Prof. Dr.-Ing. R. Orglmeister

Abschlussbericht

DSP-Labor WS06/07

Analyse und Erweiterung eines DPOAE-Gerätes zur Messung von

Verzerrungsprodukten im menschlichen Ohr

Betreuer: Dr.-Ing. Guntram Liebsch Gruppe: Sinan Akay Jorgose Estrella Thomas Wotschke Quyet Vu Trung

Inhaltsverzeichnis:

1 Einleitung _____________________________________________________________ 4 1.1 Neuerungen / Änderungen ________________________________________________ 5

1.1.1 Neue Benutzeroberfläche _______________________________________________________ 5 1.1.2 Neues Übertragungsmodul ______________________________________________________ 5 1.1.3 Goertzel-Algorithmus für noch schnellere FFT-Berechnung ____________________________ 5

1.2 Probleme und Fehler _____________________________________________________ 5 1.2.1 Eingangssignal von ADC nicht berücksichtigt _______________________________________ 6 1.2.2 Falsche Umrechnung von ADC-Wert auf Spannungswert ______________________________ 6 1.2.3 Aufnahmefehler_______________________________________________________________ 6 1.2.4 Versorgungsproblem ___________________________________________________________ 6

2 Änderungen ___________________________________________________________ 7 2.1 Einige Worte zur FFT: Schnelle Fouriertransformation ________________________ 7 2.2 Wie Arbeitet der Algorithmus? ____________________________________________ 7 2.3 Der Goertzel-Algorithmus_________________________________________________ 7

2.3.1 Motivation___________________________________________________________________ 7 2.3.2 Herleitung ___________________________________________________________________ 8 2.3.3 Vergleich der Berechnungsaufwand ______________________________________________ 10 2.3.4 Goertzel und die DPOAE Messung_______________________________________________ 10 2.3.5 Graphische Darstellung eines Beispiels ___________________________________________ 10

3 Analyse der ADC-Platine ________________________________________________ 13 3.1 Rauschverhalten________________________________________________________ 13 3.2 Umrechnung des ADC-Ergebnisses auf Volt_________________________________ 15 3.3 Testaufnahme / Nachbildung der DPOAE-Umgebung ________________________ 16

4 Neuerungen __________________________________________________________ 18 4.1 LCD-Anzeige __________________________________________________________ 18

4.1.1 Vorbemerkungen_____________________________________________________________ 18 4.1.2 Hardware___________________________________________________________________ 18 4.1.3 Software ___________________________________________________________________ 20

4.2 GUI __________________________________________________________________ 24 4.2.1 Einleitung __________________________________________________________________ 24 4.2.2 Aufbau_____________________________________________________________________ 25 4.2.3 Programmierung _____________________________________________________________ 26 4.2.4 Kommunikation mit dem DSP __________________________________________________ 28

4.3 Notch-Filter ___________________________________________________________ 28 4.3.1 Theoretischen Grundlagen _____________________________________________________ 28 4.3.2 Das Design _________________________________________________________________ 29

4.4 Module _______________________________________________________________ 31 4.4.1 Interpreter (kurze Einführung) __________________________________________________ 32 4.4.2 Modul „help“(dev_help.c/dev_help.h)_____________________________________________ 32 4.4.3 Modul “transfer” (dev_transfer.c/dev_transfer.h) ____________________________________ 34

5 Abschluss ____________________________________________________________ 37

6 Anhang ______________________________________________________________ 38 6.1 Abbildungsverzeichnis: __________________________________________________ 38 6.2 Tabellenverzeichnis: ____________________________________________________ 38 6.3 Literaturverzeichnis ____________________________________________________ 38

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6.4 Abkürzungen __________________________________________________________ 39

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1 Einleitung Die Gruppe des Praktikums Signalverarbeitung, die von Guntram Liebsch betreut wird, beschäftigt sich in diesem Semester mit dem Thema: Distorsionsprodukte otoakustischer Emissionen, kurz DPOAE. Es wird ein aus den letzten Semestern bereits vorhandenes Gerät und dessen Software weiterentwickelt. Dabei geht es darum, dass dem Innenohr mehrere Sinustöne bestimmter Frequenz und Amplitude zugeführt und gleichzeitig mit einem Mikrofon die Reaktion des Ohres darauf gemessen wird. Diese Reaktion wird durch die äußeren Haarzellen im Cortischen Organ erzeugt und kann in Form einer weiteren Schwingung gemessen werden. Diese Methode bietet frühzeitig die Möglichkeit bei Neugeborenen Hörschäden zu erkennen beziehungsweise auszuschließen.

Abbildung 1 Aufbau der Ohres

In dem vorliegenden Projekt werden zwei Sinustöne als Eingangssignal erzeugt und die aus medizinischer Sicht besonders bedeutende Frequenz

3 12 2f f f= ⋅ − , mit f1 und f2 als Eingangssignale ausgewertet. Da aus den letzten Semestern bereits Hard- und Software zur Verfügung steht (Überblick in Abbildung 2), wird nur noch an deren Verbesserung gearbeitet.

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Abbildung 2: Überblick von Soft- und Hardware

1.1 Neuerungen / Änderungen

1.1.1 Neue Benutzeroberfläche Über den USB werden Daten vom DSP zum PC übertragen. Die alte Oberfläche basiert auf C++-Programmierung mit Visual Studio und funktioniert nicht richtig. Die neue Oberfläche, die auch auf C++ basiert, aber die freie Bibliothek Qt verwendet, wird in Kapitel 4.2 GUI näher erläutert.

1.1.2 Neues Übertragungsmodul Mit dem Modul „transfer“ ist es zum ersten Mal möglich, Daten nach Wunsch zu übertragen. Im Unterschied zum alten Projekt, werden Daten nicht mehr automatisch nach jeder FFT-Berechnung zum PC geschickt. Alle Informationen bleiben im DSP gespeichert und kann durch die Funktionen des Moduls „transfer“ einzeln übertragen werden. Näheres steht in Kapitel 4.4.3 Modul “transfer”.

1.1.3 Goertzel-Algorithmus für noch schnellere FFT-Berechnung Das Modul „fft“ wird um die Berechnung des Goertzel-Algorithmus erweitert. Nicht alle Frequenzanteile werden berechnet, sondern nur die Anteile die uns interessieren (f1, f2 und f3). Die Geschwindigkeit ist hier deutlich schneller als die FFT.

1.2 Probleme und Fehler Unten werden Probleme und Fehler geschildert, die bei der Durchführung des Versuches auftreten. Diese sollen im nächsten Projekt beseitigt werden.

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1.2.1 Eingangssignal von ADC nicht berücksichtigt Die ADC-Platine wurde analysiert. Wir erhalten Rauschen am Eingang mit 50Hz. Weiterhin haben wir bei der Durchführung nur das Ausgangssignal vom DDS gemessen aber nicht direkt das Signal am ADC-Eingang. Die Wirkung von der Filterschaltung und der Eingangsbegrenzungsschaltung konnte somit nicht festgestellt werden.

1.2.2 Falsche Umrechnung von ADC-Wert auf Spannungswert Wie oben geschildert haben wir die Spannung am DDS gemessen. Und auf diese Werte haben wir den Ausgang der ADC normiert. Die Umrechnung von Float auf Volt ist somit nicht korrekt und gibt eine falsche Beschreibung der Analog-Digital-Wandlung wieder. Diese Umrechnung soll korrigiert werden.

1.2.3 Aufnahmefehler Beim Aufnehmen des Audiosignals ist der Fehler aufgetreten, dass die ersten Zahlen nicht stimmen. Es sieht so aus als würden diese Werte aus der letzten Aufnahme stammen. Wird eine Aufnahme neu gestartet, so beginnt es erst ab der 146. Stelle.

1.2.4 Versorgungsproblem Die Versorgung für den DDS und ADC sind nicht optimal, da die Leitungen manchmal abgerissen werden können. Hier sollen neue Stecker angebracht werden. Wird mit dem Laptop gearbeitet, so muss immer sichergestellt werden, dass die Versorgung des Laptops potentialgetrennt ist. Ein Kurzschluss der Schaltung oder Probleme mit der USB-Schnittstelle können hier auftreten.

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2 Änderungen

2.1 Einige Worte zur FFT: Schnelle Fouriertransformation Die Fouriertransformation ist ein Verfahren in der Signalverarbeitung, das Signale von der Darstellung {(Zeitpunkt, Abtastwert)} in die Darstellung {(Frequenzanteil, Amplitude, Phase)} überträgt. Viele Operationen, z.B. Filterung, lassen sich im Frequenzraum leichter als im Zeitraum durchführen. Nach der Transformation ist es möglich das Signal mit der inversen Fouriertransformation wieder zurück zu transformieren. In der Digital Technik werden zeitdiskrete Signale (Samples) verarbeitet. Das Transformationsverfahren für diese Art von Signale heißt DFT Diskrete Fourier- Transformation. Da nun die Amplituden und Phasen der einzelnen Schwingungen gezielt analysiert werden können, ist die DFT in der digitalen Signalverarbeitung wichtig. Zudem gibt es schnelle Algorithmen zum Durchführen der Transformation und ihrer Inversen. Am bekanntesten ist die FFT (Fast Fourier Transformation), die schnelle Fourier- Transformation nach James Cooley und John W. Tukey. Die Beschleunigung gegenüber der direkten DFT Berechnung beruht darauf, schon berechnete Zwischenergebnisse schnell zusammenzusetzen. Dieser Algorithmus ist ein klassisches „Teile-und-herrsche-Verfahren“. Voraussetzung für seine Anwendung ist, dass die Anzahl der Stützstellen eine Zweierpotenz ist. Da die Anzahl solcher Punkte im Allgemeinen frei gewählt werden kann, handelt es sich dabei nicht um eine gravierende Einschränkung.

2.2 Wie Arbeitet der Algorithmus? Das Problem der Berechnung einer DFT der Größe 2n wird in zwei Berechnungen der DFT der Größe n aufgeteilt, der Vektor der Messwerte wird in Teilvektoren zu geraden bzw. ungeraden Indizes aufgeteilt und von beiden die DFT bestimmt. Die beiden Teilergebnisse werden dann wieder zu einem Gesamtergebnis zusammengefügt. Zur Berechnung der beiden Hälften werden die Eigenschaften der Einheitswurzeln aus der Fouriermatrix genutzt. Eine rekursive Anwendung dieser Grundidee ermöglicht schließlich eine Berechnung in nlog(n) Schritten.

2.3 Der Goertzel-Algorithmus

2.3.1 Motivation Der Goertzel-Algorithmus wurde in diesem Semester als neues Modul eingesetzt. Die theoretischen Grundlagen werden in den folgenden Abschnitten erläutert, sowie der Bezug zur DPOAE Messung anhand einer beispielhaften Anwendung graphisch dargestellt. Dieser Algorithmus bietet eine sehr schnelle Möglichkeit der Frequenzdarstellung, wenn die Anzahl der zu betrachtenden Punkte klein ist. Anders als bei Berechnungsmethoden der DFT (diskrete Fouriertransformation), welche immer alle diskreten Spektralkomponenten in einen Block berechnen, ist es mit dem Goertzel-Algorithmus möglich, nur einzelne diskrete Spektralanteile zu ermitteln.

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2.3.2 Herleitung Viele Anwendungen brauchen die Bewertung von nur wenigen Frequenzen. Wenn man die DFT als N parallel geschaltete Bandpassfiltern betrachtet, ist der Goertzel-Algorithmus die Berechnung von nur einzelnen Bandpässe. Die DFT ist für N Punkte definiert als:

Aufgrund der notwendige Periodizität gilt:

Damit wird folgende Multiplikation gültig:

Das Ergebnis unter Betrachtung von Kausalität und endliche Anzahl von Samples hat die Form einer Multiplikation mit dem Einheitssprung:

deshalb gilt:

Der Ausdruck für yk hat die Form einer diskreter Faltung der Folge x[n], 0 ≤ n ≤ N-1 mit der

Folge .

yk[n] ist also die Antwort eines Systems mit der Übertragungsfunktion auf die Zahlenfolge x[n]. Der Nte Wert der Ausgangsfolge yk[n] entspricht dabei dem Wert der kten Spektrallinie der DFT.

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Solch ein Filter hat die Struktur:

Abbildung 3: Goertzel erster Ordnung

Um den Anzahl der Multiplikationen weiter reduzieren zu können, wird die

Übertragungsfunktion mit den Faktor multipliziert.

Welches einem System zweiter Ordnung entspricht.

Abbildung 4 Goertzel zweiter Ordnung

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2.3.3 Vergleich der Berechnungsaufwand Der Goertzel Algorithmus ist ein sehr schnelles Verfahren, wenn die Anzahl von Punkten klein ist. Umso mehr diese Zahl steigt, desto aufwendiger wird die Berechnung.

DFT N2 kompl. Mult. N(N -1) kompl. Add

FFT

Nlog2(N) kompl. Mult. Nlog2(N) kompl. Add.

Goertzel (pro Frequenzpunkt)

2(N+2) reelle Mult. 4(N+1) reelle Add.

Tabelle 1: Vergleich Aufwand DFT, FFT, Goertzel

2.3.4 Goertzel und die DPOAE Messung Für die Auswertung einer DPOAE Messung ist nur eine begrenzte Anzahl von Frequenzen von Interesse. Diese Frequenzen sind die Anregungsfrequenzen F1 und F2 und insbesondere die Beziehungen: F2 –F1, 2F1 – F2, 2F2 – F1, 3F1 – F2. Wichtig für eine präzise Darstellung ist, dass die Anregungsfrequenzen F1 und F2 ganzzahlige Perioden eines Buffers (Zweierpotenz, z.B. 8192 Samples) entsprechen. Ist diese Bedingung erfüllt, so wird sie ebenso für die genannten Frequenz- Beziehungen garantiert. Nach dieser Eigenschaft sind F1 und F2 durch folgende Formel zu ermitteln:

Wobei n die Anzahl von Perioden entspricht.

2.3.5 Graphische Darstellung eines Beispiels Folgende Bilder wurden mit Hilfe von Matlab, anhand einer beispielhaften Anwendung mit den Anregungsfrequenzen F1 und F2 erstellt: F1 = 1669.92 Hz F2 = 2003.9 Hz F3 = 2F1 –F2 = 1335.94 Hz F4 = 3F1 -2F2 = 1001.96 Hz F5 = F2 – F1 = 333.98 Hz F6 = 2F2 – F1 = 2337.9 Hz

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Abbildung 5 Darstellung der Summe der Signale mit Frequenzen F1 bis F6

Abbildung 6 Frequenzdarstellung mit FFT

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Abbildung 7 Frequenzdarstellung durch Goertzel

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3 Analyse der ADC-Platine Als wichtigste Komponent des Projektes muss der ADC getestet werden, ob es für die DPOAE geeignet ist.

3.1 Rauschverhalten Als erstes wird das Rauschen am Eingang des ADC gemessen, wenn keine Signale anliegen.

Abbildung 8: Rauschen des ADC, wenn keine Signale anliegen

Wir sehen in Abbildung 8, dass es Rauschen gibt durch EMV-Einflüsse und dass diese bis 8,5mV betragen kann. Die FFT wird in der unteren Abbildung berechnet.

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Abbildung 9: FFT des Rauschen mit single-FFT

Die Abbildung 9 zeigt deutlich, dass das Rauschen die 50Hz-Netzfrequenz besitzt. Eine Abschirmung kann die Messung des Audiosignals somit verbessern. Als nächstes erzeugen wir mit dem DDS ein Signal mit dem Volumen von 0 und eine Frequenz von 0Hz. Die Netzeinwirkung auf der DDS-Platine kann einigermaßen bestimmt werden.

Abbildung 10: Netzeinwirkung auf der DDS-Platine

Hier sehen wir die Netzeinwirkung auf der DDS-Platine. Das Signal hat eine Amplitude von 0,1V und hat eine Frequenz von 50Hz. Speist man zwei Signale mit der Frequenz f1 und f2

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ins Ohr der Versuchspersonen, so erhalten wir zweimal dieses Rauschen. Eine Abschirmung (Platinen in Gehäuse einbauen) oder der Batteriebetrieb kann hier das Ergebnis verbessern.

3.2 Umrechnung des ADC-Ergebnisses auf Volt Es wurde versucht das Ergebnis der AD-Wandlung auf Volt um zu rechnen, um es besser darstellen zu können. Wie in Kapitel 1.2.2 Falsche Umrechnung von ADC-Wert auf Spannungswert beschrieben wurde, ist die Umrechnung nicht ganz richtig und soll korrigiert werden. In einem Versuch wird ein Signal durch den DDS erzeugt mit vbass = 246. Die minimale und maximale Spannung betragen -2,098V und 2.11V. Das Sinussignal wird mehrmals aufgenommen um das Verhältnis Float/Volt zu bestimmen: vbass=246 erste Aufnahme zweite Aufn. dritte Aufn. Mittelwert max. Spannung 2.110V

5362058 5353203 5357630,5 5357630,5

min. Spannung -2.098

-5728233 -5737719 -5732976 5732976

Tabelle 2: Messdaten für Umrechnung

( )( )

2.11 2,098 4,208, 1 2635600,40

( ) 5357630,5- -5732976 11090606,5V V VSpannungsbereich V

Ergebnisbereich ADC− − =

= ==

Nach kurzer Rückrechnung können wir ein Offset bestimmen, was durch die ADC-Schaltung verursacht wird: Offset = -203486,35. Nach dem Aufnehmen von Audiosignalen wird dieses Offset immer abgezogen. ADC_start(); // TSK_sleep(1000); LOG_printf(&LOG0,"vor schleife: %i", SEM_count(&SEM_PING_PONG)); for(i = 0; i < 6 ; i++) { LOG_printf(&LOG0,"iteration %i: %i", i, SEM_count(&SEM_PING_PONG)); SEM_pend(&SEM_PING_PONG,SYS_FOREVER); for(n = 0; n < BUFFSIZE; n++) { bRawData[i*BUFFSIZE + n] = (float) p_BufferRcvData[n]; LOG_printf(&LOG0,"iteration %i:", n); } } ADC_stop(); // hier wird das Ergebnis korrigiert, da der ADC-Platine ein Offset hat. // Also Offset aufaddieren, und mit dem Verhältnis multiplizieren um Spannung zu bekommen // Der Recorder beginnt erst nach 147 Werten richtig auf zu nehmen // wenn dieser Fehler nicht beseitigt wird, muss ein Shiftverfahren durchgeführt werden for(n = 0; n < 6*BUFFSIZE-146; n++) { temp = bRawData[n]; bRawData[n] = (bRawData[n+146] +203486.35)/2635600.40; bRawData[n+146] = temp; }

Tabelle 3:Quelltext von dev_recorder.c (Offset wird vom Audiosignal subtrahiert)

Da unsere Rechnung sich auf die Spannung des DDS-Ausganges bezieht, erhalten wir ein Offset, was die Wirkung der Filterschaltung und der Eingangsbegrenzungsschaltung vor der ADC darstellt. Diese Einwirkung ist frequenzabhängig und bleibt nicht konstant wie wir

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berechnet haben. Wir nehmen aber an, dass das Offset sich nicht stark mit der Frequenz ändert. Der Fehler bei der Umrechnung wird unsere Ergebnisse nicht groß verfälschen.

3.3 Testaufnahme / Nachbildung der DPOAE-Umgebung Zu einer praktischen Durchführung am Ohr sind wir nicht mehr gekommen. Als Nachbildung einer DPOAE-Umgebung haben wir ein Netzwerk aufgebaut. Wir erzeugen mit dem DDS drei Sinussignale mit der gleichen Amplitude aber unterschiedliche Frequenz (f1=1669.92Hz, f2=2003.9Hz, f3=1335.94 Hz). Diese Signale werden in dem Netzwerk geführt. Die Signalen mit der Frequenz f1 und f2 (1699, 2000) werden ungehindert durchgelassen und das Signal mit der Frequenz f3 wird gedämpft. Schickt man die Signale mit den Frequenzen f1 und f2 in das Ohr, so wird es auch mit einem so stark gedämpften Signal antworten mit der Frequenz f3. Das Netzwerk simuliert also das Ohr und leitet die drei Signale weiter an das ADC. Das Ergebnis der Aufnahme sehen wir in der nächsten Abbildung.

Abbildung 11: Zeitsignal des Netzwerkes für die DPOAE

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Abbildung 12: FFT des Netzwerkes für die DPOAE

Wir sehen in der Abbildung 12, dass das dritte Signal (die Antwort des Ohres) sehr klein ist, was zu erwarten war. Man kann es dennoch in dB-Darstellung deutlich erkennen. Es zeigt somit, dass die Schaltung generell funktioniert. Ein ähnliches Ergebnis sehen wir auch mit dem Görtzel-Algorithmus. Der Görtzel-Algorithmus nutzt hier den Vorteil, dass wir alle Frequenzen kennen und ist somit deutlich schneller.

Abbildung 13: Görtzel-Algorithmus für die DPOAE

Bei der Analyse ist es erstmal entscheidend, dass wir alle Frequenzanteile sehen können und dass die Verhältnisse einigermaßen stimmen.

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4 Neuerungen

4.1 LCD-Anzeige

4.1.1 Vorbemerkungen Am Anfang des Projekts gab es den Gedanken für die Weiterentwicklung der bestehenden DPOAE-Hardware eine LCD-Anzeige anzuschließen, womit die Messergebnisse oder evtl. Fehlermeldungen unabhängig von einem PC angezeigt werden könnten. Zu diesem Zweck wurde eine alte LCD-Anzeige von einem Telefongerät besorgt, welche einen 2x20 Zeichen-Bildschirm und einen HD44780U-Controller besitzt und diese über einen Seriell/Parallel-Umwandler an die als SPI-Interface initialisierte McBSP0-Schnittstelle angeschlossen.

