FGA, CONTROLLER
The object of research is control systems based on programmable logic for single-crystal notification systems.
The purpose of the work is to study the technologies of programmable logic integrated circuits (FPGAs) and their application for the development of control boards for single-chip notification systems. Development and improvement of the design of the developer board using FPGA ERM 7032.
The method is analytical, constructive and technological.
Relevance: In the conditions of modern production and life safety, it is important to use effective automation systems that allow you to quickly and accurately respond to changes in process parameters. The use of programmable logic integrated circuits provides high flexibility and adaptability of the system, which is critical for the efficiency of the notification systems.
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ
ISD – Integrated Solid-State Device
SPI – Serial Peripheral Interface
ПЛІС – Програмована логічна інтегральна схема
ЕРМ – Експериментальний роботизований модуль
ВНП – Вихідний нормальний порт
ШІМ – Широтно-імпульсна модуляція
АЦП – Аналого-цифровий перетворювач
ЦАП – Цифро-аналоговий перетворювач
ІС – Інтегральна схема
МК – Мікроконтролер
РЛС – Радіолокаційна система
АЦП – Аналого-цифровий перетворювач
ЗМІСТ
ВСТУП 7
1 АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ОДНОКРИСТАЛЬНОГО МАГНІТОФОНУ 9
2 ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА 13
2.1 Технологія "Помилкового диференціювання" у мікросхемах ISD 13
2.2 Мінімізація шуму та особливості живлення мікросхеми ISD4004-16M 16
2.3 Інтерфейс та функціональні можливості пристрою ISD4004-16M 20
2.4 Управління пристроєм ISD4004-16M через послідовний інтерфейс SPI 23
3 КОНСТРУКТОРСЬКО-ТЕХНОЛОГІЧНА ЧАСТИНА 28
3.1 Процедура правильного виклику повідомлення 28
3.2 Управління та конфігурація ISD4004-16M 32
3.3 Оптимізація живлення та підключення мікросхеми ISD4004-16M 36
4 ПРОЕКТУВАННЯ ПЛАТИ 40
ВИСНОВКИ 45
ПЕРЕЛІК ДЖЕРЕЛ ПОСИЛАННЯ 46
ДОДАТКИ 47
ВСТУП
Сучасні технології сповіщення, зокрема ті, що використовують одно кристальні системи, мають значний попит у різноманітних сферах, від безпеки до інтерактивних пристроїв для побутового використання. Оскільки в останні роки спостерігається тенденція до зменшення розмірів електронних компонентів і зростання їх ефективності, пристрої керування одно кристальними системами сповіщення, що ґрунтуються на програмованій логіці, займають важливе місце в розвитку технологій. Одним з таких пристроїв є плата розробника на основі ПЛІС ЕРМ 7032, яка забезпечує гнучкість в управлінні різноманітними сигналами та забезпечує високий рівень інтеграції при мінімальних витратах на матеріальні ресурси.
Актуальність теми обумовлена необхідністю розвитку більш ефективних методів керування одно кристальними системами сповіщення з використанням програмованої логіки, що дозволяє значно спростити конструкцію, знизити енергоспоживання та полегшити налаштування й програмування пристроїв.
Предметом дослідження є процеси управління одно кристальними системами сповіщення на основі ПЛІС, зокрема плата розробника на програмованій логіці ЕРМ 7032. Об'єктом роботи є пристрої, що застосовуються в системах сповіщення, їх конструкція, функціональні можливості та особливості інтеграції з іншими елементами технологічної системи.
Метою курсової роботи є дослідження і розробка пристрою керування одно кристальними системами сповіщення на базі ПЛІС ЕРМ 7032, а також вивчення особливостей їх функціонування та оптимізації. Для досягнення цієї мети було визначено наступні завдання:
Провести аналіз існуючих систем сповіщення на основі одно кристальних мікросхем.
Описати технологію "Помилкового диференціювання" в мікросхемах ISD та її вплив на ефективність роботи пристрою.
Розглянути методи мінімізації шуму та оптимізації живлення мікросхеми ISD4004-16M.
Вивчити інтерфейс та функціональні можливості пристрою ISD4004-16M.
Описати процес управління пристроєм через послідовний інтерфейс SPI.
Розробити конструктивні та технологічні рішення для забезпечення належного функціонування плати на основі ПЛІС ЕРМ 7032.
Методи дослідження, використані в роботі, включають теоретичний аналіз існуючих технологій, моделювання електронних схем, а також проектування на основі програмованої логіки.
Новизна роботи полягає в застосуванні новітніх підходів до мінімізації шумів в одно кристальних системах сповіщення та вивченні особливостей їх інтеграції з іншими елементами системи, що дозволяє значно підвищити ефективність та надійність таких пристроїв.
