Aplicació dels microcontroladors a la docència de sistemes digitals.

“Gravador i reproductor de veu”.

Director del projecte: Francesc Josep Sànchez i RobertPonent: José Ramón Rodríguez Becerra.Data i hora: Setembre, 27 del 2006. 10:30 h.

Index.

1. Introducció i objectius del projecte.2. Eines de treball.3. Breu introducció als microcontroladors.4. Breu descripció del µC PIC 16F877A.5. Descripció de l’aplicació i metodologia de treball.

1. Subsistema d’adquisició del missatge.2. Subsistema de gravació del missatge a la RAM.3. Subsistema de gravació del missatge a la EEPROM.4. Subsistema de reproducció del missatge.

6. Acoblament de tots els subsistemes.7. Conclusions.8. Línies futures de treball.

1. Introducció i objectius del projecte.

Apropar a l’estudiant a l’ús dels microcontroladors (µC)en el disseny electrònic digital.Creació d’una aplicació d’exemple (gravador i reproductor de veu).Motivar a l’alumnat i informar de la presència dels µC en el mercat.La redacció d’aquest projecte és convertirà en material de suport per a l’assignatura SED (Sistemes Electrònics Digitals).

2. Eines de treball.

MPLAB-IDE (editor, compilador, simulador)http://microchip.com

PICC Lite (compilador de C)http://www.htsoft.com

Proteus VSM (laboratori virtual).http://www.labcenter.co.uk

3. Introducció als microcontroladors (I).

Què són?“Mini computador en un circuit integrat”.

Executen un sol programa.Són reprogramables.La solució en un xip.

3. Introducció als microcontroladors (II).

Components que incorpora un µCProcessador (CPU).Memòria RAM (conté dades).Memòria ROM/PROM/EPROM/EEPROM/FLASH (conté el programa).Ports d’E/S (entrades i sortides).Temporitzadors.Mòduls pel control de perifèrics (USART, CAN, SPI, I2C, ADC, etc).

3. Introducció als microcontroladors (III).

Avantatges de dissenyar amb µCsAugment de les prestacions: per exemple, incorporar un µC en la gestió d’un motor, ens permet controlar la temperatura, velocitat, qualsevol paràmetre que afecti al rendiment del mateix.Augment de la fiabilitat: degut a la substitució d’un nombre elevat de components per un µC, fa què el risc d’averies disminueixi. Tambérequereix menys calibratge.Reducció de la mida i el cost en el producte acabat: la integració del µC en un IC redueix el volum de components i els costos.Major flexibilitat: les condicions de control estan programades, qualsevol modificació, només requereix canvis en el programa. Això suposa una gran rapidesa a la implementació de canvis.

3. Introducció als microcontroladors (i IV).

Aplicacions (presència)Perifèrics i dispositius auxiliars dels computadors.Electrodomèstics.Aparells portàtils i de butxaca.Màquines expenedores.Instrumentació.Industria de l’automòbil.Control industrial i robòtica.Electromedicina.Sistemes de navegació espaial.Sistemes de seguretat i alarmes.Termoregulació.

“Com es pot observar, pràcticament la nostra vida està envoltada de microcontroladors”

4. Breu descripció del PIC 16F877A (I).

Arquitectura Harvard.Freqüència oscil.lador 4MHz-20MHz (Tcy= 4 x Tosc → 20MHz, Tcy= 200 ns)Processador RISC (Reduce Instruction Set Computer).Memòria de programa (Flash) 8K x 14 bits.Memòria de dades (SRAM) 368 x 8 bits.Memòria EEPROM 256 x 8 bits.Bus de dades 8 bits (PICmicro de 8 bits).4 ports d’E/S (33 línies).3 temporitzadors (2 de 8 bits i 1 de 16 bits).Convertidor A/D de 10 bits (8 canals).Mòdul PWM (Pulse Width Modulation).Mòdul port sèrie síncron (SPI, I2C).Interfase de comunicació sèrie USART (o SCI).Suporta la programació amb interrupcions (15 tipus).

4. Breu descripció del PIC 16F877A (i II).

5. Descripció de l’aplicació i metodologia de treball (I).

L’aplicació dissenyada és un gravador i reproductor de veu.Durada del missatge 30 segons.Aplicació governada per dos polsadors (PLAY i RECORD).La metodologia de treball ha estat la divisió del sistema en subsistemes.

5. Descripció de l’aplicació (i II).

Diagrama de blocs del gravador i reproductor de veu

5.2. Subsistema d’adquisició del missatge (I).

El sistema captura un senyal analògic (missatge de l’usuari) i el converteix a format digital.Canal vocal 4kHz (no confondre amb canal telefònic).Teorema de Nyquist, fm = 2 x fsOversampling fm = 20 kHz → T=50µs

5.2. Subsistema d’adquisició del missatge (II).

Diagrama de blocs

5.2. Subsistema d’adquisició del missatge (i III).

Circuit esquemàtic

micròfon

5.3. Subsistema de gravació a la RAM (I).

Sistema on es guarda temporalment el missatge previament digitalitzat.Capacitat necessària: 512 Kbytes (aprox.30”).19 línies d’adreçament (cost elevat).Només dispossem de memòries de 64KB.Cal dissenyar un sistema de 64KB x 8 xipsCal dissenyar software de control i accès al sistema.

5.3. Subsistema de gravació a la RAM (II).

Diagrama de blocs

5.3. Subsistema de gravació a la RAM (i III).

Circuit esquemàtic

Latches

Line drivers

decoder

RAM 64 KB

µC

5.4. Subsistema de gravació a la EEPROM (I).

Sistema d’emmagatzematge permanent del missatge de l’usuari.Capacitat necessària: 512 KB (mateixa que la RAM).Només dispossem de memòries de 64 KB.Cal dissenyar un sistema 64KB x 8 xips.Bus de camp I2C com a sistema de comunicació entre la memòria EEPROM i el µC (2 fils o línies).Cal dissenyar software de comunicació I2C.

5.4. Subsistema de gravació a la EEPROM (i II).

Circuit esquemàtic

EEPROM 64 KB

5.5. Subsistema de reproducció del missatge (I).

Reconstrucció del missatge (digital a analògic).Reproducció 20.000 bytes/s.(taxa de mostreig).Filtre passa-baix (Butterworth, 2º ordre).Eliminació de la component DC.

5.5. Subsistema de reproducció del missatge (II).

Diagrama de blocs

5.5. Subsistema de reproducció del missatge (i III).

Circuit esquemàtic

Sallen-keyfilter

lacth

DAC

Amp. inver

6. Acoblament de tots els subsistemes (I).

6. Acoblament de tots els subsistemes (II).

Circuit esquemàtic

Sistema EEPROM

Sistema RAMLine drivers

Sistema adquisició

Sistema reproducció

micròfon

altaveu

µC

Panel control

Addr .decoder

latches

6. Acoblament de tots els subsistemes (i III).

7. Conclusions.

1. El sistema funciona.2. El simulador ens ha permès desenvolupar un

projecte amb cost zero.3. La limitació de la grandària de les memòries RAM i

EEPROM, ha incrementat la complexitat del disseny hardware i software.

4. El procès de digitalitzar un senyal analògic requereix un sistema massiu d’emmagatzematge. Cal comprimir !!

5. Recerca de components actuals en el mercat abans de dissenyar la placa PCB. Integració !!!

8. Línies futures de treball (I).Vessant docent:

Part d’adquisició del senyal:Circuit GAC (Gain Automatic Control) a la sortida del micròfon.Filters on-chip (major resposta freqüèncial).Codificació no-lineal (llei A i llei µ). Estem mostrejant veu. Aplicar algorisme digital amb la longitud de la paraula de l’ADC.

Part d’emmagatzematge:Utilització de memòries NV-SRAM (non-volatile SRAM). En substitució de la RAM i EEPROM. (accès paral·lel o sèrie)

Part reproducció del missatge:El DAC pot ser substituït per una implementació software. Mitjançant un modulador PWM (Pulse Width Modulation) com a generador de senyal analògic.Si és manté el DAC com a component de hardware, canviar el sistema d’accès de paral.lel a sèrie (estalviem 6 línies del µC).

Miscel.làni:Filtres digitalsDisplay LCD amb bus I2C o USART (SCI). Missatges d’informació a l’usuari.

8. Línies futures de treball (i II).

Vessant professional:Part d’adquisició i reproducció del missatge:

Substitució per CODECs o VOCODERS. N’hi han que portan el filtre anti-aliasing i el filtre passa-baix incorporat.

Part d’emmagatzematge:Utilització de memòries NV-SRAM (non-volatile SRAM). D’accés sèrie (SPI o I2C).

Miscel.làni:Integració i reducció de components.

Aplicació dels microcontroladors a la docència de sistemes digitals.

“Gravador i reproductor de veu”.

Director del projecte: Francesc Josep Sànchez i RobertPonent: José Ramón Rodríguez Becerra.Data i hora: Setembre, 27 del 2006. 10:30h.