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Introduccin al procesamiento digital de seales con dsPIC y compilador C30

Mapa de contenidos

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.com

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ogo.

com

Ecuaciones de diferencias

Filtros FIR

Filtros IIR

Seales y sistemas

FFT

Convolucin

Estructuras de filtros

Compresin

Programacin dsPIC

Fundamentos DSP

Aplicaciones avanzadas

Muestreo

Volumen 1 Volumen 2

vect

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enst

ock.

com


phot

olib

rary

.com

/pho

tost

ogo.

com

El rea de Procesamiento Digital de Seales (DSP) est muy vigente en el desarrollo tecnolgico que vive nuestro pas y el mundo entero. En efecto, las reas de telecomunicaciones, automotriz, entretenimiento y medicina son slo algunas de las que se han visto beneficiadas por el avance de DSP y el desarrollo de circuitos integrados (CI). Telefona digital, televisin 3D, proce-samiento de imgenes mdicas y la electrnica automotriz son slo algunas aplicaciones que se han desarrollado en los ltimos aos gracias a los avan-ces en los algoritmos DSP y microcontroladores de mejor desempeo, mejor conocidos como procesadores digitales de seales.

El material expuesto en este libro tiene la intencin de facilitar la transicin entre los aspectos terico/matemticos y la programacin en lenguaje C del procesador digital de seales dsPIC de Microchip. Los tpicos estn organiza-dos en los siguientes temas:

Conceptos de seales, sistemas y frecuencia en tiempo discreto

Principios de muestreo y conversin analgico-digital

Suma de convolucin y ecuaciones de diferencia

Transforma discreta de Fourier y la FFT

Principios de filtrado y tipos de filtros

Tpicos avanzados

Cada tema ser expuesto desde el punto de vista terico y posteriormente se har nfasis en cmo se puede programar en el dsPIC.

Introduccin del eBook

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Organizador temtico


Captulo 1. Presentacin de los dsPIC

Presentacin de los dsPIC


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1.1 Qu son los dsPIC?

Los avances recientes en la fabricacin de circuitos in-tegrados han permitido que los sistemas electrnicos digitales sean cada vez ms complejos y de menores dimensiones. En efecto, la tendencia actual en comunica-cin, educacin y entretenimiento es que los dispositivos sean mviles, de bajo consumo de potencia y que proce-sen seales multimedia, como voz, internet, audio y video a la mayor velocidad posible.

Esta tendencia ha conducido a que compaas que fa-brican circuitos integrados incorporen circuitos digitales ms complejos en la arquitectura interna de los microcon-troladores de propsito general, con la intencin de que stos sean capaces de cubrir los requerimientos de des-empeo del procesamiento de seales multimedia. Estos circuitos digitales que se incorporan facilitan la realizacin y rpida ejecucin de algoritmos de procesamiento de se-ales multimedia que antes eran imposibles de imaginar. Aquellos microcontroladores que se caracterizan por tales capacidades de procesamiento son denominados proce-sadores digitales de seales.

En trminos de ejecucin, los procesadores digitales de seales se diferencian de los microcontroladores de pro-psito general en que pueden realizar las operaciones de suma, resta, multiplicacin y acumulacin de una forma r-pida y eficiente (ver Figura 1.1).

Dichas operaciones aritmticas, como se ir viendo a lo largo del libro, son las mnimas necesarias para realizar procesamiento de seales digitales.

Uno de los bloques bsicos digitales que se encuentran en un procesador digital de seales es el multiplicador/acu-mulador (MAC). El circuito MAC es capaz de ejecutar una suma y una multiplicacin, involucrando hasta tres operan-dos, en un ciclo de instruccin.

El circuito MAC ser mencionado a lo largo de este li-bro, ya que su operacin se encuentra presente en la reali-zacin de filtros digitales, la suma de convolucin, ecuacio-nes de diferencias y la FFT. Ms informacin acerca de las instrucciones MAC del dsPIC33FJ256GP puede ser obte-nida del Manual de Referencia del Programador disponible en la barra lateral.

Procesador digital de seales.

Microcontrolador con arquitectura interna mejora-da para la ejecucin de algoritmos con tratamien-to matemtico intensivo.

MAC

Instruccin de bajo nivel que ejecuta la operacin de multiplicacin y acumulacin en un solo ciclo de instruccin.

Ciclo de instruccin

Un ciclo de instruccin es el nmero de ciclos de reloj que un microcontrolador necesita para eje-cutar una instruccin.

FFT.

Siglas en ingls para la transformada rpida de Fourier (Fast Fourier Transform).

GLOSARIO

Pg. 1 de 2

Ligas de inters

Manual de Referencia del Programador

(documento en012820 (Prog Ref Manual).pdf )

Captulo 1. Presentacin de los dsPIC1.1 Qu son los dsPIC?

Figura 1.1 Operacin de acumulacin de un procesa-dor digital de seales


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Microchip ha entrado al mercado de los procesadores digitales de seales ofreciendo los dsPIC. Los dsPIC son microcontroladores de 16 bits que resultan de la combina-cin de la arquitectura y la facilidad de programacin de los microcontroladores de 8 bits y los circuitos digitales avan-zados que caracterizan a los procesadores digitales de se-ales.

Con la introduccin de los dsPIC, la intencin de Micro-chip es aprovechar su enorme popularidad entre los pro-gramadores de micontroladores de 8 bits y su conjunto de herramientas de programacin gratuitas y de bajo costo.

Particularmente, en este libro se estar abordando eles-tudio y la programacin del dsPIC33FJ256GP de la tarje-tade Microchip MPLAB Starter Kit for dsPIC. Asimismo, se asume que el lector tiene una mnima experiencia trabajan-do con los microcontroladores y las herramientas de Micro-chip.

Pg. 2 de 2

Ligas de inters

Hoja de especificaciones del dsPI-C33FJ256GP

(70286c (dspic datasheet).pdf )

Manual de usuario para la tarjeta de desarrollo del dsPIC

(dsPIC-DSCsStarterKitUsersGuide.pdf)

Captulo 1. Presentacin de los dsPIC1.1 Qu son los dsPIC?

dsPICProcesador digital de seales comercializado por Microchip.

GLOSARIO


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1.2 Programacin de los dsPIC

En trminos de programacin, los dsPIC pueden ser tratados como cualquier otro microcontrolador de Mi-crochip, compartiendo las siguientes caractersticas El ambiente de desarrollo integrado MPLAB es la he-

rramienta principal de programacin

La creacin de un proyecto de programacin en MPLAB en el cual se indiquen las herramientas de programacin que sern usadas y el tipo de microcon-trolador o dsPIC que se estar programando

La programacin misma del microcontrolador o dsPIC ya sea usando un programador universal o algn pro-gramador propietario de Microchip

En particular, en este libro seguiremos la siguiente se-cuencia de programacin para los dsPIC

MPLAB es el ambiente de codificacin, simulacin y bsqueda de errores

Las herramientas de programacin se encuentran agrupadas bajo el compilador C30 de Microchip

MPLAB Starter Kit for dsPIC es la tarjeta de desarro-llo o entrenador que se estar usando a lo largo del libro, la cual puede ser programada directamente des-de MPLAB

A continuacin se discute con mayor detalle la progra-macin de los dsPIC

Ligas de inters

Gua de usuario de MPLAB (51519c (mplab user guide).pdf)

GLOSARIO

MPLAB

Ambiente de programacin para microcontroladores y dsPIC de Micro-chip.

C30

Compilador de lenguaje C para la pro-gramacin de los procesadores digi-tales de seales comercializados por Microchip (Vase tambin dsPIC).

Captulo 1. Presentacin de los dsPIC1.2 Programacin de los dsPIC

Pg. 1 de 3


8Captulo 1. Presentacin de los dsPIC1.2 Programacin de los dsPIC

Pg. 3 de 3

MPLAB es un ambiente de desarrollo de aplicaciones para los microcontroladores y dsPIC de Microchip. MPLAB integra un editor para cdigo en lenguaje ensamblador o C, un debugger para la bsqueda de errores y un simu-lador para verificar la ejecucin correcta de la aplicacin. As mismo, como ya ha sido mencionado anteriormente, MPLAB jugar tambin el papel de programador para el dsPIC con el que se trabajar (Ver Figura 1.2).

En general, una aplicacin se desarrolla en MPLAB siguiendo los siguientes pasos:

Dependiendo de las condiciones y necesidades de la aplicacin, diferentes herramientas de MPLAB pueden ser invocadas a lo largo del desarrollo de la aplicacin. Detalles de cada una de las herramientas disponibles en MPLAB pueden consultados en su gua de usuario.

Desliza el cursor sobre cada crculo.

Figura 1.2 MPLAB y sus herramientas


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Todas las aplicaciones que sern desarrolladas a lo lar-go del libro sern escritas en lenguaje C. El compilador que se estar usando es el C30 de Microchip (este compilador tambin es conocido como MPLAB C Compiler for DSCs).

Las aplicaciones al procesamiento digital de seales que sern demostradas en este libro estn basadas en el compilador C30 y las libreras antes mencionadas.

Su instalacin y una gua paso a paso para la creacin de proyectos con el compilador C30 se encuentran detalla-das en la gua de usuario.

Uno de los principales objetivos de este libro es motivar al estudiante a verificar en hardware todos los algoritmos para el procesamiento digital de seales que sern estu-diados. Con ese propsito, se usar la tarjeta de desarrollo o entrenador MPLAB Starter Kit for dsPIC de Microchip. Las principales ventajas de esta tarjeta son:

Completamente integrada con MPLAB y el compilador C30 en trminos de programacin y debugging

Orientada al procesamiento de audio y voz

Bajo costo y fcil de usar

Mientras que existen en el mercado tarjetas de desarro-llo de mayor capacidad de procesamiento, stas imponen un mayor nivel de complejidad en su programacin. Las aplicaciones que se expondrn a lo largo del libro demos-trarn que la tarjeta seleccionada es la ms adecuada, ya que proporciona el balance perfecto entre facilidad de pro-gramacin y nivel medio de complejidad, mientras permite al estudiante visualizar la relacin entre los algoritmos de procesamiento de seales y su programacin en hardware.

Ligas de inters

Gua de usuario Compilador C30

(70094E (16-bit Getting Started).pdf )

GLOSARIO

DSC

Procesador digital de seales comer-cializado por Microchip (Vase tam-bin dsPIC).

Animacin.

Captulo 1. Presentacin de los dsPIC1.2 Programacin de los dsPIC

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1.3 Aplicaciones de los dsPIC

Las aplicaciones de los dsPIC estn relacionadas con tareas que involucran la manipulacin de seales digitales siguiendo algoritmos que se basan en un tratamiento matemtico intensivo. Una de las ltimas ten-dencias en procesamiento de seales es el procesamiento multimedia embebido, el cual involucra una o ms de las siguientes tareas.

Compresin y descompresin de voz

Procesamiento de audio y decodificacin MP3

Procesamiento de imgenes y decodificacin JPG

Comunicaciones almbricas e inalmbricas

Otra importante rea de aplicaciones es en sistemas de potencia y control, cuyas tareas requieren

Control automtico de motores

Control de sensores

Convertidores DC/DC

Otras reas de aplicacin pueden ser consultadas en las referencias que se incluyen al final del captulo. Sin em-bargo, es importante mencionar que en este libro se har nfasis en las aplicaciones que permite la tarjeta DSP que se ha seleccionado.

Como ha sido mencionado anteriormente, la tarjeta ds-PIC con la que se trabajar a lo largo del libro est en-focada a aplicaciones de procesamiento de audio y voz. Algunas aplicaciones que sern desarrolladas en captulos posteriores son listadas a continuacin

Generadores de formas de onda

Uso de ecuaciones diferenciales para la generacin de ecos

Filtros digitales para la eliminacin de algunas frecuen-cias de inters

Anlisis espectral usando la FFT

Compresin y descompresin de voz

Mientras que estas aplicaciones se consideran elemen-tales, la particularidad que demuestran es que pueden ser usadas como tareas bsicas para aplicaciones ms com-plejas.

Microchip identifica algunas aplicaciones para los dsPIC en el rea de procesamiento de audio y voz. Estas son listadas en la seccin Audio and Speech en el apartado Applications and Markets de su pgina en internet.

Ligas de inters

Pgina prinicipal de Microchipwww.microchip.com

GLOSARIO

DSP

Siglas en ingls para el procesamien-to digital de seales (Digital Signal Processing).

Captulo 1. Presentacin de los dsPIC1.3 Aplicaciones de los dsPIC

Pg. 1 de 1


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Ejercicio integrador del captulo 1

Captulo 1. Presentacin de los dsPICEjercicio integrador del captulo 2

Pg. 1 de 1


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Conclusin del captulo 1

Los procesadores digitales de seales son microcontroladores cuya ar-quitectura interna ha sido mejorada para aumentar su desempeo en la realizacin de algoritmos que requieran tratamientos matemticos intensivos. Los dsPIC son los procesadores de seales comercializados por Microchip. Entre las principales ventajas de los dsPIC con respecto a otros procesadores comerciales son su facilidad de programacin, herra-mientas de programacin gratuitas y tarjetas de desarrollo de bajo costo.

La propuesta de programacin de Microchip para los dsPIC son MPLAB como el ambiente de programacin integrado, el compilador C30 para progra-mar a los dsPIC en lenguaje C y el MPLAB Starter Kit for dsPIC como tarjeta de desarrollo y evaluacin. Estos tres elementos de programacin sern usa-dos a lo largo del libro para demostrar los diversos algoritmos para el proce-samiento digital de seales.

Mientras que los procesadores de seales pueden ser usados para el pro-cesamiento de imgenes, audio, voz, comunicaciones inalmbricas, control de motores y sensores, entre otros, los algoritmos de procesamiento digital de seales que sern demostrados en este libro estn orientados al procesa-miento de audio y voz.

En los siguientes captulos se mostrar la filosofa de programacin de los dsPIC a travs de los perifricos involucrados en el procesamiento de audio y voz, para que posteriormente se estudien los algoritmos de procesamiento digital de seales tanto tericamente como su programacin con los dsPIC.

Captulo 1. Presentacin de los dsPIC

Captulo 1. Presentacin de los dsPICConclusin del captulo 1

Pg. 1 de 1


Glosario del captulo 1

Pg. 1 of 2

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y ZCC30Compilador de lenguaje C para la programacin de los procesadores digitales de seales comer-cializados por Microchip (Vase tambin dsPIC).

CISiglas para circuito integrado.

Ciclo de instruccinNmero de ciclos de reloj que un microcontrola-dor necesita para ejecutar una instruccin.

DDSCProcesador digital de seales comercializado por Microchip (Vase tambin dsPIC).

DSPSiglas en ingls para el procesamiento digital de seales (Digital Signal Processing).

dsPICProcesador digital de seales comercializado por Microchip.

FFFTSiglas en ingls para la transformada rpida de Fourier (Fast Fourier Transform).

MMACInstruccin de bajo nivel que ejecuta la operacin de multiplicacin y acumulacin en un solo ciclo de instruccin.