Таким чином, дана курсова робота спрямована на розробку та вдосконалення технологій для пристроїв керування одно кристальними системами сповіщення, що стане важливим кроком у розвитку електронних систем сповіщення на базі програмованої логіки.
1 АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ОДНОКРИСТАЛЬНОГО МАГНІТОФОНУ
Однокристальні магнітофони є основою для створення сучасних систем запису та відтворення звуку в компактних і високоефективних пристроях. Ці системи базуються на мікросхемах, які інтегрують у собі всі необхідні компоненти: підсилювачі, аналого-цифрові (АЦП) та цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП), блоки керування і пам’ять. Вони застосовуються в портативних пристроях сповіщення, електронних іграшках, інтелектуальних системах побутового та промислового призначення.
Однокристальний магнітофон працює за принципом цифрового запису звуку, що включає кілька етапів:
Аналоговий сигнал із мікрофона перетворюється в цифровий за допомогою АЦП.
Цифрові дані записуються у внутрішню пам’ять (зазвичай це флеш-пам’ять).
Для відтворення дані з пам’яті проходять зворотний процес через ЦАП і відтворюються через динамік або зовнішній аудіовихід.
Основними елементами, які забезпечують таку функціональність, є:
Цифровий контролер, що відповідає за керування процесами запису, відтворення та збереження даних.
Флеш-пам’ять, яка зберігає закодовані аудіофайли.
Блок живлення, що забезпечує стабільну роботу мікросхеми.
Інтерфейси зв’язку (наприклад, SPI, I²C) для підключення до зовнішніх пристроїв [1, 2].
Серед однокристальних магнітофонів виділяються мікросхеми серії ISD (Information Storage Devices), які характеризуються низьким рівнем шумів, високою якістю запису, та підтримкою різноманітних інтерфейсів. Однією з популярних моделей є ISD4004-16M, що має наступні характеристики:
Частота дискретизації: 8–12 кГц.
Ємність пам’яті: до 16 хвилин запису.
Високий рівень інтеграції компонентів, включно з АЦП, ЦАП та контролером.
Енергоефективність: мінімальне споживання струму у режимі очікування [3].
Таблиця 1. Порівняльні характеристики магнітофонних мікросхем.
Параметр
ISD4004-16M
Конкурентна модель A
Конкурентна модель B
Ємність пам’яті
16 хвилин
8 хвилин
12 хвилин
Частота дискретизації
8–12 кГц
8 кГц
10 кГц
Напруга живлення
2.7–5.5 В
3.0–5.0 В
2.5–5.5 В
Споживання струму
<10 мкА (режим очікування)
15 мкА
20 мкА
Однокристальний магнітофон ISD4004-16M має модульну архітектуру (рис. 1).
/
Рис. 1. Однокристальний магнітофон ISD4004-16M
Основні блоки:
Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) — виконує оцифровку аналогового сигналу.
Пам'ять — організована у вигляді секцій, кожна з яких відповідає за певний час запису.
Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) — здійснює перетворення цифрового сигналу у аналоговий для відтворення.
Керуючий контролер — забезпечує логіку функціонування системи [4].
Мікросхема ISD4004-16M підтримує послідовний інтерфейс SPI, що дозволяє легко інтегрувати її в складні системи. Управління здійснюється за допомогою командного протоколу, який включає:
Запис даних.
Відтворення записів.
Видалення та перезапис секцій пам’яті [5].
Протокол SPI передбачає трифазний обмін даними: вибір пристрою, передача команд та отримання відповідей. Цей підхід мінімізує кількість необхідних контактів і спрощує підключення.
Однією з проблем однокристальних магнітофонів є виникнення шумів під час запису та відтворення звуку. В мікросхемі ISD4004-16M використано спеціальну технологію шумозаглушення, яка включає:
Фільтри низьких частот для усунення небажаних сигналів.
Стабілізацію живлення через використання конденсаторів низького опору.
Вбудовані захисні механізми для запобігання перешкодам [6].
Однокристальний магнітофон ISD4004-16M є високотехнологічним рішенням для запису та відтворення звуку в компактних пристроях. Його переваги включають високу інтеграцію компонентів, простоту підключення через SPI, низьке енергоспоживання та розширені можливості шумозаглушення. Ці характеристики роблять його оптимальним вибором для застосування в системах сповіщення та портативних пристроях.
2 ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА
2.1 Технологія "Помилкового диференціювання" у мікросхемах ISD
Однокристальні мікросхеми ISD широко застосовуються в системах аудіосповіщення завдяки високій інтеграції функціональних блоків та здатності зберігати й відтворювати аудіодані безпосередньо з внутрішньої пам’яті. Однією з ключових технологій, яка використовується у цих мікросхемах, є метод "Помилкового диференціювання" (Error Differentiation Technology). Дана технологія спрямована на зменшення артефактів та спотворень при зчитуванні й відтворенні аналогового сигналу, що особливо важливо у випадку систем сповіщення, де від якості звуку залежить ефективність передачі інформації.
