Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. Σχολή Θετικών Επιστημών. Τμήμα Φυσικής. Τομέας Ηλεκτρονικής και Ηλεκτρονικών Υπολογιστών

Transcript

1 Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής Τομέας Ηλεκτρονικής και Ηλεκτρονικών Υπολογιστών Πτυχιακή Εργασία Ανάπτυξη συστήματος καταγραφής σημάτων ήχου Παπασταύρου Γεώργιος-Ναπολέων Α.Ε.Μ:13358 Επιβλέποντες : Σπυρίδων Νικολαΐδης, Καθηγητής Πορλιδάς Δημήτριος, Διδάκτορας Θεσσαλονίκη

2 2

3 Ευχαριστίες: Με την ολοκλήρωση της πτυχιακής μου εργασίας θα ήθελα να ευχαριστήσω τους επιβλέποντες καθηγητές μου κ.νικολαίδη Σπυρίδωνα και κ.πορλιδά Δημήτριο για την στήριξη και την εμπιστοσύνη στο πρόσωπο μου αλλά και για τη βοήθεια και την καθοδήγηση που μου προσέφεραν στην πορεία της εργασίας. Ακόμη, θα ήθελα να ευχαριστήσω το φίλο μου και φοιτητή της Σχολής των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Α.Π.Θ, Αντώνη Μαραβέλια για τη βοήθεια που μου προσέφερε. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου για τη στήριξή τους όλα αυτά τα χρόνια στις ακαδημαϊκές μου σπουδές. 3

4 Περιεχόμενα Εισαγωγή Κεφάλαιο Κύματα Ήχος Δειγματοληψία Ανάλυση ηχητικού κύματος Fast Fourier Transform (FFT).13 Κεφάλαιο Εισαγωγή στους μικροελεγκτές Περιγραφή του μικροελεγκτή Atmega Σειριακό πρωτόκολλο επικοινωνίας SPI Electret microphone Κάρτες μνήμης (SD card).29 Κεφάλαιο Εργαλεία για την ανάπτυξη του συστήματος Υλοποίηση και συνδεσμολογία διάταξης Προγραμματισμός του μικροελεγκτή σε γλώσσα C Παρουσίαση διάταξης και παράδειγμα λήψης μετρήσεων 41 Κεφάλαιο Ανάλυση δεδομένων. 43 4

5 4.2 Active Disk Editor Μεταφορά δεδομένων από δίσκο σε txt Επεξεργασία δεδομένων σε Matlab...46 Κεφάλαιο Σχόλια-συμπεράσματα Μελλοντική έρευνα Βιβλιογραφία.53 5

6 Εισαγωγή Σκοπός της συγκεκριμένης πτυχιακής εργασίας είναι να έρθει ο φοιτητής σε επαφή με τους μικροελεγκτές, να μάθει να τους χειρίζεται και να τους προγραμματίζει. Άμεση απόρροια αυτής της διαδικασίας είναι η τριβή με τη γλώσσα προγραμματισμού C. Τέλος, ιδιαίτερα χρήσιμη μπορεί να θεωρηθεί η εμπειρία που αποκτά ο φοιτητής με την ανάλυση και επεξεργασία των δεδομένων. Η διάταξη που χρησιμοποιείται είναι μια απλή διάταξη μέτρησης και αποθήκευσης πληροφορίας. Χρησιμοποιείται ένα μικρόφωνο που μετατρέπει τον ήχο σε τάση, στέλνει την μετρούμενη τάση σε έναν μικροελεγκτή όπου γίνεται η μετατροπή από αναλογικό σε ψηφιακό σήμα και, τέλος, η μετρούμενη αυτή τιμή της τάσης αποθηκεύεται σε μία κάρτα μνήμης SD. Η εργασία αυτή χωρίζεται σε πέντε κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί το θεωρητικό υπόβαθρο της εργασίας και αναλύει την έννοια του ήχου και τους τρόπους με τους οποίους μπορούμε να τον μετρήσουμε. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι μικροελεγκτές και τα εργαλεία που χρειάζονται για τον προγραμματισμό τους. Στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθενται η ανάλυση του κυκλώματος, ο κώδικας για τον προγραμματισμό του μικροελεγκτή και μερικά παραδείγματα μετρήσεων. Το τέταρτο κεφάλαιο αφορά την ανάλυση και επεξεργασία των δεδομένων. Τέλος, στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο αναφέρονται τα συμπεράσματα, τα μειονεκτήματα του κυκλώματος και βελτιώσεις που θα μπορούσαν να γίνουν. 6

7 Κεφάλαιο Κύματα Η κυματική είναι ο κλάδος της φυσικής που ασχολείται με τη μελέτη της διάδοσης μίας διαταραχής σε ένα οποιοδήποτε μέσο, ακόμα και το κενό. Με τη διαταραχή αυτή μεταφέρεται ενέργεια και όχι μάζα, όπως πολλοί θα πίστευαν. Ο ήχος, το φως, οι σεισμοί και οι ακτίνες Χ διαδίδονται με κυματική κίνηση. Ανάλογα με την κατεύθυνση της διαταραχής, τα κύματα χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, τα εγκάρσια και τα διαμήκη. Στα εγκάρσια κύματα η κατεύθυνση του διαταρασσόμενου μεγέθους είναι κάθετη στην διεύθυνση διάδοσης. Αντίθετα, στα διαμήκη κύματα η κατεύθυνση του διαταρασσόμενου μεγέθους είναι παράλληλη στη διεύθυνση διάδοσης. Υπάρχουν μεγέθη στη φυσική που χαρακτηρίζουν όλα τα κύματα όπως, για παράδειγμα, περίοδος, συχνότητα, μήκος κύματος, ταχύτητα διάδοσης. Σχηματική αναπαράσταση εγκάρσιου (1), διαμήκους κύματος (2), και ενός συνδυασμού τους (3) 7

8 Ας εξετάσουμε όμως τα μεγέθη που προαναφέρθηκαν, κάποια από τα οποία θα είναι σημαντικά στην ανάλυση των αποτελεσμάτων μας. Περίοδος είναι το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο διαδοχικών διαταραχών, για παράδειγμα το χρονικό διάστημα διέλευσης δυο κορυφών του κύματος από ένα συγκεκριμένο σημείο του χώρου. Συμβολίζεται με Τ και μετριέται σε s (δευτερόλεπτα). Εξ' ορισμού προκύπτει ότι Τ=Δt/Ν, όπου Ν είναι ο αριθμός των διαταραχών που πέρασαν σε χρονικό διάστημα Δt. Συχνότητα ονομάζεται ο αριθμός των διαταραχών που δημιουργήθηκαν ή πέρασαν από ένα συγκεκριμένο σημείο ανά μονάδα χρόνου, δηλαδή ο αριθμός των διαταραχών διά του χρονικού διαστήματος στο οποίο μετρήσαμε τον αριθμό των διαταραχών. Συμβολίζεται με f και μετριέται σε s 1, ή Hz. Έτσι, ισχύει f=n/δt, όπου Ν είναι ο αριθμός των διαταραχών που πέρασαν σε χρονικό διάστημα Δt. Η συχνότητα είναι αντίστροφο μέγεθος της περιόδου. Μήκος κύματος είναι η απόσταση που διανύει το κύμα σε χρόνο μιας περιόδου. Το κύμα είναι περιοδικό φαινόμενο, ουσιαστικά η επανάληψη μιας διαταραχής. Το μήκος αυτής της διαταραχής είναι το μήκος κύματος. Συμβολίζεται με λ και μετριέται σε μονάδες μήκους, συνήθως σε μέτρα. Το κύμα μεταδίδεται στο χώρο. Η ταχύτητα της διαταραχής ονομάζεται ταχύτητα του κύματος. Συνήθως συμβολίζεται με υ, και μετριέται ανάλογα με τις μονάδες μέτρησης των μεγεθών μήκος του κύματος και περίοδος, συνήθως σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο (m/s). Από τον ορισμό του μήκους κύματος προκύπτει ότι υ=λ/τ=λf. Η εξίσωση υ=λf ονομάζεται θεμελιώδης εξίσωση της κυματικής και ισχύει για όλα τα κύματα. Τα κύματα που διαδίδονται σε ένα μέσο διάδοσης έχουν ταχύτητα χαρακτηριστική του συγκεκριμένου μέσου και του συγκεκριμένου είδους κύματος. Σε αυτό οφείλονται διάφορα φαινόμενα στην κυματική κατά την αλλαγή μέσου διάδοσης ή κατά τη διάδοση στο ίδιο μέσο. 8

