Trabajo de grado · 2014
Diseño y fabricación de un modulo didáctico basado en DsPIC como herramienta de apoyo en el aprendizaje de sistemas de control digital con énfasis en la implementación de filtros digitales
En este proyecto se brinda una alternativa en soluciones de control digital mediante el uso de filtros digitales, ya que constituyen un método moderno, robusto, flexible, estable en el tiempo y son muy apropiados para el tratamiento y procesamiento de señales. El módulo entrenador realiza implementación de filtros digitales respuesta al impulso finito FIR y respuesta al impulso infinita IIR (pasa-bajos, pasa-alta, pasa- banda), utilizando un microcontrolador de la familia dsPIC33F, el cual se encarga de hacer el respectivo procesamiento de señales por medio de un convertidor analógico a digital y digital a analógico. También cuenta con un Pre-amplificador de entrada cuya función principal es acoplar una señal de audio para ser procesada por el dsPIC, además de un amplificador de salida cuyo propósito es aumentar la potencia de la señal para ser escuchada por un parlante tipo desktop. Así mismo dispone de un sistema de configuración para establecer el tipo de entrada y salida que se vaya a procesar. Para la implementación de filtros digitales se utilizaron dos compiladores en lenguaje C: el C30 de Microchip Technologies y el MikroC Pro for dsPIC de Mikroelektronika.
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Contenido
- INTRODUCCIÓNp. 16
- OBJETIVOSp. 18
- OBJETIVO GENERALp. 18
- OBJETIVOS ESPECÍFICOSp. 18
- MARCO TEÓRICOp. 19
- 1.1. ESTADO DEL ARTEp. 19
- 1.2. dsPICp. 14
- 1.2.1. dsPIC33Fp. 21
- 1.2.2. Descripción del dispositivo dsPIC33FJ128GP802p. 21
- 1.2.3. Módulos del dsPIC33FJ128GP802p. 22
- 1.2.3.1. Temporizadoresp. 23
- 1.2.3.2. Módulo SPI (Interfaz Serial Periférica)p. 24
- 1.2.3.3. Convertidor Analógico a Digital (ADC)p. 24
- 1.2.3.4. Convertidor Digital Analógico (DAC)p. 24
- 1.3. HERRAMIENTAS DE DESARROLLO PARA dsPICp. 25
- 1.3.1. Compilador C30 – Microchip Technologiesp. 25
- 1.3.1.1. Herramienta de diseño de filtros dsPICFdLitep. 26
- 1.3.2. Compilador MikroC Pro for dsPIC – Mikroelektronikap. 30
- 1.3.2.1. Herramienta de Diseño Filter Designer Toolp. 31
- MIKROC DE MIKROELEKTRONIKAp. 36
- FILTROS DIGITALESp. 38
- 2.1. FUNDAMENTO DE FILTROS DIGITALESp. 38
- 2.1.1. Etapas de diseño de un filtro digitalp. 39
- 2.2. FILTROS FIR (RESPUESTA AL IMPULSO FINITO):p. 40
- 2.2.1. Respuesta a la frecuencia idealp. 42
- 2.2.2. Diseño de filtros FIRp. 44
- 2.2.2.1. Método de ventanasp. 45
- 2.3. FILTROS IIR (RESPUESTA AL IMPULSO INFINITO):p. 55
- 2.3.1. Diseño de filtros IIRp. 56
- 2.3.1.1. Diseño de filtros IIR mediante tranformada Bilinealesp. 56
- ENTRENADOR DE AUDIOp. 61
- 3.1. PRE-AMPLIFICADOR DE ENTRADA AUXILIARp. 62
- 3.3. AMPLIFICADOR DIFERENCIALp. 61
- 3.4. FILTRO PASA-BAJOS ANALÓGICOp. 61