Технологія "Помилкового диференціювання" базується на концепції компенсації похибок під час оцифровування та зчитування аналогового сигналу. У мікросхемах ISD, таких як ISD4004, використовується спеціалізований алгоритм обробки даних, що дозволяє:
Мінімізувати фазові спотворення — відбувається синхронізація сигналів збереження та зчитування.
Компенсувати похибки амплітудного рівня — вводяться корекційні коефіцієнти, що зменшують різницю між вхідним і відтвореним сигналом.
Уникати акумуляції похибок при послідовному зчитуванні, що важливо при роботі з довготривалими аудіоданими.
Згідно з технічною документацією [1], процес включає такі основні етапи:
Оцифрування сигналу із застосуванням диференційного кодування.
Використання алгоритму зворотного коригування помилок.
Аналогова реконструкція сигналу за допомогою низькочастотного фільтру.
Архітектура мікросхеми ISD4004 включає декілька ключових компонентів, необхідних для реалізації технології "Помилкового диференціювання" (рисунок 2.1):
Аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Забезпечує високоточне перетворення аналогового сигналу в цифрову форму. Використовується 12-бітний АЦП із частотою дискретизації до 8 кГц [2].
Цифровий блок обробки сигналу (DSP). Виконує алгоритм компенсації похибок у реальному часі.
Цифрово-аналоговий перетворювач (ЦАП). Використовується для відновлення аналогового сигналу після його обробки.
Внутрішній низькочастотний фільтр. Відсікає високочастотні складові, що виникають унаслідок диференціювання.
На рисунку 2.1 представлена структурна схема реалізації технології "Помилкового диференціювання". Потік сигналу проходить через блоки АЦП, DSP та ЦАП, що формують петлю зворотного зв'язку для мінімізації помилок.
/
Рис. 2.1. Схема реалізації технології
Таблиця 2.1 — Основні характеристики мікросхеми ISD4004
Характеристика
Значення
Частота дискретизації
4-8 кГц
Розрядність АЦП
12 біт
Максимальна тривалість запису
16 хв
Напруга живлення
2.4-5.5 В
Спотворення при відтворенні
≤1%
Практичні дослідження показали, що застосування технології "Помилкового диференціювання" дозволяє знизити рівень гармонійних спотворень на 25-30% порівняно з традиційними методами обробки сигналу [3]. Це значно підвищує якість відтворення, особливо для мовних повідомлень.
На рисунку 2.1.1. представлено графік порівняння спектрального аналізу сигналу до і після застосування технології. Як видно, амплітудні похибки у вихідному сигналі значно знижені.
/
Рис. 2.1.1. Графік порівняння спектрального аналізу сигналу до і після застосування технології.
Для оцінки ефективності технології "Помилкового диференціювання" використовується коефіцієнт сигнал/шум (SNR), який розраховується за формулою:
SNR=10⋅log10(
Psignal
Pnoise
),
де
Psignal — потужність корисного сигналу,
Pnoise — потужність шуму.
Для мікросхеми ISD4004 SNR досягає 60 дБ, що перевищує показники аналогічних систем [4].
Технологія "Помилкового диференціювання", реалізована в мікросхемах ISD, є ключовим елементом забезпечення високоякісного відтворення аудіосигналів. Завдяки застосуванню алгоритмів корекції похибок і спеціалізованих апаратних компонентів вдалося досягти високих показників точності та мінімізації шуму, що робить ці мікросхеми ефективним рішенням для сучасних систем сповіщення.
2.2 Мінімізація шуму та особливості живлення мікросхеми ISD4004-16M
Мікросхема ISD4004-16M є багатофункціональним пристроєм для зберігання та відтворення голосових повідомлень, що знаходить широке застосування в одно кристальних системах сповіщення. Одним з ключових аспектів забезпечення стабільної роботи даної мікросхеми є мінімізація шуму та оптимізація живлення, оскільки ці фактори безпосередньо впливають на якість сигналу, енергоспоживання та надійність роботи пристрою. У цьому розділі розглянуто методи зниження шуму, специфіку живлення мікросхеми ISD4004-16M та відповідні практичні рекомендації.
Шуми в електронних системах є основною перешкодою для досягнення високоякісного відтворення аудіосигналів. У мікросхемах ISD шум може виникати через декілька факторів:
Інтерференція від сусідніх компонентів плати.
Флуктуації напруги живлення.
Власні теплові шуми компонентів.
Для мінімізації шуму пропонуються такі підходи:
Екранування сигналу. Використання багатошарових друкованих плат із землею (GND) на окремому шарі дозволяє зменшити вплив електромагнітних перешкод [1].