4.1.2 Hardware

4.1.2.1 Überblick An sich ist es eine leichte Aufgabe, die Anzeige über einen vorhandenen LCD-Controller anzusprechen, wenn dazu genügende (in unserem Fall mindestens 6) GPIO-Pins vorhanden sind. Zwar konnte man bei der bestehenden Hardware über die USB-Platine an die 6-Pins des McBSP0, die man auch als GPIO-Pins initialisieren kann, rankommen, aber so eine Anwendung wäre Verschwendung von Mitteln. Deshalb wurde die McBSP0 als SPI-Interface initialisiert, dafür eine geeignete Interface-Schaltung mit einem 8Bit-Serial-In-Parallel-Out Schieberegister aufgebaut und diese in ein Gehäuse untergebracht. Auf diese Weise ist die Anzahl der für die Ansteuerung der Anzeige benötigten Pins auf 3 gesunken.

Abbildung 14: Blockschaltbild der aufgebauten Hardware

4.1.2.2 HD4478U-LCD Controller Der Datenbus kann bei diesem Controller 4-Bit oder 8-Bit groß sein. In dieser Anwendung wurde der 4-Bit-Datenbus benutzt. Diese 4 Datenleitungen werden nachstehend als DB7-DB4 bezeichnet, wobei DB7 dem MSB und DB4 dem LSB entspricht. Dennoch werden 3 Control-Leitungen, die als RS, EN und R/W genannt werden, benutzt. Dabei ist EN die Enable-Leitung. Um auf den Beginn einer Datenübertragung hinzudeuten, wird diese Leitung auf High gebracht. Wenn die Übertragung beendet worden ist, wird sie wieder auf Low gebracht. Für EN ist der Transmit-Frame-Select-Pin (FSX) von der McBSP0-Schnittstelle geeignet, die am Anfang des Schreibprozesses auf High und am Ende auf Low gebracht wird.

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RS ist die Register-Select-Leitung. Diese gibt an, ob das Daten-Byte als Kommando behandelt (RS auf Low) oder als Text auf dem Display (RS auf High) angezeigt werden muss. RW ist die Schreib/Lese-Leitung. Wenn diese Leitung auf Low gebracht ist, werden die Daten auf dem Bus in das ausgewählte Register geschrieben. Wenn diese Leitung auf High steht, können Daten von dem LCD Controller gelesen werden, um den Status des Controllers zu überprüfen. Bei dieser Anwendung wird die RW-Leitung auf Masse gesetzt und anstatt den Status des Controllers zu überprüfen, wird nach jedem Schreibprozess auf den Ablauf von der längst möglichen Zeitdauer gewartet, die der Controller für den jeweiligen Befehl benötigt. Für nähere Informationen zum Timing des Controllers wird an dieser Stelle auf [XX] (HD44780U Manual) verwiesen. Bei dieser Anwendung muss man jedoch beachten, dass der zeitliche Abstand zwischen dem Setzen von Datenleitungen mit entsprechenden Bits und der fallenden Flanke von dem Enable-Bit zumindest 80ns betragen muss. Diese Anforderung ist leicht erfüllt, wenn das SPI-Interface mit einer Taktfrequenz von 12.5Mhz oder niedriger betrieben wird.

4.1.2.3 Schieberegister In diesem Baustein soll die Seriell-Parallel-Wandlung des vom DSP übertragenen Datenstromes vollzogen werden. Hierbei wurde ein 8-Bit Serial-In-Parallel-Out Schieberegister benutzt. Abbildung 15 zeigt das Funktionsdiagramm des Bausteins.

Abbildung 15: Funktionsdiagramm eines 74HCT164-Bausteins

Das Schieberegister wird an einem von seinen beiden seriellen Dateneingängen mit den Datenimpulsen vom McBSP belegt. Die Taktimpulse bekommt er vom CLKX-Pin. Auf diese Weise werden die Daten am Eingang des Registers bei jedem Takt um je ein Bit eine Stelle (ein Flip-Flop) weitergerückt. Am Ende von einer 8-Bit Datenübertragung erhält man das gewünschte Bitmuster an den 8 Ausgängen des Registers. Abbildung 16 zeigt die gesamte Interface-Schaltung.

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Abbildung 16: Interface-Schaltung für LCD

4.1.3 Software

4.1.3.1 McBSP Wie schon vorher erwähnt, wird die McBSP-Schnittstelle in dieser Anwendung als SPI Interface initialisiert. Dies geschieht, indem man verschiedene Register richtig initialisiert.

Zur Initialisierung des SPI Interfaces kann die Funktion SPI_init() verwendet werden. Diese benötigt jedoch noch die Funktion ConfigMcbsp(). Diese setzt die Register des McBSP so, dass es danach als SPI Interface verwendet werden kann. Die wichtigsten Elemente von diesen Registern bei dieser Anwendung sind nachfolgend aufgelistet:

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Mit CLXP wird angegeben, dass das Clocksignal vor und nach dem Datenübertragung inaktiv ist und dass mit jeder steigenden Flanke des Clock SCKL ein Bit durch den McBSP gelesen wird. Durch FSXP wird dafür gesorgt, dass das als Enable-Bit benutzte Frame Signal vor und nach dem Sendeprozess auf Low steht. CLKXM legt fest, dass SCLK auf der DSP-Seite ein Output ist (getrieben durch CLKG) und somit der DSP die Rolle des Masters übernimmt.

Durch die Konfiguration von CLKSTP wird eingestellt, dass das Clock-Signal mit halber Takt-Verzögerung nach dem Daten-Signal gestartet wird.

Der McBSP-Clock-Stop-Modus benötigt einphasige Rahmen, deshalb wird XPHASE auf 0 gesetzt. Dennoch wird wird durch XWDLEN1 die Größe dieses Rahmen festgelegt und durch XCOMPAND wird angegeben, dass das MSB zuerst geschickt wird.

FSGM gibt an, wann das Frame Synchronization Signal erzeugt werden soll und CLKSM bestimmt, welche Clock für den Sample Rate Generator benutzt wird. Als letztes gibt der Parameter CLKGDV an, durch welchen Wert der Eingangstakt (CPU-Clock/2) geteilt wird. Zu beachten ist, dass durch den angegebenen Wert plus eins geteilt wird. Man hat durch das Aufrufen von SPI_init() die Möglichkeit, die SPI-Clock-Frequenz erneut einzustellen.

Außer die Konfiguration von einzelnen Registern werden bei der Initialisierung die in der [XX] (spru580g McBSP Manual – Seite 61) angegebene Schritte durchgeführt. Auf diese Weise erhält man folgendes SPI Timing, welches für die Benutzung des Schieberegisters geeignet ist:

Abbildung 17: SPI Timing

Nach dieser Initialisierung können Daten gesendet werden.

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Wie man auch mit Hilfe der Abbildung 16 nachvollziehen kann, wird für das Ansprechen der 5 Pins, die an dem Schieberegister angeschlossen sind (RS, DB7-4), das folgende Byte-Muster verwendet:

Xx RS xx xx DB7 DB6 DB5 DB4 Zum Beispiel, um nur RS und DB4 auf High und die Anderen auf Low zusetzen wird folgende Befehl aufgerufen:

SPI_write(0x41);

4.1.3.2 LCD Treiber Bevor die Anzeige benutzt werden kann, muss sie initialisiert werden. Dies geschieht durch void lcd_init(void). Die benötigten Initialisierungsschritte und Kommandos, wie Clear Display, New Line, usw. sind im Dokument [XX] (HD44780U Manual) erklärt worden. Bei der Initialisierung wird vor allem an den LCD-Controller gegeben, dass das LCD in 4-Bit-Interface angesteuert wird. Dabei werden mit Hilfe von der Funktion void lcd_send_byte(int regadd, char data) einzelne Bytes in zwei 4-Bit-Paketen an das LCD geschickt.

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Um nach der Initialisierung die Anzeige direkt anzusprechen, sind Funktionen wie, void lcd_gotoxy(int x, int y), void lcd_putc(char c), void lcd_puts(char *s) oder void lcd_write_float(char *s,unsigned int i) vorhanden. Aber die Verwendung von diesen Basis-Funktionen könnte zu unerwünschten Wartezeiten waehrend der Durchführung von wichtigen Prozessen führen. Deshalb wurde ein Task von niedrigster Priorität void lcd_mainTSK(void)und zwei Funktionen void lcd_send_float(float* buf, unsigned int mBytes) sowei void lcd_send_message(char* msgtext) implementiert, welche es ermöglichen das LCD durch eine “Mailbox” anzusteuern. Diese Mailbox-Eigenschaft des DSP-Bios ist im Grunde genommen nichts anderes als ein Semaphor. Der einzige Unterschied liegt darin, dass man dabei auch eine Nachricht senden kann. Durch diese Eigenschaft wird das gesendete String erst dann angezeigt, wenn lcd_mainTSK() durchgeführt wird oder anders gesagt, wenn der DSP nichts Wichtigeres zu tun hat.

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4.2 GUI

4.2.1 Einleitung Um das DPOAE-Gerät einfach von einem PC aus steuern zu können und die auszuwertenden Daten grafisch darstellen zu können, benötigt man sowohl eine GUI - eine grafische Benutzeroberfläche - als auch eine Verbindung zwischen PC und DSP. Beides lag bereits aus den letzten Semestern vor. Die Verbindung wird über USB realisiert wobei DSP-seitig ein USB-Chip vorliegt und PC-seitig über einem bestimmten Treiben eine virtuelle COM-Schnittstelle benutzt wird. Die GUI, die in C++ unter Microsoft Visuell Studio geschrieben wurde und auf einige zusätzlich Klassen zur Vereinfachung der Kommunikation über den virtuellen COM-Port basierte, funktionierte jedoch nicht einwandfrei und wird deshalb neu implementiert.

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Dazu benutzen wir als Programmiersprache ebenfalls C++, im Gegensatz zu unseren Vorgängern aber die freie Bibliothek QT der Firma trolltech (trolltech.com) für die Oberfläche sowie QextSerial zur einfacheren Anbindung des COM-Ports.

4.2.2 Aufbau Wie man in Abbildung 18 sieht, besteht die GUI aus einem Menü, einem Konfigurationsteil, einem Terminal-Fenster und einem Grafikbereich.

Abbildung 18 DPOAE-GUI mit Zeitverlauf

Im Konfigurationsteil können sowohl die Frequenzen, die die DDS-Module erzeugen sollen, als auch die Frequenzen, die der Goertzel-Algorithmus zu messen hat, sowie deren Amplituden eingestellt werden. Diese können dann durch die Ausführung eines Menüeintrags an den DSP übertragen werden. Des Weiteren wird festgelegt, über welchen COM-Port kommuniziert wird. Zur einfacheren Kommunikation sind Pushbuttons vorhanden, bei deren Betätigung Befehle gesendet werden (Verbindung herstellen und trennen, Daten aufnehmen, berechnen, übertragen und anzeigen). Mit den Radiobuttons kann noch angegeben werden, welche Daten bearbeitet werden (FTT single, FFT mean, Goertzel, Zeitverlauf). Das Terminalfenster besteht aus einer Befehlszeile zur direkten Eingabe von Befehlen an den DSP und einem Bereich in dem die Antworten des DSP dargestellt werden. Im dritten Bereich werden die entsprechenden Daten nach der Übertragung angezeigt. Es besteht die Möglichkeit Zeitverläufe, Frequenzspektren und die Amplituden bestimmter Frequenzen nach dem Goertzel-Algorithmus sowohl linear als auch in Dezibel anzuzeigen. Dabei stehen auf der x-Achse entweder Zeit- oder Frequenzwerte und auf der y-Achse der Minimal- und Maximalwert der angezeigten Daten als Achsenbeschriftung. Bei der

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Übertragung der Goertzel-Daten werden nur drei Werte übertragen, die dann in ein leeres Frequenzspektrum an der entsprechenden Stelle eingefügt werden. Im Hintergrund werden die angezeigten Daten in folgenden Dateien gespeichert: Dateiname darin gespeicherte Daten in_fft_single.txt Frequenzspektrum mit fft sinlge in_fft_mean.txt Frequenzspektrum mit fft mean in_goertzel.txt Frequenzspektrum mit Goertzel in_time.txt Zeitverlauf

Tabelle 4: Dateinamen

Wenn man die Verbindung herstellt oder trennt, wird man mit einem Icon im System-Tray durch einen grünen bzw. roten Kreis und einem jeweiligen Infotext darüber informiert.

Abbildung 19: Systemtray (links: verbunden, rechts: getrennt)

4.2.3 Programmierung An dieser Stelle soll nicht auf C++ eingegangen werden, da das den Rahmen des Abschlussberichts sprengen würde. Stattdessen sollen hier einige Funktionsweisen der benutzten Bibliothek Qt erläutert werden.

4.2.3.1 GUI-Elemente In der Qt-Bibliothek sind für alle denkbaren GUI-Elemente bereits Klassen vorhanden, die nur noch eingebunden werden müssen und dann zur Benutzung bereit stehen. Das sind zum Beispiel Menüs, Pushbuttons, Eingabefelder, Beschriftungen, Grafikfelder,und Checkboxen. Darüber hinaus gibt es noch zusätzliche Klassen wie Timer und Strings, die besser auf die anderen Qt-Klassen abgestimmt sind. Das Einbinden der einzelnen Klassen geschieht in der Header-Datei der eigenen zu implementieren Klasse mit dem Eintrag class QPushButton; oder #include <QPushbutton> vor dem Beginn der eigenen Klasse. Danach müssen Elemente, auf die man von allen Methoden der Klasse aus zugreifen will, unbedingt im Header-File deklariert werden. Zum Beispiel QPushButton *pb_verbinden; In der .cpp-Datei muss das Element dann mit pb_verbinden = new QPushButton("verbinden"); noch erstellt und in diesem Fall mit einer Aufschrift versehen werden. Beschriftungen, die nur auf der GUI erscheinen müssen und auf die man nicht weiter zugreifen muss, brauchen dann auch nur in der .cpp-Datei deklariert werden.

