Модельно-ориентированное проектирование программируемых радиотехнических устройств. Практический курс

Москва
Горячая линия – Телеком

2019

УДК 621.37 
ББК 32.844-02 
      Б26 

Р е ц е н з е н т :  доктор техн. наук, профессор  В. К. Битюков 

Бартенев В. Г. 

Б26  Модельно-ориентированное проектирование программируемых 

радиотехнических устройств. Практический курс.– М.: Горячая 
линия – Телеком, 2019. – 116 с.: ил. 

ISBN 978-5-9912-0775-1. 
Рассмотрен способ разработки программируемых устройств, основанный на модельно-ориентированном проектировании. Приведены 
примеры использования данного способа при разработке типовых радиотехнических устройств на наиболее распространенных микроконтроллерах фирмы Atmel. Освоение модельно-ориентированного проектирования на бюджетных, массового применения платах Arduino 
обеспечивает готовность разработчиков к широкому и эффективному 
использованию программируемых микроконтроллеров, сигнальных 
процессоров и ПЛИС при разработке радиотехнических систем различного назначения.  
Для широкого круга читателей, интересующихся вопросами программирования микроконтроллеров и проектирования радиотехнических устройств, а также для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по соответствующим направлениям и специальностям. 
ББК 32.844-02 
 
Бартенев Владимир Григорьевич 
 

МОДЕЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ  

ПРОГРАММИРУЕМЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ  

Практический курс 

Тиражирование книги начато в 2018 г. 

 
Все права защищены. 
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена  
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами  
без письменного разрешения правообладателя 
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» www.techbook.ru 

                                                   ©  В. Г. Бартенев 
 
 

Введение

Программируемые системы и устройства [1, 2] — это не только
цифровые, но и реконфигурируемые системы, способные к постоянной модернизации только за счёт смены программного обеспечения.
Концепция программируемых радиоэлектронных систем отражает
главное изменение в конструкторской парадигме современных радиоэлектронных устройств, для которых соотношение аппаратнопрограммных средств выбирается с явным преобладанием программных средств, что и обеспечивает возможность быстрого изменения
их тактико-технических характеристик (ТТХ) в соответствии с изменяющимися требованиями и возможностями.
Традиционные радиоэлектронные системы требуют многих лет
усилий большого коллектива разработчиков для отладки различных компонентов и устройств, входящих в систему, и их сопряжения между собой. Время разработки нового продукта — ключевой
момент в современных рыночных условиях. И создание программируемых систем существенно сокращает период разработки новых
изделий.
Использование программируемых систем значительно снижает
затраты на изготовление и проверку радиоэлектронных систем в
целом. Более того, программируемые системы могут быть модернизированы уже на этапе испытаний для корректировки непредвиденных проблем или для улучшения ТТХ. Другим преимуществом
программируемых систем является их способность к глубокой самодиагностике, что повышает надёжность изделия и минимизирует
его обслуживание.
Проектирование программируемых радиоэлектронных систем
потребовало соответствующего совершенствования и методов их разработки. Наиболее эффективным из новых методов является модельно-ориентированное проектирование (Model-Based Design), являющееся одним из приложений пакета программ MATLAB [3].
Модельно-ориентированное проектирование — эффективный и
экономически выгодный способ разработки радиоэлектронных систем.
Как показывает опыт, применение этого подхода позволяет
повысить качество проектирования и уменьшить время разработки
в несколько раз. Вместо физических прототипов при традиционном
проектировании программируемых систем в модельно-ориентиро

Введение

ванном проектировании применяются исполняемые модели, которые используются на всех этапах разработки.
При таком подходе можно разрабатывать и проводить имитационное моделирование
как всей системы целиком, так и её компонентов. Но главным преимуществом данного подхода является возможность автоматической
генерации кода с последующей его верификацией.
Использование моделей позволяет разрабатывать комплексные
радиоэлектронные системы с точностью, необходимой для технологического уровня. Представление комплексной разработки в виде
моделей системы — лишь часть решения. Необходимо также выполнить математическое описание, чтобы лучше понять поведение
системы. Решению поставленной задачи предшествует анализ соответствующего технического задания на проектируемую систему и
анализ особенностей существующих радиотехнических систем. Желательно сделать аналитическую оценку основных показателей проектируемой системы.
Большое внимание уделяется выбору платформы с цифровым
процессором обработки сигналов (ЦПОС), который будет использован в конкретной разработке. Важен и подбор к выбранной платформе необходимого программного обеспечения в виде программной
среды проектирования.
Дальнейшая работа с аппаратно-программным комплексом в
режиме модельно-ориентированного проектирования включает в себя все этапы этого метода разработки программируемых радиотехнических систем: от модели системы до её реализации на конкретной платформе с ЦПОС.
При этом предусматриваются следующие этапы проектирования:
• создание модели в MATLAB;
• преобразование этой программы в программу на языке С для
ЦПОС, её компиляция в загружаемый код и программирование
ЦПОС;
• верификация спроектированного устройства или системы.
В пакете MATLAB реализованы современные методы вычислений, позволяющие выполнить численное моделирование различных
систем. Разработчик может одновременно анализировать результаты моделирования и использовать мощные средства анализа моделей, обеспечивая тем самым предварительную верификацию всего
проекта.
Следует отметить важное отличие примененного автором метода модельно-ориентированного проектирования радиотехнических