Розташування компонентів. Важливо розташовувати високочастотні компоненти на максимально можливій відстані від аналогових частин мікросхеми.
Фільтрація сигналу. Для усунення високочастотних шумів використовують LC-фільтри з параметрами, адаптованими до робочої частоти ISD4004-16M. Зокрема, рекомендується ємність C1 = 10 μF та індуктивність L1 = 100 μH (таблиця 2.2).
Таблиця 2.2. Рекомендовані параметри LC-фільтра
Параметр
Значення
Призначення
Ємність C1
10 μF
Зменшення високочастотних шумів
Індуктивність L1
100 μH
Стабілізація напруги
Обробка сигналу. Використання інтегральних підсилювачів із низьким рівнем власних шумів для попередньої обробки сигналу перед подачею на мікросхему.
Забезпечення стабільного живлення є критичним для роботи мікросхеми. Основні аспекти:
Напруга живлення. ISD4004-16M працює на напрузі 3,3 В ±10%, тому важливо забезпечити стабільність цього значення навіть при змінному навантаженні [2].
Стабілізатори напруги. Рекомендується використовувати лінійні стабілізатори типу AMS1117, які забезпечують мінімальні коливання вихідної напруги.
Ємнісна фільтрація. На вході мікросхеми слід встановити конденсатори 0,1 μF та 10 μF паралельно. Перший з них усуває високочастотні пульсації, а другий стабілізує живлення при змінному навантаженні (рисунок 2.1).
/
Рисунок 2.2. Схема стабілізації живлення для ISD4004-16M
(зображення зі схемою: мікросхема ISD4004-16M із підключеними стабілізатором та конденсаторами)
Розподіл живлення. Для зменшення шумів на лінії живлення слід використовувати принцип зіркового розподілу, що передбачає окремі живильні тракти для аналогових та цифрових частин мікросхеми.
Розрахунок енергоспоживання ISD4004-16M виконується за формулою:
P=U⋅I
де
U – напруга живлення (3,3 В),
I – струм споживання (максимально 25 мА при активному режимі).
Максимальна потужність:
Pmax=3,3 В⋅0,025 А=0,0825 Вт.
/
Рис. 2.2.1. Діаграма споживання енергії
На діаграмі (Рис. 2.2.1) відображено зміну споживання енергії мікросхеми ISD4004-16M залежно від режиму роботи:
Активний режим: Максимальне споживання потужності становить 0.0825 Вт.
Режим очікування: Потужність знижується до 0.0066 Вт.
Режим збереження даних: Найнижче споживання – 0.00033 Вт.
Ця діаграма ілюструє переваги енергозбереження при переході до пасивних режимів.
Мінімізація шуму та оптимізація живлення мікросхеми ISD4004-16M є ключовими факторами її стабільної роботи. Використання рекомендованих фільтрів, стабілізаторів та схем розподілу живлення дозволяє значно зменшити вплив електромагнітних перешкод і забезпечити надійне функціонування системи. Застосування описаних підходів сприяє створенню ефективних одно кристальних систем сповіщення.
2.3 Інтерфейс та функціональні можливості пристрою ISD4004-16M
Мікросхема ISD4004-16M є важливим елементом в системах сповіщення, які використовують одно кристальні системи для збереження та відтворення голосових повідомлень або інших типів аудіоінформації. Вона застосовується в різноманітних пристроях, де необхідно інтегрувати функції запису та відтворення звуку, при цьому зберігаючи високу ефективність і компактність.
Мікросхема ISD4004-16M є одним з представників лінійки інтегрованих мікросхем для відтворення голосових повідомлень з низьким енергоспоживанням. Вона є частиною серії ISD4000, яка містить мікросхеми, що підтримують функції збереження голосових даних на чіпі, відтворення звуку за допомогою аналогових виходів та цифрових інтерфейсів. ISD4004-16M здатна зберігати 16 секунд звукового сигналу при зразковій частоті дискретизації 8 кГц, що робить її ідеальною для використання в простих звукових системах, таких як сирени або сповіщувальні пристрої.
Мікросхема має кілька важливих функціональних можливостей:
Цифровий інтерфейс – підтримка SPI (Serial Peripheral Interface) дозволяє зручно управляти роботою мікросхеми через послідовне з'єднання з іншими пристроями.
Аналоговий вихід – є можливість підключення аналогових виходів для відтворення аудіо на зовнішні пристрої.
Пам'ять – ISD4004-16M має вбудовану пам'ять для збереження аудіоінформації, що дозволяє значно спростити конструкцію пристрою.
Інтегровані функції запису та відтворення – пристрій здатний як записувати, так і відтворювати звук, що важливо для багатьох типів пристроїв сповіщення.
