DSP LABOR SS05. Zwischenbericht. Maximilian Laiacker Daniel Gühne Sebastian Kahlbau Tim Schwarz. Betreuer: Dr. Ing. G. Liebsch

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1 DSP LABOR SS05 Zwischenbericht Maximilian Laiacker Daniel Gühne Sebastian Kahlbau Tim Schwarz Betreuer: Dr. Ing. G. Liebsch

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Signalgeneratorboard Sinussignalgeneratoren Lautstärkeregelung Filterung und Treiber USB-Platine Übersicht Layout Schnittstellen Ergebnisse Datentransfer PC DSP Steuerung der Hardware mit Matlab

3 1. Einführung Das Projekt im Sommersemester 2005 läuft in Kooperation mit der Audiologieabteilung der Charite. Dort wurde ein spezielles Messverfahren zur Erfassung, Störbefreiung und Darstellung im Frequenz von DPOAE entwickelt. Otoakustische Emissionen sind vom Innenohr erzeugter, im Gehörgang messbarer Schall. Zu ihnen gehören die Distorsionsprodukte (DPOAE), die bei Beschallung mit zwei Tönen der Frequenzen f 1 und f 2 infolge der Nichtlinearität des Innenohrs entstehen. In der Audiologie wird die DPOAE- Frequenz (2*f 1 -f 2 ) ausgewertet. Abbildung 1: Schematische Darstellung der Frequenz-Orts-Kodierung der zwei generierten Töne auf der entrollten Basilarmembran im Innenohr Gegenstand der Forschung in der Charite ist ein Verfahren, bei dem der für diese Frequenz "charakteristische" Ort auf der Basilarmembran mit einem weiteren Ton maskiert und damit der sogenannte "zweite Generator" abgeschaltet wird ("Single-Generator-DPOAE, sgdpoae"). Zusätzlich sind die DPOAE durch einen weiteren Ton tiefer Frequenz modulierbar. Die Form der Modulationsmuster läßt Rückschlüsse auf den Zustand des Innenohrs zu. Die Anregung und Messung der sgdpoae erfolgt mit einer Gehörgangs-Sonde, die vier getrennte Lautsprecher und ein Miniatur-Messmikrofon enthält

4 Die gemessenen Signale werden nach einer Verstärkung über eine hochwertige Soundkarte im PC in Matlab ausgewertet und es können Rückschlüsse über das Gehör des Patienten gewonnen werden. Die Lautsprechersignale werden ebenfalls im PC über die Soundkarte generiert. Im Dsp Labor ersetzten wir die Soundkarte durch das DSP Board 6713 von Texas Instruments. So dass die Signale der Gehörgangs-Sonde über den Audio-Codec AIC-23 des DSP-Boards analog/digital gewandelt werden. Auf dem Board wird eine FFT durchgeführt. Abbildung 2: Ein vom Tiefton modulierter Ton, erzeugt vom Lautsprecher. Die Frequenzachse kann invertiert analog zur Länge der Basilarmembran betrachtet werden(höherer Ton näher am Eingang des Innenohrs). Die Lautsprechersignale werden von Sinusgeneratoren (AD 9832) erzeugt. Die Kommunikation zwischen PC und Board wird durch eine USB-Schnittstelle realisiert

5 2. Signalgeneratorboard Aufgabe des Signalgeneratorboards ist die Erzeugung von einem Sinuston je Kanal im Frequenzbereich von 15Hz bis 20kHz. Die Frequenz soll über ein SPI-Interface für jeden Kanal unabhängig einstellbar sein. Weiterhin soll das Ausgangssignal Pegel bis zu 7.5Vpp erreichen können bei einem Laststrom von 100mA. Ansteuerung der Platine Die Platine wird extern über ein SPI Interface mit 8 Chip-Enable Leitungen angesteuert. Die Signalgenerator-ICs können jeweils auf eine von 3 verschiedene CE-Leitung über einen Jumper geschaltet werden. Beim Lautstärkeregelung IC ist dies nur bei 2 verschiedene CE-Leitungen möglich. Die SPI-Schnittstelle ist eine synchrone serielle Schnittstelle, welche 4 verschiedene Modi kennt. In unserem Fall nutzen wir ein low-aktives CE-Signal mit positivem Takt und Daten. Die Datenübernahme findet an der steigenden Taktflanke statt. Die Taktfrequenz kann bis zu 5MHz betragen. Die Leitungen werden vom DSP getrieben und über ein 16poliges Flachbandkabel zur Platine übertragen. Ausser dem SPI-Interface und den 8 CE-Leitungen werden dabei noch 3.3V und 5V Spannung sowie 4 Ground-Signale übertragen. 2.1 Sinussignalgeneratoren Zur Generierung der Sinustöne benutzen wir den Direct-Digital-Synthesis(DDS) Baustein AD9832 von AnalogDevices. Dieser wird mit 25MHz getaktet. Über einen programierbaren Teiler erzeugt der IC intern ein niederfrequenteres Signal, welches eine Sinus-Lookup-Tabelle(LUT) taktet. Die jeweils aktuellen Sinuswerte aus dem LUT werden über einen DAC mit 10bit Auflösung in ein entsprechendes Sinusignal umgesetzt. Abbildung 3: Prinzipbeschaltung eines AD

6 2.2 Lautstärkeregelung Die Lautstärkeregelung wird über ein PGA4311 IC von Texas Instruments geregelt. Der IC besitzt 4 unabhängige Kanäle, welche von uns nur zur Hälfte genutzt werden. Der Regelbereich des ICs liegt bei +31.5dB bis -95.5dB. Der Ausgangspegel kann als Maximum die geforderten 7.5Vpp erreichen. 2.3 Filterung und Treiber Aufgrund der nur geringen Treiberfähigkeit des Lautstärkeregelung-ICs von etwa 10mA ist ein zusätzlicher Treiber IC notwendig. Deshalb weisen alle Kanäle optional einen AD8139 Treiber von AnalogDevices auf. Dieser erreicht die geforderten 100mA Laststrom. Weiterhin ist je Kanal ein Hochpass mit 400Hz Grenzfrequenz vorgesehen. Dies ist seitens des Herstellers des DPOAE-Probes vorgeschrieben, um die benutzten Piezo-Lautsprecher nicht mit tieffrequenten Signalen zu belasten

7 3. USB-Platine 3.1 Übersicht Die Platine dient dazu den DSP über den USB Bus mit deinem PC zu verbinden und mit diesem Daten auszutauschen. Auf der Platine befindet sich weiterhin ein Steckverbinder zu der DDS- Platine, zwei Stecker an denen die Signale der Seriellen Schnittstellen (McBSP) des DSP anliegen. Es gibt weiterhin die Möglichkeit eine ADC (ADS1271) Platine anzuschliessen. Die Platine wird auf das DSP DSK Board gesteckt, 6711 oder 6713 Über die USB Schnittstelle sollen die aufgenommen und vorverarbeiteten Audio Daten zur Anzeige und Auswertung an einen PC gesendet werden. Die Daten werden mittels eines Selbstdefinierten Protokolls übertragen Layout Abbildung 4USB-Platine auf DSP-Board Schnitstelle zur DDS Platine USB Anschluss McBSP 0 und 1 DSP Schnitstelle zur ADC Platine Schnittstellen McBSP0: Abbildung 5McBSP1-7 -

8 McBSP1: DDS: Abbildung 6McBSP1 3.2 Ergebnisse Der USB-Controller wird vom PC erkannt und das integrierte EEPROM lässt sich beschreiben. Mit einem einfachen Testprogramm lassen sich Daten vom PC an die Platine senden, für dendsp gibt es noch keine Software die den USB-Chip anspricht. Nach dem Daten gesendet wurden geht die TXE Leitung (Transmitt Buffer Empty) des USB-Chips von 3.3V auf 0V

