DSP-Board für Labor und Unterricht

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1 Fachhochschule Nordwestschweiz Projekt 5 DSP-Board für Labor und Unterricht Studenten: Nils Frey Jannick Keller Betreuender Dozent: Prof. Dr. Markus Hufschmid 18. Januar 2013

2 Abstract Die Vertiefungsrichtungen des Studienganges Elektro- und Informationstechnik werden zusammengelegt, was zur Folge hat, dass im Laboruntericht nicht mehr genügen Zeit vorhanden ist um die Studierenden ein Board für die Laborübungen entwickeln zu lassen. Ausserdem wäre es wünschenswert ein Board zu haben welches besser für Audioanwendungen ausgelegt ist. Aus diesm Grund soll im Rahmen des Projekt 5 ein DSP-Board entwickelt werden, welches soweit fertig gestellt ist um es in einer Kleinserie poduzieren zu lassen und weniger als 50.- Franken pro Stück kostet. Das Konzept des Boardes wurde so gestaltet, dass sich das DSP-Board einfach erweitern lässt und sich alle wichtigen Komponenten auf einer kompakten Printplatte benden. Die für das Board verwendeten Komponenten wurden sorgfältig, unter Berücksichtigung von Leistungsmerkmalen und Kosten, ausgesucht. Das entwickelte Board verfügt nebst einem Line In und einem Line Out Anschluss über einen Kopfhörerausgang und einen Mikrofoneingang, womit dieses Board ausgezeichnet für Anwendungen im Audiobereich ausgestattet ist. Ausserdem verfügt es über Erweiterungsschnittstellen, welche sehr exibel einsetzbar sind und dem Anwender viele verschiede Erweiterungsmöglichkeiten oen lassen. Ein übersichtlich gestaltetes Framework übernimmt die Grundkonguration des Boardes und ermöglicht eine einfache und unkomplizierte Implementation von Signalverarbeitungsanwendungen. Die Kosten des Boardes betragen ca Franken bei einer Serie von 50 Stück. Dazu kommen noch die Kosten für einen Programmer, welcher separat erworben werden muss.

3 Aufgabenstellung Einleitung Basierend auf dem preisgünstigen dspic der Firma Microchip soll ein DSP-Board entwickelt werden, das sowohl im Unterricht als auch im Vertiefungslabor zum Einsatz kommen soll. Neben dem DS-Prozessor soll das Board über einen Stereo-Codec sowie einfache Bedienelemente verfügen. Ferner soll abgeklärt werden, ob es sinnvoll ist, den Programmer mit auf dem Board zu integrieren. Für das fertige Board sollen Rahmenprogramme und einfache Versuche entwickelt werden. Zielsetzung Ziel dieses Projekts ist es, ein funktionsfähiges DSP-Board mit den unten stehenden Minimalanforderungen zu realisieren. DSP dspic der Firma Microchip Ein-/Ausgänge Line Stereo (fakultativ: Kopfhörerausgang/Mikrophoneingang) Abtastraten mind. 8 khz und 44.1/48 khz Speisung 5 12 V, geschützt vor Verpolung Programmierung In-Circuit Serial Programming (ICSP) Schnittstelle mit PICKIT 2/3 oder USB-Schnittstelle mit integriertem Programmer/Debugger Kosten CHF 50.- für Stückzahlen 50 Idealerweise sollte der Entwurf der Schaltung und des dazugehörigen Prints soweit abgeschlossen werden, dass es anschliessend Sinn macht, eine kleine Serie fertigen zu lassen. Das Board soll es den Studierenden ermöglichen im Rahmen des DSV-Unterrichts und des dazugehörigen Vertiefungslabor eine Vielzahl von Versuchen durchzuführen. Dementsprechend sollte es flexibel und einfach erweiterbar sein. Rechenleistung und verfügbarer Programm- und Arbeitsspeicher sollen so gewählt werden, dass auch komplexere Beispiele implementiert werden können. Extension Programmer/Debugger mit USB In I2C Out Codec I2S dspic ICSP μp User Interface Gehen Sie im Detail wie folgt vor: 1. Konzeptentwurf Erstellen Sie ein Gesamtkonzept des Boards. Berücksichtigen Sie dabei unter anderem die folgenden Punkte Konkretisierung der Anforderungen Evaluation der Bausteine (dspic-typs, Codec, ) Benutzerschnittstelle Programmierkonzept (eventuell integrierter Programmer/Debugger) Nils Frey / Jannick Keller 1 2

4 2. Implementation Erstellen Sie ein Funktionsmuster des Boards. Entwerfen Sie dazu einen Print und berücksichtigen Sie dabei auch EMV-Kriterien. Der aufgebaute Prototyp soll gründlich getestet und dessen Funktionsweise verifiziert werden. 3. Software Entwickeln Sie ein Rahmenprogramm, das die folgenden, grundlegenden Aufgaben übernimmt: Initialisierung des dspics Bereitstellung von Funktionen zur Kommunikation mit dem Codec und zur Konfiguration des Codecs Interrupt-gesteuerte Routine, welche Blöcke von Abtastdaten vom A/D-Wandler einliest und Blöcke von verarbeitenden Daten an den D/A-Wandler ausgibt Achten Sie darauf, das Framework hinsichtlich Abtastrate, Blocklänge, etc. möglichst flexibel zu halten. 4. Dokumentation Ihre Erkenntnisse und Resultate sollen möglichst vollständig und verständlich dokumentiert werden. Vorgehen 1. Erstellen Sie einen kleinen Projektplan. Darin definieren Sie das Gesamtziel und unterteilen das Projekt in übersichtliche Teilschritte. Ferner erstellen Sie einen Zeitplan und definieren einige wichtige Meilensteindaten 1. Versuchen Sie, eventuelle Probleme schon in dieser Phase zu identifizieren und überlegen Sie sich, ob Ausweichmöglichkeiten existieren. Der Projektplan muss vom betreuenden Dozenten genehmigt werden, er soll jedoch im Verlauf des Projekts an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden. 2. Untersuchen Sie für jeden Teilschritt verschiedene Lösungsmöglichkeiten und halten Sie diese in geeigneter Form fest. Teilen Sie dazu das Problem in Teilprobleme auf und überlegen Sie sich grundsätzliche Lösungsmöglichkeiten. Aufgrund einer Analyse der Vor- und Nachteile legen Sie anschliessend denjenigen Lösungsansatz fest, der Ihnen am meisten Erfolg verspricht. 3. Realisieren Sie Ihr Konzept. Überprüfen Sie dabei auch gelegentlich die unter 1. und 2. gemachten Aussagen. 4. Fassen Sie Ihre Überlegungen, Ihr Vorgehen und Ihre Resultate zusammen und halten Sie diese in einem Schlussbericht fest. Die Benotung der Arbeit wird sich hauptsächlich auf die Qualität und Gründlichkeit Ihres Vorgehens sowie auf die Nachvollziehbarkeit und Korrektheit Ihrer Resultate abstützen. Termine Ausgabe der Arbeit: Abgabetermin: Abzugebende Berichte: Besprechung der Arbeit: 1 + Quellcodes und Dokumentation auf CD gemäss Absprache DSP-Board für Labor und Unterricht 1 Meilensteine sind Ereignisse von besonderer Bedeutung, die das Eintreten eines bestimmten Ergebnisses des Projektes festhalten. 3 Nils Frey / Jannick Keller 2