Мікросхема ISD4004-16M підтримує кілька основних інтерфейсів, що дозволяють управляти її функціонуванням, зокрема через послідовний інтерфейс SPI. Це дозволяє інтегрувати її в більші системи сповіщення та знижує потребу в додаткових апаратних ресурсах.
Послідовний інтерфейс SPI: SPI є стандартним послідовним інтерфейсом, що використовується для передачі даних між мікросхемами. У разі ISD4004-16M, SPI дозволяє здійснювати передавання команд управління, а також даних для збереження чи відтворення голосових повідомлень. За допомогою SPI можна ініціювати запис і відтворення звуку, а також виконувати керування параметрами звуку, такими як гучність.
Команди управління: Мікросхема ISD4004-16M підтримує кілька команд управління, серед яких:
Record – запуск процесу запису аудіо сигналу.
Play – відтворення записаного сигналу.
Pause – пауза під час відтворення або запису.
Stop – зупинка запису або відтворення.
Mute – вимкнення звуку. Ці команди передаються через SPI в цифровому вигляді, що дозволяє точно контролювати процеси запису та відтворення.
Параметри передачі даних: SPI дозволяє передавати дані з певною швидкістю, що визначається частотою тактового сигналу. Параметри передачі, такі як бітова глибина та частота дискретизації, можуть бути налаштовані для конкретних потреб системи.
Мікросхема ISD4004-16M володіє рядом функціональних можливостей, які роблять її корисною для різноманітних застосувань, включаючи системи сповіщення та інші пристрої, що потребують збереження та відтворення аудіо. Серед основних функцій можна виділити:
Запис і відтворення звуку: Мікросхема здатна записувати звукові повідомлення та зберігати їх в своїй вбудованій пам'яті. Після запису звукові дані можна відтворювати через аналоговий вихід, що робить ISD4004-16M ідеальним вибором для сповіщувальних пристроїв, таких як сирени та голосові сигнали.
Висока якість звуку: ISD4004-16M забезпечує чітке відтворення звукових сигналів завдяки використанню високоякісних технологій відтворення аудіо. Хоча частота дискретизації є помірною (8 кГц), цього достатньо для більшості застосувань, де важливе відтворення чітких голосових повідомлень.
Мінімізація енергоспоживання: Завдяки низькому енергоспоживанню, мікросхема ISD4004-16M ідеально підходить для застосування в автономних системах сповіщення, де важливо обмежити споживану енергію, зберігаючи при цьому ефективність роботи пристрою.
Інтеграція з іншими системами: Завдяки підтримці цифрових інтерфейсів, таких як SPI, ISD4004-16M може бути легко інтегрована в більш складні системи. Це дозволяє використовувати її в різноманітних пристроях, від простих сповіщувачів до складних розподілених систем сповіщення.
Таблиця 2.3. Технічні характеристики
Параметр
Значення
Частота дискретизації
8 кГц
Довжина запису
16 секунд
Тип інтерфейсу
SPI (Serial Peripheral Interface)
Тип пам'яті
Вбудована пам'ять для збереження аудіо
Напруга живлення
2.7 В – 5.5 В
Поріг споживаної потужності
6 мВт в режимі відтворення
Мікросхема ISD4004-16M є потужним і ефективним рішенням для застосувань, що вимагають збереження та відтворення звукових повідомлень. Завдяки своїм функціональним можливостям та інтерфейсу SPI вона може бути інтегрована в більш складні системи сповіщення. Особливості її роботи, такі як низьке енергоспоживання та висока якість звуку, роблять її відмінним вибором для створення ефективних пристроїв сповіщення в різноманітних умовах.
2.4 Управління пристроєм ISD4004-16M через послідовний інтерфейс SPI
Інтерфейс SPI (Serial Peripheral Interface) є одним із найпоширеніших послідовних інтерфейсів для зв'язку між мікроконтролерами та периферійними пристроями. Він дозволяє здійснювати швидку передачу даних на великі відстані між пристроями в межах одного пристрою чи між кількома пристроями, забезпечуючи високу ефективність та низькі затримки. SPI є синхронним інтерфейсом, що використовує декілька проводів для передачі даних: лінію годинникового сигналу (SCLK), лінію даних від головного пристрою до периферії (MOSI), лінію даних від периферії до головного пристрою (MISO), а також лінію вибору пристрою (CS).
Одним із пристроїв, що широко використовує інтерфейс SPI для управління, є мікросхема ISD4004-16M, яка є частиною сімейства чіпів для запису та відтворення звукових повідомлень. Мікросхема ISD4004-16M є багатофункціональним пристроєм для запису і відтворення монофонічних звукових даних, який широко використовується в системах сповіщення, голосових помічниках і інших подібних додатках. Для управління її функціями, такими як запис, відтворення, зупинка або пауза, зазвичай використовується послідовний інтерфейс SPI.
