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2014年後期 コンピュータ・サイエンス演習

フーリエ変換とデジタル信号処理(2014年版準備中) 

 

 

MEIJI University PSoC5 Workshop 2014 By Renji Mikami
 
 
Please visit Cypress CUA potal site. You can get much more helpful information.
 
 
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演習の開始にあたって ガイダンス9/22/2014
 
 
学籍番号とチーム組みは演習初日に解説します SEAT_B3_2014.jpg (準備中)
 
 
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この演習では、研究や開発分野で広く応用されているフーリエ変換とデジタル信号処理を扱います。これらは、研究者としても実社会での設計やアルゴリズム開発でも駆使される、重要で、役にたつ要素技術です。
 
この分野は、積分変換から始まり、実数から複素数領域、連続量から離散化、FFT計算と進みます。そのため、時には"単位の鬼門"と呼ぶ人もあるように、広く奥深く難解にも見えます。フィルタ設計では、さらに線形時不変システムも扱います。
 
これらの広い分野は複数の専門分野に分断され、理学(数学、物理)、工学、コンピュータ科学の専門分野として独立して発展しています。そのため、全体の見通しが難しく、わかりづらくなっています。
 
この演習では、数学的基礎の復習から始め、実際のフーリエ解析システムの実装までを行います。各専門分野を横串にして、信号処理山頂のゴールを目指します。難しそうな数式や理論も実装してみることで、よくわかります。みんなで山頂から、理工学とシステムのすばらしい眺望を楽しみましょう。わかってしまえば、応用やアイデアが次々とひらめきます。
2012年の皆さんの課題発表が、Wikiサイトにあります。
 
    担当講師:三上廉司(ミカミ設計コンサルティング)    
         

 

 
           
 
成績評価基準と配点 出席(演習状況)60 : レポート40 (欠席は出席点、レポート点双方がゼロになります。)

MikamiNet Wikiへ ジャンプ (MikamiNet イントラ専用のため、VPN接続されていないと表示されません。)

 
    原則として、10〜30分遅刻は遅刻減点、30分以上の遅刻は、欠席扱いとなります。また提出期限を超過したレポートは受領されませんので期限を厳守してください。   課題発表 Wiki サイトへジャンプ Wikiの書き方  
   

     
   
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PSoC3/5 開発環境インストール
マスタープロジェクトのダウンロード  
        デスクトップ:\psoc_lab5_masterに解凍してください PSoC5_Lab_master2013.lzh  
   

サイプレス社のサイトから、PSoC Creater をダウンロードしてください。サイプレス社のサイトから、PSoC Programmerr をダウンロードしてください。

PSoC Createrは、PSoC3/5を開発できます。PSoC Programmerは、PSoC1/3/5 すべてのPSoCの書き込みができるソフトです。

書き込み器は、MiniProgが、PSoC1 用、MiniProg3が、PSoC1/3/5用です。8CKIT-030/050基板には、書き込み回路が基板上にあるので、MiniProgがなくとも書き込みできます。

 

演習の参考プロジェクトです。

プロジェクトは、できるだけ、C:の直下、のなるべく階層の浅い場所に置いてください。

例:C:\PSoC35_Lab\ というディレクトリを作成し、その下にプロジェクト名をつけたサブ・ディレクトリを作成することをお勧めします。

ディレクトのパスには、日本語文字が入らないようにしてください。プロジェクト名も日本語の使用を避けてください。

 
 
コンパイラとライセンス
コース共通参考資料 (演習使用は、8CKIT-050)  
   

PSoC5とPSoC3は、プロセッサ以外のハードウェアは、ほぼ同じです。プロセッサが異なりますので、コンパイラが異なります。PSoC5は、ARM Cortex-M3 32bit用にGCCを使います。PSoC3は、8051プロセッサ用にKEIL社のCコンパイラを使います。どちらも無償ですが、メイル・アドレスを明記して、有効期間つきのライセンス・コードを取得して、速やかにアクティベーションをしてください。

PSoC3は8bitですが、PSoC5は、32bitになりますので、メモリ・モデルが異なっています。このため、Cベースで設計したPSoC3とPSoC5は、設計プロジェクトレベルでの完全な互換性はありません。これは、DMAを使用した場合の転送元、転送先の指定などで顕著になります。互換性を持たせたコーディングの方法は、DMAの設計資料の中に記載がありますので、互換性を重視する場合は、これ(演習中に解説します)も参照してください。

2012年段階では、PSoC3は、Production版が出荷されています。これに対してPSoC5は、ES1(ES:Engineering Sample)です。エラッタ(演習で解説します)に注意して使用してください。

演習使用の基板等は講座中でも講座前でも終了後でも貸し出しもしますので申し出てください。

 

参考資料 8CKIT-050回路図 8CKIT-030回路図 基板自体の回路図は同じです。搭載しているPSoCデバイスだけが違います。050基板にチップは、2012年時点では、ES1が乗っていますから、Productionが出荷されたら、交換(かなり上級の腕が必要とされますが.....)してください。

情報リンク PSoC5/3 のアーキテクチャ、レジスタのTRM(Technical Reference Manual) などをまとめた サイプイレス社のサイトへのリンク (英文 PSoC5 Architecture TRM を参照してください。)

参考資料 : 日本語でスピーディーに PSoC5のアーキテクチャを理解する場合に利用できます。 CY8C53-62940 日本語版デバイス データシート  (CY8C53シリーズ用のものですから、設計の場合は、実際に使用するデバイスのデータシートを使用してください。)

参考資料 :8CKIT-050使用デバイス CY8C5588AXI-060 TQFP100 ES1 CY8C55ファミリのデータシートサイト (英文)

参考資料 :8CKIT-030使用デバイス CY8C3866AXI-040 TQFP100 CY8C38ファミリのデータシートサイト (英文/和文)

参考資料: My First Five PSoC3 Design サイト(英文)

 
    A.計算機システムのボトルネックとDMA   C言語の基礎 ProgrammingPlacePlus  
           
    講義資料 CS_HWA_2012.pdf (DMAの基礎) PSoC35/DMA参考資料(英文)   アニメーションによる解説サイト(信州大学)  
        函数の収束(一様収束と各点収束)理系インデックス  
           
 
デバイス概要、技術導入講義
情報科学、数学物理学関連導入  
    1.PSoC5/3について   1.波、物質とエネルギー、連続と離散  
    講義資料 EM35_1.pdf (PSoC 5/3 概要) 1 講義資料 CS_HW1_2013.pdf (Fourier Transform への基礎)  
       
演習資料 2012_B3_EX1.pdf
 
        2.複素関数追補 ネイピア数,ラプラス変換とフーリエ変換の数学  
 
設計演習(デバイス) 1 講義資料 CS_HW2_2013.pdf (フーリエ変換のための数学の基礎)  
    3.1.文字の表示と設計の流れの理解  
演習資料 2012_B3_EX2.pdf
 
  1

演習資料 3.1 HELLO_WORLD_35.pdf 参考Char_LCD_68591_00_V.pdf

  3.フーリエ級数、フーリエ変換の導出  
      2 講義資料 CS_HW3_2013.pdf  
    3.2.ソフトウェアによるI/O制御 (LEDの点滅)  
演習資料 2012_B3_EX3.pdf
 
  1 演習資料 3.2 SW_LED_35.pdf   4.離散フーリエ変換  
      3 講義資料 CS_HW4_2013.pdf (連続関数の離散化)  
   

3.3.PWMの実装(LEDの点滅)

 
演習資料 2012_B3_EX4.pdf
 
    演習資料 3.3 PWM_LED_35.pdf 参考PWM_69317.pdf  

5.高速フーリエ変換

 
  2 演習資料 3.3 PWM_LED_B_35.pdf 4 講義資料 CS_HW5_2014.pdf (アルゴリズムによる高速化)  
       
演習資料 2012_B3_EX5.pdf
 
    4.DMAによるメモリデータ転送(サイン波の生成)   6.デジタルフィルタ (Z変換、線形時不変システム)  
  2 演習資料 4.1 DMA_DAC_35.pdf PSoC35/DMA参考資料(英文) 5 講義資料 CS_HW6_2013.pdf   
       
演習資料 2012_B3_EX6.pdf
 
    5.AD変換(デルタ・シグマADCによるAD変換)      
  3 演習資料 5.1 ADC_35.pdf ADC_DMA_Example.pdf (英文)   A.計算機システムのボトルネックとDMA  
        講義資料 CS_HWA_2012.pdf (DMAの基礎) PSoC35/DMA参考資料(英文)  
  3

6.GPIO(ピン入出力信号の制御)

     
    演習資料 6.1 GPIO_35.pdf  

B.N次化への考察と自由研究 講義資料 CS_HWB_2012.pdf

 
        2次画像、N次応用、ウェーブレット変換  
  4 7.シリアル通信 (PSoC Creater のExample Project にあります。)      
    UART_TX_35.pdf UART_RX_35.pdf
計算ツール (Maxima/エクセル/DFT)  
           
  5 8.デジタル フィルタの設計(FIRによるローパス・フィルタ)   計算演習 CS_MATH_EX_1.pdf エクセル SIN_5.xlsx  
    LPF_35.pdf Filter_SampleProject.pdf 参考Filter20_70173.pdf   A.補助講義A CS_APDX_A.pdf B.補助講義B CS_APDX_B.pdf  
           
  Compiler_Option
Maxima WEB マニアル   Maxima ダウンロード  
           
           
 
フーリエ変換システムの実装と研究(予定)
レポートについて(履修学生の場合のみ)  
    参考資料 AN42877_12.pdf 64ポイントFFTのコード   レポートは手書き(鉛筆可)です.(図版,ソース,引用資料リストなど添付資料等は印刷物でもかまいません)使用言語は、日本語または英語とします。  
    F1.全体のアーキテクチャ   レポート用紙右上空白部に、必ずチーム番号を記入してください。  
    F2. AD変換部      
    F3. フィルタ部      
    F4. DFT計算部   第1回のレポート課題 2013_B3_RP1.pdf  
    F5. FFT処理部      
    F6. 表示とデータ転送   第2回のレポート課題 2013_B3_RP2.pdf  
           
 
FFTの参考サイト 京大大浦先生   第3回のレポート課題 2013_B3_RP3.pdf  
    20世紀を変えた10のアルゴリズム      
    フーリエ変換を10倍高速化するアルゴリズム   第4回のレポート課題 2013_B3_RP4.pdf  
    SFFT http://groups.csail.mit.edu/netmit/sFFT/      
        第5回のレポート課題 2013_B3_RP5.pdf  
 
デジタルフィルタの設計と実装(予定)      
    デジタルフィルターワークショップ:2012_DFWS1.pdf   第6回のレポート課題  
        この日レポート課題は、演習課題で発表したテーマをレポートにします。他のチームの講評も含まれますので、他のチームの発表もよく聞いておいてください。  
        2013_B3_RP6.pdf  
           
 
第6回は、課題演習の発表      
    発表課題は共同研究者とともに完成してください。発表内容はWikiフォーマットで作成してください。      
           
           
           
           
           
           
           
           
           
        最終評価 : S A B C F  
           
           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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