Разгоняем Ардуину !

[slava68]

Всё хорошо в этой железяке, только вот иногда встречаются задачки, которые не имеют простого решения.

Нужно оцифровать сигнал с микрофона. На первый взгляд - гавновопрос !
Пишем val=analogRead(1);
Только вот, даже если процессор ничего больше не делает, скорость выполнения этой команды через стандартную библиотеку составляет каких-то 8кГц.

По теореме Котельникова "частота дискретизации должна минимум в два раза превышать частоту обрабатываемого сигнала", т.е. мы можем оцифровать максимум до 4кГц. Этого мало даже для речевого сигнала :-(
Если нам нужно сделать БПФ (быстрое преобразование Фурье) и получить спектр звукового сигнала, то необходимо минимум 44кГц частоты дискретизации.

Нарыл в интернете подобную проблемку. Умные люди придумали такую штуку:

#define FASTADC 1 // defines for setting and clearing register bits
#ifndef cbi
#define cbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit))
#endif
#ifndef sbi
#define sbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))
#endif

void setup() {
long int start ;
long int i ;

#if FASTADC // set prescale to 16
sbi(ADCSRA,ADPS2) ;
cbi(ADCSRA,ADPS1) ;
cbi(ADCSRA,ADPS0) ;
#endif

Serial.begin(9600) ;
Serial.print("ADCTEST: ") ;
start = millis() ;
for (i = 0 ; i < 61500 ; i++) analogRead(1) ;
Serial.print(millis() - start) ;
Serial.println(" msec (61500 calls)") ;
}
void loop() {
}
В результате получаем увеличения быстродействия примерно в 8 раз.

60кГц - это более чем достаточно, можно будет ещё и математикой заниматься в промежутках между чтением АЦП. Вот ссылочка на статейку про ускорение ввода-вывода на микроконтроллерах AVR: http://habrahabr.ru/post/141442/

только вот пока не могу разобраться, как это работает :-)))

Comments

[slava68.livejournal.com]

Никак не могу понять, что означают эти строки :-(
#define FASTADC 1 // defines for setting and clearing register bits
#ifndef cbi
#define cbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit))
#endif
#ifndef sbi
#define sbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))
#endif

Как это работает и зачем они вообще нужны ?
Почему было не написать в понятном виде, типа:
http://www.arduino.cc/en/Reference/PortManipulation-

[nepeanois.livejournal.com]

http://www.atmel.com/images/doc2545.pdf (стр.256)

#define cbi - clear bit register
#define sbi - set bit register

это (само по себе) не работает, это чтобы в коде эти макросы использовать

[slava68.livejournal.com]

О, так уже понятнее, про макросы я читал и про ассемблерные вставки читал.

[slava68.livejournal.com]

Курил-курил этот мануал, так и не понял, каким образом запись каких-то данных в какие-то регистры ускоряют выполнение :

for (i = 0 ; i < 61500 ; i++) analogRead(1) ;


Попробовал встроить этот непонятный код в свою программу - заработало :-)
Получилось 50кГц. Но как это работает я не понимаю :-(
Вот текст программы: http://pastebin.com/aBqJWAVU

[nepeanois.livejournal.com]

стр.244 - как работает ADC.
если лень - стр.256 - зачем нужен ADSC и 257 - prescaler (делитель систем клока).
если и это лень - https://code.google.com/p/arduino/source/browse/trunk/hardware/arduino/cores/arduino/wiring_analog.c :
64. while (bit_is_set(ADCSRA, ADSC)); // чем быстрее клокаем ADC, тем быстрее нам отдают результат

[nepeanois.livejournal.com]

слишкоммногобукф. однако в порядке флейма должен заметить, что для analIsing проверочное слово - analYsis. ;)

так это лаба по электронике или по c++?

[slava68.livejournal.com]

"Цифровая обработка сигналов "

:-)))

Хочу завтра что-нибудь "сграбить" с генератора, пусть студенты сначала построят сигнал в EXELе, а потом преобразование Фурье вручную и получим спектр сигнала, на следующем занятии воплотим математику в контролере, а потом будем "опознавать" спектр во входном сигнале и "реагировать" на него.

Другая дисциплина у меня - "Схемотехническое проектирование ЭС" , там тоже пытаюсь те же лабораторки придумать, только задачи другие.

Есть у меня ещё "Конструирование ЭС на базе БИС" их тоже постепенно подвожу к тому, чтобы мне было полегче заниматься с ними всеми.

А "Информационные технологии" и "Информатика" у вечерников - там С++

[nepeanois.livejournal.com]

ахвонашто! тогда предлагаю добавить в код настройку частоты дискретизации (вот те три битика делителя выставлять по-разному) и смотреть ухудшение/улучшение качества оцифровки, а еще можно - восстановленние сигнала из ранее записанного (плеер).

если туда же пихать и математику, тогда надо делать ацп асинхронным - снимать измерения по прерываниям, а обрабатывать в основном цикле. иначе вон тот цикл ожидания тратится впустую.

про c++ спросил из-за названия копипасты

[slava68.livejournal.com]

"а еще можно - восстановленние сигнала из ранее записанного (плеер)."

Да, это будет обязательно. И работу по прерываниям тоже планирую.
Работа большая получается, будем по частям делать.

делитель систем клока

[slava68.livejournal.com]

Вот, что я пропустил :-)))

стр.247 , получается, что пострадает качество преобразования.

By default, the successive approximation circuitry requires an input clock frequency between
50kHz and 200kHz to get maximum resolution. If a lower resolution than 10 bits is needed, the
input clock frequency to the ADC can be higher than 200kHz to get a higher sample rate.
The ADC module contains a prescaler, which generates an acceptable ADC clock frequency
from any CPU frequency above 100kHz. The prescaling is set by the ADPS bits in ADCSRA.
The prescaler starts counting from the moment the ADC is switched on by setting the ADEN bit
in ADCSRA. The prescaler keeps running for as long as the ADEN bit is set, and is continuously
reset when ADEN is low.
When initiating a single ended conversion by setting the ADSC bit in ADCSRA, the conversion
starts at the following rising edge of the ADC clock cycle.
A normal conversion takes 13 ADC clock cycles. The first conversion after the ADC is switched
on (ADEN in ADCSRA is set) takes 25 ADC clock cycles in order to initialize the analog circuitry.
When the bandgap reference voltage is used as input to the ADC, it will take a certain time for
the voltage to stabilize. If not stabilized, the first value read after the first conversion may be
wrong.

Re: делитель систем клока

[nepeanois.livejournal.com]

да-да, есть и такая засада. только там они неспроста на 16 делят в вашем варианте, наверное это как раз тот предел, после которого отваливаются младшие биты