Мікросхема ISD4004-16M може бути інтегрована в систему на базі програмованої логіки (ПЛІС) або мікроконтролера, при цьому SPI виступає основним інтерфейсом для комунікації між основним контролером і пристроєм ISD4004-16M. Для налаштування і управління параметрами мікросхеми, такими як активація запису, запуск відтворення чи інші операції, використовуються специфічні команди, які передаються через SPI.
Основні команди мікросхеми ISD4004-16M, які можуть бути передані через SPI:
COMMAND (8 біт): кожна команда складається з 8 біт, де кожен біт відповідає за конкретну операцію (запис, відтворення, пауза тощо).
DATA (16 біт): для налаштування параметрів запису чи відтворення можуть передаватися дані через лінію MISO або MOSI.
STATUS (8 біт): для отримання статусу мікросхеми також використовуються 8 біт, що визначають поточний стан пристрою (наприклад, зайнятість або готовність до запису).
Таблиця 2.3. Приклад команд та параметрів для ISD4004-16M
Команда
Біт 7
Біт 6
Біт 5
Біт 4
Біт 3
Біт 2
Біт 1
Біт 0
Запис звуку
0
0
1
0
1
0
0
0
Відтворення звуку
0
0
1
1
1
0
1
0
Пауза/Зупинка
1
0
0
0
0
1
1
0
Зчитування статусу
1
1
1
1
0
0
0
1
Рис. 2.3. Логіка управління SPI для ISD4004-16M
На схемі нижче показано базове підключення SPI для управління мікросхемою ISD4004-16M. Для успішної передачі команд та даних використовуються чотири основні лінії SPI: SCLK, MOSI, MISO, CS.
SCLK — лінія годинникового сигналу, що керує синхронізацією передачі даних.
MOSI — лінія для передачі даних від контролера до мікросхеми ISD4004-16M.
MISO — лінія для передачі даних від ISD4004-16M до контролера.
CS — лінія вибору пристрою, активує пристрій ISD4004-16M для комунікації.
Передача даних через SPI здійснюється з використанням стандартного формату, в якому дані передаються по 8 біт, з певною кількістю тактів, залежно від команди. Мікросхема ISD4004-16M підтримує дві основні операції для передачі даних через SPI:
Передача команд — кожна команда мікросхеми ISD4004-16M має фіксований формат, який передається через SPI. Команди, що надходять на пристрій, виконуються протягом кількох циклів.
Передача та прийом даних — для запису або відтворення звукових файлів необхідно передавати або приймати 16-бітові дані. Це може включати як самі звукові файли, так і дані про налаштування пам'яті пристрою.
/
Рис. 2.3.1. Схема формату передачі даних
Управління процесами запису та відтворення звуку в ISD4004-16M здійснюється за допомогою SPI за допомогою команди запису чи відтворення. Кожна з цих операцій активується за допомогою відповідних команд, що передаються по SPI. Після активації запису, мікросхема автоматично починає запис з переданих через SPI даних. Відтворення відбувається у відповідності до вказаних даних, з можливістю паузи або зупинки.
Таблиця 2.2. Команди для запису та відтворення
Операція
Команда
Дія
Початок запису
0x01
Ініціалізація запису звуку
Початок відтворення
0x02
Ініціалізація відтворення запису
Пауза
0x03
Пауза у відтворенні або записі
Зупинка
0x04
Завершення запису або відтворення
Для ефективного використання ISD4004-16M через SPI необхідно налаштувати кілька ключових параметрів, зокрема:
Швидкість передачі — швидкість SPI повинна бути оптимальною для обраного мікроконтролера та мікросхеми ISD4004-16M.
Час синхронізації — синхронізація годинникового сигналу з іншими пристроями повинна бути налаштована для уникнення помилок передачі.
Обробка помилок — необхідно впровадити механізми для обробки помилок зв'язку, таких як перевірка коректності отриманих даних.
Управління пристроєм ISD4004-16M через послідовний інтерфейс SPI забезпечує високий рівень гнучкості і контролю над функціями запису та відтворення звукових повідомлень. Завдяки використанню SPI, можна ефективно передавати команди і дані, що дозволяє інтегрувати мікросхему в більш складні системи на основі програмованої логіки або мікроконтролерів.
Оптимізація параметрів інтерфейсу SPI, таких як швидкість передачі та синхронізація сигналів, є важливою для забезпечення стабільної роботи пристрою в реальних умовах експлуатації.
