Systemy DSP - Digital Signal Processing przygotował: mgr inż. Krzysztof Fiok WT, PW , 2014r.

Co rozumiemy pod nazwą System DSP? Systemy DSP – Digital Signal Processing czyli Cyfrowe Systemy Przetwarzania Sygnałów mgr inż. Krzysztof Fiok

Jaki jest cel tworzenia systemów DSP? Podstawowym celem tworzenia systemów DSP jest zaspokojenie potrzeby przetwarzania sygnałów w czasie rzeczywistym z gwarancją braku powstawania opóźnień. mgr inż. Krzysztof Fiok

Gdzie można znaleźć funkcjonujące systemy DSP? Systemy DSP można znaleźć w wielu miejscach – od skrzyżowań ulicznych (sterowniki sygnalizacji świetlnej), linii produkcyjnych w fabryce pralek, do stanowisk doświadczalnych Politechniki Warszawskiej. mgr inż. Krzysztof Fiok

Jakie są możliwe zastosowania systemów DSP? Systemy DSP znajdują zastosowanie przy przetwarzaniu praktycznie wszystkich znanych sygnałów. Zatem mogą to być sygnały: akustyczne, drgania, oświetlenia… Sygnały te można oczywiście przetwarzać przy użyciu innych metod, ale w przypadkach gdy wymagane jest działanie w czasie rzeczywistym wykorzystywane są systemy DSP. mgr inż. Krzysztof Fiok

Możliwe realizacje systemów DSP Elementy systemów DSP mogą posiadać różne realizacje fizyczne. Elementem systemu DSP można bowiem nazwać zarówno: dedykowany układ scalony do przetwarzania sygnałów (ang. ASIC – Application Specific Integrated Circuit); układ programowalnych bramek logicznych FPGA (ang. Field Programmable Gate Array); programowalny mikroprocesor czasu rzeczywistego (ang. RT- Real Time); mgr inż. Krzysztof Fiok

Stąd wprost wynikają zalety i wady tego typu systemów: Systemy typu ASIC Systemy ASIC powstają by sprostać wysokim wymaganiom natury obliczeniowej. Gdy jest precyzyjnie określona natura obliczeń, które trzeba wykonywać, to można takie obliczenia albo realizować na urządzeniach ogólnego zastosowania, albo zaprojektować dedykowany układ scalony (ASIC) i przeprowadzać obliczenia z jego użyciem. Stąd wprost wynikają zalety i wady tego typu systemów: może być wielokrotnie prostszy i mniejszy od urządzeń zastosowania ogólnego. Przez to zużywa wielokrotnie mniej energii; wymaga zaprojektowania od początku, co oznacza znaczące koszty opracowania układu. mgr inż. Krzysztof Fiok

Systemy typu ASIC Przykładem zastosowania systemów ASIC może być wykonywanie obliczeń w ramach istniejących kryptowalut. Idea działania wielu kryptowalut pozwala na „produkowanie” jednostek waluty w oparciu o przedstawianie wyników obliczeń wg podanego do publicznej wiadomości algorytmu. Zatem natura obliczeń jest precyzyjnie określona. Przykładowo: wykonywanie tych obliczeń z użyciem uniwersalnych urządzeń, np. jednej wieloprocesorowej karty graficznej z własną pamięcią podręczną, wymaga zasilania 0,25 kWh energii elektrycznej i generuje jednostkę obliczeniową. Zastosowanie do tego samego celu dedykowanego systemu ASIC wymaga zasilania rzędu 0,007 kWh i generuje również jednostkę obliczeniową. mgr inż. Krzysztof Fiok

Przykład porównania urządzenia zastosowania ogólnego i systemu ASIC Systemy typu ASIC Przykład porównania urządzenia zastosowania ogólnego i systemu ASIC Karta graficzna do komputera klasy PC Radeon 7950 Gigabyte System ASIC do „produkowania” waluty Bitcoin mgr inż. Krzysztof Fiok