5 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 4 2 Grundlagen Ausgangslage und Konzept Komponentenauswahl Auswahl des dspic Auswahl des Audiocodecs Speisung Hardware Schema dspic Codec Speisung Reset Taster / LED Programmer Layout Kosten Software Framework dspic Clock Interrupt Taster / LED I2C DMA DCI (I2S) Codec Signalverarbeitung SIV-Beispiel Test 47 6 Zusammenfassung und Ausblick 48 7 Bibliographie 49 A Anhang 50 A.1 PLL Berechnung A.2 Schema A.3 Stückliste Nils Frey / Jannick Keller 3

6 1 Einleitung Studierende des Studienganges Elektro- und Informationstechnik an der Fachhochschule Nordwestschweiz mit den Vertiefungsrichtungen Kommunikation oder Mikroelektronik kommen im Verlauf des Studiums immer wieder mit Signalverarbeitung und spezisch auch digitaler Signalverarbeitung in Kontakt. Für den Unterricht sowie auch für Laborübungen wird ein Board benötigt, mit welchem Signalverarbeitung gemacht werden kann. Bis anhin entwickelten die Studenten im Laborunterricht selber ein Board und bauten es anschliessend zusammen. Da dafür nicht mehr genügend Zeit vorhanden ist, wird nun ein fertiges Board benötigt, welches von den Studenten gekauft werden kann, d.h. es darf nicht allzu teuer sein, und den Anforderungen genügt. Ausserdem wird verlangt, dass ein Audiocodec auf dem Board vorhanden ist, welcher es ermöglicht A/D und D/A Wandlungen von Audiosignalen durchzuführen ohne dazu Rechenleistung des Signalprozessors zu beanspruchen und noch weitere Vorteile mit sich bringt. Ziel dieses Projektes, welches im fünften Semester des Studiengangs Elektro- und Informationstechnik stattndet, ist es ein solches DSP-Board zu entwickeln, einen Prototypen herzustellen und dazu ein Framework zu schreiben mit welchem es einfach möglich ist Signalverarbeitungsprogramme auf dem Prozessor zu implementieren. Dieses DSP-Board soll innerhalb dieses Projektes soweit fertiggestellt werden, dass es anschliessend ohne weiteren Entwicklungsaufwand produziert und eingesetzt werden kann. Zu Beginn des Projektes galt es eine Evaluation möglicher verwendbarer Komponenten des Boardes durchzuführen und die geeignetsten Komponenten auszuwählen. Anschliessend wurde ein Schema des Boardes mit den ausgewählten Komponenten erstellt. Aufgrund dieses Schemas wurde ein Layout entworfen und der erste Print produziert. Unter Verwendung dieses Prints konnte dann ein Framework geschrieben werde, welche sämtliche Komponenten korrekt initialisiert. Während dieses Projektes ist es uns gelungen, ein funktionierendes Board zu entwickeln, welches günstig zu produzieren ist. Zudem verfügt es über sehr vielseitig ansteuerbare Erweiterungsports, welche für eine Vielzahl an Anwendungen eingesetzt werden können. Mit einem Stereo- und Mikrofoneingang sowie einem Stereo- und Kopfhörerausgang ausgerüstet, ist dieses DSP-Board für Audioanwendungen sehr gut ausgestattet. Dieser Bericht ist folgendermassen aufgebaut: Im Kapitel Grundlagen wird die Aufgabenstellung genau analysiert, das Konzept vorgestellt und es wird erläutert aufgrund welcher Kriterien die Hauptkomponenten dieses DSP-Boards bestimmt wurden. Die folgenden beiden Kapitel, Hardware und Software, gehen konkret darauf ein, wie die einzelnen Probleme gelöst wurden und wie das DSP- Board aufgebaut ist und funktioniert. Anschliessend folgt ein Kapitel in welchem beschrieben wird was getestet wurde. Abschliessend folgt eine Zusammenfassung des Berichtes mit einem Ausblick auf mögliche Erweiterungen und Verbesserungen. Nils Frey / Jannick Keller 4

7 2 Grundlagen In diesem Kapitel sind die wichtigsten grundlegenden Überlegungen und Entscheidungen zusammengetragen, auf welchen das DSP-Board basiert. Unter anderem wird das Gesamtkonzept des Boards beschrieben und erläutert, nach welchen Kriterien die zentralen Komponenten ausgewählt wurden. 2.1 Ausgangslage und Konzept Im Rahmen dieses Projektes soll ein einsatzfähiges Board entwickelt werden, sodass es von den Studenten erworben und im Unterricht sowie im Labor eingesetzt werden kann. Das Board soll mit einem dspic (Digital Signal Controller) von Microchip ausgestattet sein, da diese für Signalverarbeitung ausgelegt und sehr preiswert sind. Daneben soll das Board über einen Audiocodec verfügen. Ein solcher bietet den Vorteil, dass die A/D resp. D/A Wandlung, ohne Prozessorleisutng zu beanspruchen, mit einem separaten Bauelement durchgeführt werden. Zudem können damit sehr einfach verschiedene Abtastraten gewält werden, Filter für den Audiobereich sind bereits implementiert und auch die Verstärkung der einzelnen Signale kann eingestellt werden. Ausserdem soll das Board über ein einfaches User Interface, eine USB-mini Schnittstelle und zusätzliche Erweiterungsports verfügen. Die Entwicklung eines solchen Boards enthält viele verschieden Aspekte und Teilaufgaben, mit unterschiedlich hoher Wichtigkeit und Arbeitsaufwand. In der Abbildung 2.1 sind die wesentlichen Bestandteile dieses Projektes dargestellt. Die grün eingefärbten Bestandteile sind für ein funktionsfähiges DSP-Board zwingend erforderlich, die orange eingefärbten Bestandteile sind hingegen optional. Abbildung 2.1: Hauptübersicht über das Projekt Um die Kosten möglichst gering zu halten ist das DSP-Board so aufgebaut, dass sich nur die folgenden, essenziellen Hardwarekomponenten auf dem Basisboard benden: dspic Audiocodec UI bestehend aus 3 LED und 3 Taster Spannungswandler Resettaster Schnittstelle für Programmer Zwei Erweiterungsports USB-mini Schnittstelle Um weitere Bedienelemente oder Anzeigen, wie z.b. ein LCD-Display, ansteuern zu können, muss einer der beiden Erweiterungsports benutzt werden. Als Programmer für den verwendeten dspic Nils Frey / Jannick Keller 5

8 wird das PICkit 3 von Microchip verwendet, welches sich mit der MPLAB IDE Software auch zum debuggen eignet. Ein hardwaremässiger Nachbau dieses PICkits auf dem DSP-Board ist nicht vorhanden, da dies den Preis des Boards wesentlich erhöhen würde. Für die Verwendung im Unterricht können einige Programmer zur Verfügung gestellt werden und wer das Board auch zu privaten Zwecken nutzen möchte kann sich ein eigenes PICkit 3 kaufen. Da für die Komponenten auf dem DSP-Board sowohl eine 5V, sowie eine 3.3V Speisung benötigt wird, ist das Speisungskonzept wie folgt aufgebaut: Wird nur das Hauptboard benutzt oder ein Erweiterungsboard angeschlossen, welches keine Speisung benötigt, kann das DSP-Board direkt vom Computer über die USB-mini Buchse gespeist werden. Alles was dazu nötig ist, ist ein Adapterkabel von einer Standard USB Schnittstelle zu USB-mini. Alternativ kann auch mit einem 5V-Netzteil über eine Netzteilbuchse gespeist werden. Wird ein Erweiterungsboard angeschlossen welches gespeist werden muss (Die 5V-Speisung ist an beide Erweiterungsports geführt), muss das DSP-Board zwangsläug mit einem 5V-Netzteil über die Netzteilbuchse gespeist werden. Dies ist eine Sicherheitsmassnahme um zu gewährleisten, dass auch wenn Komponenten angeschlossen werden, welche viel Leistung benötigen (> 2.5 W ), die Speisung nicht zusammenbricht. Nils Frey / Jannick Keller 6

