magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

BME lid

A BME Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék DSP Laboratóriuma számára adományozott Analog Devices eszközök alkalmazásával kidolgozott kutatás-fejlesztési, valamint hallgatói projektek

Az 1993-ban létrejött DSP Labor már 1998 óta alkalmaz Analog Devices jelfeldolgozó kártyákat oktatási és kutatási célra. Az itt folyó munkának köszönhetően először 2005-ben kaptunk adományt az Analog Devices-tól, az Arrow Electronics Hungary közvetítésével, 2019-ben pedig szintén új eszközökkel gyarapodott a labor. Jelenleg mintegy harminc darab korszerű DSP fejlesztőrendszer szolgálja az oktatást és a kutatást. Cikkünk első részében bemutattuk a DSP Laboratóriumot, valamint az Analog Devices által adományozott fejlesztőeszközöket, most pedig részletesen ismertetünk néhány érdekes projektet, amelyet hallgatók vagy oktatók Analog Devices eszközökkel valósítottak meg.

 

Kutatás-fejlesztés

Eredményes kutatásaink és megvalósult fejlesztéseink közül három olyan projektet mutatunk be, amelyekben meghatározó szerepe volt az Analog Devices jelprocesszoroknak. Ezekben az eszközökben az összetett jelfeldolgozási feladat megkövetelte a lebegőpontos DSP használatát.

 

Dinamikus vasúti diagnosztikai rendszer

Vasúti környezetben a leginkább ismert és jól bevált rendszerek a statikus tengelyterhelés-mérők. Ezek tipikusan 25 km/h áthaladási sebességig működnek pontosan és megbízhatóan. A vasúti szerelvényeknek ilyenkor le kell lassítaniuk a mérőszakasz előtt. Az időveszteségen kívül további problémát jelent, hogy a szállítmány menet közben el tud csúszni előre vagy oldalra, ami folyamatosan magában hordozza a baleset veszélyét – ezért a statikus mérőrendszerek csak korlátozottan képesek a vasúti közlekedést felügyelni. Dinamikus mérés során a vasúti szerelvény lassítás nélkül halad át a mérőszakaszon, így a kerekenkénti tengelyterhelések és a tehereloszlások a valós üzemi körülmények között vizsgálhatók.

 

BME abra

Vasúti mérőmodul paneljai

 

A rendszer egy host PC-ből és több mérőmodulból áll. A modulok és a PC az ipari RS-485 szabványos soros buszon kommunikálnak. A mérőmodulok közvetlenül a sínre vannak erősítve, a szenzorok közvetlen közelébe. Ennek azért van jelentősége, mert így az analóg jelvezeték a lehető legrövidebb, minimalizálva ezzel a hasznos jelet terhelő zajt.
A mérőmodulok központi eleme az Analog Devices ADSP-21065L jelfeldolgozó processzor. Ez a hídkapcsolásban lévő nyúlásmérő bélyegek mintavételezett jelét dolgozza fel, azaz kiszámítja a tengelyterhelést és előállítja a mért jelnek egy erősen tömörített változatát, amit a PC-nek továbbít feldolgozásra.
A tengelyterhelés-mérésen kívül a rendszer további információkat szolgáltat a vasúti szerelvényekről. A kerekenként megjelenített tengelyterhelés árulkodik az egyenetlenül elosztott rakományról vagy a szerelvény „hullámzó” mozgásáról. Ez gyorsan közlekedő vonatokra jellemző, ekkor a szerelvény oldalirányú lengő mozgást végez.
A másik fontos diagnosztikai funkció a hibás kerekek azonosítása. A vonat kerekei tipikusan nagy fékezések folytán deformálódhatnak, és ezután nem gördülnek tökéletesen. Az ilyen kerekeket nagyon fontos kiszűrni, mert folyamatosan „ütik” a sínt, ezzel hosszú távon károsítva azt. A nyúlásmérő bélyegek jelei alapján az ilyen kerekek azonosíthatók.