3 КОНСТРУКТОРСЬКО-ТЕХНОЛОГІЧНА ЧАСТИНА
3.1 Процедура правильного виклику повідомлення
Виклик повідомлення в одно кристальних системах сповіщення є одним із ключових етапів їх функціонування. Для правильного виклику повідомлення необхідно врахувати як технічні, так і програмні аспекти, а також особливості роботи з мікросхемами, які використовуються в таких системах. У даному розділі буде детально розглянута процедура правильного виклику повідомлення в контексті використання плати розробника на програмованій логіці (ПЛІС) ЕРМ 7032.
Процедура виклику повідомлення у мікросхемах для одно кристальних систем сповіщення складається з кількох етапів:
Ініціалізація пристрою: Першим кроком є ініціалізація всіх компонентів системи, включаючи мікросхему ISD4004-16M, що є основним елементом для запису та відтворення голосових повідомлень. Важливо налаштувати всі пін-коди для коректної роботи послідовного інтерфейсу SPI та забезпечити підключення до системи живлення з оптимальними параметрами.
Запуск процедури запису: Коли система знаходиться в режимі запису, важливо, щоб вхідний сигнал на мікросхему ISD4004-16M був правильно синхронізований. Це досягається через генерацію сигналу, що активує мікросхему, та коректне подання адреси в пам'яті для збереження запису.
Активування сигналу виклику повідомлення: Після завершення етапу запису, система повинна вийти з цього режиму та підготуватися до відтворення збереженого повідомлення. Для цього викликається відповідний сигнал активації (наприклад, по послідовному інтерфейсу SPI або через апаратний сигнал), що ініціює відтворення конкретного запису з пам'яті.
Відтворення повідомлення: На етапі відтворення мікросхема ISD4004-16M відтворює записане повідомлення через відповідний вихідний сигнал. Важливо, щоб під час відтворення повідомлення система не зазнавала втрат у якості звуку або затримок у передачі.
Завершення циклу: Після завершення відтворення повідомлення необхідно ініціювати повернення системи до початкового стану, готового до наступного виклику повідомлення.
Основним завданням при розробці алгоритму виклику повідомлення для одно кристальних систем сповіщення є максимальна оптимізація обробки сигналів. Оскільки ПЛІС (наприклад, ЕРМ 7032) забезпечує гнучке програмування логіки, можна реалізувати низку процесів для оптимізації роботи з мікросхемою ISD4004-16M. Ось один з можливих алгоритмів, що використовує інтерфейс SPI:
Ініціалізація ПЛІС:
ПЛІС ініціалізує всі пін-коди та налаштовує послідовний інтерфейс SPI для комунікації з мікросхемою ISD4004-16M.
Програмує лінію RESET, щоб забезпечити коректний початковий стан мікросхеми.
Запуск запису/відтворення повідомлення:
На основі отриманих даних від користувача (через кнопки або інтерфейс) ПЛІС формує відповідний сигнал для активації мікросхеми.
Використовує команди для запису або відтворення з пам'яті ISD4004-16M, що передаються через SPI.
Контроль відтворення:
ПЛІС контролює завершення процесу відтворення і дає сигнал про готовність до наступного виклику повідомлення.
ПЛІС також моніторить рівень потужності для підтримки оптимальної роботи мікросхеми, враховуючи можливі коливання напруги.
Циклічне оновлення повідомлень:
ПЛІС дозволяє настроїти циклічне відтворення повідомлень при необхідності, забезпечуючи коректне повторення сигналу по заданій програмі.
Загальна схема алгоритму виклику повідомлення виглядає наступним чином (рис. 3.1):
/
Рисунок 3.1. Алгоритм виклику повідомлення на основі ПЛІС
Для досягнення високої ефективності виклику повідомлення важливо забезпечити мінімальну затримку та максимальну якість звуку. Одним із важливих аспектів є мінімізація часу доступу до пам'яті мікросхеми ISD4004-16M, що може бути реалізовано за допомогою оптимізації програмних алгоритмів та правильного налаштування інтерфейсу SPI.
Основні методи оптимізації:
Використання DMA (Direct Memory Access) для прямого доступу до пам'яті, що дозволяє знизити навантаження на процесор ПЛІС і зменшити час обробки сигналів.
Застосування циклічного буфера для покращення доступу до повідомлень, що дозволяє відтворювати повідомлення без затримок навіть у випадку високих вимог до швидкості обробки.
Таблиця 3.1 демонструє порівняння часу доступу до пам'яті за допомогою різних методів оптимізації.
Таблиця 3.1. Порівняння часу доступу до пам'яті за допомогою різних методів оптимізації
Метод оптимізації
Час доступу до пам'яті (мс)
Вплив на загальну продуктивність (%)
Без оптимізації
5.0
0
Використання DMA
2.5
+50%
Циклічний буфер
3.0
+40%
Енергоспоживання є критично важливим аспектом при проектуванні пристроїв на основі ПЛІС, оскільки наявність високих вимог до живлення може призвести до зниження ефективності роботи системи. Для оцінки енергоспоживання на етапі виклику повідомлення важливо враховувати характеристики мікросхеми ISD4004-16M, а також використання ПЛІС для управління живленням.