9 2.2 Komponentenauswahl Die wesentlichen Leistungsmerkmale dieses DSP-Boards werden duch die verwendeten Komponenten auf dem DSP-Hauptboard deniert. Mit Hilfe von Erweitergungsboards kann der Funktionsumfang zwar durch Bedienelemente, Sensoren, Anzeigen oder auch zusätzliches Memory erweitert werden, die Leistungsfähigkeit ist aber grundsätzlich durch das Hauptboard festgelegt. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, dass die Komponenten auf dem Hauptboard den benötigten Anforderungen entsprechen und sehr sorgfältig ausgewählt wurden. In diesem Kapitel wird beschrieben nach welchen Kriterien diese Komponenten verglichen wurden und welche Komponenten ausgewählt wurden Auswahl des dspic Die Anforderungen an den dspic sind folgende: I2S-Schnittstelle (Codec Interface) I2C-Schnittstelle Min. 2 DMA-Channel Min. 64 KB Program Memory Min. 8 KB RAM Mit diesen Anforderungen elen 9 dspic's der Familie FJ und 7 der Familie EP in die engere Auswahl. Da es sich bei der EP-Familie um die neuere Generation handelt, el die Entscheidung auf diese. Da der Preis ebenfalls ein Kriterium darstellt, wurde der günstigste der EP-Familie ausgewählt. Dieser hat folgende Bezeichnung und Eigenschaften: dspic33ep256mu806: I2S-Schnittstelle (Codec Interface) I2C-Schnittstelle 15 DMA-Channel 256 KB Program Memory 28 KB RAM 70 MIPS 1 USB Channel Nils Frey / Jannick Keller 7

10 DSP-Board für Labor und Unterricht Auswahl des Audiocodecs Bei der Auswahl des Audiocodecs ist entscheidend, was für Anforderungen an das DSP-Board gestellt werden. Um im Labor sinnvolle Übungen mit diesem Board durchführen zu können ist es von Vorteil wenn neben stereo Ein- und Ausgängen auch ein Mikrofon oder Kopfhörer angeschlossen werden kann. Ebenfalls müssen die benötigten Schnittstellen vorhanden sein um mit dem dspic zu kommunizieren und es sollten für die Signalverarbeitung sinnvolle Abtastfrequenzen einstellbar sein. In der Tabelle 2.1 sind die an den Codec gestellten Minimalanforderungen und die erweiterten Anforderungen zusammengetragen. 1 Stereo Eingang: Line-In 1 Stereo Ausgang: Line-Out Minimalanforderungen I2S Schnittstelle I2C Schnittstelle f s = 48 khz oder 44.1 khz einstellbar Mikrofoneingang Erweiterte Anforderungen Kopfhörerausgang f s = 32 khz und 8 khz einstellbar Tabelle 2.1: Anforderungen an den Audiocodec In einem ersten Schritt wurde eine Auswahl von Codecs mit den für uns wichtigen Kenndaten in der Abbildung 2.2 zusammengetragen und übersichtlich dargestellt. Dies ermöglichte es die verschiedenen Codecs miteinander zu vergleichen und den Bestgeeignetsten auszuwählen. Abbildung 2.2: Audiocodecvergleich Nils Frey / Jannick Keller 8

11 Der Codec MAX9867 von MAXIM ist zwar deutlich günstiger als alle anderen Codecs, verfügt aber lediglich über einen Kopfhörer Ausgang und keinen Line Out Ausgang. Da ein Line Out Ausgang ein Minimalkriterium an den Codec ist, kommt dieses Modell für dieses Board nicht in Frage. Bis auf die Tatsache, dass der UDA1345TS nur über eine Dreidrahtleitung mit dem dspic kommunizieren kann, also über keine I2C Schnittstelle verfügt, unterstützen sämtliche anderen Audiocodecs die Minimalanforderungen. Der UDA1345TS wäre deutlich günstiger als die beiden anderen Codecs, hat allerdings den grossen Nachteil, dass er weder über einen Mikrofoneingang, noch über einen Kopfhörerausgang verfügt. Das Fehlen dieser Komponenten schränkt den Funktionsumfang des kompletten DSP-Boards gegenüber einem Board mit Mikrofoneingang und Kopfhörerausgang beträchtlich ein. Das Verarbeiten von live aufgenommenen Sprachsignalen und auch das Mithören des ausgegebenen Signals mit Kopfhörern wäre mit dem UDA1345TS nicht möglich. Die Beiden Codecs WM8731 und ADAU1961 erfüllen beide die Minimalanforderungen und auch die erweiterten Anforderungen an den Audiocodec vollständig. Der ADAU1961 bietet noch etwas mehr Konigurationsmöglichkeiten und verfügt über mehr Ausgangskanäle. Diese Vorteile sind allerdings nur für sehr wenige Anwendungen entscheidend und erhöhen den Preis des Codecs doch um einiges. Beim WM8731 handelt es sich um einen Audiocodec, welcher sämtlichen Anforderungen genügt und ein gutes Preis-Leistungsverhältnis aufweist. Dieser Codec wurde ausserdem auch schon bei anderen Boards, welche im IME entwickelt wurden, eingesetzt. Aus all den oben genannten Gründen wird auf diesem DSP-Board der Audiocodec WM8731 von Wolfson Microelectronics eingesetzt. Nils Frey / Jannick Keller 9