- 3.5. CONVERSOR DIGITAL ANALÓGICO MCP4921p. 68
- 3.6. MICROCONTROLADOR dsPIC33FJ128GP802p. 61
- 3.6.1. Osciladorp. 69
- 3.6.2. Oscilador Secundariop. 69
- 3.6.3. Selección de entrada análogap. 69
- 3.6.4. Condensador estabilizador del Voltaje de núcleop. 70
- 3.6.5. Circuito de Resetp. 70
- 3.6.6. Indicadores o Testigos:p. 70
- 3.6.7. Conexión ICSP o interfaz para PICKIT2p. 70
- 3.6.8. Puerto SPIp. 70
- 3.6.9. Puerto USARTp. 70
- 3.6.10. Salida PWMp. 71
- 3.7. FUENTE DE ALIMENTACIÓNp. 61
- dsPIC33FJ128GP802p. 22
- 4.1. RECONOCIMIENTO DEL ENTRENADOR DE AUDIOp. 74
- 4.1.1. Filtro pasa-bajosp. 74
- 4.1.2. Resetp. 74
- 4.1.3. Interfaz PICKIT2 -ICSP-p. 74
- 4.1.4. Interfaz USBp. 74
- 4.1.5. Fuente de alimentancionp. 77
- 4.1.7. Memoriap. 25
- 4.1.8. Diferencialp. 74
- 4.1.9. Selección de entradas y osciladoresp. 74
- 4.1.10. Indicadoresp. 80
- 4.1.11. Entrada analógicap. 74
- 4.1.12. Pre-amplificador y micrófonop. 81
- 4.1.13. Amplificador de salidap. 61
- 4.2. COMPILADOR C30 DE MICROCHIPp. 82
- 4.2.1. Procedimiento para utilizar Mplab C30 – Microchipp. 82
- 4.2.1. Asistente para creación de coeficientes para C30 – dsPICFD LITEp. 85
- 4.3. COMPILADOR MIKROCp. 91
- 4.3.1. Procedimiento para utilizar MIkroC Pro for dsPIC –Mikroelektronikap. 91
- dsPIC33FJ128GP802p. 22
- UTILIZANDO EL COMPILADOR C30 DE MICROCHIPp. 101
- 5.1.1. Práctica No. 1 ADC/DAC LOOPBACKp. 101
- 5.1.2. Práctica No. 2 FIR Pasa-bajosp. 103
- 5.1.3. Práctica No. 3 FIR Finalp. 106
- 5.1.4. Práctica No. 4 IIR Pasa-altop. 108
- 5.1.5. Práctica No. 5 IIR Finalp. 111
- 5.1.6. Práctica NO.6 AUDIO FIRp. 114
- UTILIZANDO EL COMPILADOR MIKROC PRO FOR DSPICp. 118
- 5.2.1. Práctica No. 1 TIMERp. 119
- 5.2.2. Práctica N.2 MCP4921p. 120
- 5.2.3. PRÁCTICA No. 3 ADC/DAC LOOPBACKp. 122
- 5.2.4. Práctica No. 4 FIR Pasa-altop. 124
- 5.2.5. Práctica No. 5 IIR Finalp. 111
- Figura 1. Software dsPICFD Litep. 26
- Figura 3. Ventana de Especificación del Filtro del software dsPICFD Litep. 27
- Figura 5. Análisis del Filtro del software dsPICFD Litep. 28
- Memoria, b. localización del Archivo, c. Código Generadop. 29
- Figura 7. Herramienta de Diseño Filter Designer Toolp. 31
- Figura 8. Parámetros de configuración filtros FIR e IIR Filter Designer Toolp. 32
- Figura 9. Herramienta Filter Designer Toolp. 32
- Figura 10. Tipo de Filtro del Filter Designer Toolp. 33
- del Filtro IIRp. 33
- Frecuencia limite, atenuación de banda de Paso Filtro IIRp. 34
- Filtrop. 29
- Designer Toolp. 36
- Figura 15. Diagrama de Bloques Filtro Digital Simplificadop. 38
- Figura 16. Especifiaciones de un Filtro Digitalp. 39
- Figura 17. Estructura de Filtro FIRp. 41
- Figura 18. Filtros Idealesp. 42
- en el dominio de la frecuenciap. 46
- el dominio de la frecuenciap. 46
- dominio de la frecuenciap. 47
- en el dominio de la frecuenciap. 46
- en el dominio de la frecuenciap. 46
