のろのろのろ雑記(2008-08-30)

2008年08月30日 [ColdFire] ColdFire×P2P地震情報(3) サンプリングを等間隔に行おう

_ [ColdFire] ColdFire×P2P地震情報(3) サンプリングを等間隔に行おう

　Interface 9月号付録基板を使い，P2P地震情報のサービスを作ってしまう勝手な企画です．過去の記事は，タイトルのColdFireカテゴリからどうぞ．

前回のおさらい

加速度センサの値0〜4095と，加速度-2022.62 Gal〜+2022.62 Gal（重力加速度-2.06G〜+2.06G）が対応しています．
地震計として使うためには，「ズレ」「ノイズ」「サンプリング間隔」の3点を考える必要があるようです．

番外編: アナログとデジタル

　アナログデータをデジタルデータに変換する時に問題となるのは，アナログデータは常に変化していて，その変化は連続的であるという点です．一方のデジタルデータは，変化の時間間隔と変化の単位が定められており，離散的です．

　時計で言うと，連続秒針タイプのアナログ時計はズズズーッと滑らかに時を刻みますが，デジタル時計は秒単位で刻むことしか出来ません．アナログのモノをデジタルに変換する時には，どうしても情報の欠落が生じます．

サンプリングってなんだっけ？

　今回は，課題のうち「サンプリング間隔」を取り上げます．サンプリングは，アナログデータをデジタルデータに変換する時に必要となるものです．どんなものかをざっくり見ておきます．

　音声，電圧などのアナログデータ（波形）がある時に，一定の時間間隔でデータを読み取ることを『標本化（サンプリング）』と言います．1秒あたりの読み取り回数をサンプリング周波数(Hz)で表します．

　それだけです．サンプリングは一定間隔で行うものですから，サンプリングを等間隔で行うのは当然なわけです．

　ただし，デジタルデータに変換するには『量子化』も必要です．その時のデータがどの程度なのかを離散的な（とびとびの）数値で表します．その細かさを量子化ビット数で表します．8bitだと256段階の値で表すことが出来るわけです．

等間隔に行うということは，時間の概念を使うということ

　サンプリングを等間隔に行うということは，一定の時間間隔で行うということであって，すなわち時間の概念を取り入れなければなりません．仮にサンプリング周波数が10Hzであるならば，1秒に10回，100ミリ秒に1回の計測を行う必要があるわけです．

SilentCのタイマ

　というわけで，時間の概念を取り入れましょう．SilentCの仕様を見ると，タイマが用意されています（SilentSystemの(PDF) OS-1プログラミングマニュアルを参照）．マニュアルではタイマーと表記されていますが，ここではタイマと表します．

　SilentCのタイマでは，作成，更新（上書き），取得，削除の4つが可能です．カウントが0になった時に関数を呼べるような記述がありますが，うまく行かなかったのでパスします．

　まず思いつくのは，サンプリング間隔（10Hzであれば100ms）のタイマを作って，カウントが0の時にデータの取得・タイマの上書き動作を行う方法です．

main(){
  char t1; int cnt;
  t1=CreateTimer(0,10,0);cnt=0;
  for(;;){
    if(GetTimerCount(t1)==0){
      CreateTimer(t1,10,0);cnt++;
      if(cnt%5==0){PrNum(cnt);PrStr("\r\n");}
      if(cnt==600)break;
    }
    SystemSleep();
  }
  PrStr("Complete.\r\n");
  CreateTimer(t1,0,0);
}

　100 msのタイマを600回，つまり60 sのあいだ実行します．WireSharkでパケットを見ると，実行時間は60.01 sとなかなか正確です．しかし，これでは問題があります．

ループ内に様々な処理を加えると，「タイマカウンタが0になってから，0かどうか調べて更新するまでのディレイ」が起こり，それが蓄積する可能性があります．
1ループに掛かる処理時間がタイマの指定時間を上回っていれば，確実にズレます．

　これらの問題を緩和しましょう．次のようなプログラムを用意します．引数は hz: サンプリング周波数，slp: スリープ時間（10 ms単位）です．ただし，hzは100の約数を指定します．

ctr(int hz, int slp){
  char t1; int cr,nx;
  int i; i=0;
  hz=100/hz; nx=30000;
  t1=CreateTimer(0,30000,0);
  #stop 0
  for(;;) {
    if(Getc(0)!=0)break;

    cr=GetTimerCount(t1);
    while(cr<=nx){
      i++;PrNum(i);PrStr("\r\n");

      nx-=hz;
      if(nx<0)nx+=30000;
    }
    if(cr==0)CreateTimer(t1,30000,0);

    if(slp==0){SystemSleep();}else{Sleep(slp);}
  }
  CreateTimer(t1,0,0);
}

タイマカウンタを30000(300 s)に設定することで，「タイマカウンタが0になってから，0かどうか調べて更新するまでのディレイ」の発生頻度を300 s/回に抑えています．
- その代わり，実行判定を「タイマカウンタが0かどうか」でなく「タイマカウンタが次の実行時間を過ぎているか」としています．
1回のタイマカウンタ取得で，複数回の実行を認めています．
- "タイマカウンタ取得間隔＞サンプリング間隔" となった場合にサンプリング回数を稼ぎ，「全体で見ればサンプリング周波数を保っている状態」に立て直します．

　FILENAME::ctr(10,123) と呼び出してみると，サンプリング間隔こそ狂えどサンプリング回数は10 回/秒になっていることが分かります．

　あまり良い方法ではないのは確かですが，この辺りで妥協します．

今回のまとめ

タイマを使うことで，サンプリング回数を保つことがそれなりにできました．

参考

http://www.silentsystem.jp/download/OS-1_Programing_06.pdf

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