9 4. Datentransfer PC DSP An dieser Stelle soll die Datenübertragung zwischen PC und DSP über das USB Interface beschrieben werd. Dies lässt sich zunächst einmal am besten an einem Flowchart zum Programmfluss erläutern. Dabei bezeichnen abgerundete Vierecke Aktivitäten, Rechtecke Objekte und Karos Verzweigungen. Abbildung 7: Screenshot Zu Beginn des Prozesses wird ein, dem Protokoll entsprechend, kodierter Befehl von Matlab über die USB Schnittstelle zum FT245 übertragen. Wobei dieser Befehl aus mehreren Bytes besteht. Hat der FT245 ein Byte empfangen, so wird über die RXF Leitung ein Interrupt ausgelöst, welcher den DSP veranlasst, das Byte aus dem Eingangs FIFO des FT245 abzuholen und ein einem Buffer zwischenzuspeichern. Nachdem der komplette Befehl (6 Bytes) empfangen wurde, wird das Kommando im DSP ausgewertet und der zugehörige Prozess gestartet. Hier wird vorerst nur auf den Datentransfer mit definierter Grösse vom ADC über den MCBSP zum USB Interface eingegangen. Dabei wird nach erkanntem Kommando die Ausgabe über die DDS Generatoren gestartet und danach der Eingangsdatenstrom über AD Umsetzer, MCBSP und EDMA. Das Hauptproblem ist hierbei, die Komponenten (MCBSP, EDMA,...) korrekt und aufeinander abgestimmt zu initialisieren. Ist dies geschehen und das System läuft, speichert der EDMA die empfangenen Daten in ein oder besser zwei Datenpuffern ab. Der Vorteil bei zwei Buffern ist, während der eine noch vom EDMA gefüllt wird, kann der andere schon über die USB Schnittstelle zum PC gesendet werden. Auf den Datenpuffer wird gegebenenfall vor der Übertragung zum PC noch eine FFT angewandt

10 5. Steuerung der Hardware mit Matlab Da die Daten ohnehin für die Weiterverarbeitung in Matlab hätten gespeichert werden müssen, haben wir uns entschieden, die gesamte Funktionalität des Projektes aus Matlab heraus zu steuern. Dazu gehört beispielsweise die Programmierung der Frequenz Generatoren und des AD Wandlers und natürlich Grundfunktionen wie Starten und Stoppen des Prozesses (siehe Protokoll). Für die Anbindung an externe Peripherie stellt Matlab recht elegante Funktionen zur Verbindung mit einer seriellen Schnittstelle bereit. Da der von uns gewählte USB Chip FT245 sich mit entsprechendem Treiber als virtueller COM Port zu erkennen gibt, haben wir beschlossen auf dieses Feature zurückzugreifen, um die Pcseitige Programmierung so einfach wie möglich zu gestalten. Die geht natürlich auf Kosten der Übertragungsgeschwindigkeit, welche mit echter USB Anbindung ungleich höher ausfallen würde und so wohl nur bis zu 300 kbit erreicht werden können. Für unser Problem ist dies jedoch ein akzeptabler Wert. Die Steuerung soll dann über eine grafische Benutzeroberfläche realisiert werden, welche direkt in Matlab eingebunden ist. Damit kann man dann die komplexen, von Matlab bereitgestellten, Werkzeuge zur Auswertung und Weiterverarbeitung der Daten benutzen. In Abbildung 3 ist ein Screenshot der ersten Version dieser GUI zu sehen. Abbildung 8: Screenshot Da die Platinen noch nicht fertig gestellt sind, wurden die grundlegenden Funktionen, d.h. Das Senden und Empfangen von Daten, über einen USB to Serial Adapter, mittels des Hyper Terminals in Verbindung mit einem externen Rechner, getestet. Die Simulation mit Testtextdaten hat ordentlich funktioniert. Implementiert werden muss nun noch das korrekte Empfangen von 16 oder 32 Bit Daten, die Unterscheidung zwischen Block und Loop Transfer und das Protokoll muss umgesetzt werden