12 2.2.3 Speisung Die über USB oder das Netzteil gelieferte Spannung beträgt 5V. Die Betriebsspannung des dspic sowie des Audiocodec beträgt allerdings 3.3V. Um diese Komponenten zu betreiben wird ein Spannungsregler benötigt, welcher eine Primärspannung von 5V in eine Ausgansspannung von 3.3V regelt. Um zu verhindern, dass die schnellen, digitalen 3.3V Signale die analogen, ebenfalls mit 3.3V betriebenen Schaltungsteile wie z.b. die A/D-Wandler des dspic beeinussen und stören, werden der analoge- und der digitale Schaltungsteil auf dem DSP-Board voneinander getrennt. Ebenfalls werden zwei Spannungsregler benötigt, einer für den digitalen und einer für den analogen Schaltungsteil. Bei der Auswahl dieser Spannungsregler muss auf verschiedene Kriterien geachtet werden. Weil die Spannungsdierenz zwischen 5V und 3.3V relativ klein ist, muss darauf geachtet werden, dass die maximale Dropoutspannung genügend klein ist, auch wenn sich zwischen den 5V und der Eingangsspannung noch eine Diode bendet (siehe Kapitel 3.1.3). Es ist natürlich auch darauf zu achten, dass eine Diode mit geringer Vorwärtsspannung benutzt wird. Ausserdem ist es wichtig, dass ein genügend hoher Ausgangsstrom geliefert werden kann, um sämtliche Komponenten auf dem DSP-Board zu betreiben. Ein weiteres Kriterium bei der Wahl der Spannungsregler ist selbstverstäntlich der Preis. Auf einen sehr hohen Wirkungsgrand muss hingegen nicht besonders geachtet werden, da kein Akkubetrieb vorgesehen ist und auch die Wärmeabfuhr bei diesen Stromstärken unkritisch ist. Die Tabelle 2.2 ist eine Zusammenstellung von Spannungsreglern, welche auf den Webseiten von Distrelec und Farnell gefunden wurden und sich prinzipiell für dieses DSP-Board eignen würden: Komponente Preis/50St. U IN max Dropout max U OUT I OUT AP1121BSG CHF 18 V 1.3 V 3.3 V 1 A BA033FP 1.30 CHF 25 V 0.5 V 3.3 V 1 A LD1117DT CHF 15 V 1.1 V 3.3 V 0.8 A LD1117V CHF 15 V 1.2 V 3.3 V 0.95 A LMS8117AMP-3.3/NOPB 1.30 CHF 20 V 1.25 V 3.3 V 1 A MCP E/SN 0.81 CHF 6 V 0.21 V 3.3 V 0.5 A MCP E/AT 1.84 CHF 6 V 0.33 V 3.3 V 1.5 A NCP1117DT33RKG CHF 20 V 1.2 V 3.3 V 1 A XC6210B332PR 1.40 CHF 6 V 0.1 V 3.3 V 0.7 A Tabelle 2.2: Anforderungen an den Audiocodec Vergleicht man die Spannungsregler aus der Tabelle 2.2, fällt auf, dass die Spannungsregler sehr schnell teuer werden, wenn die maximale Dropoutspannung dutlich unter 1V liegt. Auch die Grösse des lieferbaren Ausgangsstromes hat einen Einuss auf den Preis. Im Kapitel wird erläuter, weshalb sich vor jedem Spannunsreglereingang eine Diode in Vorwärtsrichtung betrieben bendet. Es gilt also abzuwägen, ob es sich eher lohnt eine normale Diode zu verwenden und einen Spannungsregler mit sehr kleiner Dropoutspannung, oder eine Diode mit kleiner Vorwärtsspannung und einen Spannungsregler mit etwas grösserer Dropoutspannung. Da Schottky Dioden mit einer Vorwärtsspannung von 0.45V und Vorwärtsstrom von 1A für nur CHF (bei 100 Stück) erhältlich sind, kann der günstigste Spannungsregler aus der Tabelle 2.2 verwendet werden. Dies ist der LD1117DT33 mit einem Ausgangsstrom von bis zu 0.8A liefern, was mehr als genug ist, da für den digitalen und analogen Schaltungsteil je ein eigener Spannungsregler verwendet wird. Nils Frey / Jannick Keller 10

13 3 Hardware In diesem Kapitel wird darauf eingegangen wie und aus welchen Komponenten das DSP-Board aufgebaut ist. Die Abbildung 3.1 gibt einen groben Überblick über das Komplette Board. Abbildung 3.1: Uebersicht der dspic Komponenten Wie bereits in dieser Grak erkennbar ist, verfügt dieses DSP-Board über einen Line In, einen Line Out, einen Mikrofon und einen Kopfhöreranschluss. Bei all diesen Anschlüssen handelt es sich um 3.5mm Klinkebuchsen. Der Audiocodec vom Typ WM8731 kommunizert über eine I2C Schnittstelle mit einem dspic vom Typ PIC33EP256MU806. Die Audiodaten werden über eine I2S Schnittstelle zwischen dem Audiocodec und dem dspic hin- und hergesendet. Der Audiocodec, sowie auch der dspic können mit Hilfe eines Resettasters zurückgesetzt werden. Der dspic verfügt über drei LEDs welche zur Signalisation verwendet werden können und kann auch drei Taster einlesen. Ausserdem verfügt der dspic über eine USB-mini Schnittstelle, was eine Kommunikation mit diversen USB Geräten ermöglicht. Die Speisung des Codecs und des dspic erfolg über Spannungswandler, welche wahlweise mit einem 5V Netzteil oder über die USB-mini Schnittstelle betrieben werden können. Der Audiocodec wird mit einem MHz Quarz getaktet und gibt dieses Taktsignal an den dspic weiter. Das DSP-Board wurde mit Hilfe des Schema- und Layouttools Desigen Spark PCB 4.0 entwickelt. Dieses Programm wurde verwendet, da es gratis ist, keine Einschränkungen in Bezug auf die Grösse des Projektes hat und sich nach kurzen Tests herausgestellt hat, dass dieses Programm in vielen Bereichen mit kostenpichtigen Alternativen mithalten kann. Dass es sich bei diesem Programm um eine Freeware handelt, bringt den grossen Vorteil, dass bei einer allfälligen Weiterentwicklung oder Überarbeitung dieses DSP-Boards die vorhandenen Daten übernommen werden können, ohne dass Lizenzen einer Software erworben werden müssen. In den folgenden Abschnitten wird konkreter auf die einzelnen Schaltungsteile eingegangen. Es werden Schemaausschnitte gezeig und erklärt, sowie auch auf wichtge Merkmale des Layouts hingewiesen. Ausserdem sind die Herstellungskosten des DSP-Boards zuammengestellt. Nils Frey / Jannick Keller 11

14 3.1 Schema Bei sämtlichen Schemaausschnitten welche in diesem Kapitel gezeigt werden, handelt es sich um Bilder, welche mit Design Spark PCB 4.0 erstellt wurden. Das komplette Schema dieses Boards bendet sich im Anhang A.2 dieses Berichtes. Um das Lesen der Schemas etwas zu erleichtern, ist in der Tabelle 3.1 aufgelistet was für Bezeichnungen verwendet werden und wofür diese stehen. Es handelt sich dabei allerdings nur um die wichtigsten Bezeichnungen und nicht um eine vollständige Liste. Bezeichnung VDD VSS AVDD AVSS LLINEOUT RLINEOUT LLINEIN RLINEIN LHPOUT RHPOUT MICIN Bedeutung positive Speisung digital (3.3V) negative Speisung digital (0V) positive Speisung analog (3.3V) negative Speisung analog (0V) Line Out Buchse linker Kanal Line Out Buchse rechter Kanal Line In Buchse linker Kanal Line In Buchse rechter Kanal Kopfhöreranschluss linker Kanal Kopfhöreranschluss rechter Kanal Mikrofoneingang Tabelle 3.1: In den Schemas verwendete Bezeichnungen dspic Der dspic wurde wie in Abbildung 3.2 dargestellt beschaltet. Die Standardbeschaltung konnte aus dem Datenblatt des dspic [3] übernommen werden. Bei den Kondensatoren C4, C5, C6, C7, C9 und C28 handelt es sich um Stützkondensatoren welche zwischen V DD und V SS respektive AV DD und AV SS angebracht sind. Der Kondensater C8 (V CAP) wird benötigt um den on-chip Spannungsregler, welcher die Spannung für den Kern des dspics erzeugt, zu stabilisieren. Es handelt sich dabei um einen Mehrschicht-Keramik-Kondensator mit einer Kapazität von 10 µf. Bei den Widerständen R1 und R2 handelt es sich um Pullup Widerstände der I2C Schnittstelle, über welche der Audiocodec konguriert werden kann. Sämtliche Pins welche mit einem Signal RB0 bis RB15 oder RD0 bis RD11 verbunden sind, werden auf die beiden Erweiterungsports geführt. Für diese Erweiterungsports bestehen noch keine Boards, es handelt sich lediglich um 2.54 mm Buchsenleisten an welche weitere Hardware angeschlossen werden kann. Da es sich bei den I/O Ports des dspics um Ports mit Peripheral Pin Select (PPS) handelt, können die Erweiterungsports für eine Vielzahl an Möglichkeiten eingesetzt werden. PPS bedeutet, dass sich die GPIOs und die alternativen Funktionen die Pins teilen. Somit kann fast jede Funktion des dspics auf einen beliebigen Pin und somit auch auf die Erweiterungsports herausgeführt werden. Die Pins D+, D sowie U SBID werden direkt auf die entsprechenden USB-mini Buchsen (D+, D, ID) geführt, was z.b. eine Kommunikation über die USB Schnittstelle mit einem PC ermöglicht. Aufgrund der Schutzdioden bei der Speisung, wie in Kapitel ersichtlich, können keine USB Geräte betrieben werden, welche vom DSP-Board gespeist werden müssten. Nils Frey / Jannick Keller 12

