Generování zvuku pomocí mikrokontroléru

Softwarová část

Po připojení kabelem RS232 a zapnutí přípravku se tedy v okně hyperterminálu objeví menu s možností výběru akce. Aby bylo možné přes hyperterminál ovládat přehrávání souboru, bylo menu programu doplněno o další možnost: Stisknutím klávesy "p" je uživatel dotázán na jméno jednoho souboru, který má být přehrán. Volbou "c" program vejde do smyčky, kdy každá přijatá číslice vyvolá přehrání příslušného souboru .raw.

Strukturu menu popisuje soubor SD_main.c.

Při zvolení možnosti "c" program vejde do cyklu, kdy každý přijatý znak doplní o příponu ".raw" a soubor s tímto názvem přehraje. Po přehrání pak čeká na další znak. Návrat do menu je možný klávesou ESC.

case 'c': TX_NEWLINE;
		    TX_NEWLINE;
		    transmitString_F(PSTR("Pro navrat do menu slouzi klavesa Backspace."));
		    TX_NEWLINE;
          transmitString_F(PSTR("Zadavej cislice: "));
          
		    for(i=0; i<13; i++)
			  fileName[i] = 0x00;   //smazani pripadneho predchoziho nazvu
            i=0;

		    InitPWM();			//inicializace citacu/casovacu
          while(1)
          {
            data = receiveByte(); // cekej na prijeti znaku
			
			  if(data == 0x08)		// zmacknuto Backspace?
	 		  break;				// ukonceni while cyklu
			
			   if(data <0x30 || data > 0x39) // pokud byl zadan jiny znak nez cislo 0-9
			
			   {	
					TX_NEWLINE;
					transmitString_F(PSTR("Byl zadan jiny znak nez je povoleno!")); //chybove hlaseni
					continue;  // pokud znak neni cislo tak skonci
			   };
			
			  transmitByte(data); // vypis zpatky do terminalu
			
			  // vytvoreni jmena souboru:
         	  fileName[0] = data; // cislo
            fileName[1] = 0x2e; // .
            fileName[2] = 0x72; // r
			  fileName[3] = 0x61; // a
			  fileName[4] = 0x77; // w

			  readFile( PLAY, fileName);	//volani funkce pro prehrani souboru
          }
        	
          break; 	//navrat do menu (po zmacknuti Backspace)

Kód pro volbu "p" je jednodušší, v podstatě jenom inicializuje PWM a volá funkci pro přehrání.

if(option == 'p') 
		  	{  
		  	InitPWM();					//inicializace citacu/casovacu
		  	readFile( PLAY, fileName);	//volani funkce pro prehravani souboru
			}

Funkce InitPWM() inicializuje příslušné čítače/časovače:

void InitPWM(void)
{

//TIMER/COUNTER0 ridi primo PWM vystup
	TCCR0|=(1<<WGM00)|(1<<WGM01)|(1<<COM01)|(1<<CS00); // bez preddelicky, rezim Fast PWM, neinvertovany

//TIMER/COUNTER2 ridi vzorkovaci periodu (rychlost toku vzorku na PWM)
	TCCR2|=(1<<WGM21)|(1<<CS21);	// preddelicka fclkio/8, rezim CTC
	OCR2=125;						// vzorkovaci perioda pro 8 MHz krystal a 8 kHz fvz

}

Funkce readFile je v původním programu použita pro čtení sektorů z SD karty a posílání jednotlivých bitů na rozhraní USART. Pro přehrávání jsme funkci upravili - bity nejsou posílány na USART ale volá se funkce playByte:

if(flag == PLAY) {

	TX_NEWLINE;
	TX_NEWLINE;
	transmitString_F(PSTR("Prehravam...")); 	//posli informaci na USART

	while(1)		// "nekonecna" smycka
	{
	  firstSector = getFirstSector (cluster);	// volani funkce pro zjisteni prvniho sektoru v clusteru

