Регистрация

[Программирование микроконтроллеров, DIY или Сделай сам] Учим железки разговаривать, или ESP32 DAC и немного таймера

Ответить на тему
Автор Сообщение
news_bot ®

Стаж: 6 лет 9 месяцев
Сообщений: 27286

Создавать темы news_bot ® написал(а)
14-Ноя-2020 21:30
Цитировать

В ходе разработки одного очень интересного устройства (эх, лишь бы силенок хватило) я решил, что будет неплохо, если устройство это будет говорящим. Как нельзя кстати здесь пригодилось наличие в целевом микроконтроллере, ESP32 компании Espressif Systems, двухканального 8-битного ЦАПа.
В этом туториале (если его можно так назвать) я покажу, как можно быстро и довольно просто организовать проигрывание аудиофайла силами микроконтроллера ESP32.
Немного теории
Как нам сообщает Википедия, ESP32 — это серия недорогих микроконтроллеров с низким энергопотреблением. Они представляют собой систему на кристалле (SoC) с интегрированными контроллерами Wi-Fi и Bluetooth, и антеннами. Основаны на ядре Tensilica Xtensa LX6 в вариантах с одним и двумя ядрами. В систему интегрирован радиочастотный тракт. МК создан и разработан китайской компанией Espressif Systems, а производится компанией TSMC по техпроцессу 40 нм. Подробнее о возможностях чипа можно прочитать на странице в Википедии и в официальной документации.
Однажды в рамках освоения этого контроллера мне захотелось воспроизвести на нем звук. Поначалу я думал, что придется использовать ШИМ. Однако, внимательнее почитав документацию, я обнаружил наличие двух каналов 8-битного ЦАПа. Разумеется, это в корне меняло дело.
В Technical Reference сказано, что ЦАП в ESP32 построен на цепочке резисторов (видимо, имеется ввиду R2R цепочка) с применением некоего буфера. Выходное напряжение может изменяться в пределах от 0 вольт до напряжения питания (3,3 вольта) с разрешением 8 бит (то есть 256 значений). Преобразование двух каналов независимое. Также имеется встроенный генератор косинуса (CW generator) и поддерживается DMA.
Я решил пока что не лезть в DMA, ограничившись построением проигрывателя на основе таймера. Как известно, чтобы воспроизвести простейший WAV-файл формата PCM, достаточно с указанной в файле частотой дискретизации читать из него сырые данные и распихивать по каналам ЦАПа, предварительно приводя (при необходимости) разрядность данных к разрядности ЦАП. Мне повезло: у меня нашелся набор звуков в формате WAV PCM 8 bit 11025 Hz mono, выдранный из ресурсов одной старой игры. Значит, будем использовать только один канал ЦАП.
Также нам понадобится таймер, способный генерировать прерывания с частотой 11025 Гц. Согласно все тому же Technical Reference, ESP32 имеет на борту два модуля таймеров по два таймера в каждом, итого четыре таймера. Они имеют разрядность 64 бита, у каждого имеется 16-битный предделитель и возможность генерации прерывания по уровню или фронту.
От теории к практике
Вооружившись примером wave_gen из esp-idf, я отправился писать код. Я не стал упарываться созданием файловой системы: цель была получить звук, а не сделать из ESP32 полноценный плеер.
Для начала перегнал один из WAV-файлов в сишный массив. В этом мне очень помогла встроенная в Дебиан утилита xxd. Простой командой
$ xxd -i file.wav > file.c

получаем сишный файл с массивом данных в шестнадцатеричном виде внутри и даже с отдельной переменной, в которую помещен размер файла в байтах.
Далее я закомментировал первые 44 байта массива — заголовок WAV-файла. Попутно я разобрал его по полям и узнал всю необходимую мне информацию о нем:
const uint8_t sound_wav[] = {
//  0x52, 0x49, 0x46, 0x46,  // chunk "RIFF"
//  0xaa, 0xb4, 0x01, 0x00,  // chunk length
//  0x57, 0x41, 0x56, 0x45,  // "WAVE"
//  0x66, 0x6d, 0x74, 0x20,  // subchunk1 "fmt"
//  0x10, 0x00, 0x00, 0x00,  // subchunk1 length
//  0x01, 0x00,        // audio format PCM
//  0x01, 0x00,        // 1 channel, mono
//  0x11, 0x2b, 0x00, 0x00,  // sample rate
//  0x11, 0x2b, 0x00, 0x00,  // byte rate
//  0x01, 0x00,        // bytes per sample
//  0x08, 0x00,        // bits per sample per channel
//  0x64, 0x61, 0x74, 0x61,  // subchunk2 "data"
//  0x33, 0xb4, 0x01, 0x00,  // subchunk2 length, bytes

Отсюда видно, что наш файл имеет один канал, частоту дискретизации 11025 герц и разрешение 8 бит на семпл. Заметим, что если бы я захотел анализировать заголовок программно, то мне нужно было бы учитывать порядок байт: в WAV это Little-endian, то есть младшим байтом вперед.
В итоге я создал тип структуры для хранения информации о звуке:
typedef struct _audio_info
{
  uint32_t sampleRate;
  uint32_t dataLength;
  const uint8_t *data;
} audio_info_t;

И создал собственно экземпляр структуры, заполнив ее следующим образом:
const audio_info_t sound_wav_info =
{
  11025, // sampleRate
  111667, // dataLength
  sound_wav // data
};

В этой структуре поле sampleRate — это значение одноименного поля заголовка, поле dataLength — это значение поля subchunk2 length, а поле data — это указатель на массив с данными.
Далее я подключил заголовочные файлы
#include "driver/timer.h"
#include "driver/dac.h"

и создал прототипы функций для инициализации таймера и обработчика его прерывания Alarm, как это сделано в примере wave_gen:
static void IRAM_ATTR timer0_ISR(void *ptr)
{
}
static void timerInit()
{
}

После чего принялся за наполнение функции инициализации.
Таймеры в ESP32 тактируются в конечном итоге от APB_CLK_FREQ, равного 80 МГц:
driver/timer.h:
#define TIMER_BASE_CLK   (APB_CLK_FREQ)  /*!< Frequency of the clock on the input of the timer groups */

soc/soc.h:
#define  APB_CLK_FREQ    ( 80*1000000 )       //unit: Hz

Чтобы получить значение счетчика, при котором нужно генерировать прерывание Alarm, нужно частоту тактирования таймера поделить на значение предделителя, а затем на требуемую частоту, с которой должно срабатывать прерывание (у нас это 11025 Гц). В обработчик прерывания мы будем передавать указатель на структуру с данными, которые мы хотим воспроизводить.
Таким образом, функция инициализации таймера получает следующий вид:
static void timerInit()
{
  timer_config_t config = {
    .divider = 8, // Предделитель
    .counter_dir = TIMER_COUNT_UP, // Считать вверх
    .counter_en = TIMER_PAUSE, // Состояние - пауза
    .alarm_en = TIMER_ALARM_EN, // Включить прерывание Alarm
    .intr_type = TIMER_INTR_LEVEL, // Прерывание по уровню
    .auto_reload = 1, // Автоматически перезапускать счет
  };
  // Применить конфиг
  ESP_ERROR_CHECK(timer_init(TIMER_GROUP_0, TIMER_0, &config));
  // Установить начальное значение счетчика
  ESP_ERROR_CHECK(timer_set_counter_value(TIMER_GROUP_0, TIMER_0, 0x00000000ULL));
  // Установить значение счетчика для срабатывания прерывания Alarm
  ESP_ERROR_CHECK(timer_set_alarm_value(TIMER_GROUP_0, TIMER_0, TIMER_BASE_CLK / config.divider / sound_wav_info.sampleRate));
  // Разрешить прерывания
  ESP_ERROR_CHECK(timer_enable_intr(TIMER_GROUP_0, TIMER_0));
  // Зарегистрировать обработчик прерывания
  timer_isr_register(TIMER_GROUP_0, TIMER_0, timer0_ISR, (void *)&sound_wav_info, ESP_INTR_FLAG_IRAM, NULL);
  // Запустить таймер
  timer_start(TIMER_GROUP_0, TIMER_0);
}

Частота тактирования таймера не делится нацело на 11025, какой бы предделитель мы не установили. Поэтому я подобрал такой делитель, при котором частота максимально близка к требуемой.
Теперь переходим к написанию обработчика прерывания. Здесь все просто: берем очередной байт из массива, скармливаем его ЦАПу, продвигаемся по массиву дальше. Однако прежде всего нужно очистить флаги прерываний таймера и перезапустить прерывание Alarm:
static uint32_t wav_pos = 0;
static void IRAM_ATTR timer0_ISR(void *ptr)
{
  // Очистить флаги прерываний
  timer_group_clr_intr_status_in_isr(TIMER_GROUP_0, TIMER_0);
  // Перезапустить прерывание Alarm
  timer_group_enable_alarm_in_isr(TIMER_GROUP_0, TIMER_0);
  audio_info_t *audio = (audio_info_t *)ptr;
  if (wav_pos >= audio->dataLength) wav_pos = 0;
  dac_output_voltage(DAC_CHANNEL_1, *(audio->data + wav_pos));
  wav_pos ++;
}

Да, работа со встроенным ЦАПом в ESP32 сводится к вызову одной встроенной функции dac_output_voltage (на самом деле нет).
Собственно, все. Теперь нужно внутри функции app_main() разрешить работу нужного нам канала ЦАП и инициализировать таймер:
void app_main(void)
{
    …
    ESP_ERROR_CHECK(dac_output_enable(DAC_CHANNEL_1));
    timerInit();

Собираем, прошиваем, слушаем :) В принципе, можно подключить динамик напрямую к ножке контроллера — играть будет. Но лучше все же воспользоваться усилителем. Я использовал завалявшуюся у меня в закромах TDA7050.
На этом все. Да, когда у меня наконец запело, я тоже подумал, что все оказалось гораздо проще, чем я думал. Однако может быть, эта статья чем-нибудь поможет тем, кто только начал осваивать ESP32.
Может быть, когда-нибудь (и если эта недо-статья кому-нибудь понравится) я заведу ЦАП ESP32 с использованием DMA. Там все еще интереснее, потому что в этом случае работать придется со встроенным модулем I2S.
 ===========
 Источник:
habr.com
===========
Похожие новости: Теги для поиска: #_programmirovanie_mikrokontrollerov (Программирование микроконтроллеров), #_diy_ili_sdelaj_sam (DIY или Сделай сам), #_esp32, #_dac, #_timer, #_wav, #_zvuk (звук), #_mikrokontrollery (микроконтроллеры), #_programmirovanie_mikrokontrollerov (
Программирование микроконтроллеров
), #_diy_ili_sdelaj_sam (
DIY или Сделай сам
)
Профиль  ЛС 
Показать сообщения:     
Ответить на тему

Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы

Текущее время: 22-Ноя 20:20
Часовой пояс: UTC + 5