Введение
5

устройств. Это повышенное внимание к первому этапу проектирования при использовании MATLAB, когда создаются модели воздействий и проектируемых устройств. Именно на этом этапе верификация путем сравнительного анализа моделирования и аналитических
расчетов предопределяет качество создания программируемого устройства на всех последующих этапах работы.

Общая методика
модельно-ориентированного проектирования
программируемых радиотехнических
устройств

Модельно-ориентированное проектирование (МОП) предусматривает проектирование специализированного цифрового программируемого устройства, работающего в реальном времени и выполняющего необходимый набор и необходимую последовательность операций над входным сигналом для его преобразования (обработки)
по заданному алгоритму.
Суть преобразований входного сигнала
вытекает из технического задания на проектируемое устройство.
Проектируемое устройство, его базовая конфигурация должны
содержать минимальные аппаратные и максимальные программные
средства, достаточные для выполнения конкретно поставленной задачи обработки. Специализированные аппаратные и программные
средства должны обеспечивать максимально эффективную реализацию функций по совокупности требований ТЗ.
Как уже было сказано, МОП складывается из нескольких этапов. На первом этапе на основе анализа технического задания определяются набор реализации функций, решающих задачу обработки,
структура и форма представления входных, выходных и промежуточных данных, состав периферийных устройств. Разрабатывается
общий алгоритм выполнения операций, реализующий задачу обработки в системе МАТЛАБ. На основе моделей входных воздействий
и проектируемого устройства осуществляется максимальное приближение работы будущего устройства к реальной обстановке.
Степень детализации создаваемых моделей воздействий и проектируемых устройств основывается на выявлении основных характеристик и параметров, определяющих эффективность проектируемых устройств.
На втором этапе разрабатываются алгоритмы программных модулей для всех функций проектируемого устройства с реализацией программным способом непосредственно на выбранной программируемой платформе проектируемого устройства.
Для этого используется система проектирования на персональном компьютере
для применяемого ЦПОС, который может быть и микроконтроллером, и сигнальным контроллером, и сигнальным процессором, и

Методика МОП программируемых радиотехнических устройств
7

ПЛИС. Алгоритмы программных модулей используются далее для
составления общей рабочей программы проектируемого устройства
на языке, для которого имеется компилятор в применяемой системе
проектирования.
После получения объектного кода рабочей программы выполняется его загрузка в ПЗУ и выполнение программы,
т. е. ее верификация с выявлением и устранением возможных ошибок. Устанавливается соответствие результатов ее работы с теми,
что были получены в MATLAB на первом этапе проектирования.
По отлаженной и верифицированной программе и аппаратной
структуре определяются окончательные характеристики спроектированного устройства и вносятся изменения в состав аппаратуры и
в программу, если полученные характеристики не удовлетворяют
требованиям задания.
Важное место в МОП занимает анализ технического задания на
первом этапе проектирования программируемого устройства. Для
этого требуется детальный анализ задачи, результатом которого являются:
• определение полного набора функций, выполняемых программируемым устройством;
• определение состава внешних аппаратных средств, четкое понимание их функционирования во всех режимах;
• определение входных данных в виде конкретных моделей;
• получение состава необходимых управляющих и интерфейсных
сигналов во всех внешних устройствах;
• определение необходимого быстродействия устройства в целом
и оценка допустимого времени выполнения отдельных его функций.
Формализация задачи предполагает представление принципа
работы программируемого устройства в виде математической модели в системе проектирования MATLAB.
Результатом формализации ТЗ являются:
• определение прохождения и преобразования данных во всех режимах и циклах работы устройства;
• алгоритм устройства, который обязан раскрывать взаимосвязь
и последовательность выполнения всех функций устройства;
• определение диапазона изменения входных, выходных и промежуточных данных;
• верификация действующей программы обработки в MATLAB.
Результаты первого этапа МОП целесообразно представлять в
виде графиков, таблиц соответствия полученных результатов и требований ТЗ.