 

Aktív zajcsökkentés szenzorhálózat felhasználásával

A kétezres években a vezeték nélküli hálózatok és az internet fejlődése lehetővé tette a technológia felhasználását jelfeldolgozási területen is. Egyes aktív zajcsökkentő rendszerek sok mikrofont és hangszórót alkalmaznak. Ezek kábelezése nehézkes és drága, ezért a szenzorhálózatok alkalmazása ilyen zajcsökkentő rendszerekben előnyös lehet. Ezzel nemcsak a rendszer kiépítésének költsége csökkenthető, de a könnyebben elhelyezhető egységek az akusztikai tervezés lehetőségeit is növelik.
A fő jelfeldolgozó eszköz egy ADSP-21364 lebegőpontos jelprocesszort integráló fejlesztőrendszer. Az aktív hangsugárzók hagyományos módon kapcsolódnak a kártyához (nagy teljesítményfelvételük miatt nem célszerű szenzorhálózati csomópontként megvalósítani ezeket), a mikrofonok viszont vezeték nélküli hálózaton kapcsolódnak a DSP-hez. A mikrofonok a hálózat egy-egy csomópontját alkotó Berkeley MICAz mote-okon helyezkednek el, amelyek ZigBee rádió segítségével, 2,4 GHz frekvencián kommunikálnak. A mote-okon egy ATmega128 típusú, 7,4 MHz órajel-frekvenciájú 8 bites processzor képes egyszerű feldolgozást végezni, és egy ugyancsak 8 bites AD-átalakító mintavételezi a mikrofon jelét. Egy további mote a bázisállomás, amely soros vonalon kapcsolódik a DSP-hez. Minden adatforgalom a bázisállomáson keresztül zajlik. A referenciajel hagyományos módon is kapcsolódhat a DSP-hez.

 

BME abra2

Aktív zajcsökkentés szenzorhálózat felhasználásával. Felső kép: a rendszer áttekintő képe; alsó kép: bázisállomás és a DSP

 

A rendszeren a már említett rezonátoros zajcsökkentő algoritmust valósítottuk meg. A teljes rendszer megalkotása során elméleti problémákat is meg kellett oldani. Az egyes eszközök órajele eltér, ezért szinkronizációra volt szükség. Az adatátvitel sávszélessége kicsi, ezért a mote-okról nem a nyers adatokat, hanem a jel tömörített paramétereit továbbítjuk. Végül a rendszernek tolerálnia kell a rádiós kommunikáció hibái következtében fellépő adatvesztést. A rendszer működésének elméleti vonatkozásaiból doktori disszertáció is készült.


Aktív zajcsökkentő szék

A manapság divatos egyterű irodák gyakran zajosak, például telefoncsöngés, irodai gépek, beszélgetések miatt. A dolgozók beszerezhetnek aktív zajcsökkentést alkalmazó fejhallgatót, de ezek hosszú idejű viselése nem kényelmes. Az általunk fejlesztett zajcsökkentő szék alternatív megoldás a problémára. Mivel az irodai alkalmazottak többnyire a székükben ülnek, ez a megoldás megfelelő lehet. A beavatkozó hangszórók a szék háttámlájában vannak, a két fül mögött, a flexibilis szárakon elhelyezett mikrofonokat a felhasználó tudja a fülei mellé beállítani.

