PROCESORY SYGNAŁOWE - LABORATORIUM Ćwiczenie nr 03 Obsługa portu szeregowego, układu kodeka audio i pierwsze przetwarzanie sygnałów (cyfrowa regulacja głośności) 1. Konfiguracja układu szeregowego portu MCBSP Porty szeregowe są zwykle jednymi z najważniejszych urządzeń w mikroprocesorowych układach przetwarzania sygnałów. Dzięki prostej architekturze transmisji szeregowej umożliwiają przesyłanie danych między układem mikroprocesorowym a przetwornikami analogowo-cyfrowymi (A/C) i cyfrowo-analogowymi (C/A). Bardziej wydajne interfejsy równoległe są stosowane tylko w przypadkach, w których najważniejszym kryterium jest szybkość transmisji. Makieta laboratoryjna umożliwia akwizycję sygnałów z tzw. kodeka audio TLV320AIC23 firmy Texas Instruments. Układ ten nie tylko zawiera przetworniki A/C i C/A, ale również zapewnia szereg funkcji związanych z akwizycją sygnałów audio (programowane wzmocnienie, nadpróbkowanie, filtrację i obsługę różnych interfejsów szeregowych). Dokumentacja układu jest dostępna na stronie laboratorium. Układ kodeka konfigurowany jest za pomocą szeregowego interfejsu SPI, który jest obsługiwany przez port MCBSP0 procesora sygnałowego. Port MCBSP1 używany jest do przesyłania próbek sygnałów konwertowanych przez przetworniki A/C i C/A w układzie kodeka. Obsługa portu MCBSP odbywa się za pomocą funkcji biblioteki CSL (plik nagłówkowy csl_mcbsp.h), zatem praca z portem rozpoczyna się od jego otwarcia za pomocą funkcji MCBSP_open. Następnie port jest konfigurowany przy użyciu funkcji MCBSP_config i uruchamiany funkcją MCBSP_start. Do odbierania danych z rejestrów odbiornika i nadajnika wykorzystuje się funkcje MCBSP_read i MCBSP_write. Natomiast funkcji MCBSP_xrdy i MCBSP_rrdy używa się do synchronizacji programu z nadajnikiem i odbiornikiem przez monitorowanie bitów XRDY i RRDY w rejestrze SPCR portu MCBSP. Zanim zapiszemy daną do rejestru nadajnika należy upewnić się, że nadajnik jest do tego gotowy (XRDY=1). Podobnie z odbiornikiem należy poczekać z odbieraniem danych do momentu, w którym pojawi się nowe słowo w rejestrze odbiornika (RRDY=1). W przypadku, w którym port obsługiwany jest za pomocą przerwań, wykorzystuje się funkcje MCBSP_getXmtEventId i MCBSP_getRcvEventId do pobrania identyfikatora do konfiguracji układu obsługi przerwań. Ponieważ zarówno nadajnik jak i odbiornik mogą zgłaszać przerwanie z różnych powodów, konieczna jest odpowiednia konfiguracja bitów XINTM i RINTM w rejestrze SPCR portu MCBSP. W ramach przygotowania do ćwiczenia
należy opracować w formie notatki odręcznej lub wydruku opis funkcji obsługi portu szeregowego wywoływanych w module mcsbp.c na podstawie zamieszczonej na stronie dokumentacji biblioteki CSL. W oparciu o zamieszczoną na stronie dokumentację portu MCBSP należy również opisać konfigurację poszczególnych rejestrów portu MCBSP0 i MCBSP1. Opracowane materiały należy okazać na początku zajęć laboratoryjnych. 2. TLV320AIC23 układ kodeka audio Zadaniem układu kodeka jest akwizycja sygnałów wejściowych i generowanie sygnałów wyjściowych. Dodatkowo układ zapewnia wiele funkcji związanych z kondycjonowaniem sygnałów audio. Może być programowany za pomocą danych przesyłanych szeregowym portem SPI. Na wykorzystywanej na zajęciach laboratoryjnych makiecie port ten jest podłączony do portu MCBSP0 układu procesora TMS320C6713. Za pomocą tego portu układ mikroprocesorowy może przesyłać do układu kodeka 16 bitowe słowo sterujące (rys. 1). Słowo to jest podzielone na dwie części. Starsze 7 bitów stanowi numer programowanego rejestru, natomiast młodsze 9 bitów stanowi zawartość, która ma być do niego zapisana. Rys. 1. Słowo konfigurujące układ kodeka audio TLV320AIC23. Bity r n definiują numer rejestru, do którego wpisane zostaną bity z danymi d n. Opis i znaczenie rejestrów układu kodeka znajdują się w dokumentacji zamieszczonej na stronie internetowej laboratorium. Przygotowując się do ćwiczenia należy opisać tę konfigurację układu kodeka, która została ustawiona w projekcie CircularBuffer zamieszczonym na stronie laboratorium przy ćwiczeniu nr 3. Opracowany opis należy przedstawić w formie notatki odręcznej lub wydruku na początku zajęć. 