Автоматизированная система обработки потоковых данных в режиме реального времени

В работе рассмотрены вопросы программирования программируемой логической интегральной схемы (далее ПЛИС) и использования ПЛИС для управления потоками информации.
В основе управления потоками лежит схема, строящаяся из логических блоков на ПЛИС Altera Cyclone IV, которая преобразует видеопоток интерфейса VGA, в цифровой поток используемый для управления адресными светодиодами WS2812.

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………. 14

1 ОБЗОР РЕШЕНИЙ РЕАЛИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ АДРЕСНЫМИ
СВЕТОДИОДАМИ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ ……………………………………… 17

1.1 Протокол передачи данных светодиода WS2812…………………………………… 17

1.2 Управления адресными светодиодами микроконтроллерам с применением
библиотек …………………………………………………………………………………………………. 18

1.3 Управления адресными светодиодами микроконтроллерам с применением
прямого доступа к памяти …………………………………………………………………………. 19

1.4 Управления адресными светодиодами микроконтроллерами
программным методом и с применением встроенных интерфейсов …………… 21

2 АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ………………………………………… 24

2.1 Отладочная плата ………………………………………………………………………………… 24

2.2 Среда проектирования …………………………………………………………………………. 25

2.3 Среда отладки и симуляции …………………………………………………………………. 27

3 РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММЫ …………………………………………………………………. 29

3.1 Функциональная схема устройства ………………………………………………………. 29

3.1.1 Блок формирования битовых интервалов ……………………………………….. 30

3.1.2 Блок формирования входных данных……………………………………………… 31

3.1.3 Блок формирования выходных данных …………………………………………… 32

3.1.4 Управляющий блок ………………………………………………………………………… 33

3.3 Программа обработки и управления потоковыми данными в режиме
реального времени…………………………………………………………………………………….. 35

3.4 Моделирование и отладка программы обработки и управления
потоковыми данными ……………………………………………………………………………….. 39
3.5 Тестовая программа генерации VGA сигнала ……………………………………….. 41

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………… 44

4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСНАБЖЕНИЕ ……………………………………………………………………………… 45

4.1 Предпроектный анализ ………………………………………………………………………… 45

4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования …………………. 45

4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения …………………………………………. 47

4.1.3 FAST-анализ ………………………………………………………………………………….. 49

4.1.4 Диаграмма Исикавы ………………………………………………………………………. 53

4.1.5 SWOT-анализ ………………………………………………………………………………… 55

4.1.6 Оценка готовности проекта к коммерциализации …………………………… 56

4.2 Инициализация проекта ……………………………………………………………………….. 58

4.2.1 Цели и результат проекта ……………………………………………………………….. 58

4.2.2 Организационная структура проекта ………………………………………………. 60

4.2.3 Ограничения и допущения проекта ………………………………………………… 60

4.3 Планирование управления научно-техническим проектом ……………………. 61

4.3.1 Структура работ в рамках научного исследования ………………………….. 61

4.3.3 Разработка графика проведения научного исследования …………………. 63

4.3.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) ………………………… 67

4.3.5 Реестр рисков проекта ……………………………………………………………………. 70

4.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования ……………………… 71
4.5 Оценка научно-технического уровня НИР ……………………………………………. 72

5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСВЕННОСТЬ ………………………………………………………. 74

5.5 Производственная безопасность …………………………………………………………… 74

5.1.1 Анализ выявленных вредных факторов при разработке и эксплуатации
проектируемого решения. ………………………………………………………………………. 74

5.1.2 Анализ выявленных опасных факторов при разработке и эксплуатации
проектируемого решения. ………………………………………………………………………. 79

5.2 Экологическая безопасность ………………………………………………………………… 82

5.2.1 Анализ воздействия на окружающую среду ……………………………………. 82

5.2.2 Рекомендации по минимизации влияния на окружающую среду …….. 82

5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………………… 84

5.3.1 Перечень возможных ЧС на объекте ………………………………………………. 84

5.3.2 Меры по предотвращению и ликвидации ЧС и их последствий ……… 84

5.4 Правовые вопросы обеспечения безопасности ……………………………………… 85

5.4 Организационные вопросы обеспечения безопасности …………………………. 86

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………… 90

CONCLUSION …………………………………………………………………………………………….. 91

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ …………………………………………….. 92

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Блок формирования входных данных ………………………….. 95

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Блок формирования битовых интервалов …………………….. 97

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Блок формирования выходных данных………………………… 98

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Управляющий блок ……………………………………………………. 100

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Тестовая программа генерации VGA сигнала …………….. 103

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Листинг программы …………………………………………………… 105

В результате выполнения выпускной квалификационной работы была
разработана система обработки потоковых данных в режиме реального
времени. Система была применена и протестирована в управлении адресными
светодиодами WS2812. Разработка системы включала в себя следующие этапы:
• разработка программы для обработки потоковых данных в режиме
реального времени на основе ПЛИС, и применения данной программы
для управления адресными светодиодами WS2812;
• моделирование и анализ работы программы в среде моделирование
ModelSim;
• тестирование и отладка разработанной программы на ресурсах
отладочной платы ALTERA Cyclone IV.
В работе также был произведен анализ различных реализации протокола
передачи данных для адресных светодиодов WS2812, реализованных на
микроконтроллерах. В результате анализа были выявлены основные трудности
реализации данного протокола на микроконтроллерах:
• жесткие рамки к длительности импульсов, кодирующих биты;
• при использовании встроенных интерфейсов передачи данных (SPI,
UART) наблюдается нехватка тактовой частоты для кодирования
битов;
• нерациональное использование ресурсов машинного времени.
Данные особенности затрудняют, а местами делают невозможным
реализацию программы управления для адресных светодиодов на
микроконтроллерах.
Успешно разработанная система обработки потоковых данных в режиме
реального времени для управления адресными светодиодами на основе ПЛИС
может говорить об актуальности проведенной разработки и нахождение ее
дальнейшего применения для управления большими полноцветными LED –
экранами, собранными из адресных светодиодов.
CONCLUSION
As a result of writing the final qualifying work, a system for processing
streaming data in real time was developed. The system was implemented and tested
in the control of addressable LEDs WS2812. The development of the system included
the following stages:
• development of a program for processing real-time stream data on the basis
of FPGAs and applying this program to control the addressable LEDs
WS2812;
• modeling and analysis of the program operation in ModelSim modeling
environment;
• testing and debugging the developed program on the resources of the
ALTERA Cyclone IV debug card.
The work also analyzed various implementations of the data transfer protocol
for addressable LEDs WS2812 implemented on microcontrollers. As a result of the
analysis, the main difficulties of implementing this protocol on microcontrollers were
revealed:
• rigid frames to the duration of pulses encoding bits;
• when using built-in data transfer interfaces (SPI, UART), there is a lack of
clock speed for bit encoding;
• Inefficient use of computer time resources.
These features make it difficult, and sometimes make it impossible to
implement a control program for addressable LEDs on microcontrollers.
A successfully developed real-time streaming data processing system for
managing addressable LEDs based on FPGA may confirm the relevance of the
development and find its further application for managing large full-color LED
screens assembled from addressable LEDs