FPGA – układ programowalnych bramek logicznych Układy FPGA mają swoje odmiany, a co za tym idzie różne zastosowania. Można rozróżnić przede wszystkim: - układy FPGA programowalne tylko raz np. poprzez fizyczne wypalenie połączeń między bramkami logicznymi. Ich zastosowanie może być różne np. w technologiach wojskowych, ze względu na odporność na ingerencję zewnętrzną; układy FPGA programowalne wielokrotnie. Układy te pozwalają na zmianę oprogramowania, dzięki czemu są elastyczne w zastosowaniu. Ponieważ działanie tych układów opiera się o bardzo niski poziom fizyczny bramek logicznych, programowanie takich układów odbywa się najczęściej w językach niskopoziomowych. Wiąże się to ze specyficznymi wymaganiami dla programistów tego rodzaju układów. mgr inż. Krzysztof Fiok

FPGA – układ programowalnych bramek logicznych Ze względu na architekturę – wykonywanie operacji bezpośrednio na bramach logicznych – układy FPGA potrafią działać ze znaczną prędkością. Przykładowo, w systemach stosowanych przez firmę National Instruments domyślne taktowanie zegara układu FPGA wynosi 40 MHz. Oznacza to, że z taką częstotliwością możliwe jest wykonywanie obliczeń z gwarancją braku opóźnień. Dlatego, układy te są wykorzystywane przede wszystkim przy przetwarzaniu sygnałów szybkozmiennych, np. w analizie dźwięku w czasie rzeczywistym. mgr inż. Krzysztof Fiok

FPGA – układ programowalnych bramek logicznych Przykład układu FPGA firmy Xilinx Układ FPGA Virtex 5 firmy Xilinx mgr inż. Krzysztof Fiok

Real Time – programowalny mikroprocesor czasu rzeczywistego Programowalne procesory czasu rzeczywistego są najbardziej elastycznym wariantem systemów DSP. Ich programowanie odbywa się w językach wyższego poziomu, np. mikroprocesor ARUDINO programowany jest w C, a urządzenia National Instruments programowane są w LabView. Dzięki łatwości programowania i gwarancji funkcjonowania bez opóźnień, w czasie rzeczywistym, są stosowane w szerokim zakresie. Ich jedynym ograniczeniem jest prędkość działania – zazwyczaj aplikacje realizowane na układach mikroprocesorów Real Time nie są taktowane z częstotliwością przekraczającą 1 kHz. mgr inż. Krzysztof Fiok