9 1.2 Ήχος Ήχος είναι η αίσθηση που προκαλείται λόγω της διέγερσης των αισθητήριων οργάνων της ακοής από τις μεταβολές πίεσης του ατμοσφαιρικού αέρα. Αυτές οι μεταβολές διαδίδονται με τη μορφή ηχητικών κυμάτων. Τα ηχητικά κύματα παράγονται από σώματα που εκτελούν μηχανικές ταλαντώσεις και επομένως χαρακτηρίζονται ως μηχανικά κύματα. Αυτά διαδίδονται στα υλικά μέσα με παλμικές κινήσεις μεταξύ στοιχειωδών σωματιδίων, σε αντίθεση με τα ηλεκτρομαγνητικά που διαδίδονται και στο κενό. Για τη μετάδοση των ηχητικών κυμάτων είναι απαραίτητη η ύπαρξη κάποιου υλικού μέσου μεταξύ πομπού και δέκτη. Το μέσο μπορεί να βρίσκεται σε οποιαδήποτε κατάσταση ύλης - στερεό, υγρό, αέριο ή πλάσμα - καθώς ο ήχος δεν διαδίδεται στο απόλυτο κενό. Όταν, εξαιτίας κάποιου ερεθίσματος, δημιουργηθεί μια μορφή διατάραξης στο υλικό μέσο, τότε τα μετατοπισμένα μόρια ύλης ασκούν δυνάμεις στα γειτονικά μόρια, αναγκάζοντάς τα να έλθουν εκτός θέσης ισορροπίας. Με αυτό τον τρόπο η διατάραξη ταξιδεύει στο μέσο - το φαινόμενο ονομάζεται διάδοση. Ένα ηχητικό κύμα χαρακτηρίζεται από φυσικές ιδιότητες όπως συχνότητα, περίοδος, μήκος κύματος, πλάτος ταλάντωσης, χρόνος και κυματομορφή. Από αυτές τις ιδιότητες πηγάζουν τέσσερα χαρακτηριστικά που αποσκοπούν στην περιγραφή ενός ήχου από ακουστικής προσέγγισης και είναι τα εξής: ύψος, ένταση, διάρκεια και χροιά. Η συχνότητα εκφράζει την ταχύτητα ταλάντωσης και μετράται σε κύκλους ανά δευτερόλεπτο (Hertz, Hz). Γρηγορότερες ταλαντώσεις επιφέρουν υψηλότερους - οξύτερους - ήχους, ενώ βραδύτερες ταλαντώσεις επιφέρουν χαμηλότερους - βαρύτερους - ήχους. Ο μουσικά εξειδικευμένος όρος 'ύψος' δηλώνει πόσο υψηλός ή χαμηλός είναι ένας ήχος, χαρακτηριστικό που εξαρτάται από την έντονη παρουσία περιοδικών ταλαντώσεων. Ως ένταση αποκαλείται το πόσο ισχυρή ή ασθενής είναι η ταλάντωση ενός σώματος. Πλατύτερες ταλαντώσεις επιφέρουν ηχητικά κύματα με μεγαλύτερη ένταση, σε σύγκριση με ταλαντώσεις μικρότερου πλάτους των οποίων το προϊόν είναι ήχοι ασθενέστεροι. 9

10 Η διάρκεια ορίζει τον συνολικό χρόνο για τον οποίο ένας ήχος γίνεται αντιληπτός. Ένας ήχος είναι μακρύτερος από έναν άλλο, βραχύτερο, όταν η αντιληπτή διάρκεια είναι συγκριτικά μεγαλύτερη. Με βάση την κυματομορφή, οι ήχοι ταξινομούνται σε απλούς ή σύνθετους, και σε περιοδικούς ή μη περιοδικούς - το ημιτονοειδές κύμα είναι ένα παράδειγμα απλού και περιοδικού ηχητικού κύματος, ενώ ο λευκός θόρυβος είναι ήχος σύνθετος και μη περιοδικός. Η αντίληψη του ήχου αποτελεί βασική αίσθηση σε πολλούς οργανισμούς και πραγματοποιείται μέσω της ακοής. Χρησιμοποιείται για διάφορους λόγους, όπως επικοινωνία, ψυχαγωγία, μουσική σύνθεση, προειδοποίηση και αποφυγή κινδύνων. Στον άνθρωπο η ακοή εκτείνεται για ήχους με συχνότητα μεταξύ 20 Hz και Hz. Το εύρος αυτό διαφέρει και σε μεγαλύτερες ηλικίες παρατηρείται μείωση της αντίληψης υψηλών συχνοτήτων. Ήχοι μ ε συχνότητα κάτω ή άνω των ορίων αυτών ονομάζονται υπόηχοι ή υπέρηχοι αντιστοίχως και δεν γίνονται αντιληπτοί από το ανθρώπινο αυτί. Σε άλλους οργανισμούς το φάσμα της ακοής διαφέρει - στον σκύλο το εύρος ακοής εκτείνεται μεταξύ 40 Hz και Hz. Τα ηχητικά κύματα δεν είναι ορατά με γυμνό μάτι - μπορούν να εμφανισθούν στην επιφάνεια ενός υγρού, και να καταγραφούν από ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά μέσα ηχογράφησης όπως και θα κάνουμε σε αυτήν εδώ την εργασία. 1.3 Δειγματοληψία Στην επιστήμη της επεξεργασίας σήματος, δειγματοληψία είναι η μετατροπή ενός συνεχούς σήματος σε διακριτό. Ένα συνηθισμένο παράδειγμα δειγματοληψίας είναι η μετατροπή ενός ηχητικού σήματος σε μια σειρά από δείγματα. 10

11 Σχεδιάγραμμα δειγματοληψίας σήματος. Το συνεχές σήμα αναπαριστάται από την πράσινη γραμμή ενώ τα διακριτά δείγματα (αποτέλεσμα δειγματοληψίας) με το μπλε χρώμα. Η δειγματοληψία αναφέρεται σε σήματα τα οποία μεταβάλλονται χρονικά. Εδώ θα αναφερθούμε σε σήματα που μεταβάλλονται σε μία διάσταση, όπως τα ηχητικά, αλλά η δειγματοληψία μπορεί να γίνει και σε σήματα πολλών διαστάσεων. Έστω ένα συνεχές μονοδιάστατο σήμα στο οποίο θα γίνει δειγματοληψία. Η δειγματοληψία θα γίνει παίρνοντας δείγματα του σήματος ανά σταθερές χρονικές στιγμές, δηλαδή κάθε δευτερόλεπτα όπου ονομάζεται η περίοδος δειγματοληψίας. Το σήμα στο οποίο έγινε δειγματοληψία δίνεται από τον τύπο με Παράδειγμα δειγματοληψίας ενός ημιτόνου. Η δειγματοληψία έγινε σε κάθε 0,001 δευτερόλεπτο. Η συχνότητα δειγματοληψίας είναι Η συχνότητα δειγματοληψίας ή ρυθμός δειγματοληψίας μετριέται στην μονάδα μέτρησης Χερτζ ( ) και μας δείχνει πόσα δείγματα έχουν ληφθεί από τον δειγματολήπτη σε διάρκεια ενός δευτερολέπτου. Εάν η συχνότητα δειγματοληψίας είναι, σημαίνει ότι ο δειγματολήπτης δημιουργεί 1000 δείγματα σε κάθε δευτερόλεπτο σήματος. Ένα βασικό ερώτημα που αφορά στη δειγματοληψία είναι: Κάτω από ποιες συνθήκες μπορούμε να ανακατασκευάσουμε (πλήρως) το δειγματοληπτημένο σήμα; Μέρος της απάντησης αυτής δίνεται από το θεώρημα Nyquist-Shannon. Το θεώρημα 11

12 δειγματοληψίας εγγυάται ότι σήματα περιορισμένου φάσματος (π.χ. σήματα τα οποία στο πεδίο συχνοτήτων έχουν τιμές μέχρι μια μέγιστη συχνότητα) μπορούν να ανακατασκευαστούν πλήρως από την δειγματοληπτημένη μορφή τους εάν η συχνότητα δειγματοληψίας είναι μεγαλύτερη ή ίση από το διπλάσιο της μέγιστης συχνότητάς τους. Στους ακουστικούς ήχους για παράδειγμα που η μέγιστη συχνότητα που φτάνουν όπως είπαμε είναι τα 20 με 22, η συχνότητα Nyquist θα πρέπει να είναι 44. Είναι επίσης προφανές, ότι μεγάλες συχνότητες δειγματοληψίας, αν και βελτιώνουν την ποιότητα του ψηφιακού σήματος, μπορεί να οδηγήσουν σε μεγάλες υπολογιστικές πολυπλοκότητες στους αλγορίθμους ανάλυσης, εφόσον σημαίνουν περισσότερα δείγματα ανά δευτερόλεπτο τα οποία πρέπει να επεξεργαστούμε. 1.4 Ανάλυση ηχητικού σήματος Η ανάλυση ηχητικών σημάτων αναφέρεται στην εξαγωγή γνώσης. Σκοπός της διαδικασίας αυτής είναι η ταξινόμηση, η κατάτμηση, η ανάκτηση και η σύνθεση ηχητικών σημάτων. Τα προς επεξεργασία και ανάλυση ηχητικά σήματα είναι στην συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων σε ψηφιακή μορφή. Για να φτάσουν όμως σε ψηφιακή μορφή υπάρχει ένα σύνολο διεργασιών που πρέπει να γίνουν. Αρχικά, το ηχητικό κύμα που είναι ουσιαστικά ένα φυσικό μέγεθος πρέπει να μετατραπεί σε ηλεκτρικό σήμα που είναι εύκολο να επεξεργαστεί και να μεταφερθεί. Την δουλεία αυτή την κάνει το μικρόφωνο. Στη συνέχεια το ηλεκτρικό σήμα που μας δίνει το μικρόφωνο είναι σε αναλογική μορφή και πρέπει να μετατραπεί σε ψηφιακή μορφή για να είναι πιο εύχρηστο στην επεξεργασία και την αποθήκευσή του. Έτσι συνήθως το σήμα που παίρνουμε από το μικρόφωνο όταν θέλουμε να κάνουμε την ανάλυση του, το στέλνουμε σε έναν analog to digital converter που μας μετατρέπει το αναλογικό σήμα σε ψηφιακό. Αφού φτάσει σε ψηφιακή μορφή είναι έτοιμο για επεξεργασία. Μερικές από τις εφαρμογές της ανάλυσης του ηχητικού σήματος είναι: η αναγνώριση ομιλίας, η επιβεβαίωση ομιλητή, η αναζήτηση και η ανάκτηση πολυμεσικού περιεχομένου, η ταξινόμηση και η ανάλυση μουσικών σημάτων. 12

13 Στην επεξεργασία των ηχητικών σημάτων, αφού καταγράψουμε τις κυματομορφές κάνουμε μία μετατροπή από τη διάσταση του χρόνου στη διάσταση της συχνότητας για δική μας ευκολία. 1.5 Fast Fourier Transform (FFT) Μία περιοδική συνάρτηση του χρόνου με θεμελιώδη περίοδο μπορεί να παρασταθεί ως ένα άθροισμα απείρων ημιτονοειδών κυματομορφών. Αυτή η άθροιση καλείται σειρά Fourier και μπορεί να γραφτεί σε πολλές μορφές. Μία τέτοια μορφή είναι : Όπου η μέση τιμή της, ενώ οι συντελεστές και Έτσι βλέπουμε ότι η σειρά Fourier μιας περιοδικής συνάρτησης αποτελείται από μία άθροιση αρμονικών θεμελιώδους συχνότητας. Η τεχνική τώρα του μετασχηματισμού Fourier είναι ότι παίρνουμε τη συνάρτηση του χρόνου και τη μετατρέπουμε σε συνάρτηση συχνότητας. Ένας FFT (Fast Fourier Transform) ενός σήματος του χρονικού τομέα, παίρνει τα δείγματα και μας δίνει ένα νέο σύνολο αριθμών που αναπαριστούν τις συχνότητες, τα πλάτη και τις φάσεις των ημιτονοειδών κυμάτων που συνθέτουν τον ήχο που έχουμε αναλύσει. Ουσιαστικά παίρνει ένα μεγάλο κομμάτι χρόνου που ονομάζεται πλαίσιο ή αλλιώς frame και θεωρεί αυτό το κομμάτι σαν μία μοναδική περίοδο μιας επαναλαμβανόμενης κυματομορφής. Ο λόγος για τον οποίο δουλεύει κάτι τέτοιο είναι ότι οι περισσότεροι είναι τοπικά στάσιμοι, εννοώντας ότι πάνω από κάθε σύντομη χρονική περίοδο ο ήχος μοιάζει πραγματικά σαν μία κανονική επαναλαμβανόμενη συνάρτηση. Παραθέτουμε στη συνέχεια μία σύντομη διαδικασία 3 βημάτων για την επεξεργασία των ψηφιακών ήχων. Θεωρούμε μία συνάρτηση με το παρακάτω γράφημα. 13

14 Γράφημα της f(t) Ας υποθέσουμε ότι ενδιαφερόμαστε μόνο για το τμήμα του γραφήματος μεταξύ. Έτσι θα χρειαστεί να πολλαπλασιάσουμε την f(t) με τη συνάρτηση εκλέπτυνσης που είναι παντού ίση με μηδέν εκτός από το διάστημα που είναι ίση με τη μονάδα. Γράφημα της συνάρτηση εκλέπτυνσης Έτσι το γινόμενο των δύο θα μας δώσει αυτό που μας ενδιαφέρει: 14

15 Για το δεύτερο βήμα τώρα επεκτείνουμε περιοδικά το γινόμενο των δύο f(t)*ω(t) όπου ω(t) είναι η συνάρτηση εκλέπτυνσης, και προκύπτει: Επέκταση της f(t)*ω(t) στον άξονα του χρόνου t Τώρα έχουμε μία περιοδική συνάρτηση και σύμφωνα με το θεώρημα Fourier μπορούμε να την αναπαραστήσουμε σαν άθροισμα ημιτόνων και συνημιτόνων. Αυτό είναι το τρίτο βήμα, όπου χρησιμοποιώντας τον FFT θα βρούμε ημιτονοειδής συνιστώσες αυτής της κυματομορφής. Στη θεωρεία ο αριθμός ημιτονοειδών συνιστωσών είναι άπειρος, αφού δεν υπάρχει όριο στο πόσες συχνοτικές συνιστώσες μπορεί να έχει ένας ήχος. 15

16 Κεφάλαιο Εισαγωγή στους μικροελεγκτές Ο μικροελεγκτής είναι ένας τύπο επεξεργαστή, ο οποίος μπορεί να λειτουργήσει με ελάχιστα εξωτερικά εξαρτήματα, λόγω των πολλών ενσωματωμένων υποσυστημάτων που διαθέτει. Χρησιμοποιείται ευρύτατα σε όλα τα ενσωματωμένα συστήματα (embedded systems) ελέγχου χαμηλού και μεσαίου κόστους, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται σε αυτοματισμούς, ηλεκτρικές συσκευές, ιατρικά όργανα και ηλεκτρονικά καταναλωτικά προϊόντα. Η μεγάλη υπολογιστική ισχύς,η αυτονομία και η ευελιξία ανάπτυξης διαφορετικών εφαρμογών καθιστά του μικροελεγκτές πολύ αποδοτικούς για τις διάφορες εφαρμογές που χρησιμοποιούνται. Η χαμηλή κατανάλωση ισχύος, ο μικρός όγκος και το χαμηλό κόστος είναι μερικά από τα ισχυρά πλεονεκτήματα που δεν μπορούμε να παραβλέψουμε. Τα σημαντικότερα ενσωματωμένα υποσυστήματα που διαθέτει συνήθως ένας μικροελεγκτής είναι η Αριθμητική Λογική Μονάδα (ALU), η μνήμη RAM μεγάλης ταχύτητας και οι καταχωρητές ειδικού και γενικού σκοπού. Ακόμη, για τη λειτουργία ενός πλήρη υπολογιστικού συστήματος απαιτείται να αναπτυχθούν πάνω στο ίδιο υπόστρωμα: Κύκλωμα συνδετικής λογικής για τη σύνδεση εξωτερικών μνημών και άλλων περιφερειακών παράλληλης σύνδεσης στην αρτηρία δεδομένων του επεξεργαστή (data bus) Μνήμη προγράμματος (τύπου ROM, EPROM, FLASH) η οποία διαθέτει το λογισμικό του συστήματος Μόνιμη μνήμη αποθήκευσης παραμέτρων λειτουργίας (τύπου EPROM) η οποία μπορεί να γράφει στον πυρήνα του μικροελεγκτή Κύκλωμα αρχικοποίησης (reset) 16

17 Διαχειριστή αιτήσεων διακοπής (interrupt request controller) από τα περιφερειακά Κύκλωμα επιτήρησης τροφοδοσίας το οποίο παρακολουθεί την τροφοδοσία και αρχικοποιεί ολόκληρο το σύστημα όταν αυτή πέσει κάτω από τα ανεκτά όρια, προλαμβάνοντας έτσι την αλλοίωση των δεδομένων Κύκλωμα επιτήρησης λειτουργίας το οποίο αρχικοποιεί το σύστημα αν αυτό εμφανίσει σημάδια δυσλειτουργίας λόγω κολλήματος Τοπικό ταλαντωτή για παροχή παλμών χρονισμού (clock) Χρονιστές-απαριθμητές υψηλής ταχύτητας (hardware timer-counter) για τη δημιουργία καθυστερήσεων, μέτρησης διάρκειας γεγονότων, απαρίθμηση γεγονότων και άλλων λειτουργιών ακριβούς χρονισμού Ρολόι πραγματικού χρόνου (Real time clock, RTC) το οποίο τροφοδοτείται από ανεξάρτητη μπαταρία Σειρά ανεξάρτητων ψηφιακών εισόδων-εξόδων Μία ή περισσότερες ασύγχρονες σειριακές θύρες επικοινωνίας (Universal Asynchronous Receiver Transmitter, UART) Σύγχρονες σειριακές θύρες επικοινωνίας (π.χ SPI, I 2 C, Ethernet) Μονάδα άμεσης εκτέλεσης πράξεων κινητής υποδιαστολής (Floaing Point Processing Unit, FPU) Εισόδους για μετατροπή αναλογικού σε ψηφιακό σήμα(analog to digital converter ADC) Μετατροπέα από ψηφιακό σε αναλογικό σήμα (Digital to analog converter DAC) Υποσύστημα για την άμεση υποστήριξη πρωτοκόλλων επικοινωνίας όπως ADSL,ISDN,CAN,HDLC. Υποσύστημα προγραμματισμού (τύπου ISP) και διάγνωσης (συνήθως είναι το καθιερωμένο πρότυπο JTAG). Χάρη σε αυτό, είναι δυνατός ο προγραμματισμός της μνήμης προγράμματος χωρίς να προαπαιτείται κάποιο πρόγραμμα υποδοχής. 17