MPLABAmbiente de programacin para microcontrola-dores y dsPIC de MicrochipProcesador digital de sealesMicrocontrolador con arquitectura interna mejo-rada para la ejecucin de algoritmos con trata-miento matemtico intensivo.

Glosario del captulo 1

Pg. 2 of 2

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z


Recursos del captulo 1 Microchip Technology Inc. (2010). 16-bit Microcontrollers and dsPIC.

http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=75

Microchip Technology Inc. (2010).

http://www.microchip.com

Pg. 1 de 1


Introduccin del eBook 3Captulo 1. Presentacin de los dsPIC 4

1.1 Qu son los dsPIC? 51.2 Programacin de los dsPIC 71.3 Aplicaciones de los dsPIC 10

Ejercicio integrador del captulo 1 11Conclusin del captulo 1 12Glosario del captulo 1 13Recursos del captulo 1 15

Captulo 2. Conceptos de datos e informacin 162.1 MPLAB y compilador C30 172.2 Creando proyectos con el Wizard 192.3. Editando el cdigo fuente 232.4 Compilando el cdigo fuente 25

Ejercicio integrador del captulo 2 31Conclusin del captulo 2 32Glosario del captulo 2 33Recursos del captulo 2 35

Captulo 3. Programacin de puertos E/S 36Ejercicio integrador del captulo 3 50Conclusin del captulo 3 51Glosario del captulo 3 52Recursos del captulo 3 53

Captulo 4. Interrupciones 544.1 Manejo de interrupciones 55

4.2 Registros de configuracin 584.3 Interrupciones INT1 e INT2 604.4 Interrupcin del Timer1 63

Ejercicio integrador del captulo 4 67Conclusin del captulo 4 68Glosario del captulo 4 69Glosario del captulo 4 70Recursos del captulo 4 71

Captulo 5. Protocolos de comunicacin 72Ejercicio integrador del captulo 5 82Conclusin del captulo 5 83Glosario del captulo 5 84Glosario del captulo 5 85Recursos del captulo 5 86

Captulo 6. Memorias externas 87Ejercicio integrador del captulo 6 97Conclusin del captulo 6 98Glosario del captulo 6 99Glosario del captulo 6 100Recursos del captulo 6 101

Captulo 7. Librera DSP del compilador C30 1027.1 Motor DSP 1037.2 Instrucciones DSP 1077.3 Librera DSP 109

Ejercicio integrador del captulo 7 111Conclusin del capitulo 7 112

ndice


Glosario del captulo 7 113Glosario del captulo 7 114Recursos del captulo 7 115

Captulo 8. Principios de muestreo 1168.1 Conversin analgico digital 1178.2 Teorema de muestreo 1208.3 Ejemplo de programacin 123

Ejercicio integrador del captulo 8 126Conclusion del captulo 8 127Glosario del captulo 8 128Recursos del captulo 8 129

Recursos del eBook 130Glosario 132ndice 137Aviso legal 139

ndice


Antonio Torres, David.

Introduccin al Procesamiento Digital de Seales con dsPIC y C30. Volumen 1. / Torres, David Antonio

p. 139 cm.

1. Derecho informticoMxico 2. Derecho comparadoMxico

LC: TK5102.9 Dewey: 621.3822

eBook editado, diseado, publicado y distribuido por el Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey.

Grabacin del video del autor por el Tecnolgico de Monterrey, Campus Puebla.

Se prohbe la reproduccin total o parcial de esta obra por cualquier medio sin previo y expreso consentimiento por escrito del Instituto Tecnolgico y de Estudios

Superiores de Monterrey.

D.R. Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey, Mxico. 2012

Ave. Eugenio Garza Sada 2501 Sur Col. Tecnolgico C.P. 64849 | Monterrey, Nuevo Len | Mxico.

ISBN en trmite.

Primera edicin: agosto 2012.

Aviso legal

1.1 Sistemas de informacin Bookmark 107

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