	  for(j=0; j<sectorPerCluster; j++)			// pro kazdy sektor v clusteru
	  {
	    SD_readSingleBlock(firstSector + j);	// volani funkce pro precteni jednoho bloku
    
		for(k=0; k<512; k++)					// pro kazdy byte v bloku
	    {
	      playByte(buffer[k]);					// volani funkce pro prehravani
	      if ((byteCounter++) >= fileSize ) return 0;	// pokud jsme dosahli konec souboru, skoncit
	    }
	  }
	  cluster = getSetNextCluster (cluster, GET, 0);	// zjisteni dalsiho clusteru
	  if(cluster == 0) {transmitString_F(PSTR("Error in getting cluster")); return 0;}	//hlaseni pri chybe
	}
	return 0;
}

Samotná funkce playByte posílá jednotlivé bity na PWM výstup se správnou rychlostí - vždy při shodě čítače/časovače2 s hodnotou nastavenou v OCR2:

void playByte( unsigned char data )
{
	while (bit_is_clear(TIFR,OCF2));	// cekej na signal z citace/casovace2
	{
		OCR0=data;				// posli hodnotu vzorku na PWM vystup (do citace/casovace0)
		TIFR|=(0<<OCF2);		// vynuluj flag shody TCNT2, abychom poznali dalsi signal z citace/casovace2	
	return;
	}
}

Závěr

Výšeuvedené softwarové řešení zajistí přehrávání vzorků souboru z SD karty s téměř správnou rychlostí. Je zde totiž jeden malý problém: Jakmile se při přehrávání dosáhle konec bloku a zásobník (buffer[k]) se vyprázdní, funkci SD_readSingleBlock trvá určitý čas, než načte další blok dat do bufferu. Čtení z SD karty totiž funguje tak, že se na kartu pošle adresa požadovaného bloku a karta pošle celý blok o 512 bytech. Ukázalo se, že tato operace trvá v našem případě přibližně 3 ms. To při vzorkovací frekvenci 8 kHz (vzorkovací perioda 125 us) způsobí, že přehrávání se pozastaví na 24-násobek vzorkovací periody. Každých 512 bytů se tedy pozastaví přehrávání "na 24 bytů". Subjektivně to způsobuje, že zvuk je přehráván se správnou výškou tónu, ale je v něm slyšitelné pravidelné "lupání" každých přibližně 60 ms. Přehrávání se tedy zpomalí na 0,955-násobek správné rychlosti. Tento jev dobře ilustruje následující oscilogram. Žlutý průběh je napětí na reproduktoru (PWM signál po nedokonalé filtraci) a zelený průběh je signál na kontrolním pinu resp. na LED, která se rozsvítí při práci s SD kartou:

Z oscilogramu je vidět, že po dobu práce s SD kartou je PWM výstup neměnný (mírná setrvačnost je způsobena výstupním filtrem).
Teoreticky by tento problém bylo možné vyřešit použitím delšího zásobníku, resp. dvou zásobníků místo jednoho a přehrávání vzorků řešit pomocí přerušení čítače/časovače2. Nicméně, při zvyšování velikosti zásobníku jsme limitováni velikostí SRAM paměti mikrokontroléru, která u ATmega16 činí 1 kB. V současnosti celý program využívá 593 B SRAM. Pro vyřešení tohoto problému by bylo nutné použít jiný typ mikrokontroléru, např. ATMega128, který disponuje 4 kB SRAM.

Zdrojový kód projektu je ve složce zdrojovy_kod.

Použitá literatura

1. CC Dharmani: SD/SDHC Card Interfacing with ATmega8 /32 (FAT32 implementation). <http://www.dharmanitech.com/2009/01/sd-card-interfacing-with-atmega8-fat32.html>
2. Atmel: ATMega16 datasheet. <http://www.atmel.com/dyn/products/product_card.asp?part_id=2010>
3. FEDRA, Z. Mikropočítače pro přístrojové aplikace. Přednášky. FEKT VUT Brno 2010. <https://krel.feec.vutbr.cz/VYUKA/M_EST/MMIA/Texty/>