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UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica CAPITULO I “INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA DSPIC Y FUNCIONAMIENTO” 1.1 Introducción a la tecnología DSPIC Los avances en la Electrónica, particularmente en las técnicas de fabricación de los circuitos integrados han tenido y sin duda continuarán teniendo, un gran impacto en la Industria y en la Sociedad. No se trata de una técnica nueva, sino que al no ser muy aplicada en nuestro medio no se le ha dado la importancia respectiva por lo que surge la necesidad de investigar y comprobar cuan eficiente es. En la formación de los Ingenieros Eléctricos y Electrónicos se incluye el estudio de los sistemas de procesamiento de señales, digitales, puesto que están presentes en nuestro entorno como la voz o las imágenes en formato electrónico. Para ello el primer paso es estudiar la teoría matemática que soporta el análisis y el diseño de los sistemas en el tiempo discreto complementado desde las primeras etapas de muestreo hasta las aplicaciones de procesado de audio más habituales, pasada por las transformadas matemáticas. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 1 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica A partir de estos conocimientos, vemos la necesidad de investigar acerca de la Tecnología DsPIC hacer uso de los simuladores sobre ordenadores personales que permiten diseñar los algoritmos que se aplicarán sobre la voz o el audio o en otras áreas, a partir de unas especificaciones previas así como modificar los coeficientes de los filtros resultantes para estudiar dichos sistemas. Para todo esto, existen multitud de aplicaciones, libros y tarjetas sobre las que se puede trabajar pero todas ellas aisladas. Surge, por tanto, la necesidad de integrar todo este proceso para facilitar el estudio de la teoría hasta la práctica pasando por las simulaciones en PC. Además consideramos fundamental que los dsPIC con los que se trabaje sea sencillo de utilizar e integrar en diseños de PCB’s realizados por los alumnos por los que han elegidos los dsPICs. De ésta manera no solo aprenden a trabajar en tiempo real sobre un hardware comprado, sino que pueden implementar sus algoritmos sobre las tarjetas que ellos mismo diseñen, monten y prueben lo cual favorece el aprendizaje integral, autónomo y significativo del alumno. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 2 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica 1.2. Funcionamiento del DSPIC 1.2.1 Que son los dsPIC Los dsPIC nacen después de los Procesadores Digitales de Señales DS, que eran desarrollados durante años por otras empresas. Microchip, fabricante de los dsPIC, los ha bautizado con el nombre de DSC (Digital Signal Controller) que puede ser traducido como Controlador Digital de Señal. Un DSC es un potente microcontrolador (MCU) de 16 bits al que se le han añadido las principales capacidades de los DSP. Es decir, los DSC poseen todos los recursos de los mejores microcontroladores embebidos de 16 bits conjuntamente con las principales características de los DSP, permitiendo su aplicación en el extraordinario campo de procesamiento de las señales analógicas y digitalizadas. Un DSC ofrece todo lo que se puede esperar de un microcontrolador: velocidad, potencia, manejo flexible de interrupciones, un amplio campo de funciones periféricas analógicas y digitales, opciones de reloj, protección JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 3 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica “brown–out”, perro guardián, seguridad del código, simulación en tiempo real, etc. Además, su precio es similar al de los microcontroladores. Uniendo adecuadamente las capacidades de un DSP con un potente microcontrolador de 16 bits, el DSC reúne las mejores características de los dos campos y marca el comienzo de una nueva era en el control embebido. La serie dsPIC30F ocupa una situación muy cercana a los DSP y a los microcontroladores de 32 bits, es decir; no alcanza pero se acerca bastante a los niveles de rendimiento y prestaciones de los grandes microcontroladores y de los DSP siendo su precio mucho más ventajoso. 1.2.2 La razón de ser de los DSP La mayor parte de las señale procesadas del mundo real son analógicas. La luz solar, la temperatura, la velocidad del viento, etc. son claros ejemplos de las magnitudes que se deben manejar cuando se intentan medir, analizar o predecir fenómenos naturales. Igualmente sucede en los procesos indústrialas en los que los parámetros habituales son analógicos, como el espesor de la chapa, la distancia que separa a un robot móvil de un obstáculo o la presión ejercida por el émbolo de un motor. Hasta el año 1980 aproximadamente el tratamiento de las señales comentadas se realizaba con circuitos electrónicas analógicos implementados JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 4 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica a la base de componentes activos y pasivos en los que se destacaban el amplificador operacional (A.O) Figura 1. amplificador operacional. Se puede definir a un DSP como un computador digital monochip orientado al procesamiento de la información procedente de una secuencia de muestras de una señal analógica, por eso reciben el nombre de Procesadores Digital de Señal DSP. Están optimizados para resolver una serie de algoritmos que soportan un campo de aplicaciones concretos, pero cada vez más extensos. La reciente proliferación de los modelos de DSP se ha producido por dos motivos: 1.- Las innumerables ventajas que conlleva el procesamiento digital. 2.- El incremento exponencial tanto en número como en complejidad de las aplicaciones en el campo de procesamiento digital de señales. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 5 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Figura 2. La moderna tecnología de telefonía móvil maneja muchos algoritmos que son resultados de los DSP. 1.2.3 Principales Características de los Dspic Rango de funcionamiento Voltaje de alimentación de 2,5 a 5.5V Temperatura interna de -40° a 85°C y externa de -40° a 125° C. CPU de alto rendimiento Núcleo RISC con arquitectura Harvard modificada. Juego de instrucciones optimizado para el lenguaje C. Bus de dato 16 bits. Bus de instrucciones de 24 bits. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 6 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Repertorio de 84 instrucciones. La mayoría de la palabra de tamaño y ejecutable en un ciclo. Banco de 16 registros de propósito general de 16 bits. 2 acumuladores de 40 bits, con opciones de redondeo y saturación. Modos complejos de direccionamiento indirecto: modular o circular. Manejo de la pila con software. Multiplicador para enteros y fraccionarios de 16 x 16. División de 32/16 y 16/16. Operación de multiplicación y acumulación en un ciclo. Registro de desplazamiento de 40 bits. Controlador de Interrupciones Latencia de 5 ciclos. Hasta 45 fuentes de interrupción, 5 externas. 7 niveles de prioridad. 4 excepciones especiales. Entradas y Salidas digitales Hasta 54 patitas programables de E/S digitales. 25mA de consumo por cada patita de E/S. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 7 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Memorias Memoria de programa FLASH Memoria de datos EEPROM de hasta 4 KB con 1.000.000 de ciclos de borrado/escritura. Memoria de datos SRAM de hasta 8 KM. Manejo de Sistema Flexibles opciones para el reloj de trabajo (externo, cristal, resonador, RC interno, totalmente integrado PLL, etc.) Temporizador programable de “power – up”. Temporizador / estabilizador el oscilador “Start-up”. Perro guardián con oscilador RC propio. Monitor de fallo de reloj. Control de alimentación Conmutación entre fuentes de reloj en tiempo real. Manejo de consumo de los periféricos. Detector programable de voltaje bajo. Reset programable de “browout”. Modos de bajo consumo IDLE y SLEEP. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 8 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Temporizadores, módulos de captura, comparación y PWM Hasta 5 temporizadores de 16 bits, pudiendo concatenar parejas para alcanzar 32 bits y pudiendo trabajar en tiempo real con oscilador externo de 32 KHz. Módulo de entrada de 8 canales para la captura por flanco ascendente, descendente o ambos. Módulo de salida de comparación hasta 8 canales, en modo simple o doble de 16 bits. Modo PWM de 16 bits. Módulos de comunicación Hasta 2 módulos SPI 3 líneas. Interfaz I/O con CONDEC. Hasta 2 módulos UART. Módulo de interfaz CODEC que soporta de protocolos I2S y AC97. Hasta 2 módulos CAN 2-OB. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 9 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Periféricos para control de motores PWM para control de motores de hasta 8 canales con 4 generadores de “duty-cicle”, modo complementario o independiente y tiempos muertos de programación. Módulo de codificación de cuadratura. Conversor analógico/digital Módulo conversor A/D de 10 bits y 500 Ksps, con 2 o 4 muestras simultáneas y hasta 16 canales de entrada. Conversión posible en el modo SLEEP. Módulo conversor A/D de 12 bits y 100 Ksps con hasta 16 canales de entrada y conversión posible en modo anterior. 1.3. Aplicaciones del DSPIC Se han agrupado en seis campos principales las aplicaciones más abundantes y apropiadas para los dsPIC, aunque la realidad amplía este número continuamente. 1.3.1 Voz y Sonido JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 10 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Suele ser habitual en este campo utilizar un DSP para el procesamiento algorítmico de las señales y un microcontrolador para su control. Ambos dispositivos pueden ser sustituidos por un dsPIC30F, reduciendo el volumen y el coste total, ya que posee el rendimiento suficiente en MIPS para las aplicaciones de voz y sonido, como eliminación de ruidos, reconocimiento de voz y reproducción de sonido digital. También puede actuar como complemento de un DSP principal en la realización de funciones adicionales como monitorizador digital, ecualizador, radio por satélite, etc. Aplicaciones recomendadas en voz y sonido En cuanto a la aplicaciones de voz y sonido tenemos:, • Sistemas de eliminación de ruidos. • Control de «subwoofer» autoalimentado. • Reproducción de sonido digital. • Efectos de instrumentos musicales. • Micrófono activado por la voz. • Reconocimiento de voz. • Puerto para manos libres. • Auriculares para reducción de ruido. • Altavoces de teléfonos. • Redes distribuidas de altavoces. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 11 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Figura 3. Manos libres del Nokia Características del dsPIC3OF para aplicaciones de voz y sonido: • Preparado para usar librerías DSP. • Interfaz CODEC: AC97yI2S. • Conversor A/D 12 bits, 100 Ksps. • Herramientas de diseño de filtros digitales. • Librería de aplicación de reconocimiento de voz. • Reducción del coste total del sistema. • Reducción de espacio. • Librería de eliminación de ruidos. • Librería de cancelación de ruidos acústicos. • Análisis de datos dsPICworks™ y software DSP. Entre las características más adecuadas para las aplicaciones de voz y sonido destacan en los dsPIC3OF la posibilidad del uso de librerías especiales, JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 12 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica paquetes para diseño de filtros digitales, librera para reconocimiento de voz, conversor A/D de 12 bits, 100 Ksps, interfaz CODEC AC97 y I2S. T 1.3.2 Automoción Microchip es un proveedor cualificado ds-9000 para los mayores fabricantes de automóviles. La mayoría de sus productos se adaptan a los requisitos de temperatura exigidos por la industria de automoción. Sus productos gozan de un largo ciclo de vida. Aplicaciones recomendadas en la industria del automovilismo • Dirección hidráulica asistida eléctricamente. • Caja de cambios y embrague electrónico. • Control de estabilidad y balanceo. • Cancelación de ruido. • Monitor avanzado de la batería. » Control ador principal de airbag. • Controlador de ignición. • Airbag de impacto lateral. • Sensor de presencia de ocupante. • Control del combustible. • Sensor de lluvia. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 13 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica • Tensores de cinturones de seguridad. • Control de potencia. Características del dsPIC3OF para la automación: • Capacidad de un DSP. • Potencia de un MCU. • Librerías CAN y OSEK. • Productos de 18 a 80 pines. • Uno o dos módulos CAN 2.0B. • Ciclo de vida duradero. • Memoria FLASH de gran Habilidad con duraciones medias de un millón de ciclos de borrado/escritura y retención de datos de más de 40 años. Los dsPIC disponen de librerías CAN y OSEK y tienen un ciclo de vida duradero como lo exigen las aplicaciones en esta área, en la que es importante la retención de información de la memoria. 1.3.3 Control de motores Los dsPIC30F son idóneos para la regulación de la velocidad, la posición y la dirección de giro de los motores, así como en el control de la anchura de JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 14 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica impulsos tanto en el campo de control de los motores de corriente continua como de corriente alterna. Aplicaciones recomendadas en el control de motores • Calefacción, ventilación y aire acondicionado. • Control electrónico de la potencia hidráulica. • Control de potencia. • Gobierno de apertura de puertas. • Tensor de cinturones de seguridad. • Máquinas de gimnasia. • Aspiradores. • Control de estabilidad. • Herramientas eléctricas. • Refrigeración. • Bombas industriales. • Lavadoras. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 15 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Figura4. Bomba industrial centrífuga horizontal de «drotec». Características del dsPIC30F para el control de motores: • Una o dos patitas de error. • Seis u ocho salidas PWM. • PWM complementario o independiente. • PWM alineado al centro o alineado al extremo. • Variantes de 28, 40, 64 y 80 patitas. • Conversor A/D de 10 bits y 500 Ksps. • Funcionamiento con 5 V nativos para ambientes ruidosos. • Diseño de algoritmos de control de motores. Entre las características significativas de los dsPIC3OF para este campo de aplicaciones se i el módulo PWM, los temporizadores programables y el conversor AD de 10 bits y 500 Ksps. 1.3.4. Control de sensores JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 16 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Los DSC de 18 y 28 patitas de esta familia combinan un conversor AD de 12 bits, con periféricos de comunicación y la capacidad DSP para crear fácilmente «sensores inteligentes», que pueden ayudar a controladores principales sobrecargados de tareas. Aplicaciones recomendadas en el control de sensores • Detección PIR avanzada de 2 dimensiones. • Sensores químicos y de gas. • Detector de rotura de cristales. • Módulos giroscópicos. • Detección de fallo del área eléctrica. • Detección de golpes. • Sensor de vibraciones. • Sensor de torsión. • Sensor de lluvia. • Sensor de presión. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 17 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Figura 5. Sensores de presión efe «controlcomp». Características del dsPIC30F para control de sensores: • Capacidad de un DSP. • Alta velocidad de captura de entradas. • Cooversor A/D, 12 bits, 100 Ksps. • Puertos de comunicación SPI, I2C™ y UART. • Herramientas de diseño de filtros digitales. • Memoria FLASH configurable capaz de actualizar algoritmos. Entre las características más adaptadas al campo del control de sensores la familia dsPIC30F dedicada al mismo dispone de memoria FLASH configurable que permite actualizar los algoritmos con el tiempo, memoria EEPROM para datos, captura de entradas a alta velocidad, conversor AD de 12 bits. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 18 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica 1.3.5. Regulación y monitorización de sistemas de alimentación La incorporación en los dsPIC3OF de salidas múltiples con modulación de anchura de pulsos (PWM) y de un conversor AD rápido les hace muy apropiados para las funciones de conversión y manejo de alimentación. Aplicaciones recomendadas para la regulación y monitorización de sistemas de alimentación: • Monitorización de la alimentación en servidores. • Equipamiento para la gestión de alimentación. • Corrección del factor de potencia. • Convertidores AC-DC. • Convertidores DC-DC. • Vehículos eléctricos. • Inversores. • Fuentes de alimentación ininterrumpibles (UPS). • Control industrial para la carga de baterías. • Detección de fallos por arco. • Interrupción de circuitos. Características del dsPIC3OF para la regulación y monitorización de sistemas de alimentación: JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 19 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica • Conversor A/D, 10 bits, 500 Ksps. • PWM alineado al centro o alineado al extremo. • Una o dos patitas de error. • Seis u ocho salidas PWM. • Modulo PWM independiente o complementario. • Frecuencia PWM de 58,6 KHz en resolución de 16 bits. • Variantes de 28, 40, 64 y 80 patitas. • Conversor A/D de 10 bits y 500 Ksps. El muestreo AD sincronizado con el ciclo de modulación de anchura de pulsos, el conversor AD de 10 bits y los módulos PWM son prestaciones idóneas de los modelos dsPIC30F, para este campo de aplicaciones. 1.3.6. Conexión a Internet La disponibilidad del módulo Ethernet TCP/IP y librerías de aplicación para MÓDEM permiten añadir fácilmente a los diseños la conectividad. Aplicaciones recomendadas para la conexión a Internet • Diagnóstico remoto para equipos industriales. • Instrumentación médica remota. • Contadores eléctricos de gas y agua. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 20 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica • Monitorización remota. • Máquinas expendedoras de venta. • Sistemas de seguridad. • Apertura de puertas industriales. Características del dsPIC30F para la conexión a Internet: • Interfaz UART. • Librería software TCP/IP • Librerías de aplicación para módem. • Módulo ETHERNET. • Reducido coste total del sistema. • Reducido tamaño del sistema. • Librerías encriptadas. • Librería de módems embebidos. • RTOs para multitarea. 1.4 Dispositivos que se requiere para usar el servicio DSPIC 1.4.1 Herramientas para el desarrollo del software JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 21 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Microchip ha arropado a los dispositivos dsPIC3OF con un conjunto de herramientas potentes y muchas de ellas gratuitas, que permiten desarrollar el software que envuelve las aplicaciones de estos componentes. Entre las mencionadas herramientas se destacan las siguientes: • MPLAB IDE: Entorno de desarrollo integrado. • MPLAB ASM30: Ensamblador. • MPLAB SIM30: Simulador software. • MPLAB C30: Compilador de lenguaje C. • MPLAB VDI: Inicializador por pantalla. • Herramientas para diseño de algoritmos DSP. • Librerías. MPLAB IDE El MPLAB IDE es una herramienta gratuita que proporciona un entorno sencillo y potente para el desarrollo del software necesario con dsPIC30F. Está disponible para Windows XP, 2000, Me, 98SE, NT y sirve para gestionar todas las partes en las que se descompone un proyecto, proporcionando ventanas intuitivas, un editor completo, un depurador a nivel del lenguaje fuente ASM, C, etc. Todas las herramientas para dsPIC30F trabajan fácilmente bajo la sombra de MPLAB IDE, que incluye todas las características que pueden esperarse de un entorno de desarrollo de 32 bits. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 22 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica El MPLAB IDE no sólo incluye software sino también la posibilidad de usar herramientas hardware de Microchip. Las características más importantes de MPLAB IDE son: • Diseñado para Windows XP, 2000 y Windows NT. • Ventanas de visualización flexibles. • Ratón bajo inspección variable. • Realización y gestión de proyectos. • Editor de código completo. • Integración de la versión de control. MPLAB-ASM30 El MPLAB-ASM30 es un macro ensamblador gratuito que permite trabajar con total flexibilidad en lenguaje ensamblador. Dispone de los módulos MPLAB LINK30 y el MPLAB LIB30 que permiten el linkado eficiente y la creación y mantenimiento de librerías. MPLAB SIM30 Otra herramienta gratuita es el simulador software MPLAB SIM30, que simula el comportamiento del CPU y de sus periféricos asociados como los conversores A/D, el UART, la memoria EEPROM y FLASH, las líneas de E/S, los temporizadores, etc. Es ideal para el desarrollo de algoritmos. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 23 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Figura 6. Ventana del entorno MPLAB-IDE. MPLAB C30 El MPLAB C30 es un compilador optimizado para el lenguaje C que reduce considerablemente el código generado para la mayoría de las aplicaciones. Incluye manejo de cadenas, asignación de memoría dinámica, cronómetro, librerías matemáticas, etc. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 24 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Para diseñar algoritmos DSP existen herramientas como dsPICworks™, que es capaz de analiza! visualmente datos y tiempos en aplicaciones en el dominio de la frecuencia, desarrollar operaciones DSP como la circunvalación, correlación, DCT, etc. Tiene una interfaz de usuario simple e incluye funciones DSP comunes como respuestas de impulsos finitos (F1R), respuestas de pulsos infinitos (IIR), operaciones de filtrado y operaciones de transformación. Usando como entradas respuestas de impulsos finitos se pueden realizar filtrados a dichas entradas para así poder analizarlas. MPLAB VDI Configurar un potente microcontrolador o DSP puede resultar una tarea compleja, pero no sucede así con los dispositivos dsPIC3OF. El MPLAB VDI permite configurar el procesador gráficamente y cuando se completa la configuración un clic del ratón genera un código utilizable por programas en C o en Ensamblador. El MPLAB VDI realiza un chequeo extensivo de errores en las asignaciones y conflictos con las patitas, en las memorias, en interrupciones, así como en una selección de condiciones de operación. Los ficheros de código generado son fácilmente integrados con el resto de la aplicación a través del MPLAB Project. Herramientas para el desarrollo de algoritmos JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 25 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica La herramienta de análisis de datos dsPICworks™ hace más sencillo evaluar y analizar los algoritmos DSP. Se puede ejecutar una variedad de DSP, operaciones aritméticas y analizar los datos al mismo tiempo y en el mismo dominio de frecuencia. Características fundamentales del análisis de datos con dsPICworks™ son: • Análisis visual de datos en el tiempo y en el dominio de la frecuencia. • Operaciones DSP: FFT, convolución, correlación, DCT y filtrado. • Herramientas que generan gráficos de frecuencia en una, dos y tres dimensiones. • Opciones de importación y exportación de datos a la interfaz con MPLAB IDE y MPLAB ASM30. • Soporta datos enteros, fraccionarios y en coma flotante en notación decimal y hexadecimal. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 26 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Figura 7. Ingeniería Eléctrica y Electrónica Ventana generada por herramientas disponibles para el diseño de algoritmos DSP. Dentro de estas herramientas destacan dos tipos: • Herramientas de diseño de filtros digitales. La herramienta de filtros digitales realiza diseño y análisis FIR e IIR. Las especificaciones de frecuencia, el código del filtro y los coeficientes son generados automáticamente. Las ventanas gráficas de salida incluyen las características de los filtros. • Herramienta básica de diseño de filtros digitales. Incluye la mayoría de las características de la versión completa por la mitad de precio. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 27 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Figura 8. Ingeniería Eléctrica y Electrónica Ventana generada por herramientas para e/ diseño de filtros digitales. Finalmente, entre la extensa colección de librerías disponibles se reseñan las características de algunas de ellas. Librería matemática Sigue el estándar IEEE 754 con funciones matemáticas en coma flotante y doble precisión. Esta librería puede utilizarse en lenguaje Ensamblador y C. Entre las funciones representadas está el seno, coseno, tangente, arco seno, arco coseno, arco tangente, logaritmo neperiano, logaritmo en base 10, raíz cuadrada, potencia, límite, área, módulo y valor absoluto. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 28 Ingeniería Eléctrica y Electrónica UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Librería para la supresión del sonido Esta librería dota al dsPIC de la función de suprimir los efectos del ruido que interfieren cuando alguien habla. Se trata de ruidos ambientales y es especialmente usada cuando se trabaja con micrófonos. Este algoritmo es especialmente útil para aquellos sistemas en los que no está permitido ningún tipo de ruido como sistemas manos-libres, altavoces, circuitos de intercomunicación, auriculares, videoconferencias o los auriculares que usan los teleoperadores Esta librería está escrita en lenguaje Ensamblador para optimizar al máximo el tamaño de código y para obtener una buena velocidad de ejecución. Librería para la cancelación de eco acústico Esta librería incluye una función para eliminar el eco generado entre el orador y el micrófono. Está escrita en lenguaje Ensamblador para optimizar al máximo el tamaño de código y para obtener una buena velocidad de ejecución. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 29 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Figura 9. Esquema gráfico del funcionamiento para la cancelación de eco acústico. Librería de reconocimiento de voz El mecanismo de reconocimiento de voz para la familia dsPICSOF puede soportar un amplio campo de aplicaciones e incluye un reconocedor independiente de orador, más de 100 palabras de vocabulario (inglés -americano), soporta múltiples perfiles de ruido y es muy adecuado para aplicaciones de control de voz. Librería de algoritmos DSP Implementada en lenguaje Ensamblador. Las funciones DSP pueden ser usadas en Ensamblador o C. Esta librería contiene filtros FIR, filtros LMS, filtros IIR en cascada, funciones FFT, operaciones de convolución y correlación, operaciones JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 30 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica matriciales y de vectores, etc. Dispone de 49 algoritmos y todos ellos compatibles tanto en C como en Ensamblador. Librería de cifrado de clave simétrica y asimétrica Esta librería tiene embebidas las siguientes funcionalidades. La primera de ellas es el cifrado/descifrado de clave simétrica, mediante los algoritmos: AES y Triple-DES. La segunda de las funcionalidades a reseñar se refiere a las funciones HASH que implementa para la protección de datos, por ejemplo: SHA, MD5. Librerías de drivers de periféricos Dispone de más de 270 funciones en C que configuran los periféricos hardware como los conversores A/D, temporizadores de propósito general, modulación de anchura de impulsos (PWM), UART, SPI, I2C, captura de entradas y comparación de salidas, etc. Librerías de protocolos TCP/IP Estas librerías soportan la conexión rápida a Internet y los protocolos de diversas capas. CMX-Micronet es una librería embebida de TCP/IP que está especialmente diseñada para optimizar el uso de los recursos FLASH y RAM del DSC de 16 bits de JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 31 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Microchip. Esta librería puede funcionar en modo de bajo consumo o en modo de trabajo utilizando RTO. Librerías CAN Son librerías para soportar los periféricos tipo CAN, los cuales se le pueden acoplar a los dsPICSOF. Entre las utilidades posibles destacan: • Introducir filtros CAN. • Abortar secuencias CAN. • Establecer máscaras CAN. Librerías de módems embebidos Dentro de estas librerías existen tres versiones: • Librería de módems embebidos V.22/V.22bis. Esta librería es una colección de algoritmos que es compatible con V.21/Bell 103, V.22, V.22bis y V.42. La librería V.22bis incluye código fuente y archivos que contienen módulos de código objeto necesario para procesar una aplicación. La transmisión y recepción de módulos de código de datos está codificada en lenguaje Ensamblador para mejorar la velocidad y disminuir el tamaño de código. Incluye dispositivos hardware como UART y una interfaz de conversión de datos analógicos. Esta librería puede ser implementada por la tarjeta de desarrollo dsPICDEM.net. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 32 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica • Librería de módems embebidos V.32bis Esta librería es una colección de algoritmos que es compatible con V.21/Bell 103, V.22, V.22bis, V.32, V.32bis y V.42. • Librería de módems embebidos V.32/V.22/V.22bis de «VOCAL Technologies». Esta librería es una colección de protocolos y módulos de datos (V.32, V.22, V.22bis, V.32, V.21, Bell 103, Bell 212A y Bell 202). Esta librería incluye código fuente y archivos que contienen módulos de código objeto necesario para procesar una aplicación. La transmisión y recepción de módulos de código de datos está codificada en lenguaje Ensamblador para mejorar la velocidad y disminuir el tamaño de código. Incluye dispositivos hardware como UART y una interfaz de conversión de datos analógicos. Esta librería puede ser implementada por la tarjeta de desarrollo dsPICDEM.net. Librerías de encriptado Implementan aplicaciones de seguridad usando librerías de cifrado de clave simétrica y asimétrica. Las funciones de esta librería son llamadas fácilmente mediante código C o Ensamblador. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 33 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica 1.4. Tipos de DsPIC 1.4.1 Familia dsPIC Microchip ha dividido los diferentes modelos de la serie dsPIC3OF que fabrica en la actualidad en tres grandes familias caracterizadas por su utilización final. 1. Familia de dispositivos de propósito general. 2. Familia de dispositivos para control de motores y sistemas de alimentación. 3. Familia de dispositivos para control de sensores. 1.4.1 .1 Familia dsPIC3OF de dispositivos de propósito general JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 34 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Figura10. Familia dsPIC30F de dispositivos de propósito general 1.4.1.2 La Familia dsPIC3OF para control de motores y sistemas de alimentación Reúne a siete e modelos de DSC diseñados para soportar aplicaciones de control de motores, tales como motores corriente continua, de inducción simple y de triple fase. También son adecuados para sistemas de alimentación (UPS), inversores, fuentes de alimentación conmutadas, para corrección del de potencia y para el control de la energía de equipos industriales y de alimentación (Figura 11). JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 35 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Microchip posee todos los componentes necesarios para el diseño sobre control de motores, presentándose en la Figura 4.8 una tabla en la que se indica el tipo de dsPIC3OF adecuado para cada tipo r así como las herramientas y periféricos analógicos necesarios para el control del mismo. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 36 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Figura 12. Esquema básico para control de motores. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 37 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Figura 13. Soluciones recomendadas dsPIC30F JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 38 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica 1.4.1.3 Familia dsPIC30F para control de sensores Abarca cuatro dispositivos diseñados para soportar aplicaciones embebidas de altas prestaciones. Figura 14. Modelos de dispositivos dsPIC30F para el control de sensores. CAPITULO II JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 39 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica 2. DSPIC Y MICROCONTROLADORES 2.1 Diferencias entre Microcontroladores y Dspic Una de las diferencias más importante encontrada entre un dsPIC y un Microcontrolador es la estructura de memoria que poseen. En un microcontrolador es posible encontrar una memoria lineal, en la que se almacenan tanto datos como instrucciones de programa. Esto obliga a generar programas que no sobrepasen límites de tamaño ya que podrían sobrescribirse datos por instrucciones o viceversa. Un DSP posee dos bloques separados e independientes de memoria, cada uno con su propio bus de acceso, permitiendo así al procesador ir a buscar la siguiente instrucción y dato en el mismo ciclo de reloj (Fetch). Otra diferencia importante entre un Microcontrolador y un DSP (y aún entre DSP's) es la cantidad de unidades de ejecución que poseen, las cuales son capaces de realizar operaciones en paralelo. Por ejemplo, además de la típica ALU, un DSP posee bloques MAC de multiplicación y acumulación, se encuentran también bloques sólo para corrimientos, shifters. Cabe destacar que en la actualidad cada vez se empieza a desarrollar más la tecnología mezclada entre microprocesadores y DSP's. Diversas son las razones para que se produzca esta integración, sin embargo a groso modo es posible identificar una en particular. Los requerimientos de control en tiempo real bajo condiciones cada vez más JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 40 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica exigentes en cuanto a necesidad de cálculo han llevado a los fabricantes de microcontroladores (microchip, ST, etc.) a integrar a sus microprocesadores características de DSP (unidades de cálculo paralelas, pipeling, etc.) y por el otro lado los fabricantes de DSP's (Texas, Motorola, Analog Device, etc.) empiezan a utilizar las características de Microcontroladores (Conversores A/D, puertos digitales I/O, bloques PWM) integrándolas dentro del DSP. 2.1 Ventajas y desventajas principales de DSPIC • La Tecnología VLSI (Very Large Scale Integration) da la posibilidad de diseñar sistemas con la capacidad para ejecutar procesamiento en tiempo real de muchas de las señales de interés para aplicaciones en comunicaciones, control, procesamiento de imagen, multimedia, etc. • Los sistemas digitales son más confiables que los correspondientes sistemas análogos. • Los sistemas digitales ofrecen una mayor flexibilidad que los correspondientes sistemas análogos. • Mayor precisión y mayor exactitud pueden ser obtenidas con sistemas digitales, comparado con los correspondientes sistemas análogos. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 41 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica • Un sistema programable permite flexibilidad en la reconfiguración de aplicaciones DSP. • La tolerancia de los componentes en un sistema análogo hacen que esto sea una dificultad para el diseñador al controlar la exactitud de la señal de salida análoga. Por otro lado, la exactitud de la señal de salida para un sistema digital es predecible y controlable por el tipo de aritmética usada y el número de bits usado en los cálculos. • Las señales digitales pueden ser almacenadas en un disco flexible, Disco Duro o CD-ROM, sin la pérdida de fidelidad más allá que el introducido por el conversor Análogo Digital (ADC). Éste no es el caso para las señales análogas. A pesar de ellas existen algunos inconvenientes que deberán ser tomados en cuenta al momento de escoger una plataforma para el procesamiento de señales analógicas por medios digitales: • La conversión de una señal analógica en digital, obtenida muestreando la señal y cuantificando las muestras, produce una distorsión que nos impide la exacta reconstrucción de la señal analógica original a partir de muestras cuantificadas. • Existen efectos debidos a la precisión finita que deben ser considerados en el procesado digital de las muestras cuantificadas. • Para muchas señales de gran ancho de banda, se requiere procesado en tiempo real. Para tales señales, el procesado analógico, o incluso óptico, son las únicas JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 42 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica Soluciones válidas. Sin embargo, cuando los circuitos digitales existen y son de suficiente velocidad se hacen preferibles. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 43 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica CAPITULO III 3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 3.1 Conclusiones Al realizar esta tesis se ha llegado a las siguientes conclusiones: Con los microprocesadores y microcontroladores no fueron capaces de resolver eficientemente las tareas que el procesamiento digital de señales; se reformaron su arquitectura que sirvió para dar lugar a los dsPIC. La mayor parte de los avances tecnológicos están basados y se basan en los Sistemas Digitales de Señales; como ya mencionamos anteriormente básicamente permiten la transmisión de datos con alta precisión. Los dsPIC se puede definir como un computador digital monochip orientado al procesamiento de la información procedente a una secuencia de muestras de una señal analógica por eso recibe el nombre del Procesador Digital de Señales. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 44 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica 3.2 Recomendaciones El estudio y evaluación de los dsPIC me ha dado una guía para presentar las siguientes recomendaciones: Plantear que el tema de los dsPIC sea incluido como una materia más en el pensum ya que es un amplio campo para estudiar; cabe recalcar que es muy relevante debido a las aplicaciones que se puede realizar. Fomentar el desarrollo de proyectos basados en estos temas, de manera que ayude a los estudiantes a ampliar sus conocimientos y desenvolverse mejor en su vida profesional. JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 45 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica INDICE JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 46 UNIVERSIAD CATÓLICA DE CUENCA Ingeniería Eléctrica y Electrónica BIBLIOGRAFIA JOSE ENRIQUE RAMOS BRITO 47