Pamiętasz co to? Pytania? Pamiętasz co to? DSP – główna cecha tych układów ASIC Real Time FPGA Pytania? mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP Złożonym systemem DSP można nazwać połączenie przedstawianych wcześniej elementów oraz różnego rodzaju wejścia i wyjścia do systemu przetwarzania sygnałów. Złożony system DSP, dzięki łączeniu zalet wymienionych wcześniej układów ASIC, FPGA, Real Time, posiada potężne możliwości przetwarzania sygnałów zarówno w kwestii akwizycji, jak i sterowania sygnałami. Aktualnie komercyjnie dostępne i popularne są przede wszystkim dwa złożone systemy DSP: firmy dSPACE oraz firmy National Instruments (NI). mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP Przykład funkcjonowania złożonego systemu DSP w oparciu o urządzenia firmy National Instruments (NI) Obudowa na 8 kart zintegrowana z układem FPGA System National Instruments: mikrokontroler z procesorem Real Time mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP System ten składa się z obudowy mieszczącej do 8 kart (urządzeń typu ASIC), zintegrowanego z obudową mikroprocesora czasu rzeczywistego (Real Time) oraz zintegrowanego z obudową układu FPGA. Założeniem budowy systemu firmy NI jest modułowość – do każdego z 8 wejść obudowy można podłączyć dowolny spośród wielu dostępnych układów typu ASIC. W ten sposób użytkownik może skonfigurować system pomiarowy z gotowych elementów dedykowanych do realizacji zadań często występujących w świecie pomiarów i sterowania. W każdej chwili możliwe jest dodanie lub odjęcie kart. Dzięki temu system ten jest elastyczny, a przy tym posiada bogate możliwości. mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP Konfiguracja sprzętowa złożonego systemu DSP powstaje zawsze w oparciu o wymagania dotyczące przetwarzania sygnałów, jakie system ma realizować. W przypadku każdego toru pomiarowego dobór sprzętu do systemu DSP stanowi nierozerwalny etap z doborem przyrządów pomiarowych, czujników, urządzeń wykonawczych, jakie będą wykorzystywane w danym torze pomiarowym. Podstawowym pytaniem jest jednak zawsze: jakie cele ma realizować tworzony tor pomiarowy? mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład I Przykład stanowiska badawczego wykorzystującego złożony system DSP i znajdującego się na Wydziale Transportu (p. 228) Stanowisko badawcze wózka dźwigniowego mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład I W opisywanym przypadku cel badawczy z punktu widzenia toru pomiarowego był następujący: prowadzenie pomiaru siły w dwóch kierunkach na dźwigniach; prowadzenie pomiaru kąta obrotu dźwigni; prowadzenie pomiaru prędkości obrotowej koła zamachowego; zasilanie prądem elektrycznym hamulca elektromagnetycznego; Jakie elementy systemów pomiarowych posłużą do realizacji powyższych celów? mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład I Jakie elementy systemów pomiarowych posłużą do realizacji powyższych celów? układy tensometryczne do pomiaru sił na dźwigni; potencjometr do pomiaru kąta obrotu dźwigni; enkoder do pomiaru prędkości obrotowej koła zamachowego; Zasilacz umożliwiający zasilanie prądem o szybko zmiennej wartości (kilkanaście, kilkadziesiąt razy w ciągu sekundy). mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład I Koniecznym jest wprowadzenie i przetworzenie sygnałów pochodzących od dobranych urządzeń pomiarowych. Jakiego rodzaju będą to sygnały? Wykorzystane układy tensometryczne posiadają własne przedwzmacniacze i na wyjściu dają sygnały napięciowe +/- 5 [V]; Dobrany potencjometr na wyjściu daje również sygnał +/- 5 [V]; Dobrano enkoder inkrementalny o rozdzielczości 12000 impulsów na obrót. Daje on sygnały impulsowe napięciowe na kilku wyjściach; Hamulec elektromagnetyczny wymaga szybko zmiennego zasilania prądowego. mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład I Jak należy skonfigurować złożony system DSP firmy NI aby współpracował z dobranymi urządzeniami pomiarowymi i pochodzącymi od nich sygnałami? Do już wybranej obudowy dodano następujące karty pomiarowe typu ASIC: NI 9215 - kartę wejść napięciowych analogowych +/- 10 [V]; NII 9505 - Kartę dedykowaną do zasilania niewielkich silników elektrycznych i prowadzenia pomiaru ich prędkości obrotowej. mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład I Karta NI 9215 wejść napięciowych analogowych +/- 10 [V] Karta ta posiada wejścia umożliwiające podłączenie 4 oddzielnych sygnałów napięciowych. mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład I Karta NI 9505 zasilania silników elektrycznych i pomiaru prędkości obrotowej Karta ta posiada wejścia umożliwiające podłączenie dodatkowego zewnętrznego zasilacza, podłączenie enkodera oraz wyjścia prądowe do silnika elektrycznego (w tym wypadku hamulca). mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład I Stanowisko badawcze posiadało 2 symetryczne zestawy urządzeń pomiarowych, dlatego należało zwiększyć liczbę wejść sygnałów do złożonego systemu DSP. W efekcie powstał następujący złożony system DSP: Złożony system DSP na stanowisku badawczym wózka dźwigniowego mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład I Zakończono konfigurację sprzętową. W jaki sposób wykorzystać posiadany potencjał do zaspokojenia wymagań? Jakie to wymagania? pomiaru siły – siła jest wolno zmienna, dźwignie pchane przez człowieka. Nie więcej niż kilkadziesiąt [Hz]? pomiaru obrotu dźwigni – zainstalowany potencjometr ma rozdzielczość 5000/360 [mv/°] = 13,8 [mV/°] co przy prędkości ruchu dźwignią przez człowieka może oznaczać nową wartość w [mV] z częstotliwością... kilkadziesiąt [Hz]? pomiaru prędkości obrotowej koła zamachowego – zainstalowany enkoder ma rozdzielczość 12 000 impulsów na pełen obrót, czyli gdy koło obraca się o 1 [°] enkoder daje 33,3 impulsy. Przy prędkości obrotowej koła zamachowego rzędu