- Figura 24. Respuesta al impulso del filtro ideal pasa bajasp. 52
- Figura 25. Respuesta al impulso del filtro ideal pasa bajasp. 53
- Figura 26. Coeficientes Ventana Hamming Pasa Bajosp. 55
- Figura 27. Estructura de Filtro IIRp. 56
- Figura 28. Filtro digital IIR directop. 60
- Figura 29. Diagrama de Bloques Entrenador de Audiop. 61
- Figura 30. Entrenador de Audiop. 62
- Figura 31. Plano esquemático Pre-amplificadorp. 62
- Figura 32. Comportamiento del pre-amplificador Fin=500Hz G≈2p. 63
- Figura 33. Comportamiento en frecuencia del pre-amplificadorp. 64
- Figura 34. Plano esquemático amplificador de salidap. 65
- Figura 35. Comportamiento del Amplificador de Salida Fin=500Hz G≈5p. 65
- Figura 36. Comportamiento en frecuencia del Amplificador de Salidap. 66
- Figura 37. Plano esquemático amplificador diferencialp. 66
- Figura 38. Plano esquemático Filtro Pasa-bajosp. 67
- Figura 39. Configuración de un filtro pasa-bajos Sallen Key Orden 2p. 67
- Figura 40. Comportamiento en frecuencia del Filtro Pasa-bajosp. 68
- Figura 41. Diagrama esquemático conversor Digital Analógico MCP4921p. 68
- Figura 42. Diagrama esquemático del dsPIC33F en la tarjeta entrenadorap. 69
- Figura 43. Fuente de alimentación del entrenador de audio para dsPICp. 71
- Figura 44 . Plano Esquemático Entrenador de Audiop. 72
- Figura 45. Entrenador de audio dsPIC33FJ128GP802p. 74
- Figura 46. Diagrama General del Entrenador de Audiop. 75
- Figura 47. Diagrama General del Entrenador de Audio Filtro Pasa-Bajosp. 75
- Figura 48. Diagrama General del Entrenador de Audio – Resetp. 76
- Figura 50. Diagrama General del Entrenador de Audio – Interfaz USBp. 77
- Figura 52. Diagrama General del Entrenador de Audio – D/A MCP4921p. 78
- Figura 53. Diagrama General del Entrenador de Audio – Memoriap. 78
- Figura 54. Diagrama General del Entrenador de Audio – Diferencialp. 79
- audiop. 79
- Figura 56. Diagrama General del Entrenador de Audio – Indicadoresp. 80
- Figura 57. Diagrama General del Entrenador de Audio – Entradas analógicasp. 80
- Figura 58. Diagrama General del Entrenador de Audio – Pre-amlificadorp. 81
- Figura 60. Asistente para Crear un Proyecto Mplab Idlep. 82
- Figura 61. Selección del dispositivo Mplab Idlep. 82
- Figura 62. Selección del lenguaje a utilizar Mplab Idlep. 83
- Figura 63. Asignación del nombre y ruta del proyecto Mplab Idlep. 83
- Figura 64. Selección de ficheros del proyecto Mplab Idlep. 84
- Figura 65. Selección Ventana finalización de creación de proyecto Mplab Idlep. 84
- Figura 66. Software dsPICFD Litep. 85
- Tipo de Filtrop. 43
- Figura 68. Ventana de Especificación del Filtro dsPICFD Lite filtro FIRp. 86
- Figura 69. Tipo de Implementación del Filtro FIR dsPICFD Lite filtro FIRp. 87
- Figura 70. Análisis del Filtro dsPICFD Lite filtro FIRp. 87
- dsPICFD Lite filtro FIRp. 88
- Tipo de Filtrop. 43
- Figura 73. Ventana de Especificación del Filtro dsPICFD Lite filtro IIRp. 89
