DE3307601A1

DE3307601A1 - Schnellwirkender fourier-analysator mit multiprozessor-aufbau

Info

Publication number: DE3307601A1
Application number: DE19833307601
Authority: DE
Inventors: István Dipl.-Ing. 1055 Budapest Dohár; György Dipl.-Ing. 1136 Budapest Flórián; Márta Dipl.-Ing. 1094 Budapest Hetei; Gábor Dipl.-Ing.Dr. Rajkai; Rozália Dipl.-Ing. 1181 Budapest Szabó; Sándor Dipl.-Ing. 2040 Budaörs Vinkovits
Original assignee: Elektroakusztikai Gyar
Current assignee: Elektroakusztikai Gyar
Priority date: 1982-03-31
Filing date: 1983-03-03
Publication date: 1983-10-20
Also published as: ATA70083A; HU184537B; DD230950A1; BG42010A3; AT389181B; US4615027A; NL8301015A

Description

Schnellwfrkender Fourier-Analysator mit Multiprozessor-Aufbau

Die Erfindung betrifft einen schnellwirkenden Fourier-Analysator mit MuTtiprozessor-Aufbau.

Die erfindungsgenjäße, mit MOS-Mikroprozessoren gestaltete programmierbare schnelle Fourier-Analysator-Einrichtung dient zur Durchführung von Messungen und Steuerungen und zur Verwirklichung von regelungstechnischen Aufgaben, z.B. zum Analysieren von Schall und Schwingungen, zur Ver· Hinderung einer katastrophalen Beschädigung von Anlagen.

Kompakte (Tisch- und tragbare) schnellwirkende Fourier-Analysatoren sind bereits bekannt. Diese an sich bekannten Einrichtungen können vom systematischen Aufbau her in drei Gruppen eingereiht werden: 1. Stromkreissystem, aufgebaut aus Elementen irgendeiner digitalen Stromkreis gruppe (z.B. TTL, ECL), wobei außer den Elementen dieser Gruppe ein schnellwirkender bipolarer multiplizierender Akkumulator angeschlossen ist. Diese Einheiten sind durch Bedienungsorgane, eine Anzeige-Kathodenstrahlröhre und durch an andere digitale äußere Einrichtungen ankop pelbare Mikroprozessoren ergänzt. 2. Stromkreis-System, das einen Bit-Schnitt-bipolaren Mikroprozessor aufweist. Diese Mikroprozessoren können wegen ihrer sehr schnellen Wirkung die Meßdatensammlung, die schnelle Fourier-Analyse, die Steuerung der Anzeige der Kathodenstrahl -

röhre und den Abschluß an die Steuerorgane durchführen. Zum Beispiel solT für diese Gruppe der Engband-Analysator des Typs 2033 der Firma Brüel und Kjaer (Dänemark) erwähnt werden, der mit Mikroprozessoren versehen ist.

3. Einige Firmen, die ähnliche Einrichtungen herstellen

und die ihre Produktion mit MOS-integrierten Stromkreisen aufbauen und Ubor eine entsprechende Technologie verfügen, haben für ihre eigenen Meßinstrumente spezielle integrierte Stromkreise entwickelt, die eine digitale

Siebung und eine FFT-Analyse durchführen können. Diese Hersteller sind zumeist aus den Vereinigten Staaten und aus Japan bekannt geworden. Als Beispiel soll die US-Firma Hewlett-Packard erwähnt werden, die einen selbstentwickelten Spektrumanalysator dös Typs 3582A auf den Markt gebracht hat. Diese Einrichtung ist mit MNOS-Prozessoren versehen.

Es ist wohl bekannt, daß ein schnellwirkender Fourier-Analysator» der aus den Elementen irgendeiner digitalen Stromkreisgruppe aufgebaut ist, eine große Zahl von Bestandteilen enthält und daß die Entwicklung dieser Anlage lange Zeit beansprucht und sehr kostspielig ist.

!5 Ein Nachteil dieser Anlage liegt darin, daß sie "Hardware"-orientiert ist. Dies heißt mit anderen Worten, daß diese Anlage im Falle von speziellen und veränderten Ansprüchen der Benutzer neu, geplant bzw. entwickelt werden muß, weil diese Anlage für eine Änderung des Programmes nicht geeignet ist. Daijegfco hat diese Anlage den Vorteil, daß die Signalbeaffbeitungsgeschwindigkeit sehr hoch ist. Der schnell wirkende Fourier-Analysator mit einem Bit-Schnitt-bipolaren Mikroprozessor beansprucht zwar weniger Bestandteile als die vorher erwähnte AnIage, aber sein Nachteil liegt darin, daß dieser Analysator aus sehr kostspieligen Bestandteilen aufgebaut ist, und weiter, daß die Entwicklung dieses Gerätes eine bedeutend lange Zeit beansprucht. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Signalbearbeitungsgeschwindigkeit bedeu-

tend kleiner ist als diejenige der zuerst genannten Anlage. Sein Vorteil ist die Auflösung der starren Hardware-Orientierung und daß die Programmierbarkeit, die ursprünglich durch den Hersteller vorgesehen 1st, zwischen begrenzten Maßen liegt. Der Nachteil des schnell wirkenden

Fourier-Analysators, der mit speziellen MOS-integrierten Stromkreisen aufgebaut ist, ist die sehr geringe Signalbearbeitungsgeschwindigkeit, und weiter kommt noch ein

wesentlicher Nachteil hinzu, daß solche Stromkreise nicht handelsüblich sind und daher solche Analysatoren für andere Verbraucher als dem Hersteller nicht zugänglich sind.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines schnell wirkenden Fourier-Analysators, der die in breitem Maße verwendete, mit MOS-Technologie hergestellten Mikroprozessoren enthält und der vom Verbraucher mit Hilfe der verwendeten universellen Tastatur durch Programmierung stets für die jeweils zu lösende Aufgabe eingesetzt werden kann. Die erfindungsgemä'ße Einrichtung und deren Entwicklung ist bedeutend billiger als diejenigen, die zum Stande der Technik gehören; die erfindungsgemäße Einrichtung kann an die Ansprüche der Anwendungsgebiete flexi- bei angepaßt werden, so daß diese Einrichtung i~m Vergleich mit den an sich bekannten Einrichtungen bedeutend vorteilhafter ist»

Der schnell wirkende Fourier-Analysator gemäß der Erfindung enthält allgemein verbreitete, billige Mikro prozessoren, die in MOS-Technologie hergestellt sind. Zur Lösung der einzelnen systemtechnischen Aufgaben sind separate Mikroprozessoren verwendet. Die Steuerung der MeßdatensammTung». die Fourier-Analyse, die Steuerung der Meßergebnisäftzeiejpe durch eine Kathodenstrahlröhre und die Vermittlung mit den Behandlungsorganen ist mit Hilfe je eines Mikroprozessores durchgeführt. Die möglichst schnellste Datenübertragung zwischen den Mikroprozessoren ist zweckmäßigerweise derweise durchgeführt, daß die beiden Scbreib-Lese-Speicher, in denen die zu übertragenden Daten gespeichert sind, durch Wirkungsaustausch immer von je zwei Mikroprozessoren realisiert ist. Die Mikroprozessoren versehen ihre Tätigkeit gleichzeitig und immer parallel zueinander, wobei die Verbin-ο

dung zwischen den Mikroprozessoren nur im Moment der Datenübertragung, vorzugsweise nur binnen eines einzigen Zeittaktes, zustande kommt. Die hinsichtlich der Anwen-

duncj vorteilhaft ausgebildete Einrichtung enthält ein universelles alfanumerisches Tastorgan. O.er Operator kann durch Anwendung einer an sich bekannten Programmsprache, z.B. durch ASSEMBLER oder BASIC, die Anlage programmieren. Die Bestimmung der fratenbearbeitungsparameter des srhhell wirkenden Fourier-AhalysatQfs, wie z.Bv die Eingängsempfindiichkeit, die Einst«TTW^ der Probennahraefrequenz imd/oder die nachträgliche? Auswertung der Ergebnisse der Datenverarbeitung, z.B. d-er Vergleich des aktuellen Spektrums und des^ Referenzspektrums, und die Signal fsiening der unerwünschten Abweichungen kjBnnen ebenfalls programmiert werden. _s ; ; _;

Die BTockzeichnung stellt den systematischen Aufbau des erfindungsgemäßen schnell wirkenden Fourier-Analysators dar. Das zu analysierende analoge Signal gelangt in die analog-digital umsetzende Einheit \* Diese Einheit 1 enthält einen analogen Verstärker, einen analogen Tiefpaß hoher Steilheit undeinen A/D-Umsetzer. Der Ausgang des digitalen A/D-Umsetzers ist übe? einen Adressen-» Daten- und Steuersignal -BUS an den Mikroprozessor 3 angeschlossen. An denselben BUS des Mikroprozessors 3 ist die Ein- ^: heit 2 angeschlosseni die die Auslesespeicher (ROM) und die Schreib-Lese-Speicher enthält, und weiter ist die speicheraustauschende Einheit 4 angeschlossen. Die speicheraustauschende Einheit 4 enthält dreistellige digitale Schalter, die den Steuersign:al-BUS für Daten, Adresse und Steuerung der MikiOprozßssoren 3 und 8 abwechselnd an die RAM-Einheiten 5 und 6 anschT1e&env Der BUS des Mikroprozessors 8 ist außer an die speicheraustauschende Einheit 4 an die die RAM- und ROM-Stromkreise enthaltende Einheit9 angeschlossen. Die innere Struktur der speicheraustauschenden Einheiten 9 und 4 ist gleich gestaltet. Die speicheraustauschende Einheit 9 schaltet den BUS

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der Mikroprozessoren S und 13 abwechselnd an die RAM-Einheiten 10 und 11. Der BUS des Mikroprozessoren 13 ist an die die ROM- und RAM-Stromkreise enthaltende Einheit

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12, an den Steuerstromkreis der alfanumerischen Tasteinrichtung 14, an den Steuerstromkreis der Anzeige mit der Kathodenstrahlröhre 15 und an den Anpassungsstromkreis des standardisierten externen BUS-Systems angeschlossen. Der Mikroprozessor 3 steuert die Sammlung der Meßdaten, stellt die Verstärkung des analogen Verstärkers, die Bandgrenze des analogen Filters, die Probennahmefrequenz ein und löst die Datenspeicherung in dem gewünschten Moment und bei dem vorgeschriebenen Signalpegel aus, steuert über die speicheraustauschende Einheit 4 die Date;naufladung der Meßdaten für die Speicher 5 oder 6. Das Programm für die Meßdatensammlung enthält die Speichereinheit 2. Die zur Fourier-Analyse erforderlichen Berechnungen werden durch den Mikroprozessor 8 durchgeführt. Der Eingangsdatenblock ist in einer der RAM-Einheiten 5 oder 6 enthalten und das Programm ist in dem Speicher 7 gespeichert. Das Meßergebnis kommt in einer der RAM-Einheiten 10 oder 11 zustande. Der Mikroprozessor 13 versieht die Aufgaben hinsichtlich der Anzeige, der Tastung, und der Steuerung für die äußeren digitalen Einrichtungen, Die Daten, das Frequenzspektrum, wird von einem der RAM-Einheiten 10 oder 11 über die speicheraustauschende Einheit 9 erhalten; ihr Programm

ist in der Speichereinheit 12 enthalten. 25

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen schnell wirkenden Fourier-Analysators wird nachstehend beschrieben.

Am Ausgang des A/D-Umsetzers erscheinen die Daten im Takt

der Probennahmefrequetoz. Diese Daten füllen in Reihe den RAM-Arbeitsspeicher 5; auf, dessen Kapazität z.B. das Wort 1K ist. Sobald der Arbeitsspeicher 5 gefüllt ist, gibt der Mikroprozessor 3 iin Steuersignal an die speicheraustauschende Einheit 4 ab, die die RAM-Einheiten 5 und 6

vertauscht; das heißt die RAM-Einheit 5 wird an den BUS des Mikroprozessors 8, und die RAM-Einheit 6 an den BUS des Mikroprozessors 3 angeschlossen. Im Laufe der Umschal-

ι schaltungszeit wird die Speisespannung der RAM 5 und 6 nicht unterbrochen, so daß beide RAM-Einheiten sich in einem nicht aktivierten Zustand befinden und daher kein Datenverlust oder Datenüberfluß Zustandekommen kann. Der Austausch des Inhaltes der Speicher kann nur binnen einer kürzeren Zeit als dem Zeitintervall zweier Probennahmen stattfinden, so daß die Eingangsdatenspeicherung kontinuierlich ist. Der Mikroprozessor 8 bearbeitet die Daten aus der RAM-Einheit 5 als Eingangsdatenblock und rechnet die diskrete Fourier-Transformation im Sinne des FFT-Algorithmus und speichert das Meßergebnis in der RAM-Einheit 10. Nach der Beendigung der Berechnung gibt der Mikroprozessor 8 ein Signal an .die speicheraustauschende Einheit 9 ab, die die RAM-Einheiten 10 und 11 vertauscht; das heißt die RAM-Einh€it 10 wird an den BUS des Mikroprozessors 13, und die RAM-Einheit 11 an den BUS des Mikroprozessors 8 angeschlossen. Der Mikroprozessor 13 führt das in der RAM-Einheit 10 befindliche komplexe Frequenzspektrum nach einer absoluten Wertbildung und nach einer Formierung zu der Anzeigeeinheit, die mit der Kathodenstrahlröhre 15 versehen ist. Solange die Berechnung der diskreten Fourier-Transformation erfolgt, wird die RAM-Einheit 6 mit neuen Daten aufgefüllt. Falls die Berechnung des FFT-Algorithmus eine kürzere Zeit beansprucht als die Zeit, die zur Wiederaufspeicherung der RAM-Einheit nötig ist, so funktioniert die Einrichtung als Analysator mit gleichem Zeitanspruch, daß heißt die Bearbeitung des Eingangssignales wird kontinuierlich und es gibt keine ausgelassenen Zeitintervalle. Falls die

Berechnung des FFT-Algorithmus eine längere Zeit dauert als die erneute Auffüllung der RAM-Einheit 6, so kommt das Austauschen der Speicher 5 und 6 solange nicht zustande, bis der Mikroprozessor 8 die Berechnungen durchgeführt hat. In diesem Falle werden einige Abschnitte der Eingangssignale im Verlauf der Datenverarbeitung nicht in Betracht gezogen. Bei der Untersuchung von periodischen Signalen und Transienten bedeutet dies aber keinen Nach-

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teil.

Die alfanumerische Tasteinrichtung 14 ist an den BUS des Mikroprozessors 13 angeschlossen. Die Befehle des Operators werden zum großen Teil durch diesen Mikroprozessor durchgeführt. Diejenigen Befehle, die an die Mikroprozessoren 8 bzw. 3 gerichtet sind, werden im Verlauf des Vertauschens der Speicher 10 und 11 bzw. 5 und 6 weitergeleitet. Die Flußrichtung der Befehle ist zu der Flußrichtung der Signale entgegengesetzt. Die Übersetzungs programme der an sich bekannten Programmsprachen sind in der ROM-Einheit des Speichers 12 gespeichert.

In einem Versuch wurden in der Versuchsanlage Mikroprozessoren der Typen 8085 und 8086 verwendet. Die inneren multiplizierenden Befehle des die Berechnung des FFT-Algorithmus durchführenden Prozessors wurden dabei nicht verwendet; zu diesem Zweck wurde ein separater multiplizierenden Stromkreis benutzt.Der A/D-Umsetzer hat ein Auflösungsvermögen von 12 bit, und der Eingangsdatenblock 1K besteht aus einem Wort mit 16 bit. Die Berechnungszeit des FFT-Algorithmus beansprucht ca. 1 see, so daß bis 400 Hz eine gleichzeitige Analyse durchführbar ist. Die größte Bandbreite der Einrichtung ist 20 kHz. Das Frequenzspektrum besitzt ein Auflösevermögen von 400 Punkten.

Wie ersichtlich, kann der im Sinne der Erfindung mit MuItiprozessoren schnell wirkende Fourier-Analysator

sehr billig durch in MOS-Technologie hergestellte Mikroprozessoren gestaltet werden. Dadurch kann auch der Vorteil gesichert sein, daß die entwickelten Stromkreise und die Software mit geringem Entwicklungsaufwand realisiert werden können und daß eine wenig aufwendige Konstruktion erhältlich ist. Von großem Vorteil ist die Programnvierbarkeit der Einrichtung: der Verwender kann durch ein Programm einer bekannten Programmsprache den Analysator a.n die gegebene Aufgabe anpassen.

Claims

VIERING & JENTSÜHURA

zugelassen beim Europäischen Patentamt European Patent Attorneys — Mandataires en Brevets Europeens

Dipl.-Ing. Hans-Martin Viering DipWng. Rolf Jentschura · Steinsdorf straße 6 · D-80Q0 Mönchen

Anwaltsakte 4255

Elektroakasztikai Hyär Budapest/Ungarn

Schnellwirkender Fourier-Analysator mit MuItiprozessor-Aufbau

Patentansprüche
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Schnellwirkender Fourier-Analysator mit MuItiprozessor-Struktur, dadurch gekennzeichnet» daß der Multiprozessor mit handelsüblichen MOS-Mikroprozessoren ausgerüst- et ist und daß zwischen den Schreib-Lese-Speichern (RAM) eine die'Wirkung der zu diesen gehörenden Mikroprozessoren gegeneinander austauschende speicheraustauschende Einheit (4) eingefügt ist.
2. Schnellwirkender Fourier-Analysator mit Multiprozessor-Aufbau nach Patentanspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß sein Betätigungsorgan eine alfanumerische Tasteinrichtung ist, mittels welcher die Einrichtung durch irgendeine bekannte Programmsprache programmierbar ist.

ι/ρ γ

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