18 Ο κλάδος των μικροελεγκτών λόγω της χρησιμότητας τους αναπτύχθηκε πολύ γρήγορα, έτσι η βιομηχανία κατέληξε στη παραγωγή ανταγωνιστικών μοντέλων μαζικής παραγωγής. Μερικές από τις γνωστές εταιρείες παραγωγής μικροελεγκτών είναι η Atmel και η Microchip. Εμείς στο πείραμα μας θα χρησιμοποιήσουμε από τη σειρά AVR της Atmel ton Atmega Περιγραφή του μικροελεγκτή Atmega16 Ένα τυπικό παράδειγμα μικροελεγκτή είναι ο Atmega 16 που ακολουθεί στο παρακάτω σχήμα. Μπορούμε να διακρίνουμε όλα τα υποσυστήματα που αναπτύξαμε παραπάνω καθώς και τη μεταξύ τους επικοινωνία. Ο Atmega 16 είναι ένας 8-bit C-MOS μικροελεγκτής χαμηλής κατανάλωσης ισχύος με ενισχυμένη RISC αρχιτεκτονική. Εκτελώντας σύνθετες εντολές σε ένα μόνο κύκλο ρολογιού, ο Atmega16 πετυχαίνει να φτάσει τις 1 εκκατομύριο εντολές (1MIPS) ανά MHz. Ο πυρήνας του AVR συνδυάζει ένα πλούσιο σετ εντολών με 32 καταχωρητές γενικού σκοπού. Όλοι οι 32 καταχωρητές συνδέονται άμεσα με την αριθμητική λογική μονάδα (ALU), επιτρέποντας 2 ανεξάρτητους καταχωρητές να έχουν πρόσβαση σε μία απλή εντολή που εκτελείται σε ένα κύκλο ρολογιού. Το αποτέλεσμα της αρχιτεκτονικής αυτής είναι ότι επιτυγχάνεται έως και 10 φορές μεγαλύτερη ταχύτητα από τους συμβατικούς CISC μικροελεγκτές. Ο Atmega 16 δέχεται 131 διαφορετικά είδη εντολών, τις περισσότερες από τις οποίες εκτελούνται σε ένα κύκλο ρολογιού. Φτάνει σε ταχύτητες μέχρι και 16MHz με τον εσωτερικό του ταλαντωτή, όμως στην παρούσα φάση εμείς θα χρησιμοποιήσουμε εξωτερικό ταλαντωτή 8MHz για καλύτερη σταθερότητα. Αντέχει σε θερμοκρασίες από -40 ο C έως 85 ο C και έχει μέσο χρόνο ζωής τα 100 χρόνια όταν βρίσκεται στους 25 ο C. Η τροφοδοσία του κυμαίνεται από V ενώ περιέχει και 6 λειτουργίες εξοικονόμησης ενέργειας. Τέλος διαθέτει μνήμη flash των 16Κbytes,η οποία είναι επανεγγράψιμη 18

19 και πλεονεκτεί έναντι των EEPROM αφού και αυτή μπορεί να κρατάει τα δεδομένα της και μετά την απομάκρυνση της τροφοδοσίας της. Atmega 16 s block diagram 19

20 Ο Atmega 16 είναι ένα μικροελεγκτής με 40 pins, η λειτουργία των οποίων φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Atmega 16 s pinout Θα επικεντρωθούμε τώρα στην ανάλυση του analog to digital converter (ADC) του μικροελεγκτή, αφού θα είναι και το κύριο υποσύστημα που θα χρησιμοποιήσουμε για το παρών πείραμα. Ακολουθεί το block schematic για τον ADC: 20

21 Ο ADC μετατρέπει μία αναλογική τάση εισόδου σε ψηφιακή τιμή 10-bit. Η ελάχιστη τιμή αντιπροσωπεύει το GND και η μέγιστη τιμή αντιπροσωπεύει την τάση στο pin AREF μείον το least significant bit (LSB). Όπως βλέπουμε και σχηματικά υπάρχουν 3 μεγάλοι καταχωρητές, ο ADMUX, ο ADSCRA, και ο ADCH/ADCL στους οποίους ρυθμίζοντας τις τιμές από τα bit τους, κάνουν και την ανάλογη δουλειά που θέλουμε. Αρχικά έχουμε τον ADMUX του οποίου το selection register φαίνεται παρακάτω. 21

22 ADC Multiplexer selection register- ADMUX Bit 7:6-REFS 1:0: Reference Selection Bits Αυτά τα bits επιλέγονται για να ρυθμίσουν την τάση αναφοράς του ADC. Η επιλογή της εσωτερικής τάσης αναφοράς δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί αν μια εξωτερική τάση αναφοράς εφαρμόζεται στο pin AREF. Bit 5- ADLAR: ADC Left Adjust Result Ο ADLAR επηρεάζει την παρουσίαση του αποτελέσματος της μετατροπής του ADC στον καταχωρητή ADC Data Register. Όταν ο ADLAR είναι 1 τότε έχουμε στοίχιση στα αριστερά, σε οποιαδίποτε άλλη περίπτωση έχουμε δεξιά στοίχιση. Bits 4:0- MUX4:0: Analog Channel and Gain Selection Bits Αυτά τα bits επιλέγουν ποιος συνδυασμός από τις αναλογικές εισόδους θα συνδεθούν στον ADC. Ακόμη επιλέγουν το κέρδος για το διαφορικό κανάλι. 22

23 Στη συνέχεια έχουμε τον ADSCRA του οποίου το selection register φαίνεται παρακάτω: 23

24 Bit 7 ADEN: ADC Enable Παίρνοντας αυτό το bit την τιμή 1 ενεργοποιεί τον analog to digital converter (ADC). Σε αντίθετη περίπτωση ο ADC δεν ενεργοποιείται. Bit 6 ADSC: ADC Start Conversion Στη λειτουργία Single Conversion κάθε φορά που γίνεται αυτό το bit 1 ξεκινάει η μετατροπή. Σε λειτουργία Free Running Mode γράφοντας αυτό το bit 1 για να γίνει η πρώτη μετατροπή. Η πρώτη μετατροπή αφού έχει γραφτεί το ADSC 1 και έχει ενεργοποιηθεί ο ADC θα χρειαστεί 25 κύκλους ρολογιού σε αντίθεση με τους συνήθεις 13. Bit 5-ADATE: ADC Auto Trigger Enable Όταν αυτό το bit πάρει την τιμή 1 ενεργοποιείται η λειτουργία Auto Trigger του ADC. Ο ADC θα ξεκινήσει την πρώτη μετατροπή σε μία θετική παριφή του επιλεγμένου σήματος ενεργοποίησης. Το trigger source ρυθμίζεται επιλέγοντας το bit ADTS του καταχωρητή SFIOR. Bit 4- ADIF: ADC Interrupt Flag Αυτό το παίρνει τιμή όταν ο ADC έχει ολοκληρώσει τη μετατροπή και οι καταχωρητές χρειάζεται να ενημερωθούν. Το interrupt εκτελείται αν το ADIE bit και το I-bit στον SREG έχουν ορισθεί. Ο ADIF καθαρίζεται από hardware όταν εκτελείται από έναν αντίστοιχο φορέα διακοπής. Σε αντίθετη περίπτωση ο ADIF καθαρίζεται παίρνοντας την τιμή 1. Bit 3 ADIE: ADC Interrupt Enable Όταν αυτό το bit παίρνει την τιμή 1 και το I-bit στον SREG έχει ορισθεί, η μετατροπή του ADC διακόπτεται. Bit 2:0 ADPS2:0: ADC Prescaler Select Bits 24

25 Αυτά τα bits καθορίζουν τον παράγοντα διαίρεσης για τη συχνότητα του ταλαντωτή. Ακόμη βλέποντας το block schematic έχουμε και τον καταχωρητή ADC Data Register. Όταν μία μετατροπή από τον ADC είναι πλήρης το αποτέλεσμα βρίσκεται σε αυτούς τους 2 καταχωρητές. Αν έχει επιλεχθεί η διαφορική είσοδος του ADC το αποτέλεσμα παρουσιάζεται σε μορφή συμπληρώματος του 2. Αν έχει διαβαστεί ο ADCL ο ADC Data Register δεν ενημερώνεται άμα δεν έχει διαβαστεί και ο ADCH. Κατά συνέπεια, αν το αποτέλεσμα έχει αριστερή στοίχιση και δεν χρειάζονται περισσότερα από 8-bits αρκεί να διαβαστεί μόνο ο ADCH. Αλλιώς, πρέπει να διαβαστεί πρώτος ο ADCL. Το ADLAR bit στον καταχωρητή ADMUX και τα MUXn bits στον ADMUX επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο διαβάζεται το αποτέλεσμα από 25

26 τον καταχωρητή. Αν το ADLAR bit έχει ορισθεί 1, έχουμε αριστερή στοίχιση. Αντίθετα, το αποτέλεσμα ξεκινάει από δεξιά. Τέλος έχουμε και τον καταχωρητή SFIOR. Bit 7:5 ADTS2:0: ADC Auto Trigger Source Αν το bit ADATE στον καταχωρητή ADCSRA είναι 1, τα bit αυτά επιλέγουν ποια πηγή θα ενεργοποιήσει την ADC μετατροπή. Αν το bit ADATE είναι 0, τα bit ADTS2:0 δεν θα επηρεάζουν το αποτέλεσμα. Μία μετατροπή θα προκαλέσει την άνοδο από το Interrupt Flag. Αν το bit ADEN στον καταχωρητή ADCSRA έχει ενεργοποιηθεί θα ξεκινήσει η μετατροπή. Αλλάζοντας σε Free Running Mode (ADTS{2:0}=0) δεν θα γίνει καμία μετατροπή ακόμα και αν το Interrupt Flag έχει ενεργοποιηθεί. Bit 4 Res: Reserved Bit Αυτό το bit είναι δεσμευμένο για μελλοντική χρήση. Για να διασφαλιστεί η συμβατότητα με άλλες μελλοντικές συσκευές αυτό το bit πρέπει να είναι 0 όταν γράφουμε στον SFIOR. 26

27 Ρυθμίζοντας τα bit στους καταχωρήτες μέσα από τον κώδικα, καταφέρνουμε να έχουμε έναν ADC έτοιμο για την εφαρμογή που χρειαζόμαστε. 2.3 Σειριακό πρωτόκολλο επικοινωνίας SPI Το SPI (Serial Peripheral Interface), όπως και το I 2 C αναπτύχθηκε με σκοπό την εύκολη επικοινωνία μεταξύ ολοκληρωμένων και τον καλύτερο τρόπο διασύνδεσης των περιφερειακών μονάδων και των μικροελεγκτών μεταξύ τους. Το πρωτόκολλο SPI επιτρέπει τη σειριακή σύγχρονη επικοινωνία μεταξύ ολοκληρωμένων σε πλήρη αμφίδρομη επικοινωνία. Οι συσκευές επικοινωνούν μεταξύ τους σε Master/Slave mode. Ο Master του διαύλου είναι το ολοκληρωμένο που παράγει το frame των δεδομένων και το μεταδίδει προς τα ολοκληρωμένα Slave. Μπορούν σε έναν SPI δίαυλο να διασυνδεθούν περισσότερες από μία συσκευές slave χρησιμοποιώντας τις γραμμές Chip Select. Το SPI επιτρέπει σε δεδομένα των 8-bits να αποστέλλονται σύγχρονα και ταυτόχρονα να λαμβάνονται σύγχρονα δεδομένα με ταχύτητα που φτάνει το 1Mbps. Για να επιτευχθεί επικοινωνία το SPI χρησιμοποιεί 4 ακροδέκτες: Α)Τον ακροδέκτη SDO (Σειριακά δεδομένα εξόδου) Β)Τον ακροδέκτη SDI (Σειριακά δεδομένα εισόδου) Γ)Το σειριακό ρολόι (SCK) Επιπρόσθετα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ένας τέταρτος ακροδέκτης για την επιλογή του slave (SS). Σε όλες τις μεταφορές στο SPI το ψηφίο υψηλότερης αξίας (Most significant bit, MSB) στέλνεται πρώτο. 27

28 2.4 Electret microphone Μικρόφωνο είναι η συσκευή που μετατρέπει τα ηχητικά κύματα σε ηλεκτρικές ταλαντώσεις. Η χρησιμότητα του είναι μεγάλη γιατί οι ηλεκτρικές ταλαντώσεις που δημιουργεί είναι ανάλογες των ηχητικών κυμάτων που προκαλούν το ερέθισμα. Υπάρχουν διάφορα είδη μικροφώνου όπως: μικρόφωνο άνθρακα, πυκνωτικό μικρόφωνο, μικρόφωνο ταινίας και δυναμικό μικρόφωνο. Στο πείραμα μας χρησιμοποιούμε ένα μικρόφωνο το οποίο ονομάζεται electret. Είναι ένα είδος πυκνωτικού μικροφώνου το οποίο δεν χρειάζεται τροφοδοσία για την πόλωση του, αλλά χρησιμοποιεί ένα μόνιμα φορτισμένο υλικό. Το electret είναι ένα διηλεκτρικό υλικό με μόνιμο ενσωματωμένο ηλεκτρικό φορτίο το οποίο λόγω της υψηλής αντίστασης και χημικής σταθερότητας δεν αποσυντείθεται για εκατοντάδες χρόνια. Το electret συνήθως φτιάχνονται από την τήξη ενός κατάλληλου διηλεκτρικού υλικού όπως πλαστικό ή κερί το οποίο περιέχει πολικά μόρια και στη συνέχεια επανέρχονται σε στερεή μορφή μέσα σε ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο. Τα πολικά μόρια ευθυγραμμίζονται με την κατεύθυνση του ηλεκτροστατικού πεδίου, παράγοντας μία ηλεκτροστατική ροή προς την ίδια κατεύθυνση. Τα σύγχρονα electrets μικρόφωνα χρησιμοποιούν PTFE πλαστικό, είτε σε μορφή ταινίας είτε σε μορφή διαλυμένης ουσίας. Electret microphone capsules 28

29 Στο εσωτερικό του το electrets microphone είναι σαν ένα FET τρανζίστορ το οποίο έχει βραχυκυκλωθεί. Στη συνέχει ακολουθεί ένα παράδειγμα από το εσωτερικό κύκλωμα του electrets μικροφώνου. Electret microphone capsule s circuit 2.5 Κάρτες μνήμης (SD card) Κάρτα μνήμης είναι μία συσκευή αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων. Χρησιμοποιείται πολύ συχνά σε συσκευές όπως ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές και κινητά τηλέφωνα. Οι κάρτες μνήμης είναι μικρές σε μέγεθος, επανεγγράψιμες και διατηρούν τα δεδομένα τους χωρίς την ανάγκη για τροφοδοσία από ρεύμα. Υπάρχουν πολλά είδη καρτών μνήμης που κυκλοφόρησαν στην αγορά, όμως οι πιο διαδεδομένες και οι πιο εύχρηστες είναι οι κάρτες μνήμης SD (Secure Digital). Οι SD κάρτες είναι μη πτητικές μνήμες που αναπτύχθηκαν από την SD Association (SDA) για χρήση σε φορητές συσκευές. Η πρώτη κάρτα SD εμφανίστηκε τον Αύγουστο του 1999 και το πρότυπο δημιουργήθηκε με κοινές προσπάθειες από τις San Disk, Panasonic και Toshiba ως μία βελτίωση των τότε καρτών MMC. Με βάση τη χωρητικότητα χωρίζονται σε 4 κατηγορίες: τις Standard-Capacity (SDSC), τις High-Capacity (SDHC), τις extended- Capacity (SDXC) και τις SDIO που συνδυάζουν λειτουργίες εισόδου και εξόδου με την αποθήκευση δεδομένων. Αυτές οι κάρτες τώρα με βάση το μέγεθός τους χωρίζονται σε original size, mini size και micro 29

30 size. Φυσικά υπάρχουν adaptors με τους οποίους μία μικρότερη κάρτα ταιριάζει σε υποδοχή για μεγαλύτερη κάρτα. Παράδειγμα κάρτας SD χωρητικότητας 8GB Όπως αναφέραμε οι SD κάρτες αναπτύχθηκαν για να βελτιώσουν το πρότυπο τότε MMC, και τα κατάφεραν πολύ καλά σε πολλούς τομείς όπως: Οι SD χρησιμοποιούν πια 4 pins για τη μεταφορά δεδομένων σε αντίθεση με τις MMC που χρησιμοποιούσαν μόνο ένα. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη ροή δεδομένων Οι χωρητικότητες των SD ήταν και είναι πολύ μεγαλύτερες από εκείνες των MMC Η μεγάλη καινοτομία όμως ήταν ότι, στις κάρτες SD προστέθηκε ένα μοντέλο για τη προστασία του περιεχομένου που έχει καταγραφεί ως κύκλωμα ασφαλείας ψηφιακών δικαιωμάτων. Τέλος στις κάρτες SD οι επαφές βρίσκονται κάτω από την επιφάνεια τις κάρτας, πράγμα που σημαίνει ότι φθείρεται πολύ λιγότερο από τα δάχτυλα των χρηστών σε αντίθεση με τις MMC που σε αυτόν τον τομέα ήταν σχετικά εύθραυστες. Επίσης, ένα χαρακτηριστικό των καρτών SD είναι ότι μπορούν να προστατέψουν το περιεχόμενό τους από διαγραφή ή τροποποίηση εμποδίζοντας έτσι την πρόσβαση στους μη εξουσιοδοτημένους χρήστες. Όπως και κάθε άλλοι τύποι μνήμης flash έτσι και οι SD κάρτες είναι block-addressable storage devices και μπορούν από εξωτερικές 30

31 συσκευές μόνο να διαβάσουν ή να γράψουν block σταθερού μεγέθους, καθορίζοντας τον αριθμό των block που θέλουμε. Επικοινωνούν με εξωτερικές συσκευές μέσα από ένα synchronous one-bit interface όπου οι εξωτερικές συσκευές παρέχουν ένα σήμα ρολογιού (clock signal). Με αυτόν τον τρόπο η εξωτερική συσκευή στέλνει εντολές των 48-bits και δέχεται απαντήσεις. Η κάρτα μπορεί για οποιοδήποτε λόγο να καθυστερήσει την απάντηση, αλλά η εξωτερική συσκευή μπορεί να διακόψει το διάλογο με την μνήμη. Μέσα από διάφορες εντολές η εξωτερική συσκευή μπορεί: Να προσδιορίσει τον τύπο, τη χωρητικότητα και τις δυνατότητες της κάρτας SD Να προετοιμάσει την κάρτα να δεχτεί ένα block και να το γράψει στη μνήμη ή να το διαβάσει και να απαντήσει με το περιεχόμενο ενός άλλου block Να δώσει εντολή έτσι ώστε η κάρτα να χρησιμοποιήσει μία διαφορετική τάση ή ένα διαφορετικό κύκλο ρολογιού Κάθε κάρτα SD έχει το ίδιο pin out το οποίο αποτελείται από 9 pins το οποίο φαίνεται παρακάτω. 31

32 Κεφάλαιο Εργαλεία για την ανάπτυξη του συστήματος Για την ανάπτυξη του συστήματος μας χρησιμοποιήσαμε: Ηλεκτρονικό υπολογιστή με εγκατεστημένη την πλατφόρμα Atmel Studio 7.0. Για τον κώδικα χρησιμοποιήσαμε τη γλώσσα προγραμματισμού C. Μικροελεγκτή τύπου AVR και συγκεκριμένα τον Atmega 16. Usb programmer μαζί με καλώδιο για την επικοινωνία του AVR με τον υπολογιστή. Το πρόγραμμα Khazama. Μέσα από αυτό δίνουμε την εντολή για τον προγραμματισμό του AVR. Εξωτερικό κρύσταλλο 8MHz για τη ρύθμιση της ταχύτητας του μικροελεγκτή. Δύο πυκνωτές των 25pF, χρησιμοποιούνται μαζί με τον κρύσταλλο όπως λέει και στο datasheet του AVR. Μπαταρία 9Volts. Δύο σταθεροποιητές τάσης, έναν στα 5 volts και έναν στα 3.3 volts από τη σειρά lm. Μία αντίσταση στα 6.8ΚΩ για την πόλωση του μικροφώνου. Μικρόφωνο τύπου electret. Κάρτα μνήμης SD χωρητικότητας 64MB. Module για να κρατάει την SD σταθερή και να χρησιμοποιούμε τα pins της κάρτας πιο εύκολα Τρεις διακόπτες. Δύο διόδους τύπου LED. 32

33 3.2 Υλοποίηση και συνδεσμολογία διάταξης Το πρωταρχικό βήμα για την ανάπτυξη του συστήματός μας είναι ο προγραμματισμός του Atmega 16. Ο μικροελεγκτής θα είναι υπεύθυνος για την μετατροπή του αναλογικού σήματος που στέλνει το μικρόφωνο σε ψηφιακό σήμα, αλλά και για την επικοινωνία με την κάρτα SD. Άρα αρχικά θα πρέπει να ενεργοποιήσουμε τον ADC στον AVR. Στη συνέχεια αφού έχει ψηφιοποιηθεί το σήμα το στέλνουμε σε μορφή byte στην SD. Όπως αναφέραμε, οι κάρτες SD είναι block-addressable storage devices που σημαίνει ότι είναι συσκευές που διευθυνσιοδοτούνται ανά block. Ένα block αποτελείται από 512bytes, άρα στη δική μας περίπτωση που χρησιμοποιούμε 64ΜΒ μνήμη, αυτή θα αποτελείται από blocks. Επίσης οι μνήμες SD μπορούν να αποθηκεύσουν και να επεξεργαστούν δεδομένα σε μορφή blocks, άρα δεν μπορούν να αποθηκεύσουν 1 byte, πρέπει να στείλουμε δεδομένα στη μνήμη πολλαπλάσια του 512 byte. Έτσι αφού συγκεντρώσει 512 bytes ο AVR από τη ψηφιοποίηση του σήματος τα στέλνει στην SD για να αποθηκευτούν. Όταν η SD τα αποθηκεύσει θα απαντήσει στον AVR ότι πείρε τα δεδομένα και είναι έτοιμη να δεχτεί και το επόμενο block. Η κυκλωματική μας διάταξη φαίνεται παρακάτω: 33

34 Ο προγραμματισμός του μικροελεγκτή έγινε με γλώσσα προγραμματισμού C. Αφού συνθέσαμε τον κώδικα με τις λειτουργίες που προαναφέραμε στην πλατφόρμα Atmel Studio 7.0 και χρησιμοποιήσαμε compiler avr gcc για τον έλεγχο αυτού, προγραμματίζουμε τον AVR. Ανοίγουμε το Khazama και ρυθμίζουμε τις ασφάλειες (fuses), μέσα από εκεί δηλώνουμε ότι χρησιμοποιούμε εξωτερικό ταλαντωτή, απενεργοποιούμε το JTAG γιατί προγραμματίζουμε τον Atmega 16 σειριακά μέσα από το SPI Interface και φορτώνουμε το hex file από το project που φτιάξαμε για τον κώδικα. Τέλος δεν πρέπει να ξεχνάμε πως για τον προγραμματισμό του AVR μέσα από το Khazama χρησιμοποιούμε ένα USB programmer το οποίο χρειάζεται τον κατάλληλο driver libusb-win32 (v ). Για το κύκλωμα τώρα, αν θα παρατηρήσουμε στο σχήμα έχουμε μία αντίσταση σε σειρά με το μικρόφωνο. Αυτή χρησιμοποιείται για την πόλωση του μικροφώνου, έτσι η τάση στα άκρα του μικροφώνου ρυθμίσαμε να είναι γύρω στα 0,6V, και αυτό γιατί με πειράματα που κάναμε με το μικρόφωνο είδαμε ότι και σε δυνατούς θορύβους η μεταβολή της τάσης ήταν γύρω στα 0,4V. Μετρώντας στα άκρα του μικροφώνου, στέλνουμε την τιμή της τάσης στη διαφορική είσοδο του μικροελεγκτή PA0 και PA1. Στο PA2 έχουμε το διακόπτη για το Start/Stop των μετρήσεων που θέλουμε να αποθηκεύσουμε, στο PA6 και PA7 έχουμε τα LEDS, το ένα για το initialize της μνήμης και το άλλο για να αναβοσβήνει κάθε φορά που γράφεται ένα block στην μνήμη. Στα ports PB4-PB7 χρησιμοποιούνται για τη σειριακή επικοινωνία SPI με τη μνήμη, στα XTAL1 και XTAL2 έχουμε τα pins για τον εξωτερικό ταλαντωτή με τους πυκνωτές και στα Vcc και AVCC έχουμε τις τροφοδοσίες των 5V που χρειάζεται ο μικροελεγκτής. 3.3 Προγραμματισμός του μικροελεγκτή σε γλώσσα C Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιάσουμε τα σημαντικότερα κομμάτια του κώδικα που χρησιμοποιήσαμε για τον προγραμματισμό του μικροελεγκτή. Ο κώδικας είναι γραμμένος σε γλώσσα C και 34

35 χρησιμοποιήσαμε την πλατφόρμα Atmel Studio 7.0 όπως έχουμε αναφέρει για περιβάλλον προγραμματισμού. Αρχικά φορτώσαμε την αντίστοιχη βιβλιοθήκη που υπάρχει για χρήση μικροελεγκτών AVR με την εντολη Στη συνέχεια ρυθμίσαμε τον analog to digital converter ανάλογα με τις απαιτήσεις που είχαμε. Ακολουθεί πίνακας με τις τιμές των bit που χρησιμοποιήσαμε. ADMUX MULTIPLEXER Bit 7 Reference selection bit 1 Bit 6 Reference selection bit 1 Bit 5 ADC left adjust result 1 Bit 4 Gain selection bit 1 Bit 3 Gain selection bit 0 Bit 2 Gain selection bit 0 Bit 1 Gain selection bit 0 Bit 0 Gain selection bit 0 Άρα για να ρυθμίσουμε τον καταχωρητή ADMUX χρησιμοποιούμε την εντολή. Για τον καταχωρητή ADCSRA έχουμε: ADCRA REGISTER Bit 7 ADC enable 1 Bit 6 ADC start conversion 1 Bit 5 Auto trigger enable 1 Bit 4 Interrupt flag 1 Bit 3 Interrupt enable 1 Bit 2 Prescaler select bit 1 Bit 1 Prescaler select bit 1 Bit 0 Prescaler select bit 1 Όμοια και εδώ στον καταχωρητή ADCRA δώσαμε την εντολή. Για λεπτομερέστερη ανάλυση του ADC αναφερθήκαμε στο κεφάλαιο 2.2. Άρα τώρα κάθε φορά που δέχεται ο ADC μία αναλογική τιμή της τάσης τη μετατρέπει σε ψηφιακή. Τώρα θα πρέπει να ενεργοποιήσουμε τα flags και τα interrupts για να ρυθμίσουμε τον ADC να ξεκινήσει 35

36 καινούργια μετατροπή και να στείλει τα bits που υπολόγισε στον επόμενο καταχωρητή. Ορίσαμε μία συνάρτηση με όνομα GetADC μέσα στην οποία γίνονται αυτές οι διαδικασίες. Γι αυτή τη λειτουργία χρησιμοποιήσαμε τις εντολές: Για τον ορισμό αυτής της συνάρτησης Οι εντολές και τα σχόλια για την κάθε εντολή που εκτελούνται μέσα στη συνάρτηση GetADC: Σε αυτό το σημείο έχουμε τελειώσει με τη ρύθμιση του ADC. Τώρα η επόμενη διεργασία που θέλουμε να εκτελέσει ο μικροελεγκτής μας είναι η επικοινωνία με τη μνήμη SD. Πρώτη μας δουλειά εδώ είναι να ρυθμίσουμε τα port που χρειαζόμαστε ως εισόδους και εξόδους στον μικροελεγκτή. Γι αυτό χρησιμοποιούμε την εντολή DDR (data direction register), για την τιμή 1 το pin ορίζεται ως έξοδος ενώ για την τιμή μηδέν ως είσοδος. Ακόμη, μαζί με αυτή την εντολή δίνουμε και την εντολή PORT που ενεργοποιεί τις pull up αντιστάσεις στα αντίστοιχα port και στέλνει τα δεδομένα όταν είναι έξοδος ή γράφει τα δεδομένα στην περίπτωση που είναι είσοδος. Στη συνέχεια ορίζουμε την επιλογή της κάρτας από chip select του PORTB4 pin με τις εντολές: 36

37 Και τις καλούμε όταν τις χρειαζόμαστε ξανά. Έχοντας ορίσει πέντε συναρτήσεις για την επικοινωνία με τη μνήμη Ρυθμίζουμε τις διεργασίες που θέλουμε να εκτελεί η κάθε συνάρτηση 37

38 38

39 Μέσα στη συνάρτηση sd_raw_init όπως θα δούμε ρυθμίζουμε και τις παραμέτρους για το SPI Interface, δηλαδή της σειριακής επικοινωνίας με τη μνήμη. Ακόμη ελέγχει αν η μνήμη είναι έτοιμη να ξεκινήσει να καταγράφει τα δεδομένα. 39

40 40

41 3.4 Παρουσίαση διάταξης και παράδειγμα λήψης μετρήσεων Αφού προγραμματίσαμε τον Atmega 16 με τον κώδικα που συνθέσαμε, και υλοποιήσαμε τη κυκλωματική μας διάταξη, ήμασταν έτοιμοι για μία πρώτη δοκιμή λήψης μετρήσεων. Όλο το κύκλωμα το τοποθετήσαμε μέσα σε ένα πλαστικό κουτί έτσι ώστε να είναι πιο εύχρηστο και ευπαρουσίαστο. Το αποτέλεσμα φαίνεται παρακάτω: 41

42 Πάνω πάνω φαίνεται η κάψα του μικροφώνου, δεξιά έχουμε τον διακόπτη ρεύματος on/off, το κόκκινο κουμπί είναι για το reset, το μαύρο κουμπί είναι το start/stop των μετρήσεων, το αριστερό πράσινο LED χρησιμοποιείται για το initialize της μνήμης ενώ το κόκκινο LED αναβοσβήνει κάθε φορά που γεμίζει ένα block από μετρήσεις, και τέλος κάτω αριστερά φαίνεται η κάρτα SD που βρίσκεται μέσα σε μία εσοχή που φτιάξαμε εμείς. Ανάβοντας το διακόπτη ρεύματος, ξεκινάει η τροφοδοσία του κυκλώματος μας από τη μπαταρία και ξεκινάει να τρέχει ο κώδικας. Αρχικά, γίνεται το initialize της μνήμης και ανάβει το πράσινο LED εφόσον βρίσκεται η SD μέσα στην εσοχή. Όταν ανάψει το πράσινο LED, πράγμα που γίνεται σχεδόν ακαριαία, η SD είναι έτοιμη να δεχτεί δεδομένα. Πατώντας τώρα το μαύρο κουμπί αναβοσβήνει το κόκκινο LED και τα δεδομένα αποθηκεύονται στην κάρτα. Κάθε φορά που ανάβει ή σβήνει το κόκκινο LED σημαίνει ότι έχει γεμίσει ένα block στην SD από μετρήσεις. Όταν θέλουμε να ολοκληρώσουμε τη δειγματοληψία μας, πατάμε ξανά το μαύρο κουμπί και το κόκκινο LED σβήνει αφού πρώτα γράψει άλλο ένα block γεμάτο 00 FF για να ξέρουμε ακριβώς πόσα block έχουμε γεμίσει. Έτσι έχοντας κάνει τη δειγματοληψία και αποθηκεύσει τα δεδομένα στην SD, αφαιρούμε την κάρτα και την τοποθετούμε στον ηλεκτρονικό μας υπολογιστή για την προβολή και ανάλυση των μετρήσεων μας. Η κυκλωματική μας διάταξη από μέσα είναι κάπως έτσι: 42

43 Κεφάλαιο Ανάλυση δεδομένων Για την ανάλυση των δεδομένων θα χρειαστούμε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή. Εισάγοντας την κάρτα μνήμης στον Η/Υ και έχοντας τους κατάλληλους drivers για κάρτες SD στα windows ξεκινάμε το κεφάλαιο την προβολής και ανάλυσης των δεδομένων. Αφού διαβάσει ο υπολογιστής την κάρτα θα μας ρωτήσει αν θέλουμε να κάνουμε διαμόρφωση, εμείς θα ακυρώσουμε τη διεργασία αυτή αφού δεν θέλουμε να πειράξουμε τα δεδομένα που έχουμε καταγράψει ήδη. Πρώτο μας μέλημα είναι να μπορούμε να διαβάσουμε με κάποιο τρόπο τα δεδομένα που έχουν καταγραφεί. Γι αυτό το λόγο κατεβάσαμε από το διαδίκτυο ένα πρόγραμμα το οποίο ονομάζεται active disc editor και η διανομή του είναι δωρεάν. Με αυτό το πρόγραμμα μπορούμε να διαβάσουμε οποιοδήποτε δίσκο σε δυαδική μορφή. Το επόμενο μας πρόβλημα είναι πως θέλαμε τα δείγματά μας σε κανονική μορφή και όχι σε δυαδική, για να μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε στην ανάλυση μας. Έτσι γράψαμε ένα πρόγραμμα σε γλώσσα C++ στην πλατφόρμα Visual Studio το οποίο θα διαβάζει οποιοδήποτε δίσκο επιλέξουμε και αφού πρώτα μετατρέψει τα δεδομένα του δίσκου από δυαική σε δεκαδική μορφή, θα τα καταγράφει σε ένα αρχείο.txt το ένα δεδομένο κάτω από το άλλο. Έτσι έχουμε σε δεκαδική πια μορφή και σε μία στήλη όλα μας τα δείγματα. Το τελευταίο πρόγραμμα που θα χρειαστούμε είναι μία πλατφόρμα η οποίο χρησιμοποιείται για επιστημονικούς σκοπούς με την οποία μπορούμε να επεξεργαστούμε τα δείγματά μας και να τα τοποθετήσουμε σε διάγραμμα. Σκοπός μας είναι η προβολή των κυματομορφών στο χρόνο και το περιεχόμενο των συχνοτικών διαγραμμάτων. Έτσι αφού περάσουμε τον πίνακα στήλη στο Matlab (την επιστημονική μας πλατφόρμα) πρέπει να χρησιμοποιήσουμε την ανάλυση Fourier και συγκεκριμένα τη μετατροπή που αναλύσαμε παραπάνω FFT (Fast Fourier Transform) για να μπορέσουμε να δούμε το συχνοτικό περιεχόμενο από τις μετρήσεις μας. 43

44 4.2 Active Disk Editor To Active Disk Editor είναι ένα προηγμένο εργαλείο για την προβολή και επεξεργασία των sectors για οποιοδήποτε physical disk, partitions και files content σε δυαδική μορφή. Χρησιμοποιεί ένα απλό, χαμηλού επιπέδου disk viewer το οποίο προβάλει τις πληροφορίες σε δυαδική/δεκαεξαδική μορφή. Ακόμη μετατρέπει τα δείγματα σε ASCII και Unicode. Όπως έχουμε αναφέρει κάθε δίσκος χωρίζεται σε sectors όπου κάθε sector αποτελείται από 512 bytes. Το Active Disk Editor χωρίζει τα sectors μεταξύ τους και για κάθε byte αναφέρει τη θέση του και το sector στο οποίο ανήκει. Παρακάτω φαίνεται η μορφή του προγράμματος. Active Disk Editor Όταν όμως έχουμε καταγράψει δείγματα στην κάρτα πρέπει να ξέρουμε που σταματάνε. Όταν μία κάρτα SD είναι ήδη γραμμένη από μία δειγματοληψία και θέλουμε να κάνουμε και άλλη δειγματοληψία τα δείγματα της δεύτερης θα γραφτούν πάνω από τα δείγματα της πρώτης. Έτσι υπάρχει περίπτωση εκεί που σταματάνε τα δείγματα της δεύτερης δειγματοληψίας να ξεκινάνε τα δείγματα της πρώτης, γι αυτό το λόγω φροντίσαμε όταν σταματάμε τη δειγματοληψία να γράφεται άλλο ένα block στην SD γεμάτο 00 FF, έτσι ώστε το πρώτο block που θα 44

45 βρούμε γεμάτο 00 FF να είναι το τελευταίο block της δειγματοληψίας μας. Το Active Disk Editor έχει εντολή find με την οποία αναζητούμε κατευθείαν το block με τα 00 FF για να ξέρουμε πόσα ακριβώς blocks και πόσα δείγματα γράψαμε. Επιλέγοντας έτσι το τελευταίο byte που γράψαμε, θα δούμε κάτω δεξιά στο πρόγραμμα τη θέση του και σε ποιο sector ανήκει. Find command at Active Disk Editor 4.3 Μεταφορά δεδομένων από δίσκο σε txt Όπως αναφέραμε και πριν, με το Active Disk Editor μας δίνεται η δυνατότητα να δούμε να δείγματα που γράψαμε σε δυαδική μορφή. Το πρόβλημα όμως είναι πως θέλουμε να κάνουμε αυτήν την πληροφορία εύκολα διαχειρίσιμη, γιατί αφενός είναι μεγάλος όγκος πληροφορίας αφού μιλάμε για χιλιάδες δείγματα και αφετέρου είναι σε δυαδική μορφή πράγμα που σημαίνει ότι μας δυσκολεύει στην επεξεργασία. Έτσι σκεφτήκαμε να γράψουμε ένα πρόγραμμα στο οποίο, όλα τα δείγματα θα τοποθετούνται σε έναν πίνακα στήλη και θα μετατρέπονται από δυαδική μορφή στην καθιερωμένη δεκαδική. Το πρόγραμμα γράφτηκε σε γλώσσα C++ και το περιβάλλον στο οποίο αναπτύχθηκε ο κώδικας ήταν το Visual Studio. 45

46 Σε αυτό το πρόγραμμα χρησιμοποιούμε κυρίως 2 συναρτήσεις, την Createfile function και την Readfile function. Με την Createfile ανοίγουμε μια σύνδεση του προγράμματος με ένα αρχείο ή με συσκευή εισόδου/εξόδου του υπολογιστή, στη δικιά μας περίπτωση χρησιμοποιούμε για την πρόσβαση στην εξωτερική μνήμη και συγκεκριμένα με απ ευθείας πρόσβαση πάνω στη μνήμη και όχι μέσω κάποιου λογικού τόμου. Στη συνέχεια χρησιμοποιούμε την Readfile για να διαβάσουμε από την αρχή και διαδοχικά τα blocks της μνήμης μέχρι το σημείο που επιθυμούμε ή μέχρι το τελευταίο block της δειγματοληψίας. 4.4 Επεξεργασία δεδομένων σε Matlab Έχοντας όλα τα δείγματα σε δεκαδική μορφή και σε έναν πίνακα στήλη σε αρχείο.txt είμαστε έτοιμοι να προχωρήσουμε στην επεξεργασία των δειγμάτων. Γι αυτή τη δουλειά θα χρησιμοποιήσουμε το επιστημονικό πρόγραμμα Matlab, που είναι μία πλατφόρμα που χρησιμοποιείται από μηχανικούς και επιστήμονες για τις λύσεις των προβλημάτων τους. Η δουλειά που θέλουμε να κάνουμε με αυτό το πρόγραμμα είναι, να φτιάξομε διαγράμματα στο πεδίο του χρόνου και στο πεδίο των συχνοτήτων με τα δείγματα που έχουμε. Έτσι μεταφέρουμε το.txt αρχείο που δημιουργήθηκε στο Workspace του Matlab και επιλέγουμε την καρτέλα Plots για να εξάγουμε τα διαγράμματα. Για το πεδίο του χρόνου η δουλειά μας είναι πολύ εύκολη, απλά κάνουμε plot το αρχείο που υπάρχει στο workspace και βλέπουμε τις κυματομορφές. Στον οριζόντιο άξονα έχουμε το πλήθος των δειγμάτων μας ενώ στον κατακόρυφο τις τιμές των τάσεων. Τον οριζόντιο άξονα μπορούμε εύκολα να τον μετατρέψουμε σε άξονα που μετράει χρόνους διαιρώντας απλά το σύνολο των δειγμάτων με τα δείγματα που παίρνουμε σε ένα δευτερόλεπτο, τη συχνότητα δηλαδή δειγματοληψίας. Η μορφή του διαγράμματος, όμως, δεν θα αλλάξει και στις κυματομορφές, αυτό που μας ενδιαφέρει περισσότερο είναι οι μορφές τους. Ακολουθεί παράδειγμα κυματομορφής από δειγματοληψία σε ραδιόφωνο. 46

47 Παράδειγμα κυματομορφής από ραδιόφωνο Ένα άλλο παράδειγμα κυματομορφής που πήραμε είναι από ανθρώπινη ομιλία. Παράδειγμα ανθρώπινης ομιλίας Μια ομοιότητα που μπορούμε να δούμε εύκολα σε αυτά τα δύο διαγράμματα είναι πως και τα δύο παίζουν γύρω από την τιμή 90 κάτι που συμβαίνει λόγω του dc ρεύματος και της ενίσχυσης που έχουμε κάνει μέσα στον analog to digital converter ADC. Το τελευταίο και σημαντικότερο κομμάτι της ανάλυσης των δειγμάτων μας είναι η μετατροπή από το πεδίο του χρόνου, στο πεδίο 47

48 των συχνοτήτων. Αυτή η διεργασία όπως αναφέραμε και σε προηγούμενο κεφάλαιο γίνεται με την μέθοδο FFT (Fast Fourier Transform). Στο Matlab υπάρχει ειδική εντολή με την οποία γίνεται η μετατροπή σε fft. Αφού πρώτα ορίσουμε τη συχνότητα δειγματοληψίας και το σύνολο των δειγμάτων που έχουμε, δίνουμε την εντολή Υ=fft(X); όπου Χ είναι ο πίνακας στήλη με τα δείγματα που έχουμε. Όμως σύμφωνα με την ανάλυση Fourier τα δείγματα μας μετατρέπονται σε μιγαδικούς αριθμούς, έτσι εμείς θα πάρουμε την απόλυτη τιμή αυτών των μιγαδικών αριθμών. Ακόμη με την απόλυτη παίρνουμε το αμφίπλευρο φάσμα σύμφωνα με την ανάλυση Fourier, ενώ εμείς προτιμούμε το μονόπλευρο φάσμα. Έτσι ακολουθώντας το παρακάτω σύνολο εντολών παίρνουμε το επιθυμητό αποτέλεσμα, για ένα σήμα που αποτελείται από δείγματα. Σύνολο εντολών για μετατροπή σε FFT Όπου VarName1 είναι το όνομα του πίνακα στήλη με τα δείγματα μας, Fs η συχνότητα δειγματοληψίας και L το σύνολο των δειγμάτων που καταγράψαμε. Ακολουθούν μερικά παραδείγματα συχνοτικών διαγραμμάτων: 48

49 Συχνοτικό διάγραμμα από μέτρηση σε κουδούνι Συχνοτικό διάγραμμα από χτύπημα τηλεφώνου Κεφάλαιο Σχόλια-Συμπεράσματα Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας έχουν υλοποιηθεί συστήματα μετρήσεων, τα οποία σχετίζονται με τη περιγραφή και μελέτη φυσικών φαινομένων σε κλάδους όπως τη βιομηχανία, την ιατρική και τις κινητές συσκευές. Στο περιβάλλον αυτό, ο χώρος των μετρήσεων στη κυματική παίζει καθοριστικό ρόλο για ορισμένες εφαρμογές. 49

50 Στόχος της εργασίας αυτής ήταν η εισαγωγή και ανάπτυξη στην ασύρματη καταγραφή και αποθήκευση δειγμάτων ήχου, με σκοπό την ανάλυση του ηχητικού φάσματος. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές για: Αναγνώριση ομιλίας Επιβεβαίωση ομιλιτή Αναζήτηση και ανάκτηση πολυμεσικού περιεχομένου(ταινία, μουσική) Ταξινόμηση και ανάλυση μουσικών σημάτων Η εφαρμογή μας περιλαμβάνει ένα σύστημα δειγματοληψίας με μικροελεγκτή AVR και αποθήκευση των δεδομένων σε κάρτα SD. Η διάταξη αποτελείται από υλικά χαμηλού κόστους, αλλά με αξιοπιστία. Σε γενικές γραμμές η επιλογή της διάταξης που χρησιμοποιήθηκε στο κύκλωμα μας, ικανοποίησε το στόχο που θέσαμε. Για την ανάλυση των δειγμάτων τώρα, ως προς το χρόνο μπορούμε να διακρίνουμε με ευκολία τις αρμονικές συνιστώσες, αλλά και τις διαφορές στην ένταση. Στα συχνοτικά διαγράμματα παρατηρούμε πως στην ατμόσφαιρα υπάρχουν όλες οι συχνότητες ακόμα και αυτές που δεν μπορούμε να ακούσουμε, δηλαδή κάτω από τα 20Hz. Στο σημείο που μετράμε όμως διακρίνονται κάποιες συχνότητες με πολύ περισσότερα δείγματα, πράγμα που σημαίνει πως κυριαρχούν εκείνη τη στιγμή στην ατμόσφαιρα. Με τα συχνοτικά διαγράμματα μπορούμε να φτιάξουμε μία βάση δεδομένων, όπου με αυτήν θα μπορούμε στη συνέχεια να κάνουμε ταυτοποιήσεις ήχων. Για παράδειγμα θα μπορούμε να αναγνωρίσουμε σε μία καταγραφή αν ο ομιλιτής είναι άνδρας ή γυναίκα.( οι άνδρες κυριαρχούν στις χαμηλές συχνότητες, ενώ οι γυναίκες στις ψηλές). 5.2 Μελλοντική Έρευνα Η κυκλωματική μας διάταξη είναι σε θέση να παρέχει ικανοποιητικά αποτελέσματα, όμως έχουμε τη προοπτική για πολλές βελτιώσεις ακόμα. Η μελλοντική μας έρευνα θα έχει ως στόχο να επεξεργαστούμε 50

51 τα μειωνεκτήματα της εργασίας μας, να αναζητήσουμε τρόπους για την εξάληψη αυτών αλλά και να προτείνουμε μεθόδους για τη διεύρυνση της λειτουργίας. Παρακάτω αναφέρονται βελτιώσεις μπορούν να γίνουν στα πλαίσια της εργασίας αυτής: Να βάλουμε delay στον κώδικα για την εντολή start/stop, έτσι ώστε να πιάνει του κουμπί με τη μία Να κατασκευάσουμε πλακέτα PCB (Printed Circuit Board) με κατάλληλο σχεδιασμό αντίστοιχου κυκλώματος, για την εξοικονόμηση χώρου στο εσωτερικό από το κουτάκι αλλά και την πιο αξιόπιστη λειτουργία του κυκλώματος Να χρησιμοποιήσουμε αντιστάσεις στα LED για την προστασία του Atmega Στη δειγματοληψία μας παίρνουμε περίπου 4500 δείγματα το δευτερόλεπτο, πράγμα που σημαίνει πως αυτή είναι η ταχύτητα δειγματοληψίας μας. Σύμφωνα με το θεώρημα Nyquist μπορούμε να μετρήσουμε ικανοποιητικά συχνότητες μέχρι 2250Hz. Στο μέλλον πρέπει να σκεφτούμε τρόπους για την αύξηση της ταχύτητας δειγματοληψίας, όπως π.χ την αποστολή πολλαπλών block Τη χρήση ενός ακόμα AVR με σκοπό, ο ένας AVR θα υλοποιεί τη μετατροπή analog to digital και ο άλλος στέλνει τα αποτελέσματα στην SD. Με κατάλληλες βελτιώσεις ο παραπάνω σχεδιασμός θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μια πλειάδα πρακτικών εφαρμογών και να λειτουργεί με απόλυτη αξιοπιστία και ισχυρή απόδοση. 51