- Figura 74. Tipo de Implementación del Filtro IIR dsPICFD Lite filtro IIRp. 90
- Figura 75. Análisis del Filtro dsPICFD Lite filtro IIRp. 90
- Figura 76. Ventana de aplicación nuevo proyecto Mikroelektronicap. 91
- Figura 77. Interfaz de selección del dispositivo MIkroC Pro for dsPICp. 92
- Figura 78. Interfaz de selección del reloj MIkroC Pro for dsPICp. 92
- dsPICp. 14
- Figura 80. Interfaz de selección de ficheros del proyecto MIkroC Pro for dsPICp. 93
- Figura 81. Ventana de selección de librerías MIkroC Pro for dsPICp. 94
- Figura 82. Ventana finalización de creación de proyectop. 94
- Figura 83. Herramienta de Diseño Filter Designer Toolp. 95
- Figura 84. Parámetros de configuración filtros FIR e IIR Filter Designer Toolp. 95
- Figura 85. Herramienta Filter Designer Toolp. 96
- Figura 86. Tipo de Filtro Filter Designer Toolp. 97
- IIRp. 97
- límite, atenuación de banda de Paso del filtro IIRp. 98
- Toolp. 100
- Figura 91. Mòdulo entrenador de Audio “ADC/DAC LOOPBACK” Mplab C30p. 102
- Figura 92. Diagrama de Flujo “01-AD-DA LOOPBACK” Mplab C30p. 103
- Figura 93. Entrenador de auido 02-FIR-LOWPASS Mplab C30p. 104
- Figura 94. Diagrama de flujo “02-FIR-LOWPASS” Mplab C30p. 105
- Figura 95. Entrenador de audio 03-FIR-FINAL Mplab C30p. 106
- Figura 96. Diagrama de flujo “03-FIR-FINAL”p. 107
- Figura 97. Entrenador de audio IIR 04-IIR-HIGHPASS Mplab C30p. 109
- Figura 98. Diagrama de flujo “04-IIR-HIGHPASS” Mplab C30p. 110
- Figura 99. Entrenador de audio 05-IIR-FINAL. Mplab C30p. 111
- Figura 100. Diagrama de flujo “05-IIR-FINAL” Mplab C30p. 113
- Figura 101. Entrenador de audio 06-AUDIO-FIR Mplab C30p. 115
- Figura 102. Diagrama de flujo “06-AUDIO-FIR” Mplab C30p. 117
- Figura 103. Entrenador de audion01-TIMER1 PRB MikroCp. 119
- Figura 104. Diagrama de flujo “01-TIMER1 PRB” MikroCp. 120
- Figura 105. Entrenador de audio 02-MCP4921 PRB MikroCp. 121
- Figura 106. Diagrama de flujo “02-MCP4921 PRB” MikroCp. 122
- Figura 107. Entrenador de audio 03-ADC-DAC MikroCp. 123
- Figura 108. Diagrama de flujo “03-ADC-DAC” MikroCp. 124
- Figura 109. Entrenador de audio 04-FIR PALTO MikroCp. 125
- Figura 110. Diagrama de flujo “04-FIR PALTO” MikroCp. 126
- Figura 111. Entrenador de audio 05-IIR TODOS” MikroCp. 127
- Figura 112 Diagrama de flujo “07-IIR TODOS” MikroCp. 128
- Tabla 1. Características Importantes de la Familia dsPIC33Fp. 21
- Tabla 2. Características Principales de dsPIC33FJ128GP802p. 23
- Tabla 3. Características Principales de dsPIC33FJ128GP802p. 37
- Tabla 4. Filtros Ideales Respuesta en frecuenciap. 43
- Tabla 5. Secuencias Simétricasp. 44
- Tabla 6. Aplicaciones a Tipos de Filtrosp. 44
- Tabla 7. Características Frecuenciales de Algunas funciones de Ventanap. 49
- Tabla 8. Coeficientes ventana Hamming Pasa-Bajop. 54
- Tabla 9. Respuestas de los distintos tipos de filtros analógicosp. 58