Desenvolvimento de uma interface de sinais analógicos

Universidade de Aveiro 2010

Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática

NUNO MIGUEL

CASTRO GONÇALVES

DESENVOLVIMENTO DE UMA INTERFACE DE

SINAIS ANALÓGICOS

Universidade de Aveiro 2010

Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática

NUNO MIGUEL

CASTRO GONÇALVES

DESENVOLVIMENTO DE UMA INTERFACE DE

SINAIS ANALÓGICOS

Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrónica e Telecomunicações, realizada sob a orientação científica do Doutor Telmo Reis Cunha, Professor Auxiliar do Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática da Universidade de Aveiro.

Aos meus pais, a toda a minha família, à Katrina e a todos os meus amigos

o júri

presidente _{Prof. Dr. António Luís Jesus Teixeira}

Professor associado do Dep. De Electrónica, Telecomunicações e Informática da Universidade de Aveiro

Prof. Dr. Jorge dos Santos Freitas Oliveira

Professor adjunto do Dep. de Engenharia Electrotécnica da Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Leiria

Prof. Dr. Telmo Reis Cunha

Professor auxiliar do Dep. de Electrónica, Telecomunicações e Informática da Universidade de Aveiro

agradecimentos _{Não é possível esquecer todos aqueles que de}

uma forma directa ou indirecta estiveram envolvidos na realização deste projecto. A todos os meus mais sinceros e profundos agradecimentos.

Ao meu orientador pela confiança em mim depositada e por todos os erros enumerados, pelo incentivo moral e técnico, à sua paciência que permitiu que melhorasse todos os dias a minha performance no decorrer do projecto.

Aos meus pais talvez o voto de agradecimento mais profundo, por todos os sacrifícios que fizeram para me permitirem chegar onde cheguei. Por me darem todas as oportunidades que deram e por depositarem em mim toda a confiança possível. A eles tudo quanto alcancei tudo devo. Obrigado por tudo Mãe e Pai e espero que no futuro consiga manter-vos orgulhosos.

À minha irmã por me fazer sorrir quando lhe tentava explicar em que consistia o meu trabalho e me respondia com olhos de espanto bem abertos e boca caída.

A todos os meus amigos que chegaram aqui comigo, aos que foram para longe mas continuam perto, a todos aqueles que de forma directa ou indirecta tocaram neste projecto. Aos que com a mais simples ideia de quem está fora ajudam sem terem noção do que ajudaram. Aos que directamente tentaram ajudar nos momentos mais negros e finalmente a todos os amigos de jantares, que por qualquer momento nos fazem sentir bem e nos oferecem momentos para recordar e crescer.

À Katrina que me ajudou e apoiou em todos os momentos bons ou menos bons. Que me mandou trabalhar quando não me apetecia, e que me fez rir em momentos menos bons, e por simplesmente estar presente a meu lado sempre que possível, ainda que tão grande distância nos separe. THANK YOU.

palavras-chave Electrónica, electrotecnia, micro-controladores, aquisição de sinal, analógico, digital, conversão, comunicação, computador.

resumo Actualmente, de uma forma quase transparente para o

utilizador, praticamente todos os sistemas computacionais que utilizamos no nosso quotidiano possuem módulos de aquisição e conversão de sinais.

Estes módulos estão embutidos nos mais variados sistemas electrónicos como televisões, telemóveis, câmaras, rádios, computadores…

Com alguma frequência, os sinais neste tipo de aplicações têm características analógicas, pelo que existe necessidade de recorrer a dispositivos de conversão do domínio analógico para o digital. Este é o modo de conseguir ligar o poder de decisão computacional inerentemente digital, ao mundo real, de cariz analógico.

Nesta dissertação de mestrado é apresentada a criação de um dispositivo de conversão analógico-digital que possa permitir a um utilizador, por intermédio de um computador, processar sinais analógicos armazenados num conjunto de amostras digitais. Destaca-se que é objectivo deste trabalho que este dispositivo de aquisição de sinais analógicos possa distinguir-se de outros já existentes no mercado por poder ter uma frequência de amostragem dos sinais elevada (podendo chegar aos 20 MSPS) e, também, uma enorme flexibilidade de configuração (quer da frequência de amostragem, quer do volume da amostras armazenadas). Assim, este dispositivo poderá ser muito útil em aplicações de natureza diversa.

Neste caso, como não se trata de uma aplicação embutida num sistema distribuído, é necessário utilizar um protocolo de comunicação entre o módulo de aquisição de dados e o computador, o qual será responsável processar os dados digitalmente. Entre muitas formas existentes actualmente para permitir este tipo de transferência de dados, nesta dissertação é utilizado um protocolo bastante disseminado no mercado: o protocolo USB.

Em praticamente todos os sistemas computacionais que interajam com o utilizador existe uma unidade central de processamento, responsável pelo controlo do funcionamento das aplicações. O trabalho aqui desenvolvido é enquadrado nesse âmbito, pelo que também aqui é apresentado a criação de um módulo responsável pelo controlo do sistema de aquisição de sinais analógicos e respectiva comunicação com o computador.

keywords Electronics. electrotecnics, microcontrolers, signal acquisition, analog, digital, conversion, communication, computer.

abstract _{Nowadays in an almost completely transparent way}

for the user, most of the computational systems we use in our daily basis possess signal acquisition and conversion modules.

These modules are embedded in the most diverse electronic systems as televisions, cell phones, cameras, radios, computers…

Often, base signals in these kind of applications have analog characteristics, presenting the need of using devices with analog to digital converting capabilities. This way one connects computational decision power inherently digital, to the real world of analog nature.

In this masters' dissertation, the reader is presented with a development of an analog to digital conversion device that provides the user, by means of a computer, capability to process analog signals stored as digital samples. One shall highlight as an objective of this device its possibility of allowing the distinction from others existent on the market for being able to have a sampling frequency reaching 20 MSPS and also a huge flexibility in its configuration (either the sampling frequency or the sampling volume stored). So this device can be very useful in applications of wide nature.

In this case, as this is not an embedded application in a distributed system, it is necessary to use a communication protocol between the acquisition module and the computer who will become responsible by digitally process the data. Among the many existing possibilities to allow this kind of transfer, in this dissertation it’s used one widely used on the market: the USB protocol.

In almost all computational systems that require interaction with the user, exists a central processing unit, responsible for controlling the correct function of applications. Work here developed is framed in that context, so, is also presented the development of a module responsible for the control of the signal acquisition system e respective computer communication.

   

  

→

Ω

         

      

    

1. Wikipedia. Flash ADC: http://en.wikipedia.org/wiki/Flash_ADC. Available from:

http://en.wikipedia.org/wiki/Flash_ADC.

2. Circuits, A.a. Delta-Sigma () ADC. Available from:

http://www.allaboutcircuits.com/vol_4/chpt_13/9.html.

3. Adel S. Sedra, K.C.S., ed. Microelectronic Circuits, Fifth Edition.

4. Circuits, A.A. Slope (Integration) ADC. Available from:

http://www.allaboutcircuits.com/vol_4/chpt_13/8.html.

5. Maxim. Understanding Pipelined ADCs. Available from: http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN1023.pdf.

6. Pérez, F.E.V. and R.P. Areny, Microcontroladores: Fundamentos y aplicaciones com PIC. 2007. 7. Instruments, T. Stellaris® 9000 Series of ARM® Cortex™-M3-based MCUs. Available from:

http://focus.ti.com/mcu/docs/mculuminaryfamilynode.tsp?sectionId=95&tabId=2597&familyId=17 56.

8. NXP. ARM9. Available from:

http://www.nxp.com/#/ps/ps=[i=53962,f=c7529:256;768]|pp=[t=pfp,i=53962].

9. STMicroelectronics. STM32 bit ARM Cortex MCUs. Available from:

http://www.st.com/stonline/stappl/productcatalog/app?page=productSelector. 10. Jasio, L.d., Programming 32-bit/Microcontrollers in C/Exploring the PIC32. 2008. 11. Microchip. Microchip Home Page. Available from: www.microchip.com.

12. Weiss, A.R. Drystone Benchmark, History, Analysis, Scores and Recomendations. 2002; Available from: http://www.johnloomis.org/NiosII/dhrystone/ECLDhrystoneWhitePaper.pdf.

13. Axelson, J., USB Complete - The Developer's Guide. 2009.

14. Microchip. Focus Product Selector Guide. 2010; 12:[Available from:

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/01308c.pdf.

15. Wikipedia. Bootloader. Available from: http://en.wikipedia.org/wiki/Booting#Boot_loader.

16. Microchip. Microchip Application Libraries 2010; Available from:

http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=2680&dDocName =en547784.

17. Microsoft. WDK and Developer Tools. Available from:

http://www.microsoft.com/whdc/DevTools/WDK/WDKpkg.mspx. 18. Semiconductor, F., 74F269 8-Bit Bidirectional Binary Counter Datasheet. 19. Philips, 74LVC00A Quad 2-input NAND gate Datasheet. 2003.