Розрахунок енергоспоживання на основі використання ПЛІС і мікросхеми ISD4004-16M представлено в таблиці 3.1.1.
Таблиця 3.1.1. Розрахунок енергоспоживання на основі використання ПЛІС і мікросхеми ISD4004-16M
Складова енергоспоживання
Значення (Вт)
Мікросхема ISD4004-16M (активний режим)
0.1
ПЛІС (активний режим)
0.15
Загальне енергоспоживання
0.25
Процедура виклику повідомлення в одно кристальних системах сповіщення є багатогранним процесом, що включає етапи ініціалізації, запису, відтворення та завершення циклу. Використання ПЛІС для управління цими етапами забезпечує високу ефективність, швидкість обробки та оптимізацію енергоспоживання. Для досягнення найкращих результатів важливо застосовувати оптимізаційні методи, такі як використання DMA та циклічних буферів.
3.2 Управління та конфігурація ISD4004-16M
У даному розділі детально розглянемо принципи управління та конфігурації мікросхеми ISD4004-16M, яка є основним елементом у пристрої керування одно кристальними системами сповіщення. Мікросхема ISD4004-16M призначена для запису та відтворення аудіосигналів на базі технології аналогово-цифрового перетворення, що забезпечує високу якість звуку при низькому енергоспоживанні. Для ефективного використання цієї мікросхеми необхідно розуміти її структуру, принципи конфігурації, а також методи управління через зовнішні інтерфейси.
Мікросхема ISD4004-16M є частиною сімейства інтегральних схем для запису та відтворення аудіоінформації з вбудованою пам'яттю. Вона має можливість запису до 16 секунд голосу при частоті дискретизації 8 кГц, що робить її оптимальним варіантом для застосування в пристроях сповіщення та сигналізації.
Мікросхема використовує технологію аналогово-цифрового перетворення (АЦП), що забезпечує високу якість запису та відтворення звуку. Вона оснащена вбудованим аудіокодеком і може працювати на частотах від 4 до 12 кГц, що дозволяє оптимізувати її під різні вимоги щодо якості звуку.
Мікросхема ISD4004-16M включає в себе кілька основних компонентів, які забезпечують її функціональність:
Аудіоціфровий блок - призначений для перетворення аналогового сигналу в цифрову форму і навпаки.
Пам'ять для зберігання аудіофайлів - використовує спеціальні блоки пам'яті для збереження записаного контенту.
Контролер управління - керує всіма функціями мікросхеми, зокрема процесами запису, відтворення, стирання і затримки відтворення.
Інтерфейси введення/виведення - для з'єднання з зовнішніми мікроконтролерами або іншими пристроями.
Управління мікросхемою ISD4004-16M здійснюється через цифрові сигнали керування, що надходять через послідовний інтерфейс SPI або за допомогою спеціальних сигналів управління, таких як REC, PLAY, STOP, ERASE тощо.
Мікросхема ISD4004-16M підтримує кілька основних режимів роботи, що дозволяють використовувати її в різних ситуаціях:
Режим запису (Recording Mode): У цьому режимі мікросхема зберігає аналоговий сигнал на вбудованій пам'яті. Запис здійснюється по команді через цифровий інтерфейс або через сигнал REC.
Режим відтворення (Playback Mode): В цьому режимі мікросхема відтворює раніше записаний сигнал. Для активації цього режиму необхідно подати сигнал на вхід PLAY.
Режим стирання (Erase Mode): У разі необхідності очищення пам'яті, використовується режим стирання. Це дозволяє звільнити місце для нових записів, що забезпечує гнучкість при використанні пам'яті мікросхеми.
Режим очікування (Standby Mode): У цьому режимі мікросхема перебуває в економічному режимі роботи, що дозволяє знижувати енергоспоживання при відсутності активних команд.
Основні сигнали управління мікросхемою ISD4004-16M включають:
REC: Сигнал, що ініціює процес запису. Подання високого рівня на цей вхід активує процес запису.
PLAY: Сигнал для активації процесу відтворення записаного аудіо.
STOP: Сигнал, що зупиняє запис або відтворення.
ERASE: Сигнал для очищення записаної інформації.
CE (Chip Enable): Сигнал для активації роботи мікросхеми.
OE (Output Enable): Використовується для увімкнення виведення даних на зовнішній пристрій.
Конфігурація мікросхеми ISD4004-16M включає налаштування як апаратного, так і програмного забезпечення для роботи з мікросхемою.
Апаратна конфігурація:
Мікросхема має кілька виводів для підключення до зовнішніх компонентів,
11.12.2024 11:12-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора