AudioDSP zestaw z procesorem Sigma DSP ADAU1701 (2). Środowisko SigmaStudio

AudioDSP zestaw z procesorem Sigma DSP ADAU1701 (2). Środowisko SigmaStudio
Pobierz PDF Download icon

W pierwszej części kursu, w rubryce "projekty" został przeze mnie opublikowany opis zestawu uruchomieniowego AudioDSP z procesorem ADAU1701. W drugiej części zostanie opisana instalacja i podstawy użytkowania środowiska SigmaStudio, za którego pomocą ten zestaw jest konfigurowany i programowany.

Aby poprawnie wykonywać czynności opisane w artykule, niezbędne jest wyposażenie się w płytkę bazową zestawu (fotografia główna), programator USBi, komputer PC z systemem Windows, kartą dźwiękową i głośnikami aktywnymi PC.

SigmaStudio (rysunek 1) jest kompletnym środowiskiem graficznym wspomagającym programowanie wszystkich procesorów z rodziny Sigma DSP oraz niektórych układów audio z oferty Analog Devices. Jego wyróżnikiem jest odmienne podejście do tworzenia aplikacji - zamiast języka programowania mamy graficzny interfejs, zbliżony do stosowanego, na przykład, przy programowaniu sterowników PLC (język funkcjonalnych schematów blokowych FBD). Po konfiguracji sprzętowej procesora tworzymy aplikację poprzez łączenie odpowiednio dobranych i wstępnie skonfigurowanych bloków funkcjonalnych. Bloki są dostępne w bibliotekach programu. Łącząc je, tworzymy schemat procesu obróbki sygnału. Ułatwia to rozpoczęcie pracy bez lub z niewielkim doświadczeniem w zakresie programowania procesorów DSP, z minimalną znajomością algorytmów i budowy urządzeń do cyfrowej obróbki sygnału.

Fotografia 1. Płytka bazowa AudioDSP ADAU1701A

W związku z dostępnością sporej liczby przygotowanych bloków, realizujących zróżnicowane algorytmy obróbki sygnału, możliwe jest tworzenie skomplikowanych aplikacji audio we względnie krótkim czasie. Podejście to zdecydowanie ułatwia pracę, szczególnie osobom, które do tej pory tworzyły systemy audio z fizycznych urządzeń rack 19” lub modułów funkcjonalnych z serii 500, jak to ma miejsce podczas pracy w studio nagraniowym lub na estradzie, gdzie konfigurujemy przepływ sygnału oraz konieczne jego korekcje i modyfikacje wymagane dla uzyskania oczekiwanego efektu końcowego.

SigmaStudio umożliwia tworzenie aplikacji w naturalny dla nich sposób i zastępuje urządzenia elektroniczne odpowiednikami w postaci bloków funkcjonalnych. Nie do przecenienia jest też brak konieczności nauki asemblera DSP, co powoduje, że pierwsza aplikacja może powstać w kilka minut, a osiągnięte efekty i zmiany parametrów ocenione w czasie rzeczywistym. Łatwiejsza jest też analiza projektów przygotowanych przez inne osoby, nie ma konieczności śledzenia tysięcy wierszy programu - wystarczy przeglądnąć schemat funkcjonalny i zapoznać się z konfiguracją użytych bloków i procesora.

Oprogramowanie SigmaStudio jest udostępnione za darmo także w celach komercyjnych. Można je pobrać spod adresu http://bit.ly/2HFa1AV. Aktualnie jest dostępna wersja 4.2 (x64).

Oprogramowanie nie ma wygórowanych wymagań sprzętowych. Do pracy jest niezbędny komputer PC z systemem Windows 7/10 (x64), z zainstalowanym Microsoft.Net Framework 4.7, 256 MB pamięci RAM, 80 MB wolnego miejsca na dysku i jednym wolnym portem USB2.0 dla programatora USBi. Zalecany jest monitor o rozdzielczości co najmniej 1024×768 pikseli.

Instalacja z pliku ADI_SigmaStudio-Rel4.2-x64.exe przebiega typowo. Po zainstalowaniu SigmaStudio należy dołączyć do komputera programator USBi (poprzez kabel Mini USB), jeszcze bez zestawu AudioDSP. W Menedżerze Urządzeń w zakładce Kontrolery uniwersalnej magistrali szeregowej powinna zostać wyświetlona pozycja Analog Devices USBi, co potwierdza prawidłową instalację driverów programatora (rysunek 2).

Rysunek 2. Oprogramowanie SigmaStudio

Po potwierdzeniu poprawnej instalacji należy uruchomić Sigma Studio. W przedstawionych w kursie projektach wykorzystano wersję 4.2 build1 (Rev1764). Co pewien czas warto sprawdzić, czy nie są dostępne aktualizacje oprogramowania, które oprócz rozbudowy o obsługę nowych układów wnoszą poprawki raportowanych błędów, a niekiedy dodatkowe bloki funkcjonalne.

Budowa interfejsu użytkownika SigmaStudio jest standardowa, okno aplikacji podzielone jest na:

  • Obszar menu.
  • Obszar ikon poleceń.
  • Główny obszar projektu (Program Window), w którym po otwarciu projektu dostępne są główne zakładki schematu (Schematic) i konfiguracji sprzętowej (Hardware Configuration) z zakładkami konfiguracji systemu (Config), procesora DSP (ICx 170x/140x Register Control) i pamięci EEPROM (ICx - WinE2PromLoader). Sigma Studio dopuszcza jednoczesną pracę nad kilkoma projektami.
  • ToolBoxy z dostępnymi układami DSP i audio lub elementami bibliotecznymi wyświetlane w zależności od aktywnej zakładki w oknie głównym projektu.
  • Okienka statusu wyświetlające informacje o zasobach systemowych DSP i pamięci EEPROM (Resources), umożliwiające podgląd zawartości plików generowanych przez kompilator i linker (Output) oraz informacje o komunikacji programatora z DSP umożliwiające podgląd przesyłanych danych, parametrów wraz z możliwością ich edycji (Capture Window).

Proces tworzenia aplikacji dla DSP składa się z czterech kroków.

Pierwszym krokiem jest otwarcie nowego projektu z menu FileNew Project (CTRL+N). Wszystkie niezbędne pliki podobnie jak w innych IDE zgrupowane są w projekt, zapisywany poleceniem FileSave (CTRL+S), w pliku Nazwa_Projektu.dspproj, najlepiej w nowo utworzonym katalogu (w tym wypadku Projekt_1). Z menu View mamy możliwość skonfigurowania dostępnych na ekranie zakładek narzędziowych oraz ustalenia powiększenia obszaru roboczego (rysunek 3). W nowym projekcie przed konfiguracją systemu DSP jest widoczny czysty główny obszar roboczy, który w zależności od podjętych działań będzie uzupełniany o kolejne zakładki zawierające konfigurację sprzętową, konfigurację pamięci oraz właściwy hierarchiczny schemat aplikacji. Do rozpoczęcia pracy niezbędna jest widoczność zakładki Tree Toolbox, zawierającej w zależności od wykonywanej czynności biblioteki obsługiwanych układów i dostępnych programatorów lub biblioteki dostępnych algorytmów.

Rysunek 3. Poprawnie zainstalowany USBi

Drugim krokiem po założeniu nowego projektu jest konfiguracja systemu DSP. W pierwszej kolejności należy ustalić częstotliwość próbkowania, z którą pracuje DSP. Dla zestawu AudioDSP z wlutowanym kwarcem 11,2896 MHz i ustawioną krotnością PLL=256 (położenie zwór M0:2-3, M1:1-2, OSC XT:2-3) jest to 44,1 kHz, czyli częstotliwość odpowiadająca próbkowaniu materiału audio na płycie CD. W celu zmiany fs z listy rozwijanej paska narzędzi należy wybrać 44,1 kHz i ustawić jako częstotliwość próbkowania systemu (rysunek 4 i 5). Po zastosowaniu rezonatora 12,288 MHz system może być skonfigurowany do obróbki 48 kHz, czyli materiału audio z DVD. Opisane czynności przy wyborze fs dostępne są też w menu ActionSet/System Sampling rate (CTRL+U)  . Zmiana fs możliwa jest także podczas edycji projektu.