15 Abbildung 3.2: Schemaausschnitt mit dem dspic Nils Frey / Jannick Keller 13

16 3.1.2 Codec Die notwendige Beschaltung für den Audiocodec W M8731 konnte grösstenteils von der angegebenen Standardbeschaltung aus dem Datenblatt des Codec [1] entnommen werden. In Abbildung 3.3 ist das Schema des Audiocodecs mit sämtlichen dazugehörigen Elementen dargestellt. Abbildung 3.3: Schemaausschnitt mit dem Audiocodec WM8731 Die Pins LLINEIN und RLINEIN werden auf eine 3.5mm Klinkebuchse geführt und dienen als Line In Eingang. Es handelt sich dabei um einen hochohmigen, niederkapazitiven Eingang um Signale von Audiogeräten zu empfangen. Die Kondensatoren C16 und C17 sind Blockkondensatoren, welche allfällige Gleichströme zwischen der treibenden Quelle und dem W M 8731 entfernen. Ausserdem bilden sie zusammen mit der Eingangsimpedanz des Codecs ein Hochpasslter. Die Widerstände R3 und R4 resp. R5 und R6 bilden einen Spannungsteiler um den Eingang vor Überlast zu schützen. Die Kondensatoren C10 und C11 bilden Hochpasslter um hochfrequente Störungen welche auf den Leitungen entstanden sind zu unterdrücken. M ICIN ist der Eingang um ein Mikrofon anzuschliessen. Es handelt sich um einen hochohmigen, niederkapazitiven Eingang und eigenet sich für eine breite Palette von Mikrofonen, dank einer internen, zweistugen Verstärkerschaltung wobei die Verstärkung der zweiten Stufe softwaremässig angepasst werden kann. Bei der Konguration dieser Verstärkerstufe muss beachtet werden, dass die maximale Signalamplitude am A/D Wandlers 1 V rms beträgt. Höhere Amplituden führen zu Verzerrungen des Audiosignales. Beim Kondensator C18 handelt es sich um einen Blockkondensator. Nils Frey / Jannick Keller 14

17 Der Widerstand R7 führt zum Bias-Eingang MICBIAS und ist für Mikrofone, welche eine Vorspannung benötigen. Der Widerstand R8 schützt den Eingang des Codec vor Überspannungen. C27 bildet mit der Eingangsimpedanz des Codec und der Ausgangsimpedanz des Mikrofones ein RF-Filter zur Störunterdrückung. Wie die Eingänge, führen auch die Audioausgänge auf 3.5mm Klinkebuchsen. Die Line Out Ausgänge LOU T und ROU T sind mit den Blockkondensatoren C21, resp. C22 beschaltet. Die Widerstände R10 resp. R13 verhindern eine Verschiebung des Ausgangspegels durch Auadung der Kondensatoren C21 und C22. Die Widerstände R11 und R12 sind Entkopplungswiderstände und schützen die Codecausgänge vor aussergewöhnlich grossen Lasten. Die Kopfhörerausgänge LHP OU T und RHP OU T sind ebenfalls mit je einem Blockkondensator (C23 und C24) und einem Pull-Down-Widerstand (R14 und R15) versehen. Das Software Control Interface des Codec besteht aus den Pins MODE, CSB, SDIN und SCLK. Es wird dazu verwendet um eine I2C Verbindung mit dem dspic zu erstellen. In Abbildung 3.3 ist ersichtlich, dass der M ODE und der CDB Pin Hardwaremässig auf Ground gezogen werden. Damit wird diese Schnittstelle so konguriert, dass sie im 2 wire Modus arbeitet und die Adresse verwendet wird. Die Signale I2C_Data und I2C_Clock werden mittels Pullup Widerständen nach V DD gezogen. An den Pins XT I/MCLK und XT O wird ein MHz Quarz betrieben. Dieses Clocksignal wird intern gebuert und über den Pin CLKOU T dem dspic weitergegeben. Die Frequenz beträgt MHz weil es mit dieser Frequenz möglich ist, mit den vorhandenen Divisions- und Multiplikationsfaktoren, Abtastraten der A/D und D/A Wandler von 8 khz, 32 khz, 48 khz und 96 khz einzustellen. Der Pin V M ID dient als Referenzspannung für die Audioeingäge und Audioausgänge und benötigt die beiden Entkopplungskondensatoren C25 und C26. Nils Frey / Jannick Keller 15

18 3.1.3 Speisung Dieser Bereich des Schemas enthält die Spannungswandlung von 5V nach 3.3V, womit der dspic und der Codec gespeist werden. Abbildung 3.4 zeigt den entsprechenden Ausschnitt aus dem Schema. 1 Abbildung 3.4: Schemaausschnitt mit der Spannungsversorgung U3 und U4 sind die eigentlichen Spannungswandler vom Typ LD1117DT 33. Beide haben je einen Kondensator am Eingang (C31 und C32) und einen am Ausgang (C30 und C31) um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. Der Spannungswandler U 3 versorgt den digitalen Teil der Schaltung mit 3.3V während der U 4 den analogen Teil versorgt. Aus schematechnischen Gründen werden auch die Massen vom digitalen- und analogen Schaltungsteil unterschiedlich bezeichnet (V SS und AV SS). Alle Massen werden allerdings über die Nullohmwiderstände R30 und R31 miteinander verbunden. Die Dioden D1 und D2 dienen als Verpolungsschutz für die Fremdspannungsbuchse sowie an der USB-mini Schnittstelle. Ausserdem verhindern sie eine Rückspeisung auf die USB Schnittstelle wenn über ein externes Netzteil gespeist wird und umgekehrt. Weil über diese beiden Dioden in Vorwärtsrichtung ein Spannungsabfall herrscht und dies die Eingangsspannung der Spannungswandler verringert, muss darauf geachtet werden, dass dieser Spannungsabfall möglichst klein ist. Bei den Dioden handelt es sich aus diesem Grund um Schottky-Dioden vom Typ PMEG2010BER. Diese lassen einen maximalen Vorwärtsstrom von 1A bei einer Spannung bis zu 20V zu. Der maximale Spannungsabfall im Vorwärtsbetrieb beträgt 0.45V und ist somit deutlich geringer als bei einer normalen Siliziumdiode. 1 Dieser Schaltungsteil basiert auf dem Datenblatt des Spannungswandlers [2] Nils Frey / Jannick Keller 16

