Автоматизированная система обработки потоковых данных в режиме реального времени

Сниженко, Артем Отделение автоматизации и робототехники (ОАР)
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

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

На сегодняшний день, все большее применение для донесения
зрительной информации, получают различного рода светодиодные вывески,
табло и экраны. Яркая и красочная картинка существенно выделяется на фоне,
и заставляет обращать на себя внимания. На рынке в данный момент
представлен большой выбор всяких небольших светодиодных табло, в то время
как большие полноцветные светодиодные экраны практически не
представлены, а если представлены то их цену нельзя назвать доступной.
Можно сделать вывод, что разработка системы для управления
большими полноцветными светодиодными экранами по доступной цене будет
является актуальной задачей на сегодняшний день.
В качестве устройства отображения выбор пал на адресные светодиоды
WS2812. Данный выбор был сделан по следующим причинам:
• существуют варианты светодиодов исполнения IP66;
• возможность задавать любой цвет;
• простое управление;
• возможность адресации.
Управление в реальном времени, большим количеством таких
светодиодов, требует обработки большого количества данных, что
представляет собой нетривиальную задачу. Для решения этой задачи в
настоящей работе принято использовать ПЛИС.
Улучшение технических характеристик ПЛИС в последнее время,
позволило им приобрести все большую функциональность и востребованность
в современной электронике.
Применение ПЛИС в первую очередь обусловлено возможность
многократного переконфигурирования архитектуры на кристалле, путем
программирования соединений (вентилей) между универсальными
логическими блоками (ячейками). Данная возможность позволяет
разрабатывать оптимальные алгоритмы для специфических задач связанных с
параллельными и повторяющимися вычислениями.
Возможность переконфигурирования собственной архитектуры в
отличии от микропроцессоров и заказных интегральных схем (СБИС), делает
ПЛИС универсальным инструментом.
Другая способность ПЛИС заключается в возможности параллельного
выполнения десятков и сотен операций, что увеличивает производительность
ПЛИС по отношению к микропроцессорам в разы.
Несмотря на то, что цена на ПЛИС на сегодняшний день может быть в
десятки раз больше цены на микропроцессоры, а производительность может
оказаться ниже, чем у специализированных СБИС, универсальность ПЛИС
позволяет ей занять свое место в устройствах обработки данных. В тех
областях, где скорости микропроцессора может не хватать, а разработка
заказной СБИС слишком дорога и продолжительна, применение ПЛИС
является наилучшим решением.
Все перечисленные особенности ПЛИС делают ее универсальным
устройством для обработки больших потоков данных в режиме реального
времени, в том числе и видеоинформации.
Цель магистерской работы состоит в разработке системы обработки
потоковых данных в режиме реального времени с применением ПЛИС, и
использование данной системы для управления адресными светодиодами
WS2812.
На период работы над ВКР были поставлены следующие задачи:
• разработать функциональную схему устройства;
• разработать структурную схему всего устройства;
• разработать программы для управления светодиодами,
формирования изображения, обработки и хранения данных,
работы с интерфейсом VGA;
• произвести отладку и моделирование программ в среде
моделирования;
• разработать схему макета и произвести тестирование на нем
разработанных программ.
1 ОБЗОР РЕШЕНИЙ РЕАЛИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ
АДРЕСНЫМИ СВЕТОДИОДАМИ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ

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

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Последние выполненные заказы

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Кормчий В.
    4.3 (248 отзывов)
    Специализация: диссертации; дипломные и курсовые работы; научные статьи.
    Специализация: диссертации; дипломные и курсовые работы; научные статьи.
    #Кандидатские #Магистерские
    335 Выполненных работ
    Вирсавия А. медицинский 1981, стоматологический, преподаватель, канди...
    4.5 (9 отзывов)
    руководитель успешно защищенных диссертаций, автор около 150 работ, в активе - оппонирование, рецензирование, написание и подготовка диссертационных работ; интересы - ... Читать все
    руководитель успешно защищенных диссертаций, автор около 150 работ, в активе - оппонирование, рецензирование, написание и подготовка диссертационных работ; интересы - медицина, биология, антропология, биогидродинамика
    #Кандидатские #Магистерские
    12 Выполненных работ
    Катерина В. преподаватель, кандидат наук
    4.6 (30 отзывов)
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации... Читать все
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации. Опыт работы 7 лет. Всегда на связи и готова прийти на помощь. Вместе удовлетворим самого требовательного научного руководителя. Возможно полное сопровождение: от статуса студента до получения научной степени.
    #Кандидатские #Магистерские
    47 Выполненных работ
    Андрей С. Тверской государственный университет 2011, математический...
    4.7 (82 отзыва)
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на... Читать все
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на продолжение диссертационной работы... Всегда готов помочь! ;)
    #Кандидатские #Магистерские
    164 Выполненных работы
    Дмитрий М. БГАТУ 2001, электрификации, выпускник
    4.8 (17 отзывов)
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал стать... Читать все
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал статьи, патенты, кандидатскую диссертацию, преподавал. Занимаюсь этим с 2003.
    #Кандидатские #Магистерские
    19 Выполненных работ
    Анна В. Инжэкон, студент, кандидат наук
    5 (21 отзыв)
    Выполняю работы по экономическим дисциплинам. Маркетинг, менеджмент, управление персоналом. управление проектами. Есть опыт написания магистерских и кандидатских диссе... Читать все
    Выполняю работы по экономическим дисциплинам. Маркетинг, менеджмент, управление персоналом. управление проектами. Есть опыт написания магистерских и кандидатских диссертаций. Работала в маркетинге. Практикующий бизнес-консультант.
    #Кандидатские #Магистерские
    31 Выполненная работа
    Елена Л. РЭУ им. Г. В. Плеханова 2009, Управления и коммерции, пре...
    4.8 (211 отзывов)
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно исполь... Читать все
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно использую в работе графический материал (графики рисунки, диаграммы) и таблицы.
    #Кандидатские #Магистерские
    362 Выполненных работы
    Рима С.
    5 (18 отзывов)
    Берусь за решение юридических задач, за написание серьезных научных статей, магистерских диссертаций и дипломных работ. Окончила Кемеровский государственный универси... Читать все
    Берусь за решение юридических задач, за написание серьезных научных статей, магистерских диссертаций и дипломных работ. Окончила Кемеровский государственный университет, являюсь бакалавром, магистром юриспруденции (с отличием)
    #Кандидатские #Магистерские
    38 Выполненных работ
    Александр О. Спб государственный университет 1972, мат - мех, преподав...
    4.9 (66 отзывов)
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальн... Читать все
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальных уравнений. Умею быстро и четко выполнять сложные вычислительные работ
    #Кандидатские #Магистерские
    117 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету

    Удаленное управление распределенными объектами с применением WEB-Технологий
    📅 2019 год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Разработка информационной системы поддержки принятия управленческих решений
    📅 2021 год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Исследование влияния настроек регулятора Смита на качество регулирования
    📅 2018 год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Реализация цифрового фильтра на основе сглаживающего штрафного P-сплайна
    📅 2019 год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Псевдолинейный регулятор для управления объектом второго порядка
    📅 2020 год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Корневой анализ систем на основе вершинных характеристических полиномов
    📅 2019 год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)