3. Bufor kołowy narzędzie do synchronizacji interfejsów komunikacyjnych z programem sterującym pracą układu mikroprocesorowego. Podstawowym problem przy obsłudze interfejsów komunikacyjnych jest synchronizacja odczytu lub zapisu danych z programem. W przypadku, gdy interfejs obsługiwany jest za pomocą przerwań, pojawia się problem przekazania danej z urządzenia do programu i odwrotnie. Dobrym rozwiązaniem jest buforowanie danych, które polega na zaimplementowaniu struktury danych umożliwiającej niezależny zapis i odczyt przez program główny i funkcje obsługi przerwania. Poniżej podano przykład efektywnej implementacji struktury tzw. bufora kołowego, który umożliwia przechowywanie N-1 ostatnio zapisanych słów. W tym celu w strukturze CIRCBUFFER zdefiniowano 3 pola: wskaźnik buf, który umożliwi dostęp do tablicy danych, dwa indeksy pozycji zapisu w i pozycji odczytu r oraz
rozmiar L tablicy, której adres zostanie przypisany do pola buf. Zmienne te będą modyfikowane tylko za pomocą funkcji circ_put i circ_get. Funkcja circ_put sprawdza, czy bufor jest pełny. Jeżeli jest, to zwraca wartość 1, a jeżeli nie, to wpisuje daną pod bieżącą pozycję i zwiększa indeks pozycji zapisu w. Natomiast funkcja circ_get, jeżeli bufor jest pusty, to zwraca 1, a jeżeli nie, to zwraca przez wskaźnik data wartość spod bieżącej pozycji indeksu odczytu r i zwiększa go o 1. typedef struct _CIRCBUFFER volatile Int16 *buf; volatile int w; volatile int r; volatile int L; CIRCBUFFER; void init_circular_buffer(circbuffer *b, Int16 *buf, int N) b->buf=buf; b->l=n; b->w=0; b->r=0; int circ_put(circbuffer* b, Int16 data) if(b->w==(b->r-1)&(b->l-1)) return 1; b->buf[b->w]=data; b->w=(b->w+1)&(b->l-1); return 0; int circ_get(circbuffer *b, Int16* data) if(b->w==b->r) return 1; *data=b->buf[b->r]; b->r=(b->r+1)&(b->l-1); return 0; int circ_len(circbuffer *b) return (b->w-b->r)&(b->l-1); Istotne w tej implementacji jest wyrażenie &(L-1). Jest to forma efektywnej implementacji operacji reszty z dzielenia przez L w przypadku, gdy N jest potęgą liczby 2. Jeżeli L jest potęgą liczby dwa, to jej kod binarny wygląda jak niżej. dziesiętnym binarnym 16 0001 0000 32 0010 0000
64 0100 0000 128 1000 0000 Dzielenie przez takie liczby jest tożsame z przesunięciem bitowym w prawo o numer pozycji jedynki. Pozycje numeruje się od 0, zatem dzielenie przez 16 to przesunięcie w prawo o 4 bity, przez 32 o 5 bitów, przez 128 o 7 bitów. Jeżeli dzielenie jest prostym przesunięciem, to resztę z dzielenia stanowią te bity, które są na prawo od jedynki. Na przykład reszta z dzielenia 56 przez 16 wynosi 8 i jest zaznaczona poniżej w kodzie liczby 56 kolorem szarym. 0011 1000 Poniżej podano więcej przykładów. 78 mod 32 =14 0100 1110 113 mod 64 =49 0111 0001 102 mod 16 =6 0110 0110 121 mod 32 =25 0111 1001 Żeby uzyskać wartość liczbową tych bitów, należy wykonać operację iloczynu logicznego z liczbą o 1 mniejszą niż potęga dwójki, przez którą dzielimy. Taką liczbę zawsze stanowią jedynki na pozycjach po prawej stronie. Fakt ten zilustrowano na poniższych przykładach. dziesiętnym binarnym 16-1=15 0000 1111 32-1=31 0001 1111 64-1=63 0011 1111 128-1=127 0111 1111 Niżej natomiast porównano operację iloczynu logicznego z operacją reszty z dzielenia. dziesiętnym Iloczyn logiczny w kodzie binarnym 78 mod 32 =14 0100 1110(78) & 0001 1111(31) = 0000 1110(14) 113 mod 64 =49 0111 0001(113) & 0011 1111(63) = 0011 0001(49) 102 mod 16 =6 0110 0110(102) & 0000 1111(15) = 0000 0110(6) 121 mod 32 =25 0111 1001(121) & 0001 1111(31) = 0001 1001(25) Jak widać, w sytuacji gdy dzielnik jest potęgą dwójki, operacja iloczynu logicznego z liczbą o 1 mniejszą jest tożsama z operacją reszty z dzielenia. Operacja reszty z dzielenia ma szczególne znaczenie dla obsługi bufora kołowego. Wykonana po operacji arytmetycznej na pozycji bufora umożliwia poprawne indeksowanie bufora. Na przykład: jeżeli bufor ma długość 128 słów i aktualny indeks zapisu w=127 (znajduje się na końcu tablicy), to operacja w=(w+1)&127 sprawia, że przesuwa się on na pozycję w=0 (początek tablicy). Właśnie tę właściwość wykorzystuje się w funkcjach circ_put i circ_get. Bardzo ważna jest możliwość monitorowania stanu zapełnienia bufora. Jeżeli indeks zapisu w jest na tej samej pozycji co indeks odczytu r, to oznacza, że bufor jest pusty. Jeżeli