 

BME abra3

Zajcsökkentő szék – háttérben a DSP modul

 

Zajcsökkentő rendszerünk képes a szoba tetszőleges helyén létrejövő zaj elnyomására, periodikus és szélessávú zaj esetében is. Ennek érdekében úgynevezett előrecsatolt algoritmust alkalmaztunk. A tetszőleges irányból érkező zaj elnyomása érdekében, mintegy körülvettük a széket a referenciamikrofonokkal. Előzetes vizsgálataink azt mutatták, hogy több mikrofon alkalmazása akkor is jelentősen növeli az elnyomás mértékét, ha csak egy zajforrás van jelen. A jól ismert, úgynevezett filtered-reference least mean squared (XLMS) algoritmus helyett a filtered-error least mean squared (ELMS) algoritmust alkalmaztuk, amely gyorsabb konvergenciát biztosít az adott körülmények között, kisebb számításigénnyel.
Kiindulásként egy X Rocker Gaming Chairt szereztünk be, ebbe be van építve a két beavatkozó hangszóró és a hozzá tartozó erősítő is. A mikrofonokat utólag szereltük be. A zajcsökkentő algoritmus egy ADSP-21262 lebegőpontos-processzor-alapú hardveren fut.
A hardver saját fejlesztésű, képes kezelni a négy darab AD73322 delta-sigma sztereo AD- és DA-átalakító nyolc csatornáját. A fejlesztési fázisban szükség van a JTAG csatlakoztatására, működtetés során azonban a rendszer stand-alone, az egyes funkciók kapcsolósoron állíthatók be.

 

Érdekes hallgatói munkák

Az évek során mintegy negyven diplomaterv és szakdolgozat, valamint tizenegy olyan TDK-dolgozat született, amely intenzíven használt Analog Devices jelfeldolgozó-processzoros fejlesztőrendszert. Az alábbiakban ezekből mutatunk be néhányat.

  • Aktív mágneses árnyékolás (diplomaterv, Csohány Tibor, 2004). Az akusztikus környezetben működő aktív zajcsökkentés mintájára létrehozható olyan rendszer, amely a környezetben előforduló mágneses „szennyezés” hatását csökkenti, ellentétes irányú mágneses tér generálásával. Ilyen feladat például akkor merül fel, ha mágneses zavarokra érzékeny műszert akarunk működtetni. A kifejlesztett rendszer a beavatkozó mágneses teret három nagy méretű tekerccsel generálja, a jelfeldolgozást ADSP-21061 lebegőpontos jelfeldolgozó-kártya végzi.

  • Nyolccsatornás adatgyűjtő tervezése (diplomaterv, Bogár István, 2004). A DSP Laborban kezdettől fogva igény volt kettőnél több be- és kimeneti csatornával rendelkező hardver alkalmazására, például aktív zajcsökkentési feladatok megoldására. A szokásos fejlesztőrendszerek általában csak sztereo be- és kimenettel rendelkeznek, ezért a diplomatervezés keretében hardverfejlesztés történt. Az ADSP-21065 lebegőpontos processzorra épülő kártya nyolc be- és kimenetet kezel, az adatok mozgatására FPGA áramkört is alkalmaz.

  • Aktív zajcsökkentést demonstráló rendszer tervezése (diplomaterv, Horváth András, 2008). Az aktív zajcsökkentés többféle méréstechnikai, elektronikai és jelfeldolgozási problémát vet fel, ezért mint mintarendszert az oktatásban is alkalmaztuk. Az alapelv demonstrálására egy egyszerű, jól átlátható fizikai rendszer szolgál: egy vastag plexiből készült cső két végén hangszórók vannak, ezek gerjesztik a zajt és az „ellenzajt”. Ha az algoritmus jól működik, a cső közepén elhelyezett nyíláson nem lépnek ki hanghullámok, csend van. A zajelnyomást megvalósító úgynevezett Filtered-X LMS-algoritmus egy ADSP-BF537-es fixpontos jelfeldolgozó kártyán fut.

 

BME abra4

Aktív zajcsökkentést demonstráló eszköz

 

  • Time-stretch és pitch-shift algoritmusok vizsgálata (diplomaterv, Galambos Róbert, 2009). Hangfelvételek gyorsabb vagy lassabb lejátszása gyakori feladat, de az egyszerű gyorsítás-lassítás a hangmagasságot is megváltoztatja, ami például zenei felvételek esetén megengedhetetlen. Hasonló módon, ha a felvételen hallható hang magasságát kell megváltoztatni, egyben a felvétel időtartama is megváltozik. Gyakran a hangmagasság-változtatás jelentős, például rajzfilmek szinkronhangjai esetében. A diplomaterv ezt a jelfeldolgozási problémát elemzi, és a leghatékonyabbnak ítélt módszereket ADSP-BF537-es fixpontos jelfeldolgozó kártyán is megvalósítja.

  • Jelfeldolgozó-processzor-alapú fémdetektor készítése (szakdolgozat, Hasznos László, 2011). A fémdetektorok általában azt használják ki, hogy a keresőtekercs impedanciája fém közelében megváltozik. Az impedanciaváltozás mérésére egy ADSP-21364-es típusú jelfeldolgozó processzort használtak, amely komplex impedanciamérésre is képes, így alkalmas akár a fémek típusának megkülönböztetésére is. A processzorhoz kapcsolódó, nyolc keresőtekercset tartalmazó szenzortömb segítségével egy olyan szkennert valósít meg, amely egy körülbelül 20 cm szélességű sáv egyidejű letapogatására alkalmas.

  • Alapsávi jelfeldolgozást lehetővé tévő modul tervezése jelfeldolgozó processzorhoz (szakdolgozat, Varga Balázs, 2014). Számos alkalmazásban találkozhatunk olyan jelekkel, amelyek sávszélessége nem túl nagy (legfeljebb néhány kHz), vivőfrekvenciájuk azonban akár több GHz is lehet (például a műsorszóró rádióadók). A szakdolgozat célja egy olyan áramköri modul elkészítése, amely az Analog Devices ADSP-21364 jelfeldolgozó processzoron alapuló fejlesztőpanelhez csatlakoztatható, és a frekvenciatranszponálás elvével lehetővé teszi nagyfrekvenciás jelek digitális, alapsávi feldolgozását. A transzponáló áramkörrel kiegészített DSP modul alkalmazásra került nagyfrekvenciás jelek aktív torzításcsökkentésében is.

  • Adaptív FIR-szűrők hatékony megvalósítása (TDK-dolgozat, Szőke Kálmán Benjamin, 2015). Gyakran használunk adaptív szűrőket, amelyeket legtöbbször az úgynevezett LMS-algoritmussal adaptálunk. Egyes feladatok nagyon nagy fokszámú, több ezer, vagy akár több tízezer együtthatót is igényelnek, például egy terem akusztikus impulzusválaszának modellezéséhez lehet szükség ilyen sok együtthatóra. Ennek számításigényét sokszor a nagyobb teljesítményű DSP-k sem elégítik ki, a dolgozat ennek a problémának a megoldását célozza meg.
    Az adaptációt a frekvenciatartományban végzi úgy, hogy a mintákat az FFT-algoritmussal transzformálja. Az FFT elvégzése azonban késleltetést vinne a rendszerbe, ami sokszor nem engedhető meg, ezért az idő- és a frekvenciatartománybeli „ügyes” csoportosítását alkalmazza, így az FFT nem okoz késleltetést. Az összetett algoritmus ADSP-21364-es lebegőpontos jelfeldolgozó kártyán fut.

 

Összegzés

Cikkünk bemutatta a BME Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék DSP Laboratóriumát, a laboratórium Analog Devices eszközeinek alkalmazásával megvalósult kutatói és hallgatói munkákra koncentrálva. Eszközeink jelentős részét az Analog Devices adományainak köszönhetjük. Egy több évvel ezelőtti adományt követően 2019-ben érkeztek új eszközök a laborba. Az Analog Devices bővebb DSP palettája, laboratóriumunk tevékenysége, eredményei részletesen is megtekinthetők az Analog Devices, illetve a DSP Labor honlapján.

 

Szerzők: Sujbert László, Orosz György – BME Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék

 

www.analog.com

dsp.mit.bme.hu

 

 



 

 

 

 

Szerző: Sujbert László, Orosz György – BME Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék