Тема: РЕАЛИЗАЦИЯ ФИЛЬТРА КАЛМАНА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ ARM STM32F407

Цифровая обработка сигналов как направление развития науки и техники зародилась в 1950-х годах и поначалу представляла собой довольно экзотическую отрасль радиоэлектроники, практическая ценность которой была далеко не очевидной[1]. Однако в настоящее время благодаря развитию микроэлектроники цифровая обработка сигналов (ЦОС) является одной из самых мощных технологий, которая охватила науку и технику. Системы ЦОС коснулись широкого круга областей: высококачественное воспроизведение музыки, визуализация изображений, радио- и телекоммуникации, радиолокация и гидролокация, разведка нефтяных месторождений и многих других. Более того, в некоторых прикладных областях стали вытесняться «традиционные» (аналоговые) методы обработки информации.
Цифровая обработка сигналов выделяется из других областей знаний вычислительной техники уникальным типом данных, который она использует - сигналы. В большинстве случаев эти сигналы представляют собой информацию от датчиков из окружающего мира: сейсмические колебания, визуальные изображения, звуковые волны и т.п. ЦОС представляет собой математику, алгоритмы и методы, используемые для обработки этих сигналов, после того как они были переведены в дискретную форму. Обработка может содержать в себе несколько задач: улучшение визуального отображения, распознавание и синтез речи, сжатие данных для их хранения и передачи и др. В данной работе данные представляют собой выборку из аналого-цифрового преобразователя (ЦАП) микроконтроллера STM32F407 фирмы STMicroelectronics.
STM32 - это микроконтроллер, построенный на ядре ARM Cortex-M4 [2]. Данное ядро имеет много преимуществ, но его основное преимущество на сегодняшний день - универсальность. Эти микроконтроллеры стали новым эталоном по уровню рабочих характеристик и стоимости. Кроме того, они могут использоваться в применениях с малым энергопотреблением и жесткими требованиями к характеристикам управления в масштабе реального времени. Поэтому, разработка универсальных решений (функций, библиотек) для этих устройств является весьма актуальной задачей.
Любой измерительный прибор обладает некоторой погрешностью, на него может оказывать влияние большое количество внешних и внутренних воздействий, что приводит к тому, что информация с него оказывается зашумленной. Чем сильнее зашумлены данные, тем сложнее обрабатывать такую информацию.
Фильтр — это алгоритм обработки данных, который убирает шумы и лишнюю информацию. В фильтре Калмана есть возможность задать априорную информацию о характере системе, связи переменных и на основании этого строить более точную оценку, но даже в простейшем случае (без ввода априорной информации) он дает отличные результаты.
В связи с этим целью данной работы является реализация фильтра Калмана для обработки электрических сигналов на ARM-микроконтроллере STM32F407.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучение алгоритма фильтрации электрических сигналов с помощью фильтра Калмана.
2. Определение требований к фильтру, выбор типа и коэффициентов. Выбор структурной формы.
3. Изучение основ программирования микроконтроллеров семейства STM32F407.
4. Изучение средств разработки для микроконтроллеров STM32F407.
5. Конфигурирование микроконтроллера STM32F407 под задачи фильтра Калмана.
6. Разработка рабочего кода.

Купить

В процессе выполнения работы поставленная цель была достигнута, и было сделано следующее:
1. Изучен алгоритм фильтрации электрических сигналов с помощью фильтра Калмана.
2. Изучены основы программирования микроконтроллеров семейства STM32F407.
3. Изучены средства разработки и отладки для микроконтроллеров STM32F407.
4. Разработан проект, сконфигурирован и запрограммирован микроконтроллер STM32F407 под задачи фильтра Калмана.
5. Реализован в коде С фильтр Калмана.
В результате проделанной работы была написана библиотека на языке программирования «Си», содержащая достаточно простой и эффективный алгоритм, очищающий сигнал от шума. Несмотря на конечность разрядности вычислительного ядра, данные, отфильтрованные с помощью микроконтроллера, не отличались от данных, обработанных на ПК в пакете MathLab (при использовании 64-х разрядной ОС Windows). Этот инструмент может быть использован не только для фильтрации шумов с АЦП, но и во многих других приложениях.

Купить