Rysunek 4. SigmaStudio IDE
Rysunek 5. Ustawienie częstotliwości fs

Kolejną czynnością jest ustalenie konfiguracji sprzętowej odpowiadającej płytce AudioDSP. Zakładając pracę „samodzielną” zestawu, w obszar roboczy musimy przeciągnąć z Toolboxa bloczek procesora DSP ADAU1701, bloczek pamięci E2PROM, programator USBi oraz odpowiednio je połączyć. Każdy z bloczków ma „punkty” przyłączeniowe, które w zależności od typu oznaczone są różnymi kolorami (zielony - wejście audio, niebieski - wyjście audio, czerwony - sterowanie oraz GPIO), po ustawieniu kursora myszy nad punktem, otrzymujemy krótką informację o typie sygnału dostępnego na połączeniu (rysunek 6). Warto zapoznać się z zawartą informacją, gdyż połączenie nieodpowiednich punktów może powodować błędy lub problemy z działaniem aplikacji. Typy łączonych sygnałów muszą się zgadzać, jest to szczególnie istotne w przypadku wykorzystania GPIO ADC, gdzie bardzo często mylony jest sygnał audio z sygnałem analogowym sterującym pochodzącym z przetwornika ADC GPIO. Podobna sytuacja ma miejsce, gdy nie są zachowane typy zmiennych sterujących pracą bloków funkcjonalnych (np.: multiplekserów lub regulatorów głośności), co zostanie opisane w dalszej części kursu przy obsłudze GPIO.

Rysunek 6. Potwierdzenie fs systemu

Przy konfigurowaniu USBi należy zwrócić szczególną uwagę na typ magistrali komunikacyjnej i adresy poszczególnych układów. USBi umożliwia programowanie całej rodziny procesorów Sigma DSP przy wykorzystaniu interfejsów I2C i SPI, podobnie jest w wypadku pamięci E2PROM. Procesor ADAU1701 w zestawie Sigma DSP komunikuje się z E2PROM i USBI przez interfejs szeregowy I2C. W związku z możliwością wyboru adresów ADAU1701 i E2PROM należy każdorazowo skontrolować poprawność ich konfiguracji (ADAU1701 - 0x68, E2PROM - 0xA0). Jest to bardzo ważny punkt konfiguracji, ponieważ:

Trzecim krokiem jest odpowiednie skonfigurowanie procesora DSP ADAU1701. Konfiguracja jest oczywiście zależna od realizowanego projektu. Dla przypomnienia warto spojrzeć na budowę wewnętrzną ADAU1701 (rysunek 7) i określić bloki funkcjonalne wykorzystywane w projekcie, które będą wymagały skonfigurowania.

Rysunek 7. Ustalenie konfiguracji sprzętowej AudioDSP

Po skonfigurowaniu systemu w obszarze roboczym zostaną wyświetlone dwie dodatkowe zakładki IC1-1701x/1401x Register ControlIC2 - WinE2PromLoader odpowiadające konfiguracji elementów składowych AudioDSP. W pierwszej zakładce ustalamy wewnętrzną konfigurację rejestrów ADAU1701 (rysunek 8). Ustalamy cykl programu DSP, wybieramy i konfigurujemy aktywne interfejsy sygnału audio ADC/DAC, konfigurujemy porty szeregowe Serial Input, Output, aktywujemy i konfigurujemy tryb GPIO oraz współpracujące wejścia GPIO (Control ADC). Szczegółowe opisy konfiguracji zależą od aplikacji DSP i będą przedstawione na przykładach w kolejnych częściach kursu. W drugiej zakładce dostępne są operacje przeznaczone do obsługi pamięci E2PROM (rysunek 9). Możliwe jest ustawienie parametrów pamięci, takich jak wielkość i długość bufora zapisu, dostępne są operacje kasowania, programowania i odczytu pamięci wraz z podglądem jej zawartości i możliwością operacji plikowych (zapis/odczyt).

Rysunek 8. Schemat blokowy ADAU1701A (za notą Analog Devices)
Rysunek 9. Konfiguracja wewnętrzna DSP ADAU1701A

Oprócz zakładki WinE2PromLoader konieczna jest jeszcze dodatkowa parametryzacja E2PROM w zakładce Config. W t0m celu po zaznaczeniu bloku E2Prom klikamy na nim prawym klawiszem myszy w celu wywołania menu podręcznego (rysunek 10). Po wybraniu opcji Properties uzyskamy dostęp do dodatkowych ustawień konfiguracji pamięci E2PROM (rysunek 11).

Rysunek 10. Konfiguracja i obsługa pamięci E2PROM
Rysunek 11. Menu właściwości E2Prom

W tym miejscu możemy skonfigurować oprócz wcześniejszych ustawień dodatkowo prędkość transmisji I2C i długość rejestru adresowego pamięci. Wpisane wartości odpowiadają konfiguracji pamięci AudioDSP.

Po skonfigurowaniu E2PROM należy zamknąć okno i zapisać zmiany w projekcie.

Czwartym i ostatnim krokiem jest wykonanie schematu aplikacji z weryfikacją działania oraz zaprogramowanie DSP. W tym celu przechodzimy do zakładki Schematic w obszarze roboczym (rysunek 12), po przełączeniu zakładek zmienia się zawartość przybornika toolbox. Zawiera on teraz narzędzia dla tworzenia schematu (Schematic Design) oraz biblioteki bloków (IC1-ADAU1701) obsługiwanych przez procesor ADAU1701.

Rysunek 12. Okienko właściwości E2PROM

Obsługa edytora jest intuicyjna, na obszar roboczy przeciągamy elementy z biblioteki bloków lub narzędzi do tworzenia schematu, odpowiednio je łącząc (rysunek 13). Do schematu można dodawać opisy (User Comment), grafiki (User Image). Połączenia pomiędzy blokami tworzone są automatycznie, co czasem wymaga korekty przebiegu połączenia. Po wskazaniu pierwszego punktu połączenia i przytrzymaniu lewego przycisku myszy należy przemieścić kursor nad punkt docelowy, połączenie zostanie utworzone (tu jest chyba ukłon twórców oprogramowania w stronę audiofilów, gdyż połączenie do złudzenia przypomina cenione, vintage'owe przewody Western Electric w kolorowym bawełnianym oplocie...). W dowolnym momencie możliwa jest modyfikacja przebiegu połączenia poprzez kliknięcie na przewodzie i odpowiednie przesunięcie podświetlonych uchwytów przewodu. Podobnie przesuwa się bloki funkcjonalne. Aby dodać połączenie (rozgałęzienie) sygnału, należy użyć narzędzia T Connection. Należy zwrócić uwagę na użycie odpowiedniego dla procesora DSP bloku T Connection, gdyż kompilator nie sygnalizuje błędów, a program nie będzie działał poprawnie np. po wybraniu bloku dla ADAU1772. Podczas rysowania schematu warto zadbać o jego czytelność, oprócz „ręcznego” korygowania przebiegu połączeń dostępnych jest kilka narzędzi edycyjnych, ułatwiających rozmieszczenie i wyrównanie bloków funkcjonalnych dostępnych w menu (Format/Align). Wyrównanie odbywa się po zaznaczeniu kilku bloków i wyborze opcji, Center Vertical/Horizontal, Left/Right, Top/Bottom (CTRL +E/H, +L/R, +T/B) lub wybór ikony z paska narzędzi  .

