工程師用STM32F4造出最小音頻合成器

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Noise Nugget 是一款緊湊型數(shù)字合成器，基于 180MHz Cortex-M4 和帶耳機(jī)放大器的高品質(zhì)音頻 DAC。

我在這個項目中的目標(biāo)是創(chuàng)造一個音頻合成的“瑞士軍刀”。 在最小和最便宜的板上包裝最大功能。

憑借其所有連接（USB，2 x 音頻輸出，1 x 音頻輸入，I2C，UART，GPIO），它可用于許多不同的任務(wù)：

• 數(shù)字合成器，帶 MIDI 接口或其他一些控制手段
• 吉他踏板或合成器的音頻效果（延遲，混響，失真）
• 音頻 FX 觸發(fā)板，播放預(yù)先錄制的聲音
• 音頻播放，從輸入錄制聲音，然后按一下按鈕即可播放
• USB 聲音接口

硬件設(shè)計

硬件設(shè)計的主要目標(biāo)是簡單和占用空間小。

該系統(tǒng)的核心顯然是 STM32F446 微控制器。 它基于 ARM Cortex-M4 內(nèi)核，浮點(diǎn)單元運(yùn)行頻率為 180MHz，還有大量外設(shè)。

在 STM32F4 周圍，我們有：

• USB micro-B 連接器
• 一個電源穩(wěn)壓器，可從 USB 連接器的 5V 提供 3.3V 電壓
• 用于 STM32F4 時鐘的晶體振蕩器
• 一個用戶按鈕和一個按鈕進(jìn)入設(shè)備固件更新（DFU）模式
• 用于存儲樣本數(shù)據(jù)的閃存
• 自定義 IO
• 一個調(diào)試頭
• 一個耳機(jī)插孔
• 音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）

我本來可以使用 STM32F4 的 DAC，但一方面它們只有 12 位而 16 位用于正確的音頻 DAC，另一方面它需要額外的電路來驅(qū)動耳機(jī)。 因此，使用 SGTL5000 可提供更高的音質(zhì)和簡單性。

SGTL5000 還有很多 IO 選項：

• 耳機(jī)輸出
• 線路輸出
• 線路輸入
• 麥克風(fēng)輸入

這意味著不同應(yīng)用程序有很多選項。

在 Noise Nugget 的 rev-B 上，我沒有使用麥克風(fēng)輸入。 我認(rèn)為這是一個錯誤，因為電路板上有一些用于 MEMS 麥克風(fēng)的空間，這將開啟更多可能性。 例如實(shí)時語音效果或樣本錄制。

DFU 按鈕的設(shè)計靈感來自 Numworks 開放式計算器。 如果在插入 USB 電纜時按下按鈕，STM32F4 將自動進(jìn)入 DFU 模式。 然后，在不使用任何調(diào)試探針的情況下安裝不同的固件非常容易。

軟件設(shè)計

Noise Nugget 的軟件是用 Ada 編寫的。 Ada 編程語言都是關(guān)于功能安全的，也就是說，檢測軟件何時沒有做到應(yīng)該做的事情（錯誤?。?。 使用 Ada，您可以快速準(zhǔn)確地知道出現(xiàn)了什么問題，而不是在緩沖區(qū)溢出或未初始化的驅(qū)動程序上搔癢幾個小時。 這意味著減少調(diào)試時間。 由于我沒有足夠的時間來開發(fā)這個軟件，因此每分鐘都很重要。

該軟件最重要的方面是生成音頻樣本并將其發(fā)送到 DAC。

樣本是 16 位有符號整數(shù)，表示給定時間點(diǎn)的音頻信號的值。

DAC 配置為每秒 44_100 個樣本（CD 質(zhì)量）。 如果軟件無法以適當(dāng)?shù)乃俣葌魉蜆颖荆纛l將出現(xiàn)故障（響亮的砰砰聲和咔嗒聲）。 所以這是系統(tǒng)真正的實(shí)時要求。

樣本不是一個接一個地發(fā)送，而是在 512 個樣本的緩沖區(qū)中*每個樣本 2 個字節(jié)* 2 個通道（立體聲），所以 2048 個字節(jié)。 緩沖器 B 在發(fā)送緩沖器 A 時被填充，反之亦然（觸發(fā)器緩沖器）。 來自音頻輸入的樣本以類似的方式接收。 緩沖區(qū)的傳輸是通過 DMA 完成的，因此在該操作期間不使用 CPU，這意味著生成樣本的時間更長。

為了確保實(shí)時要求，我使用了 Ada Ravenscar 運(yùn)行時。 您可以將其視為集成在 Ada 編程語言中的實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）。 如果你想看看它的樣子，我寫了一篇關(guān)于它的博客文章： https ： //blog.adacore.com/theres-a-mini-rtos-in-my-language

系統(tǒng)中有兩個任務(wù)：

音頻任務(wù)，它具有最高優(yōu)先級，因為它負(fù)責(zé)填充音頻緩沖區(qū)。 這意味著只要有要填充的音頻緩沖區(qū)，就會執(zhí)行此任務(wù)。

另一項任務(wù)是在輪詢循環(huán)中處理 USB 請求。 在將來，這可以移動到并中斷處理程序。

在依賴性方面，驅(qū)動程序來自 Ada_Drivers_Library ，這是我?guī)啄昵伴_始的一個項目，旨在鼓勵在微控制器上使用 Ada。 音頻合成器基于 Raphael Amiard 的 ada-synth-lib 。

Noise Nugget 的未來

我對 Noise Nugget 的未來有一些想法。 其中之一是擁有一個 GUI，讓用戶可以使用基本模塊（如振蕩器，濾波器，效果等）構(gòu)建聲音。類似于青少年音頻工具，但實(shí)時，不需要為用戶提供任何代碼。 這可以成為一個有趣和多功能的微型合成器。

如果你對這個項目感興趣，想獲取完整信息請訪問：

https://hackaday.io/project/160437-noise-nugget

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有人說硬件技術(shù)將很快達(dá)到極限，而在我們看來，硬件創(chuàng)新，尤其是中國硬件工程師的創(chuàng)新，還遠(yuǎn)未走到盡頭，而只是剛剛開始。作為致力于為全球硬件開發(fā)者提供技術(shù)共享服務(wù)的平臺，與非網(wǎng)母公司 SupplyFrame 旗下最大的全球硬件開發(fā)者社區(qū) Hackaday.com 已連續(xù)五年舉辦全球硬件開發(fā)者大賽 Hackadayprize，有超過 3000 多個硬件團(tuán)隊在這個賽事中互動交流、切磋技藝。

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這個《硬件改變世界》系列，我們挑選在前幾屆 Hackadayprize 大賽中獲獎的優(yōu)秀作品加以展示，硬件技術(shù)可以多有意思，硬件開發(fā)者可以多有創(chuàng)意，從這些作品中你可以看到。



2019 年 3 月，Hackadayprize 中國區(qū)賽事隆重開啟，我們很期待看到國內(nèi)的硬件開發(fā)者大開腦洞、大展技藝。你準(zhǔn)備好了沒，與來自全球的硬件開發(fā)者同臺 PK？