indeks zapisu w znajduje się o jedną pozycję przed indeksem odczytu r, to znaczy, że bufor jest pełny. Ponieważ indeks zapisu może pokrywać się z indeksem odczytu tylko w sytuacji, gdy bufor jest pusty, to maksymalna ilość znaków w buforze wynosi L-1. Ilość danych w buforze jest obliczana przez funkcję circ_len i jest równa różnicy między pozycją zapisu a pozycją odczytu. Prosta różnica może być jednak myląca, gdy pozycja zapisu ma mniejszy indeks niż pozycja odczytu. W tej sytuacji różnica jest ujemna. Jeżeli jednak obliczy się iloczyn logiczny tej różnicy z liczbą L-1, uzyskujemy wartość równą ilości danych w buforze. Przykład: w=20 r=25 L=32 20-25=-5-5 w kodzie U2 wynosi 1111 1011 31 w kodzie U2 wynosi 0001 1111 1111 1011 & 0001 1111= 0001 1011 0001 1011 w kodzie U2 oznacza 27. Właśnie tyle znaków znajduje się w buforze. Warto zauważyć, że funkcja circ_put modyfikuje tylko indeks zapisu z, natomiast funkcja circ_get tylko indeks odczytu r. Funkcja circ_len nie modyfikuje żadnego indeksu. Oznacza to, że każda z tych funkcji może być użyta w funkcji obsługi przerwania i nie doprowadzi to do niesynchronizowanej modyfikacji indeksu. Jeżeli dany bufor jest buforem nadajnika, to program główny używa funkcji circ_put, natomiast funkcja obsługi przerwania od nadajnika używa circ_get. W przypadku odbiornika będzie odwrotnie. Oczywiście bufory odbiornika i nadajnika muszą być zdefiniowane jako osobne tablice. Przypisanie tablicy do danego bufora może być zrealizowane przez funkcję init_circular_buffer. Inicjuje ona pola zmiennej strukturalnej typu CIRCBUFFER i tworzy w ten sposób bufor kołowy, który może być obsługiwany za pomocą funkcji circ_put, circ_get i circ_len. 4. Opis zadań do wykonania Zadanie 1 Zmodyfikuj moduł mcbsp.c tak, aby zarówno odbieranie danych, jak i nadawanie odbywało się w funkcji obsługi przerwania. Konieczne jest dodanie zmiennej output i tablicy out_array do obsługi bufora kołowego nadajnika. W funkcji setupmcbsp należy dodać instrukcje, które skonfigurują układ kontroli przerwań w taki sposób, żeby przerwanie od nadajnika portu MCBSP1 wywoływało funkcję obsługi przerwania o nazwie transmitter. Natomiast w funkcji obsługi przerwania należy pobrać próbkę z bufora wyjściowego output i wysłać ją do nadajnika portu MCBSP1. W funkcji main należy zastąpić wywołanie funkcji writedata zapisem danej do bufora output.
Zadanie 2 Zmodyfikuj program z zadania 1 w taki sposób, aby tłumił amplitudę sygnału wyjściowego. Tłumienie realizowane jest przez operację mnożenia przez liczbę mniejszą od 1. Skonfiguruj układ licznika nr 0 tak, aby zgłaszał przerwanie co 100 ms. W funkcji obsługi przerwania od licznika należy zmieniać tłumienie sygnału wyjściowego od 0 do 1 i z powrotem. Okres zmian powinien wynosić 5s. Zadanie 3 Skonfiguruj układ licznika nr 1 w taki sposób, żeby co 100 ms zgłaszał przerwanie. Zaprojektuj maszynę stanów sygnalizatora diodowego, która będzie wyświetlała stopień zajętości buforów wejściowego i wyjściowego. Dioda nr 3 ma sygnalizować rodzaj bufora (0- wejściowy, 1-wyjściowy). Diody od 0 do 2 będą sygnalizować w kodzie binarnym stopień zajętości buforów (od 0-pusty, 1- zajęty w 1/8, 2-zejęty w 1/4, itd. aż do 7-pełny). W funkcji obsługi przerwania od licznika 1, należy wywołać maszynę stanów sygnalizatora, która będzie wyświetlała naprzemiennie zajętość buforów wejściowego i wyjściowego. Przerwanie to ma również obsługiwać jeden z liczników softwarowych. Za pomocą tego licznika należy co 5s uruchamiać pętlę opóźniającą w funkcji main. Ilość iteracji pętli opóźniającej należy dobrać tak, aby zajętość bufora wejściowego wzrastała o około 1/8 (około 16 próbek), a zajętość bufora wyjściowego zmniejszała się o 1/8. Tuż po inicjacji bufora wyjściowego należy wpisać do niego 127 zer zapełniając go całkowicie. W ten sposób uruchomiona pętla opóźniająca będzie zmniejszać stopień zapełnienia tego bufora.