Rysunek 13. Edytor schematów Sigma Studio

Jak wspominałem, edytor schematów jest hierarchiczny, co ułatwia tworzenie bardziej złożonych aplikacji, wprowadza porządek oraz przyspiesza późniejszą analizę działania układu. Zawsze głównym (nadrzędnym) schematem jest arkusz (zakładka) Main, podrzędne schematy tworzone są narzędziem Hierarchy Board, zasady tworzenia schematów w blokach są identyczne. Aby umożliwić podłączenie sygnałów do schematów nadrzędnych, należy użyć narzędzi Hierarchy Input/Output. Każdy blok hierarchiczny dostępny jest poprzez zakładkę odpowiadającą jego nazwie (rysunek 14).

Rysunek 14. Tworzenie schematu aplikacji w edytorze Sigma Studio

Każdy biblioteczny blok funkcjonalny ma dostępną rozbudowaną pomoc kontekstową (rysunek 15), zawierającą opis działania, opis wejść/wyjść i typów sygnałów wymaganych do poprawnego działania. Dostęp do pomocy jest możliwy po zaznaczeniu bloku lewym klawiszem myszy i naciśnięciu klawisza F1. Pomoc jest dostępna także podczas pracy z Sigma Studio, warto z niej skorzystać, gdyż znajduje się w niej wiele cennych i ciekawych wskazówek, a czasami nawet gotowych rozwiązań układowych. Pomocna jest też strona Wiki http://bit.ly/2U2c5tD oraz forum DSP: http://bit.ly/2CCPAQV. 

Rysunek 15. Tworzenie bloku hierarchicznego

Większość bloków funkcjonalnych wymaga konfiguracji lub parametryzacji. Wywołanie odpowiedniego menu kontekstowego możliwe jest po naciśnięciu prawego klawisza myszy, gdy kursor jest nad blokiem (rysunek 16).

Rysunek 16. Pomoc programu Sigma Studio

Oprócz narzędzi typowo edycyjnych najważniejszą opcją w menu podręcznym jest opcja Grow/Reduce Algoritm, która umożliwia zwiększenie/zmniejszenie liczby obrabianych kanałów w danym bloku, np. przy zmianie typu regulatora głośności z 1 do 5 kanałów. Interesująca opcją jest też Disable This Control, ukrywająca nastawy/zawartości bloku i zapewniająca ochronę hasłem. Opcja przydaje się, gdy musimy udostępnić działający algorytm, a nie mamy zamiaru udostępniać sposobu jego realizacji. W podobny sposób po zaznaczeniu bloku w schemacie hierarchicznym można ukryć lub pokazać zakładkę podrzędną opcją Hide/Show albo zablokować hasłem dostęp do edycji schematu podrzędnego opcją Freeze (rysunek 17), zabezpieczając możliwość nieautoryzowanych zmian w projekcie.

Rysunek 17. Konfiguracja parametrów bloku

Podczas uruchamiania i testowania projektu pomocna jest opcja zapisu kilku zestawów parametrów (rysunek 18), które można przywrócić jednym naciśnięciem przycisku ikony A...D. Parametry zapisywane są w plikach w katalogu projektu w podkatalogu Settings.

Rysunek 18. Opcje ochrony algorytmu

Tak w skrócie wygląda obsługa Sigma Studio. Prawda, że łatwa? Z praktycznych uwag, warto wspomnieć o czasami nieprzewidywalnym zachowaniu się edytora schematów, gdy chcemy kopiować metodą Ctrl+C/Ctrl+V, wstawione w ten sposób bloki niekiedy zachowują się jak grafika... Po wklejeniu tracimy dostęp do nastaw, nie polecam więc tej metody, gdy potrzebujemy kilka jednakowych bloków - najlepiej wstawić je po kolei z ToolBoxa, wbrew pozorom zaoszczędzimy czas. Sporadycznie zdarza się też nieprawidłowe działanie opcji powiększenia schematu, po powiększeniu ekran zamraża się i ponownie nie mamy dostępu do parametrów bloków. W tym przypadku pomaga zapisanie projektu i restart SigmaStudio.

W tym miejscu wreszcie można podłączyć programator do zestawu. Do sprawdzenia działania przykładowego projektu wystarczy sama płytka bazowa, bez modułów GPIO i SPDIF. Do wejścia IN podłączamy źródło sygnału, do wyjścia OUT1 głośniczki PC lub wzmacniacz, do gniazda USBi programator. Na płytce programatora powinna zaświecić się czerwona LED sygnalizująca zasilanie USB oraz żółta potwierdzająca detekcję I2C, na płytce AudioDSP powinna zaświecić się zielona LED sygnalizująca obecność zasilania (dostarczonego przez programator USBi).

Po narysowaniu schematu i konfiguracji DSP (po otwarciu projektu Projekt1.dssproj, konfiguracja odbędzie się automatycznie) należy projekt zlinkować, wybierając z menu ActionLink/Project lub ikonę  .

Rysunek 19. Zapis i przywrócenie parametrów

Po wybraniu opcji menu ActionLink/Compile Download lub ikony  .
Możliwy jest też status błędu Computation Error, gdy zmienne przekraczają dopuszczalny zakres lub nastąpiła awaria USB, ale z takim w praktyce jeszcze się nie spotkałem.

Zmienne statusy oprócz komunikatu tekstowego zmieniają także kolor belki pod schematem, niebieski oznacza tryb edycji projektu, ciemnozielony poprawną kompilację, jasnozielony poprawne załadowanie projektu do DSP, kolor nie do określenia przez typowego samca gatunku ludzkiego (podobno coś pomiędzy jasnołososiowym a cielistym) błąd komunikacji USBi oraz czerwony Computation Error. Każdorazowo po zmianie edycji schematu, proces kompilacji należy powtórzyć.

Zakładam, że ładowanie odbyło się pomyślnie i najprostsza możliwa aplikacja działa, tj. na wyjściu OUT2 dostępny jest sygnał z wejścia IN bez zmian w DSP, a na wyjściu OUT1 sygnał o regulowanej potencjometrem (w zakładce Regulator) amplitudzie. Warto sprawdzić działanie pamięci nastaw ikonami A.D, poziom powinien zmieniać się w zależności od wybranej ikony. W związku z tym, że program ładowany jest do pamięci ulotnej DSP, po przyciśnięciu przycisku reset lub odłączeniu USBi zostanie utracony i w razie konieczności musi zostać załadowany ponownie. Tryb ten przyspiesza sprawdzenie projektu bez straty czasu na programowanie pamięci EEPROM. Podczas zmian nastaw potencjometru warto przyjrzeć się komunikacji USBi z DSP, w okienku Capture, na bieżąco zmieniają się wartości wysyłane do pamięci//rejestrów procesora, można je modyfikować, wpływając na pracę DSP (rysunek 20). Jest to wykorzystywane, gdy DSP pracuje z procesorem zewnętrznym, który po I2C modyfikuje odpowiednie rejestry, aplikacja jest wgrywana do DSP z pamięci EEPROM po włączeniu zasilania, jest to tzw. tryb Safeload. Wartości modyfikowane mogą zostać zapisane na dysk (poprzez menu podręczne) i użyte przy programowaniu procesora sterującego.

Rysunek 20. Kompilacja projektu

W oczekiwaniu na następny odcinek kursu warto zapoznać się z dokumentacją ADAU1701 oraz Sigma Studio, ze szczególnym zwróceniem uwagi na zawartość bibliotek i sprawność rysowania schematów, gdyż będzie to niezbędne w następnej części kursu, do przygotowania pierwszej aplikacji dla SigmaDSP.

- zapraszam...

Rysunek 21. Ręczna modyfikacja rejestrów DSP

Adam Tatuś, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
kwiecień 2019
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec - sierpień 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje lipiec 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich sierpień 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów