PRÁCTICA 2 Introducción a la tarjeta EZ-KIT Lite ADSP-2181

Transcripción

1 PRÁCTICA 2 Introducción a la tarjeta EZ-KIT Lite ADSP-2181 El objetivo de esta práctica del laboratorio es que el alumno se familiarice con la tarjeta EZ-KIT Lite ADSP-2181 de Analog Devices, implementando sencillos algoritmos de procesado utilizando un entorno de trabajo como el software de desarrollo Ezkitsde. 1. Puesta en marcha de la tarjeta En primer lugar se debe comprobar que la tarjeta EZ-KIT Lite está operativa. Para ello realizar los siguientes pasos: 1. Comprobar que está conectada a uno de los puertos serie del ordenador a través de un cable RS Alimentar la tarjeta con 9 voltios DC (conectar el convertidor AC-DC a la red eléctrica). Al aplicar la alimentación el led verde se iluminará. 3. Conectar en la salida estéreo de la tarjeta (conector mini-jack) unos auriculares. 4. Pulsar el botón de RESET y comprobar en los auriculares el mensaje de audio de bienvenida. El led rojo quedará parpadeando de forma estable. A continuación debemos comprobar que existe una comunicación fiable entre el ordenador y la tarjeta. Para ello realizar los siguientes pasos: 1. Lanzar el programa EZ-KIT Lite Monitor desde el escritorio o desde el menú (Inicio/Programas/EZ-KIT Lite/EZ-KIT Lite Monitor). 2. Si aparece el siguiente mensaje, pulsar el botón RESET de la tarjeta e ir al menú de settings (Options/Settings) y cambiar el puerto de comunicaciones. Una vez cambiado, volver a pulsar el botón RESET. 3. Una vez establecido el puerto de comunicaciones se comprueba que el programa monitor es capaz de cargar diferentes códigos sobre la tarjeta. Por ejemplo, pulsar la opción de Filter (Options/List of Demos) y observar como el led rojo de la tarjeta empieza a parpadear a un ritmo mucho más rápido (indicativo de que se está realizando una transmisión óptima desde el ordenador a la tarjeta) - P2.1 -

2 4. A continuación aparecerá una ventana de selección que permite controlar varias opciones del programa que se está ejecutando en el DSP. Por ejemplo, seleccione la opción No filter en la fila (o columna) de Noise input y compruebe que por los auriculares se emite una señal de ruido blanco. Cambie a cualquiera de las opciones restantes, dentro de esta misma fila, y compruebe que la señal de ruido queda filtrada por cada uno de los filtros paso banda. Por último, pulse Close para liberar el código del DSP y dejarlo preparado para cargar otro nuevo código (sonará un breve pitido y el led rojo parpadeará de nuevo a una frecuencia de 1 Hz, aproximadamente). 5. Salir del programa EZ-KIT Lite Monitor. 2. Entorno de desarrollo Ezkitsde A continuación se van a detallar los pasos para crear y ejecutar programas en la tarjeta EZ-KIT Lite ADSP Lanzar el programa Ezkitsde (existe un acceso directo en el escritorio de Windows). Aparecerá un entorno de trabajo como el que se muestra a continuación. - P2.2 -

3 2. Comprobar que el programa tiene configurado el puerto de comunicaciones correctamente al valor establecido anteriormente. - P2.3 -

4 3. Pulsar repetidamente cualquiera de los números (0-9) que se encuentran en la parte superior del menú. Esto provoca que se transmita por el puerto serie el carácter pulsado. El programa monitor cargado en el DSP los reconoce modificando el encendido del led rojo de la tarjeta. Una vez comprobado este hecho ya se está en condiciones de cargar un determinado código (programa, algoritmo) a través del software Ezkitsde. 3. Código Bypass Para ver como se crean programas utilizando el entorno de desarrollo Ezkitsde vamos a empezar estudiando un código base sobre el que realizar cualquier tipo de procesado. Vamos a empezar realizando un sencillo bypass, es decir, la tarjeta tomará las muestras de la señal de audio entregadas por el conversor A/D y las retransmitirá al conversor D/A. Ambos conversores están integrados en el codec AD1847 de Analog Devices. Primero se copia el archivo THRU.DSP que se encuentra en: \Mi PC\Documentos compartidos\laboratorio PDS\ Ficheros de la tarjeta EZ-Kit Lite\THRU.DSP al directorio de trabajo actual. Después se le abre en el editor de Ezkitsde, desde donde los directorios aparecen parecido a: C:\DOCUME 1\L2_PUE 1\MISDOC 1\THRU.DSP Como se muestra en la figura siguiente, el archivo THRU.DSP está formado por dos macros, es decir, códigos de programa externos que se encuentran en los archivos BEGIN.DSP y END.DSP. Estas macros se invocan con las instrucciones siguientes:.include <c:\adi_dsp\macros\begin.dsp>;.include <c:\adi_dsp\macros\end.dsp>; {initializations and DSP macros} {wrapup} Ambas macros constituyen la inicialización necesaria para que la tarjeta EZ-KIT Lite esté operativa. Entre otras cosas, en la macro BEGIN.DSP se inicializan los vectores de interrupción (saltos de programa para diferentes eventos controlados por rutinas específicas), el - P2.4 -

5 codec AD1847 (ganancias, frecuencia de muestreo, número de bits por muestra, tipo de cuantificación uniforme/no uniforme-, etc), el modo de trabajo del propio procesador ADSP- 2181, la configuración de los puertos serie y las variables utilizadas en la inicialización, entre las que cabe destacar: tx_buf rx_buf Estas variables son realmente arrays de tres datos. En tx_buf se dejan los datos de salida (control, canal izquierdo, canal derecho) que va a recoger el codec AD1847 (conversor D/A) cada periodo de muestreo. En rx_buf se encuentran los datos de entrada (status, canal izquierdo, canal derecho) que deja el codec AD1847 (conversor A/D) para ser procesados. La macro END.DSP es la parte final del código de inicialización de la macro BEGIN.DSP. Debe situarse siempre al final. - P2.5 -

6 Entre ambas macros debe escribirse el código de nuestro algoritmo. Este algoritmo debe ejecutarse cada vez que se reciban las muestras de la señal estéreo (canal L y canal R). En cada periodo de muestreo, según se ha inicializado en BEGIN.DSP, se genera una interrupción y se produce un salto a una subrutina, concretamente al código que se encuentre escrito entre: input_samples: ena sec_reg; rti; La primera instrucción se encarga de habilitar el segundo juego de registros de las unidades computacionales. Siempre debe existir esta instrucción al inicio. Cuando se termina de ejecutar la subrutina, el sistema retorna a la posición de programa donde se encontraba antes de producirse la interrupción (instrucción rti). En el caso que nos ocupa se trata de un código que no hace nada, es un lazo sinfín: wait: idle; jump wait; Es decir, se produce ininterrumpidamente un salto a una instrucción nula. Estas dos instrucciones deben estar situadas antes de la subrutina de atención a las interrupciones del codec AD1847. El código del bypass está formado por: {--- read input samples from codec } ax1 = dm(rx_buf + 1); mx1 = dm(rx_buf + 2); {left input sample} {right input sample} {--- write output samples to codec } dm(tx_buf + 1) = ax1; dm(tx_buf + 2) = mx1; {left output sample} {right output sample} Para acceder a los datos almacenados en las variables, la expresión que hay que utilizar es una de las dos siguientes: registro = dm(nombre_de_la_variable) registro = pm(nombre_de_la_variable) El prefijo dm o pm hace referencia a la zona de memoria del procesador donde tiene almacenado el dato (o datos): dm para la memoria de datos y pm para la memoria de programa. Todas las variables deben guardarse en la memoria de datos salvo para el caso de los coeficientes de un filtro FIR o IIR, cuyos coeficientes se guardarán en la memoria de programa. Si la variable corresponde a un buffer (array de datos) cada uno de los datos se referencian sumando al nombre de la variable un número entero que indica su posición dentro del buffer. Así por ejemplo, para acceder a cada uno de los datos de un buffer de L+1 registros hay que utilizar: - P2.6 -

7 registro = dm(nombre_de_la_variable); primer dato registro = dm(nombre_de_la_variable+1); segundo dato registro = dm(nombre_de_la_variable+2); tercer dato ; ; ; registro = dm(nombre_de_la_variable+l); último dato Volviendo al código del bypass, la primera instrucción carga en el registro ax1 de la ALU (unidad aritmético-lógica) la muestra del canal izquierdo del codec AD1847. La muestra del canal derecho se almacena en el registro mx1 del multiplicador (MAC). A continuación se almacenan en el buffer de salida del codec (tx_buf) las muestras de los registros anteriores, ax1 y mx1. Una vez analizado la operativa de este programa, vamos a guardarlo con un nombre distinto y posteriormente lo cargaremos en el procesador. Para ello, abra previamente una carpeta nueva donde vaya dejando los archivos que va a ir generando en esta práctica. Una vez seleccionado el destino de sus archivos guárdelo en su directorio de trabajo con el nombre BYPASS.DSP. Seguidamente, hay que ensamblar y linkar el programa pulsando el símbolo siguiente. Después de pulsarlo compruebe que en la carpeta que hemos creado se han generado nuevos archivos. Concretamente el archivo BYPASS.EXE es el código que se cargará en el procesador a través del puerto serie RS-232. Antes de cargar y ejecutar el programa en la tarjeta EZ-KIT Lite ADSP-2181 vamos a suministrar una señal de audio a la misma. Para ello, siga los siguientes pasos: o Conecte un cable estéreo entre la salida de la tarjeta de sonido del ordenador y la entrada de audio de la tarjeta EZ-KIT Lite ADSP-2181 (asegúrese de que los puentes de configuración de la entrada de audio están en la posición LINE). o Abra el editor de audio Cool Edit Pro (icono en escritorio o Inicio/Programas/Cool Edit Pro/Cool Edit Pro). Cargue el fichero de audio EntradaWindows.wav que se encuentra en la siguiente carpeta: \Mi PC\Documentos compartidos\laboratorio PDS-TDS\ Ficheros de prueba\entradawindows.wav y guardelo en su directorio de trabajo actual. o Reproduzca el fichero de audio pulsando el botón de PLAY Looped (símbolo ) que se encuentra en la parte inferior de la ventana de Cool Edit Pro (asegurese de que en el mezclador de Windows está habilitada la salida de audio: slides de WAVE y de MASTER VOLUME en posiciones altas). Una vez introducida la señal de audio en la tarjeta procedamos a cargar el programa BYPASS.EXE en la tarjeta EZ-KT Lite. Simplemente pulsamos el botón siguiente al de ensamblar y linkar, es decir: - P2.7 -

8 Observamos que el led rojo de la tarjeta se ha quedado fijo (indica que nuestro programa se está ejecutando) y que la señal de audio está presente en nuestros auriculares. Para liberar el programa del procesador hemos de pulsar el botón RESET de la tarjeta EZ-KIT Lite ADSP Cuando lo hacemos, se escucha el mensaje de bienvenida que está grabado en la EPROM y a continuación se escucha de nuevo la señal de audio que estamos introduciendo en la tarjeta. Este bypass no corresponde a nuestro código sino al código monitor que viene cargado en la tarjeta y que se ejecuta siempre que se produce un RESET. 4. Ejercicios: Variaciones del código Bypass 1. Cambio de la frecuencia de muestreo. Vuelva a repetir todo el proceso anterior pero variando la constante que inicializa la frecuencia de muestreo de codec AD1847. Por ejemplo, si la constante fs la fijamos al valor 0xc850 la frecuencia de muestreo será de 8 khz y se eliminarán, por tanto, todo el margen de frecuencias superior a 4 khz (aproximadamente). Compruebe este hecho y advierta como el sonido es más grave (tiene menos brillo). Pruebe también con otros valores de los propuestos a continuación. 2. Intercambio de canales estéreo Repita todo el proceso anterior pero ahora intercambiando los canales de audio en la salida, tal como se muestra a continuación. Para notar mejor este efecto reproduzca el fichero techno.wav (dentro de la misma carpeta de ficheros de prueba), formado por dos señales de audio monoaurales independientes. 3. Modificación de la resolución de los datos de audio (cuantificación) Ahora vamos a comprobar la calidad de la señal de audio para distintas resoluciones binarias. En los ejemplos anteriores hemos escuchado una señal de audio cuantificada a 16 bits y con una frecuencia de muestreo de 44.1 khz (primer caso del bypass). En este ejercicio se van a - P2.8 -

9 eliminar un determinado número de bits, los menos significativos, haciendo uso del shifter (unidad computacional del ADSP-2181). Esta unidad se encarga de realizar desplazamientos binarios de los datos a derecha e izquierda. El código de este programa se encuentra en el archivo QUANTIZE.DSP, dentro de la misma carpeta en el que se encontraba inicialmente THRU.DSP, es decir: \Mi PC\Documentos compartidos\laboratorio PDS\ Ficheros de la tarjeta EZ-Kit Lite\QUANTIZE.DSP Ábralo y sálvelo con el nombre CUANTIF.DSP dentro de su directorio de trabajo. Como puede apreciar en el mismo, se han realizado modificaciones con respecto al código BYPASS.DSP. En primer lugar, se han definido dos nuevas constantes L y B (las constantes y las variables que vayan a necesitarse siempre se deben escribir a continuación de la macro BEGIN.DSP). La constante B determina la resolución de las muestras de audio (valor entre 1 y 16) y la constante L corresponde al número de bits que se desechan del dato inicial de 16 bits; esta es la razón que la constante L sea el resultado de efectuar la operación: 16-B. A continuación, en la subrutina de atención a la interrupción del Codec AD1847, se encuentran las instrucciones para dejar en los registros del multiplicador (mr0 y mr1) los datos de audio (canal L y canal R). El dato del registro mr0 se pasa al registro sr del shifter (unidad computacional que realiza los desplazamientos). Este registro sr es un registro de 32 bits y está formado a su vez por dos registros de 16 bits: sr1 (bits de mayor peso) y sr0 (bits de menor peso). sr = ashift mr0 by -4 (hi); mr0 sr1 sr0 sr La siguiente instrucción del código QUANTIZE.DSP realiza un desplazamiento aritmético de L bits hacia la derecha. Los bits de mayor peso replican el bit de signo. El sufijo (hi) - P2.9 -

10 indica que cargamos el dato en la parte alta de sr, es decir, en sr1. Por ejemplo, en la figura anterior se muestra un desplazamiento de 4 bits a la derecha. Por tanto, sr1 sólo tendría los 12 bits más significativos de mr0. Los registros sr0 y sr1 pueden ser utilizados a su vez como datos de entrada al propio shifter, como se muestra en la instrucción siguiente. En este caso concreto los bits que había inicialmente en sr0 se pierden y se inicializan a cero. Se produce un desplazamiento a la izquierda de 4 bits. Por la derecha entran ceros; los que hay en sr0. sr = ashift sr1 by 4 (hi); sr1 sr1 sr0 sr El resultado después de haber realizado estos dos desplazamientos es, por tanto, idéntico al dato que había inicialmente en mr0, salvo en los últimos cuatro bits (bits menos significativos) que se han perdido; se han transformado en ceros. A continuación deja en el registro mr0 el dato que hay en sr1 (mr0 = sr1). Las tres instrucciones siguientes son análogas para el dato que hay en mr1, el dato del canal derecho. Por último, al igual que en el programa BYPASS.DSP, los datos procesados de ambos canales de audio deben llevarse al buffer de salida donde serán recogidos por el Codec AD1847. Ensamble y compile el código, igual que se hizo en el ejemplo del bypass. Reproduzca una señal de audio por la tarjeta de sonido del ordenador. Cargue y ejecute el código en el procesador ADSP-2181, y compruebe la diferencias de calidad en términos de relación señal/ruido (S/N) para distintas resoluciones binarias, desde 2 hasta 16 bits. Hay que recordar que por cada bit se empeora la relación S/N 6 db. - P2.10 -

11 4. Otros ejercicios Realice las modificaciones oportunas en el código BYPASS.DSP para: Implementar un filtro paso bajo de la forma: y ( n) = x( n) + x( n 1) 2 Implementar un filtro paso alto de la forma: y ( n) = x( n) x( n 1) 2 Implementar un cifrador sencillo de audio de la forma: n ( 1) x( ) y( n) = n No es necesario definir ninguna variable para almacenar datos previos. Utilice únicamente los registros de la ALU y su juego de instrucciones. Se adjunta al final del guión, juego de instrucciones y diagrama de bloques de la ALU. En estos tres ejercicios se debe realizar primero la transformada de Fourier de y(n) para saber exactamente como va a ser el comportamiento del sistema. Considere una transformada de Fourier para x(n) del tipo: X(e jw ) -3π -2π -π 0 π 2π 3π ω En el tercer ejercicio tenga en cuenta la propiedad de desplazamiento de la Transformada de Fourier. Pruebe los sistemas con señales de audio de ficheros tipo wav. Una vez haya comprobado que los resultados obtenidos son correctos, grabe la señal de salida de la tarjeta EZ-KIT Lite en ficheros de audio utilizando el editor de audio Cool Edit Pro. - P2.11 -

12 5. Material de apoyo y Bibliografía o Manual de la tarjeta EZ-KIT Lite Tabla de contenidos. Capítulo 1. Introducción. Capítulo 2. Herramientas de desarrollo. Capítulo 3. Primeros pasos. Capítulo 4. Instalación. Capítulo 5. Sistema de desarrollo. Capítulo 6. Software de control. Capítulo 7. Programa monitor. Capítulo 8. Descrpción hardware. Guía rápida de programación. o ADSP-2181 Experiments. Sophocles J. Orfanidis. o Procesador ADSP o Codec estéreo AD P2.12 -