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QLabel *f1_label = new QLabel("DDS1 Frequenz [Hz]"); Mehrere GUI-Elemente sollten in Layouts zusammengefasst werden. Diese Layouts können in Tabellenform (QGridLayout), in vertikaler Anordnung (QVBoxLayout) oder horizontaler Anordnung (QHBoxLayout) sein. Mit der Methode addWidget(QWidget) werden die einzelnen Elemente dem Layout hinzugefügt. Dabei kann natürlich auch ein Layout ein oder mehrere andere Layouts beinhalten. Ein Hauptlayout muss schließlich alle anderen Layout und somit alle Elemente der GUI beinhalten und wird mit dem Befehl setLayout(Hauptlayout); als in der Rangfolge höchstes Layout festgelegt.

4.2.3.2 Mechanismen von Signal und Slot Mit den vorher beschriebenen Anweisungen würden die Elemente zwar auf dem Bildschirm erscheinen, aber noch keine Funktion erfüllen. Einen Pushbutton beispielsweise könnte man drücken, es würde jedoch keine Auswirkung haben. Dafür gibt es in Qt den Signal-Slot-Mechanismus. Wenn man einen Pushbutton klickt wird das Signal clicked() ausgelöst, was dann mit connect(pb_verbinden, SIGNAL(clicked()), this, SLOT(verbinden())); mit einem sogenannten Slot (in diesem Fall verbinden()) verknüpft wird. Ein Slot ist eine Methode, die im Header-File unter public slots: oder private slots: deklariert sein muss und in diesem Beispiel jedes Mal nach dem Signal clicked() aufgerufen wird.

4.2.3.3 Methoden Neben den Slots gibt es unter Qt noch einige andere Methoden mit einer speziellen Bedeutung. Hierbei soll auf QSize sizeHint() const; und void paintEvent(QPaintEvent *event); eingegangen werden. Die erste Methode muss in eigenen Klassen überladen werden, wenn man eine bestimmte Größe der Elemente der Klasse festlegen will. In unserem Fall soll die Klasse RenderArea, die den Bereich zur grafischen Darstellung der Signale darstellt, in ihrer Größe begrenzt werden. Das geschieht mit QSize RenderArea::sizeHint() const { //benötigter Platz QSize s(1024,220); return s; } Die zweite Methode muss überladen werden, wenn man eigene Grafiken (Punkte, Linien) darstellen will. Diese Methode wird dann nicht nur abgearbeitet, wenn man sie mit update() aufruft, sondern auch wenn die Maus oder anderen Fenster über den eigenen Grafiken bewegt werden und somit Teile davon löschen. In unserem Fall wird dann jedes Mal der Vektor, der die Zeit- oder Frequenzdaten anhält, neu in den entsprechenden Bereich geplottet.

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4.2.4 Kommunikation mit dem DSP Damit von den eigenen Klassen besonders einfach auf die serielle Schnittstelle und somit auf den DSP zugegriffen werden kann, benutzen wir zusätzlich die Klasse QextSerialPort. Im Programm wird ein Objekt dieser erzeugt, mit dem ausgewählten COM-Port verknüpft, spezielle Eigenschaften für die Übertragung festgelegt und der Port schließlich geöffnet: comport->setName("COM1"); comport->setBaudRate(BAUD115200); comport->setDataBits(DATA_8); comport->setParity(PAR_NONE); comport->setStopBits(STOP_1); comport->setFlowControl(FLOW_HARDWARE); comport->setTimeout(0,20); comport->open(); Wenn die Verbindung hergestellt ist, wird über einen Timer alle 10ms der Slot empfangen() aufgerufen, um zu prüfen, ob Daten bereit stehen und empfangen werden können. Will man Zeit- oder FFT-Daten empfangen, wird der normale Empfangstimer deaktiviert und ein zweiter Timer aktiviert, der dann die Daten schneller empfangen kann und im Anschluss weiterverarbeitet, speichert und für die Anzeige bereit stellt.

4.3 Notch-Filter Die Einsetzung eines Notch-Filters zur Unterdrückung von Netzstörungen wurde auch in diesem Semester berücksichtigt, aus zeitlichen Gründen wurde aber dieses Modul leider nicht vollständig optimiert.

4.3.1 Theoretischen Grundlagen Ein Notch-Filter ist ein schmalbandiger Filter, der meistens zur Unterdrückung von Störungen eingesetzt wird. Er besteht aus zwei Passbänder und einen Bandsperren Bereich.

Abbildung 20 Typische Notch-Filter Blockdiagramm

Eine Implementierung mit Digitaltechnik ist durch IIR (Infinite Impulse Response) Filter möglich. Diese Struktur hat die Form:

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Abbildung 21 IIR Filter Direkt Form II

Nachteil diese Art von Filter ist die Empfindlichkeit zum Wortlängen Effekt. Der Grund dafür ist, dass die gegebene Rekursivität diesen Effekt verstärkt. Darum ist es üblich eine möglichst geringe Ordnung zu bevorzugen, die in der kaskadierte Form von Stufen zweiter Ordnung implementiert werden soll.

23

121

23

121)( −−

−−

++++

=ZaZaaZbZbbzH

IIR Filter zweiter Ordnung

4.3.2 Das Design Für die DPOAE Messung ist es wichtig, so wenige Verzerrungen wie möglich im Messbereich zu haben. Deswegen haben wir uns für ein Notch Filter 2. Ordnung entschieden, da Filter höhere Ordnungen größere Phasenverzerrungen verursachen. Es wurde ein Filter entwickelt, der eine Center- Frequenz von 50 Hz und eine Bandbreite von 40Hz hat.

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Abbildung 22 Frequenzgang eines Notch Filters zur Unterdrückung von Brummstörungen

Die Koeffizienten wurden mit Hilfe von Matlab in den 32 Bit Floating Point Format erstellt und in einen Algorithmus der Direkt Form I implementiert. Anhand eines Beispiels wird die Einsetzung graphisch dargestellt.

Abbildung 23 Drei Frequenzen plus 50 Hz Brummen vor Einsetzung des Filters

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Abbildung 24 Drei Frequenzen plus 50 Hz Brummen nach Einsetzung des Filters

Abbildung 25 Phasen und Frequenzgang des Filters

4.4 Module Um das Projekt besser zu unterstützen wurden zwei neue Module entwickelt. Diese heißen „help“ (Hilfe bei Befehlseingabe) und „transfer“ (Übertragung von Daten).

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4.4.1 Interpreter (kurze Einführung) Eine Befehlseingabe im Terminal sieht so aus (ohne eckige Klammer): [devicesname] [functionname] oder bei Änderung von Parametern [devicesname] [functionname] [parameter=parametervalue] Beispiel: dds change fbass=1000 Der Interpreter sucht zuerst nach, ob das Modul dds schon deklariert wurde oder nicht. Existiert dieses Modul, so wird nach der Funktion und nach dem Parametername gesucht. Der Befehl wird ausgeführt, wenn alle Informationen stimmen. In diesem Beispiel kann man die DDS-Platine ansprechen und die Frequenz für den Bass auf 1000Hz setzen.

4.4.2 Modul „help“(dev_help.c/dev_help.h) Dieses Modul unterstützt den Benutzer beim Ausführen von Befehlen. Bei falscher Befehlseingabe wird die Hilfe aufgerufen.

- Wird der Name des Moduls falsch geschrieben, so erkennt der Interpreter nicht, auf welches Modul der Benutzer zugreifen möchte. In diesem Fall wird die Funktion help_general aufgerufen, die das Problem näher erläutert.

- Ist der Name des Moduls richtig aber die Funktionsname oder Parameter falsch, so erkennt der Interpreter das Modul und ruft eine Hilfefunktion aus, die nur das Modul beschreibt

Die einzelnen Funktionen von help werden nun näher erläutert:

4.4.2.1 help_general Diese Funktion wird aufgerufen mit dem Befehl „help“. Automatisch wird sie auch ausgeführt, wenn der Interpreter nicht erkennt, auf welches Modul der Nutzer zugreifen möchte. help_general gibt an, dass alle Module aufgelistet werden, wenn man den Befehl devices im Terminal aufruft. Kennt man die Modulenname, so kann man mit dem Aufruf help [devicename] eine konkrete Hilfe zu dem Modul bekommen. Weiterhin weist es auf die Befehle list und func hin, dass sie die Parameter und Funktionen eines Moduls auflisten. Zum Schluss wird noch die Funktion help_start vorgestellt, die den Benutzer helfen wird, Schritt für Schritt die Versuche durchzuführen.

4.4.2.2 help_dds Diese Funktion wird ausgeführt, wenn der Befehl „help dds“ aufgerufen wird. Das Modul wird nun erläutert. Mit

- 'dds list' - listet die Parameter (Frequenz und Volumen) des DDS auf - 'dds func' - listet alle Funktionen des DDS auf - 'dds default' - setzt die Parametern auf default-Werte - 'dds change [ParameterName]=[ParameterValue]' – setzt den Parameter auf einen

neuen Wert - 'dds off' - schaltet den DDS aus

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- 'dds dpoae' - startet den DDS und Sinustöne werden erzeugt

4.4.2.3 help_fft Diese Funktion wird aufgerufen mit dem Befehl „help fft“ Hier wird gezeigt, welche Funktionen das Modul fft besitzt:

- 'fft mean' - berechnet die FFT mit der mean-Methode - 'fft single' - berechnet die FFT mit der single-Methode - 'fft goertzel' - berechnet die FFT mit dem Görtzel-Algorithmus - 'fft gchange [frequenz]=[value]' – ändert die Stützfrequenzen frequenz1,2 oder 3 für

den Görtzel-Algorithmus

4.4.2.4 help_recorder Das Modul recorder generiert oder speichert Daten in das Array bRawData. Auf dieses Array kann man die FFT durchführen, um den Algorithmus des FFT zu überprüfen. Da wir wissen, dass die FFT funktioniert, ist die Funktion ‚recorder generate’ jetzt überflüssig. help_recorder wird aufgerufen mit dem Befehl „help recorder“.

- 'recorder start' - startet die Aufnahme des Audiosignals (speichert auf bRawData) - 'recorder generate' – generiert einen Sinusverlauf. Dies dient zur Überprüfung der

FFT.

4.4.2.5 help_getting_started Diese Funktion ist für neue Benutzer nützlich, denn sie erklärt Schritt für Schritt, wie man den Terminal benutzt und den Versuch startet. Mit „help start“ wird diese Funktion aufgerufen:

1. 'devices' eingeben um alle Module aufzulisten 2. 'dds list' eingeben um über alle Parameter einen Überblick zu verschaffen 3. Parametern können geändert werden, z.Bsp. 'dds change fbass=1000'

o Das Volumen des DDS kann in ähnlicher Weise geändert werden (255 ist maximaler Wert): 'dds change vbass=255'

4. Audiosignal aufnehmen: o 'recorder start' eingeben um Signal aufzunehmen

5. FFT ausführen um die Antwort des Ohres zu analysieren o 'help fft' eingeben um mehr Informationen zu FFT zu bekommen

4.4.2.6 help_transfer Als letzte Funktion ist die Hilfe für das transfer-Modul. Sie wird mit „help transfer“ aufgerufen. Mit diesem Modul kann man auswählen, welche Daten man zum PC übertragen will.

- 'transfer recorded' - überträgt aufgenommenes Audiosignal zum PC - 'transfer meanfft' - überträgt das Spektrum, welches durch die Methode der

mean-FFT berechnet wurde (Audiosignal muss vorher aufgenommen sein)

- 'transfer singlefft' - überträgt das Spektrum, welches durch die Methode der single-FFT berechnet wurde

- 'transfer goertzel' - überträgt das Spektrum, welches durch den Görtzel-Algorithmus berechnet wurde

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4.4.3 Modul “transfer” (dev_transfer.c/dev_transfer.h) Für die Übertragung zum PC dient dieses neue Modul. Man hat zum ersten Mal die Möglichkeit zu wählen, welche Daten zum PC übertragen werden soll. Die Daten, die übertragen werden können sind das aufgenommene Audiosignal, die FFT-Ergebnisse mit der mean- und single-Funktion und die vom Görtzel-Algorithmus berechnete FFT. Über einen neuen Task DataTransferTSK wird die Übertragung zum PC gesteuert. Dieser Task hat eine niedrigere Priorität als der Interpreter. Zurzeit wird eine blockweise Datenübertragung von 1024 Werten realisiert. Zukünftige Projekte können an diesem Basis anknüpfen und neue Funktionen einfügen. Sinnvolle Funktionen sind die Überprüfung des übertragenen Datenblocks auf Fehler, die wiederholte Übertragung des Datenblocks bei Fehler und die Variation der Blockgröße. Zum Aufbau: Der Task wird in terminal.c aufgerufen. Ein globaler String DataNew wird in terminal.c definiert. Das Modul „transfer“ kann diesen String umbenennen auf „record“, “meanFFT“, “singleFFT“ oder „goertzel“. Anhand dieses Strings kann der Task erkennen, welche Daten er übertragen soll. Der Task wird immer gestoppt durch die Semaphore SEM_TRANSFER (SEM_pend(&SEM_TRANSFER,SYS_FOREVER)). … // Datenübertragung SEM_Obj SEM_TRANSFER; int Buffer_Start = 0; int Buffer_End = 1024; int zaehler = 0; String DataOld; String DataNew; float * DataFloat; extern float bRawData[6*8192]; extern float dev_goertzel_out[3]; //extern float resultGoertzel[8]; extern float dev_meanFFT_out[8192]; extern float dev_singleFFT_out[8192]; … void DataTransfer(void) { String str; while(1) { SEM_pend(&SEM_TRANSFER,SYS_FOREVER); if(strcmp(DataNew,"record")==0) { DataFloat = bRawData; Buffer_End = 1024; } else if(strcmp(DataNew,"meanFFT")==0) { DataFloat = dev_meanFFT_out; Buffer_End = 1024; } else if(strcmp(DataNew,"singleFFT")==0) { DataFloat = dev_singleFFT_out; Buffer_End = 1024; }

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else if(strcmp(DataNew,"goertzel")==0) { DataFloat = dev_goertzel_out; // DataFloat = resultGoertzel; Buffer_End = 3; } if (strcmp(DataOld,DataNew)!=0) { DataOld = DataNew; Buffer_Start = 0; zaehler = 0; } if (Buffer_Start == Buffer_End) { Buffer_Start = 0; zaehler = 0; } zaehler = Buffer_Start; // usbWriteString("TASK start"); //while(zaehler < Buffer_Start + 1024) while(zaehler < Buffer_End) { sprintf(str,"%.4f ",DataFloat[zaehler]);

// von usbWriteFloatBuffer kopiert usbWriteString(str); zaehler++; } newline(); usbWriteString(DataNew); usbWriteString(" von "); sprintf(str,"%.1f ",Buffer_Start); usbWriteString(str); usbWriteString(" bis "); sprintf(str,"%.1f ",Buffer_End); usbWriteString(str); newline(); Buffer_Start = zaehler; } }

Tabelle 5: Quelltext des Task DataTransferTSK in terminal.c

Für das Umbenennen des Strings und das Starten der Task sind die unten aufgelisteten Funktionen verantwortlich.

1. transfer_recorded - aufgerufen durch den Befehl „transfer recorded“ - setzt den String auf „record“; reset und post der Semaphore SEM_TRANSFER

2. transfer_meanfft - aufgerufen durch den Befehl „transfer meanfft“ - setzt den String auf „meanFFT“; reset und post der Semaphore SEM_TRANSFER

3. transfer_singlefft - aufgerufen durch den Befehl „transfer singlefft“ - setzt den String auf „singleFFT“; reset und post der Semaphore SEM_TRANSFER

4. transfer_goertzel - aufgerufen durch den Befehl „transfer goertzel“ - setzt den String auf „goertzel“; reset und post der Semaphore SEM_TRANSFER

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#include "dpoae0607cfg.h" #include "terminal.h" #include "dev_transfer.h" #include "usb.h" TDevice transfer; extern String DataNew; extern SEM_Obj SEM_TRANSFER; void transfer_recorded(void) { DataNew = "record"; usbWriteString("Start transfer recorded data.\n\r"); SEM_reset(&SEM_TRANSFER,0); SEM_post(&SEM_TRANSFER); usbWriteString("End of transfer of recorded data."); } void transfer_meanfft(void) { DataNew = "meanFFT"; usbWriteString("Start transfer mean_fft data.\n\r"); SEM_reset(&SEM_TRANSFER,0); SEM_post(&SEM_TRANSFER); usbWriteString("End of transfer of recorded data."); } void transfer_singlefft(void) { DataNew = "singleFFT"; usbWriteString("Start transfer single_fft data.\n\r"); SEM_reset(&SEM_TRANSFER,0); SEM_post(&SEM_TRANSFER); usbWriteString("End of transfer of recorded data."); } void transfer_goertzel(void) { DataNew = "goertzel"; usbWriteString("Start transfer goertzel data.\n\r"); SEM_reset(&SEM_TRANSFER,0); SEM_post(&SEM_TRANSFER); usbWriteString("End of transfer of recorded data."); }

Tabelle 6: Funktionen des Moduls "transfer"

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5 Abschluss Die DPOAE ist ein interessantes Projekt und erfordert viel DSP-Programmierung. Software- und Hardwarekomponente wurde geschaffen. Sind die Fehler und Mängel beseitigt, so kann der Versuch praktisch umgesetzt werden. Man kann dann sehen, welches Ergebnis unser Aufbau in der wahren Umgebung liefert. In der durch das Netzwerk simulierten Umgebung konnte man zumindest sehen, dass der Versuchsaufbau für den praktischen Einsatz bereit ist. Es kann sein, dass unsere Platine nicht für die DPOAE geeignet ist und verbessert (neu designt) werden muss. Funktionen können erweitert oder verbessert werden, wie die GUI, Datenübertragung (Kapitel 4.4.3Modul “transfer” (dev_transfer.c/dev_transfer.h)), Signalaufnahme und die FFT. Spannende Aufgaben erwartet das nächste DPOAE-Projekt.

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6 Anhang

6.1 Abbildungsverzeichnis: Abbildung 1 Aufbau der Ohres _________________________________________________ 4 Abbildung 2: Überblick von Soft- und Hardware___________________________________ 5 Abbildung 3: Goertzel erster Ordnung ___________________________________________ 9 Abbildung 4 Goertzel zweiter Ordnung __________________________________________ 9 Abbildung 5 Darstellung der Summe der Signale mit Frequenzen F1 bis F6_____________ 11 Abbildung 6 Frequenzdarstellung mit FFT_______________________________________ 11 Abbildung 7 Frequenzdarstellung durch Goertzel _________________________________ 12 Abbildung 8: Rauschen des ADC, wenn keine Signale anliegen ______________________ 13 Abbildung 9: FFT des Rauschen mit single-FFT __________________________________ 14 Abbildung 10: Netzeinwirkung auf der DDS-Platine _______________________________ 14 Abbildung 11: Zeitsignal des Netzwerkes für die DPOAE___________________________ 16 Abbildung 12: FFT des Netzwerkes für die DPOAE _______________________________ 17 Abbildung 13: Görtzel-Algorithmus für die DPOAE _______________________________ 17 Abbildung 14: Blockschaltbild der aufgebauten Hardware __________________________ 18 Abbildung 15: Funktionsdiagramm eines 74HCT164-Bausteins ______________________ 19 Abbildung 16: Interface-Schaltung für LCD _____________________________________ 20 Abbildung 17: SPI Timing ___________________________________________________ 21 Abbildung 18 DPOAE-GUI mit Zeitverlauf______________________________________ 25 Abbildung 19: Systemtray (links: verbunden, rechts: getrennt) _______________________ 26 Abbildung 20 Typische Notch-Filter Blockdiagramm ______________________________ 28 Abbildung 21 IIR Filter Direkt Form II _________________________________________ 29 Abbildung 22 Frequenzgang eines Notch Filters zur Unterdrückung von Brummstörungen_ 30 Abbildung 23 Drei Frequenzen plus 50 Hz Brummen vor Einsetzung des Filters_________ 30 Abbildung 24 Drei Frequenzen plus 50 Hz Brummen nach Einsetzung des Filters________ 31 Abbildung 25 Phasen und Frequenzgang des Filters _______________________________ 31

6.2 Tabellenverzeichnis: Tabelle 1: Vergleich Aufwand DFT, FFT, Goertzel________________________________ 10 Tabelle 2: Messdaten für Umrechnung __________________________________________ 15 Tabelle 3:Quelltext von dev_recorder.c (Offset wird vom Audiosignal subtrahiert) _______ 15 Tabelle 4: Dateinamen ______________________________________________________ 26 Tabelle 5: Quelltext des Task DataTransferTSK in terminal.c________________________ 35 Tabelle 6: Funktionen des Moduls "transfer" _____________________________________ 36

6.3 Literaturverzeichnis - Zürcher Hochschule Winterthur „der Goertzel Algorithmus“ 2005 - www.wikipedia.de. - Rulph Chassaing “Digital Signal Processing with the C6713” Worcester Polytechnic

Institut. – Wiley Intercience 2005. - www.cnx.org Douglas Jhonsohn IIR Rewiew. - Technische Universität Berlin „Digital Signalverarbeitung in der Akustik“ Prof. Dr.

Michael Moser 1997

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6.4 Abkürzungen Abk. Bedeutung ADC Analog Digital Converter DDS Direct Digital Synthesizer DPOAE Distorsionsprodukte otoakustischer Emissionen DSP Digital Signal Processor FFT Fast Fourier Transformation GUI Graphical User Interface

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