19 3.1.4 Reset In diesem Abschnitt wird die Resetschaltung beschrieben welche in Abbildung 3.5 dargestellt ist. Diese Schaltung ist dazu da, den dspic sowie auch den Audiocodec einerseits bei Inbetriebnahme des Boardes (Power On Reset) und andererseits beim drücken des Resettasters zurückzusetzen. Der Reseteingang beider Komponenten sind low-aktiv. Abbildung 3.5: Schemaausschnitt der Resetschaltung Die Schaltung funktioniert folgendermassen: Sobald Spannung anliegt, lädt sich der Kondensator C34 über den Widerstand R32 mit einer Zeitkonstante τ = 100 ms auf. Sobald die Spannung am Kondensator über die erforderliche Schwellspannung steigt, können der dspic und der Audiocodec betrieben werden. Beim drücken des Resettasters SW 4 entlädt sich der Kondensator C34 über den Widerstand R20 mit τ = 1 ms und bleibt auf 0V bis der Taster wieder losgelassen wird und der Kondensator wieder aufgeladen ist. Die Diode D3 ist da, damit sich der Kondensator C34 darüber schnell entlädt wenn keine Spannung V DD mehr anliegt Taster / LED Das User Interface (UI) auf dem DSP-Board ist minimal gehalten. Auf dem Board benden sich drei grüne Leuchtdioden sowie drei Taster. Diese können direkt vom dspic angesteuert resp. ausgelesen werden und sind folglich direkt mit diesem verbunden. Falls mehr Eingabe- oder Ausgabemöglichkeiten benötigt werden, müssen diese über die Erweiterungsports realisiert werden. In Abbildung 3.6 ist der Schemaausschnitt des UI dargestellt. Die Andoden der LEDs werden jeweils über 470 Ω Pullupwiderstände mit der 3.3 V Speisung verbunden. Somit iesst, wenn die Ausgänge des dspic auf 0 V gezogen sind, ein Strom von ca. 7 ma durch die LEDs und diese leuchten. Die Taster sind auf einer Seite mit Masse verbuden, sodass die Spannung an den entsprechenden dspic Eingängen bei betätigten Tastern 0 V beträgt. Wenn die Taster nicht betätigt werden, sind die Eingänge oating und werden über die internen schwachen Pullups auf 3.3 V gezogen. Nils Frey / Jannick Keller 17

20 DSP-Board für Labor und Unterricht Abbildung 3.6: Schemaausschnitt mit den Taster und LED Programmer Um den dspic zu programmieren, ist die Verwendung des PICkit 3 von Microchip vorgesehen. Die notwendigen Pins, um dieses anzuschliessen, sind auf die abgewinkelte Stiftleiste J2 PICkit 3 ist wie in Abbildung 3.7 dargestellt anzuschlissen, sodass die Markierung von geführt. Das P in1, sowie die Status LEDs und Beschriftung gut sichtbar auf der Oberseite sind. Abbildung 3.7: DSP-Board mit angeschlossenem PICkit3 Nils Frey / Jannick Keller 18

21 DSP-Board für Labor und Unterricht 3.2 Layout Wie bereits erwähnt wurde für das Layout ebenfalls die Software Design Spark PCB 4.0 verwendet. Beim layouten musste auf verschiedenste Aspekte geachtet werden. Auf einige wichtige Überlegungen wird in diesem Kapitel eingegangen. Die Abbildung 3.8 gibt einen groben Überblick über das Layout mit allen Layern sichtbar. Abbildung 3.8: Uebersicht Layout Bei dem Print handelt es sich um einen zweilagigen Print (Top-Layer rot / Bottom-Layer blau). Dies verringert die benötigte Fläche deutlich. Auf mehr Lagen wurde verzichtet, da dies den Preis sehr schnell in die Höhe treiben würde und der Print bereits mit zwei Lagen über eine akzeptable Grösse verfügt. Für die meisten Bauteile wurde eine SMD-Bauform gewählt und nur einzelne Komponenten sind in konventioneller THT Bauformen. Um eine Bestückung von Hand zu ermöglichen, wurden für Widerstände und Kondensatoren keine kleineren Baugrössen als SMD 0805 gewählt. Es wurde viel Wert auf eine konsequente Trennung zwischen dem analogen und dem digitalen Schaltungsteil gelegt, um Störungen der analogen Signale durch die z.t. hochfrequenten, digitalen Leitungen zu verhindern. Dies beinhaltet auch die Verwendung von zwei separaten Spannungswandlern um die analogen, resp. digitalen Komponenten zu speisen. Durch eine überlegte Anordnung der Komponenten konnte der Print so gestaltet werden, dass die anloge- und digitale Masse voneinander getrennt sind, was den Vorteil hat, dass bei Auftreten hochfrequenter Störungen im digitalen Bereich, diese im analogen Bereich nicht merkbar sind. Die beiden Massen der Spannungswandler (AV SS und V SS ) wurden an zentraler Stelle mittels Nullohmwiderständen miteinander verbunden. Um möglichst geringe Potentialunterschiede zwischen den Komponenten, welche an Masse sind, zu erhalten, wurde auf dem Top-Layer über dem digitalen und auf dem Bottom-Layer über dem analogen Schaltungsteil eine Masse äche plaziert. Nils Frey / Jannick Keller 19

22 DSP-Board für Labor und Unterricht In Abbildung 3.9 ist der Bottom-Layer des Printes dargestellt und darauf die Plazierung des Audiocodecs ersichtlich. Um möglichst wenige Störungen auf den Leitungen zu erhalten wurde der Audiocodec möglichst nahe bei den Klinkebuchsen plaziert und so angeordnet, dass die Pins, an welchen digitale Signale anliegen (Clock, I2S, I2C ), möglichst gut vom analogen Teil getrennt werden können. Vor allem bei den Audioeingängen (LineIn und und M ic), aber auch bei den Audioausgängen (LineOut HP ) wurde darauf geachtet, dass sich die Blockkondensatoren und auch die andere Beschaltung möglichst nahe am Audiocodec be nden. Abbildung 3.9: Bottom-Layer des Layouts In der Abbildung 3.10 ist der Top-Layer des Printes dargestellt. Dies beinhaltet den grössten Teil des Printes und unter anderem den dspic, welcher sich relativ zentral auf dem Print be ndet. Der dspic verfügt nur über einige Blockkondensatoren, welche nache am dspic plaziert sind. Er wurde so plaziert, um das layouten möglichst eifach zu gestalten. D.h. so, dass die Pins zum Programmer möglichst direkt zu der Programmer Schnittstelle, die Pins für die Kommunikations mit dem Codec möglichst direkt mit dem Codec verbunden und auch die Erweiterungsports möglichst direkt angeschlossen werden konnten. Nils Frey / Jannick Keller 20

23 DSP-Board für Labor und Unterricht Abbildung 3.10: Top-Layer des Layouts 3.3 Kosten Da es sich bei diesem DSP-Board nicht um ein High-End Produkt handelt, mussten bei der Entwicklung und Auswahl der Komponenten auch stets die Kosten berücksichtigt werden. Auf der mitgelieferten CD be ndet sich eine ausführliche Tabelle, auf welcher sämtliche bestückten Bauelemente und mechanischen Komponenten erfasst sind und die Lieferanten, Bestellnummern sowie Preise der Komponenten aufgelistet sind. Aus dieser Liste erfolgt ein Preis von Fr. für die Bauelemente bei einer Serienproduktion von 50 Stück. Um die Gesamtkosten eines unbestückten Boards zu erhalten kommen noch die Kosten für die Fertigung der Printplatte hinzu. Bei einer Fertigung von 50 Stück bei PCB-Pool betragen diese Kosten ungefähr 10.- Fr. pro Board. Zu diesem Preis kommen je nach Bedarf noch die Kosten für ein Programmer (PICkit3) und eines USB zu USB-mini Kabels für die Stromversorgung von einem Computer. In der Tabelle 3.2 sind diese Preise übersichtlich zusammengestellt. Bauteile Fr. Printplatte 10.- Fr. USB Kabel 4.30 Fr. Total 42.- Fr Fr Fr. Programmer Total Tabelle 3.2: Kosten eines unbestückten DSP-Boards bei einer 50 St. Serie Nils Frey / Jannick Keller 21