Г л а в а 1

Выбираемый тип ЦПОС определяет типовой состав аппаратных
средств, образующих структуру вычислительной платформы проектируемой системы. В ее состав могут входить, кроме ЦПОС, дополнительные ОЗУ или ПЗУ, схемы формирования сигналов синхронизации, микросхемы формирования сигналов управления системой,
интерфейсные микросхемы для связи с компьютером. Как правило,
каждая фирма, выпускающая те или иные ЦПОС, предлагает разработчикам так называемые отладочные средства (evaluation boards —
рабочие печатные платы с ЦПОС и дополнительными комплектующими, обеспечивающими возможность оценки и проектирования
устройства на данном ЦПОС) и соответствующие данному ЦПОС
системы проектирования программного обеспечения IDE — это программная среда разработки, предназначенная для программирования одноимённой платы с ЦПОС, которые разработчикам можно
применять, ознакомившись с их описанием.

Характеристики платформ (отладочных
плат), используемых для МОП

Проектирование программируемых радиотехнических систем
потребовало соответствующего совершенствования и методов их разработки. В частности, весьма полезным оказался метод полунатурного моделирования, который был впервые использован в [4] при
анализе проектируемого программируемого многоканального адаптивного обнаружителя сигналов на DSP Blackfin (ADSP-BF533). Однако наиболее эффективным из новых методов является модельноориентированное проектирование (Model-Based Design), предложенное фирмой Mathworks [5] и являющееся одним из приложений разработанной этой же фирмой системы MATLAB. Применение модельно-ориентированного проектирования стало использоваться автором
достаточно давно для различных платформ с различными ЦПОС.
Так, этот способ проектирования был отработан на платформах
фирмы Analog Devices c DSP BackFin и Tiger Shark [6, 7], а также на платформе фирмы Microchip с сигнальным контроллером
dsPIC30F4011 [8].
Как показала практика, во всех этих работах методика применения МОП практически была неизменной и поэтому было решено для данной публикации с целью демонстрации этого метода
проектирования, в том числе и для обучения использовать наиболее доступные для массового применения платформы и бесплатное
(free-ware) программное обеспечение. Выбор пал на платформы, а
лучше сказать платы Arduino с микроконтроллерами фирмы Atmel
и программную среду проектирования Arduino IDE (см. Приложение 2). Применение этих плат с микроконтроллерами фирмы Atmel
обусловлено прежде всего их распространенностью и низкой стоимостью.
Кроме того, фирма Atmel предоставляет широкий выбор микроконтроллеров, устанавливаемых в разные платы Arduino.
Поэтому была поставлена задача, ранее никем не решенная,
реализовать на разных микроконтроллерах фирмы Atmel алгоритм
БПФ (FFT) со всеми теми ограничениями, которые присущи данным микроконтроллерам, сравнив эффективность плат Arduino для
этого алгоритма. При этом была разработана единая рабочая про

Г л а в а 2

грамма БПФ, легко переносимая с одной платы Arduino на другую.
Микроконтроллеры фирмы Atmel, о которых далее пойдет
речь, появились как результат развития и совершенствования архитектуры однокристальных микропроцессоров, хорошо зарекомендовавших себя ранее [9].
У каждого из этих микроконтроллеров
своя история развития. Первый однокристальный микроконтроллер семейства MCS-51 появился на свет в 1976 году. Это была микросхема фирмы Intel, получившая имя I8048. Помимо центрального процессора, на кристалле находились 1 Кбайт памяти программ,
64 байта памяти данных, два восьмибитных таймера и 27 портов
ввода/вывода. Следующий контроллер Intel 8051, выпущенный в
1980 году, стал поистине классическим образцом устройств данного
класса. Этот 8-разрядный микроконтроллер положил начало целому семейству микроконтроллеров, которые господствовали на рынке вплоть до недавнего времени. Аналоги 8051 выпускали и советские предприятия в Минске, Киеве, Воронеже, Новосибирске (БИС
КР1816ВЕ31, КР1816ВЕ51, КР1830ВЕ35 и др.).
Большинство фирм производителей микроконтроллеров и сегодня выпускают устройства, основанные на этой архитектуре. Среди них Atmel, Philips, Maxim, Siemens — можно перечислить и еще
десяток фирм.
Но 51-е семейство требовало постепенного совершенствования своих функциональных возможностей. В частности,
производимое Atmel семейство 8-разрядных AVR-микроконтроллеров с RISC-архитектурой обеспечивает быстродействие выполнения
программы и обработки данных во много раз большее по сравнению с традиционной CISC-архитектурой стандарта 80C51 микроконтроллеров той же фирмы. Особенностями семейства AVR является наличие обширного набора аналоговых компонентов и цифровых
периферийных устройств совместно со встроенным программируемым ЭППЗУ и флэш-памятью, что значительно повышает гибкость,
устраняя узкие места внешнего доступа к памяти и обеспечивая увеличение программы и безопасность данных. Для приложений, где
требуется быстродействующая обработка информации при сохранении потребляемой мощности на минимальном уровне, Atmel предлагает широкий диапазон 32-разрядных микроконтроллеров, основанных на ARMтм продвинутом RISC-ядре. Данная серия предлагает разнообразный объем памяти и встроенные функциональные
возможности для удовлетворения требований многих высококачественных применений.