kilkudziesięciu obrotów na sekundę oznacza to nowy impuls z częstotliwością kilkuset? kilku tysięcy? [Hz] Przy pomiarach związanych z człowiekiem oszacowanie częstotliwości, sygnałów pomiarowych itp. jest trudne i niejednoznaczne mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład I Z oszacowanych wymagań można wnioskować o sposobie wykorzystania możliwości systemu DSP. Przetwarzanie sygnałów pomiarowych pojawiających się z częstotliwością kilkudziesięciu [Hz] z pewnością można zrealizować na poziomie mikroprocesora czasu rzeczywistego (Real Time); Przetwarzanie sygnałów pomiarowych pojawiających się z częstotliwością kilkuset, bądź kilku tysięcy [Hz] mikroprocesor Real Time już nie zrealizuje, tutaj konieczne będzie wykorzystanie układu FPGA. Pamiętajmy o prawie Nyquista – próbkowanie sygnałów jest bezstratne, jeśli ma miejsce z częstotliwością dwukrotnie wyższą, niż zmiany zachodzące w sygnale ! mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład I Przydzielenie obsługi przetwarzania sygnałów do poszczególnych warstw fizycznych ma odzwierciedlenie w warstwie programistycznej. Programowanie sprzętu NI odbywa się w LabView – obiektowym języku programowania rozwijanym również przez NI. Ponieważ producent sprzętu i oprogramowania to ten sam producent, zazwyczaj nie ma problemów z kompatybilnością tych systemów. mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład I Z punktu widzenia programowania złożonego systemu DSP w LabView można wyróżnić 3 poziomy programowania: Poziom FPGA Poziom Real Time Poziom pulpitu sterowniczego na komputerze klasy PC mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład I Poszczególne poziomy realizują różne zadania i komunikują się ze sobą. Przetwarzanie podstawowe szybkozmiennych sygnałów odbywa się na poziomie FPGA, z którego wyniki można wykorzystywać na poziomie RT. Na poziomie RT realizowany jest zawsze zapis online danych do pliku oraz w razie potrzeby przetwarzanie innych sygnałów, bądź dalsze, bardziej wyrafinowane obliczenia. Z poziomu pulpitu sterowniczego na komputerze klasy PC można monitorować przebieg procesów akwizycji i sterowania, dokonując w razie potrzeby zmian wybranych wcześniej parametrów procesu. mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład II Przykład II National Instruments udostępnia również złożone systemy DSP kompaktowe w wersji edukacyjnej zaprojektowane z myślą o studentach uczelni wyższych. Najnowszym systemem tego rodzaju jest myRIO mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład II myRIO posiada zintegrowany układ FPGA, mikropocesor czasu rzeczywistego oraz zestaw standardowych wejść i wyjść dla sygnałów analogowych i cyfrowych. Od wcześniej pokazanego CompactRIO różni się możliwościami obliczeniowymi, poza tym jednak oferuje identyczną logikę projektowania systemu pomiarowego – również na poziomie programowania dedykowanej aplikacji. myRIO jest platformą przystępną cenowo – koszt to około 1000/2000 PLN (w zależności od formy zakupu). Wraz z myRIO istnieje możliwość zakupu zestawu prostych czujników pozwalających na przećwiczenie zagadnień praktycznego zastosowania urządzeń tego typu w ramach pełnego systemu pomiarowego. Aktualnie myRIO jest popularnie wykorzystywane w wielu uczelniach zachodnich. W ramach rozbudowy Wydziału Transportu planowane jest zorganizowanie laboratoriów również z wykorzystaniem tego systemu. mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład III Przykład III Platformą zbudowaną również z myślą o studenckich projektach naukowych jest Arduino – system DSP integrujący mikroprocesor czasu rzeczywistego oraz zestaw standardowych wejść i wyjść. mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład III Przykład III Ta platforma została stworzona w oparciu o ideę open hardware, co oznacza, że wszystkie schematy dotyczący budowy urządzenia są bezpłatne i ogólnodostępne. Arduino programuje się w uniwersalnym języku programowania C/C++. Jego możliwości obliczeniowe są zdecydowanie skromniejsze od wcześniej wymienionych systemów, ale dają wgląd w działanie systemów DSP i pozwalają postawić pierwsze kroki w tej branży przy najniższych nakładach finansowych rzędu 200 PLN za system (stan na rok 2014). Do Arduino został również zaprojektowany szereg układów typu ASIC zwiększających jego funkcjonalność. Arduino jest aktualnie wykorzystywane na Wydziale Transportu przez KNEST i SKNTCAx mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład IV Przykład IV Złożony system DSP na przykładzie firmy dSPACE oraz oprogramowania matlab-simulink. mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład IV Firma dSPACE oferuje systemy DSP o potężnej mocy obliczeniowej. Z założenia są to przede wszystkim systemy kompaktowe, posiadające standardowy zestaw wejść i wyjść. Językiem programowania tych urządzeń jest matlab-simulink. Ze względu na specyfikę oprogramowania, w większości aplikacji urządzenia tej firmy stosowane są do prowadzenia symulacji z elementami technik pomiarowych. W porównaniu kombinacja sprzętu National Instruments z oprogramowaniem LabView w większości przypadków stosowana jest do prowadzenia pomiarów, umożliwiając przy tym elementy prowadzenia symulacji. mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład IV Taki zestaw faktów predestynuje urządzenia firmy dSPACE do wykorzystania na uczelniach wyższych w celach badawczych i symulacyjnych, podczas gdy urządzenia firmy National Instruments są szeroko rozpowszechnione w przemyśle, gdzie potrzebne jest stworzenie często prostszych, tańszych systemów do realizacji określonych zadań. Złożony system DSP wykorzystujący układy dSPACE jest wykorzystywany przy stanowisku kabiny pojazdu PRT zbudowanym w ramach projektu Eco-Mobilność i umieszczonym na Wydziale Elektrycznym (kampus główny, budynek „pod kominem”) mgr inż. Krzysztof Fiok

Pamiętasz? Pytania? Pamiętasz? Przykłady złożonych systemów DSP Ich główne cechy Systemy dostępne dla studentów Pytania? mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład IV Główną zaletą zastosowania systemu DSP firmy dSPACE, oprócz znacznej mocy obliczeniowej, jest możliwość prowadzenia tzw. symulacji „hardware in the loop” (z ang. „symulacja z urządzeniami w pętli”, stosuje się skróty HIL bądź HWIL). System firmy dSPACE ma potencjalnie najlepsze predyspozycje do takiego zastosowania, ze względu na język programowania tworzony z myślą o prowadzeniu symulacji. Celem prowadzenia tego symulacji HIL jest stworzenie i testowanie złożonych systemów DSP, które będą miały zastosowanie w rzeczywistości. mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład IV Przykład Projektowany jest system przeciwdziałający blokowaniu kół samochodu podczas awaryjnego hamowania. Samochód, do którego zostanie zainstalowany projektowany system jeszcze nie istnieje, więc budowany jest model symulacyjny układu jezdnego pojazdu oraz drogi. Podczas eksperymentu, z tego modelu symulacyjnego na wyjściach podawane są symulowane sygnały elektryczne, które w rzeczywistości pochodziłyby od czujników, np. obrotu koła lewego przedniego. Później następuje wprowadzenie tych emulowanych sygnałów z powrotem do systemu DSP. Aplikacja zbudowana w tym systemie reaguje na przychodzące informacje tak, jak miałaby zareagować w rzeczywistym pojeździe. mgr inż. Krzysztof Fiok

Złożone systemy DSP – przykład IV Na tyle na ile dokładna będzie symulacja analizowanego zjawiska, na tyle bliskie rzeczywistości będą symulowane sygnały. Jeśli te sygnały będą wystarczająco bliskie rzeczywistości, projektowany sterownik/system DSP sprawdzi się również w systemie rzeczywistym. Dlaczego stosuje się symulacje typu HIL? W wielu przypadkach najprościej i najlepiej jest podłączyć testowany system DSP/sterownik do rzeczywistego obiektu. Czasem jest to jednak niemożliwe, bardzo trudne lub niebezpieczne. Testowanie na obiekcie rzeczywistym posiada ograniczenia dotyczące zakresu parametrów testowanych – np. maksymalnych obrotów silnika. W obiekcie symulowanym można bezpiecznie przekroczyć teoretycznie maksymalną wartość i sprawdzić działanie systemu w krytycznych warunkach. mgr inż. Krzysztof Fiok

Pamiętasz? HIL lub HWIL Pytania? Pamiętasz? Pytania? Pamiętasz? HIL lub HWIL Pytania? mgr inż. Krzysztof Fiok