24 4 Software Dieses Kapitel befasst sich mit dem Softwareteil des Projektes. Dieser umfasst das Framework des dspics sowie die implementierten Beispielprogramme zur digitalen Signalverarbeitung. 4.1 Framework Das Framework ist die Softwareschicht zwischen der Hardware und den Anwenderfunktionen. Es übernimmt alle Hardwarezugrie und übergibt dem Anwender Schnittstellen zur komfortablen Verwendung der Hardware. Der Hauptprogrammablauf folgt dem Flussdiagramm aus Abbildung 4.1 und bendet sich in der Datei DSP Board.c. Abbildung 4.1: Flussdiagramm Übersicht Als erstes werden einige Kongurationsbit des dspics gesetzt, wie dies in Kapitel beschrieben wird. Anschliessend wir die main Funktion gestartet. Aus dieser heraus werden dann die Funktionen init_dsp IC, welche ebenfalls im Kapitel beschrieben ist, und init_codec, welche im Kapitel beschrieben ist, aufgerufen. Dann wird die Funktion dsv durchlaufen und die main Funktion verweilt in einer Endlosschleife, um den dspic am Laufen zu halten und die Interruptroutinen weiterhin ausgeführt werden. Die Datei DSP Board.h beinhaltet alle Header-Dateien, die das Programm benötigt. Diese sind in Listing 4.2 aufgeführt und werden in den entsprechenden Kapiteln kurz erwähnt. Zudem enhält die Datei die von der Datei DSP Board.c zu exportierenden Variablen und Funktionen, so wie die Denes des ganzen Programmes zusammengefasst. Diese werden ebenfalls in den entsprechenden Kapiteln erläutert. Die Datei DSP Board.h wird in jeder Source-Datei eingebunden. Nils Frey / Jannick Keller 22

25 1 / / 2 / INCLUDES / 3 / / 4 Listing 4.2: init_clock 5 #i n c l u d e ".. / Header F i l e s / microchip /dsp. h" 6 #i n c l u d e ".. / Header F i l e s / microchip /p33ep256mu806. h" 7 #i n c l u d e ".. / Header F i l e s /wm8731. h" 8 #i n c l u d e ".. / Header F i l e s / i 2 c. h" 9 #i n c l u d e ".. / Header F i l e s / led_switch. h" 10 #i n c l u d e ".. / Header F i l e s /dma. h" 11 #i n c l u d e ".. / Header F i l e s / d c i. h" 12 #i n c l u d e ".. / Header F i l e s / i n t e r r u p t. h" 13 #i n c l u d e ".. / Header F i l e s / dsv. h" dspic 2 Noch bevor die Funktion main gestartet wird, müssen einige Kongurationsbit gesetzt werden. Dies ist nötig, damit der dspic weiss, von wo er seinen Clock bekommt und wie er mit diesem umgehen muss. Dafür sind die Befehle aus Listing 4.3 zuständig. Listing 4.3: Kongurationsbit 1 _FOSCSEL(FNOSC_PRIPLL & IESO_ON) ; 2 _FOSC(FCKSM_CSECMD & OSCIOFNC_OFF & POSCMD_EC) ; 3 4 _FWDT(FWDTEN_OFF) ; In der ersten Zeile werden im Oscillator Source Selection Register (F OSCSEL) über das Dene F NOSC_P RIP LL die F NOSC Bits auf den Binärwert 011 gesetzt. Damit wird eingestellt, dass der dspic eine externe Taktquelle über den PLL verwendet. Diese kann entweder ein Quarz, welcher an die Pins OSC1 und OSC2 angehängt ist, oder ein Takt, welcher von einem anderen IC kommt und an Pin OSC1 geht, sein. Die Konguration des PLLs wird in Kapitel beschrieben. Über das Dene IESC_ON wird das IESC Bit gesetzt, womit angegeben wird, dass der dspic zuerst mit dem internen Fast RC Oscillator startet und danach auf die vom Benutzer ausgewählte Taktquelle wechselt. Alle nicht verwendeten Bits des Registers müssen mit 1 programmiert werden. In der zweiten Zeile wird das Oscillator Conguraion Register programmiert. Die F CKSM Bits werden auf 0b01 gesetzt, wodurch das Wechseln des Taktes erlaubt und der Fail-Safe Taktmonitor deaktiviert wird. Mit dem Setzten des OSCIOF NC Bit durch das Dene OSCIOF NC_OF F wird die General Purpose Funktion des Pins OSC2 deaktiviert und der Befehlstakt (F CY ) auf diesen Pin ausgegeben. Über die Bits P OSCMD wird die Art der externen Taktquelle gewählt. Mit dem Dene P OSCMD_EC wird ein externer Takt über einen anderen IC am Pin OSC1 eingestellt, indem der Binärwert 00 programmiert wird. Auch hier werden alle nicht verwendeten Bits auf 1 gesetzt. Somit auch stillschweigend das IOL1W AY Bit, wodurch angegeben wird, dass alle Pins mit Peripheral Pin Selection nur einmalig umkonguriert werden können. Mehr zum Thema Peripheral Pin Selection ist im Datenblatt des dspics [3] zu nden. In der letzten Zeile wird noch der Watchdog deaktiviert, indem das F W DT EN Bit im F W DT Register gelöscht wird. 2 Weitere Informationen zu diesem Thema benden sich in den Datenblättern [3] und [4] Nils Frey / Jannick Keller 23

26 Die Initialisierung der benötigten Schnittstellen des dspics wird über die Funktion init_dsp IC verwaltet. Wie aus dem Flussdiagramm in Abbildung 4.5 herauszusehen ist, ruft diese, mit Ausnahme des ersten und letzten Befehls, lediglich nacheinander die init Funktionen der einzelnen Schnittstellen auf. Die Beschreibungen dieser init Funktionen sind in den entsprechenden Kapiteln zu nden. Der Code der Funktion init_dsp IC ist in Listing 4.4 zu sehen. Das Ziel dieser Funktion ist, dass eine Schnittstelle leicht hinzugefügt oder entfernt werden kann, z.b. durch einfaches Auskommentieren, wie es in den Zeilen 10 und 11 zu sehen ist. Mit dem ersten Befehl wird das IOLOCK Bit im OSCCON Register gelöscht, um das Beschreiben der Register des dspiics zu aktivieren. Nachdem alle init Funktionen durchlaufen sind, wird das IOLOCK Bit wieder gesetzt, um ein unerwünschtes Ändern der Register zu verhindern. 1 void init_ dspic ( void ) 2 { 3 OSCCONbits. IOLOCK = 0 ; 4 i n i t _ c l o c k ( ) ; 5 i n i t _ i n t e r r u p t ( ) ; 6 init_led_switch ( ) ; 7 init_i2c ( ) ; 8 init_dma ( ) ; 9 init_dci ( ) ; 10 // init_usb ( ) ; 11 // i n i t _ p e r i p h e r y ( ) ; 12 OSCCONbits. IOLOCK = 1 ; 13 } Listing 4.4: init_dspic Der gesamte hier beschriebene Code ist in der Quelldatei DSP Board.c zu nden. Nils Frey / Jannick Keller 24

27 Abbildung 4.5: Flussdiagramm init_dspic Nils Frey / Jannick Keller 25

28 4.1.2 Clock 3 Da der dspic mit einem externen Takt (F IN ) von MHz betrieben wird, aber mit einer internen Taktrate (F CY ) von bis zu 70 MHz betrieben werden kann, wird der PLL verwendet. Die Konguration um den PLL einzuschalten ist in Kapitel beschrieben. In dieserm Kapitel wird beschrieben wie der PLL konguriert wird, was in der Funktion init_clock stattndet. Diese bendet sich in der Datei DSP Board.c. Die Abbildung 4.6 zeigt das Blockschaltbild des PLLs. Aufgrund der Anordnung der Blöcke ergibt sich zur Berechnung des Befehlstaktes F CY die Formeln 4.1 und 4.2. Da aus dem Befehlstakt mit der Formel 4.4 aus Kapitel die Übertragungsfrequenz der I2S Schnittstelle berechnet wird und diese ein Vielfaches der Abtastrate des Codecs (Kapitel 4.1.8) sein muss, ist die maximal mögliche Frequenz M Hz. Abbildung 4.6: PLL Blockschaltbild 4 F CY = 2 F OSC (4.1) M F OSC = F IN N1 N2 = F (P LLDIV + 2) IN (P LLP RE + 2) (2 (P LLP OST + 1)) Mit N1 = P LLP RE + 2 N2 = 2 (P LLP OST + 1) M = P LLDIV + 2 (4.2) Wie in Listing 4.7 zu sehen ist, wurde, um diese Frequenz zu erreichen, der Bitbereich P LLDIV aus dem Register P LLF BD mit 78, die P LLP OST Bits des Registers CLKDIV mit 0 und der Bitbereich P LLP RE des selben Registers mit 2 geladen. Es gibt noch eine andere Kongurationsmöglichkeit um diese Frequenz zu erhalten. Bei dieser sind dann jedoch die Zwischenfrequenzen F P LLI und F SY S, welche auf dem Blockschaltbild 4.6 zu sehen sind, nicht mehr im zulässigen Bereich. Die zulässigen Bereiche sind entweder im Bolckschaltbild oder in Listing 4.8 zu sehen. Die genaue Berechnung der Kongurationsbitwerte bendet sich im Anhan A.1. In der Datei DSP Board.h sind nützliche Denes für die Frequenzen F IN, F OSC und F CY deniert (Listing 4.9). Für F IN wird die externe Eingangsfrequenz in Hz angegeben. Aus dieser und den oben 3 Weitere Informationen zu diesem Thema benden sich in den Datenblättern [3] und [4] 4 Bildquelle: Datenblatt [4] Nils Frey / Jannick Keller 26

29 Listing 4.7: init_clock 1 void i n i t _ c l o c k ( ) 2 { 3 CLKDIVbits. PLLPOST = 0 ; 4 CLKDIVbits. PLLPRE = 2 ; 5 PLLFBDbits. PLLDIV = 7 8 ; 6 } Listing 4.8: Zulässige Frequenzbereiche 0.8 MHz <= F P LLI <= 8 MHz 120 MHz <= F SY S <= 340 MHz 15 MHz <= F OSC <= C beschriebenen Registerbit-Werten wird die Frequenz F OSC berechnet, woraus dann wiederum F CY berechnet wird. Listing 4.9: Denes zum Clock 1 #d e f i n e FIN #d e f i n e FOSC (FIN ( ( PLLFBDbits. PLLDIV + 2) / ( ( CLKDIVbits.PLLPRE + 2) (2 ( CLKDIVbits.PLLPOST + 1) ) ) ) ) 3 #d e f i n e FCY (FOSC / 2) Interrupt 5 Die Interrupts werden für den DMA benötigt. In der Datei interrupt.c wird die nötige Initialisierung über die Funktion init_interrupt, wie sie in Listing 4.10 zu sehen ist, vorgenommen. Dafür werden lediglich die beiden Bits NST DIS des Registers INT CON1 und GIE des Register INT CON2 gesetzt. Ersteres deaktiviert das Verschachteln von Interrupts und letzteres aktiviert die Benutzerinterrupts. 1 void i n i t _ i n t e r r u p t ( ) 2 { 3 INTCON1bits. NSTDIS = 1 ; 4 INTCON2bits. GIE = 1 ; 5 } Listing 4.10: init_clock Die Datei interrupt.h exportiert die Funktion init_interrupt Taster / LED 6 Um die Taster und LEDs, welche sich auf dem DSP-Board benden, müssen diese erst Konguriert werden. Dies wird in der Datei led_switch.c mit der Funktion init_led_switch, welche in Listing 5 Weitere Informationen zu diesem Thema benden sich in den Datenblättern [3] und [5] 6 Weitere Informationen zu diesem Thema benden sich in den Datenblättern [3] und [6] Nils Frey / Jannick Keller 27

30 4.11 aufgeführ ist, vorgenommen. Die Pins, an welchen die Taster und LEDs hängen, müssen als digitale IO Pins deniert werden. Durch löschen der entsprechenden Bits im AN SELE Register wird dies bewerkstelligt. Das T RISE Register ist dafür zuständig, die Pins mit den Tastern als Inputs (1) und diejenigen mit den LEDs als Outputs (0) zu kongurieren. Mit dem Register CNP UE werden die internen PullUps bei den Tastern aktiviert (1) und bei den LEDs deaktiviert (0). Die jeweilige Formel zum Setzen und Löschen der Registerbits stellt sicher, dass die Konguration der anderen Bits im Register nicht verändert wird. Nach Abschluss der Konguratino wird die Funktion led_test aufgerufen. Listing 4.11: init_led_switch 1 void init_led_switch ( void ) 2 { 3 ANSELE = ( (ANSELE & ~LED_MSK) & ~SW_MSK) ; 4 TRISE = ( ( TRISE & ~LED_MSK) SW_MSK) ; 5 CNPUE = ( (CNPUE & ~LED_MSK) SW_MSK) ; 6 7 led_test ( ) ; 8 } Die Funktion led_test implementiert ein Lauicht auf den LEDs, welches einmal hin und zurück läuft. Vor und nach dem Lauicht werden alle LEDs ausgeschaltet. Der Delay zwischen dem einund ausschalten der LEDs wird mit der Funktion dsp IC_wait gehandhabt. Diese ist am Ende diese Kapitels beschrieben. Die led_test Funktion wurde am Ender der gesamten Initialisierungskette eingebaut um anzuzeigen, dass das DSP-Board bereit ist. 1 void led_test ( void ) 2 { 3 LED1_OFF; 4 LED2_OFF; 5 LED3_OFF; 6 7 LED1_ON; 8 dspic_wait (100) ; 9 LED1_OFF; 10 LED2_ON; 11 dspic_wait (100) ; 12 LED2_OFF; 13 LED3_ON; 14 dspic_wait (100) ; 15 LED3_OFF; 16 LED2_ON; 17 dspic_wait (100) ; 18 LED2_OFF; 19 LED1_ON; 20 dspic_wait (100) ; 21 LED1_OFF; LED1_OFF; 24 LED2_OFF; 25 LED3_OFF; 26 } Listing 4.12: led_test Nils Frey / Jannick Keller 28