Bluetooth аудио ба дижитал дохио боловсруулах: Arduino Framework: 10 алхам

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:01

Дүгнэлт

Би Bluetooth -ийн тухай бодохдоо хөгжмийн тухай боддог боловч харамсалтай нь ихэнх микроконтроллерууд Bluetooth -ээр хөгжим тоглуулж чаддаггүй. Raspberry Pi чадна, гэхдээ энэ бол компьютер юм. Би Bluetooth ашиглан аудио тоглуулах микроконтроллеруудад зориулагдсан Arduino -д суурилсан бүтцийг бий болгохыг хүсч байна. Микроконтроллерийн булчинг бүрэн уян хатан болгохын тулд би аудио дээр бодит цагийн дижитал дохионы боловсруулалт (өндөр нэвтрүүлэх шүүлт, бага нэвтрүүлэх шүүлтүүр, динамик хүрээ шахалт) нэмэх болно. Интоорын хувьд би DSP -ийг утасгүй тохируулахад ашиглаж болох вэб сервер нэмж оруулах болно. Суулгасан видео нь Bluetooth аудионы үндсэн дүрмийг харуулж байна. Энэ нь надад вэб серверийг ашиглан өндөр дамжуулалт, бага нэвтрүүлэх шүүлтүүр, динамик хүрээ шахалтыг гүйцэтгэж байгааг харуулж байна. Динамик хүрээний шахалтыг анх удаа ашиглах нь параметр муу сонгосон жишээ болгон зориудаар гажуудал үүсгэдэг. Хоёр дахь жишээ нь энэ гажуудлыг арилгадаг.

Энэхүү төслийн хувьд ESP32 нь сонгосон микроконтроллер юм. Энэ нь 10 фунт стерлингээс бага үнэтэй бөгөөд ADCs, DACs, Wifi, Bluetooth Low Energy, Bluetooth Classic, 240MHz хос цөмт процессороор тоноглогдсон байдаг. Онгоцны DAC нь техникийн хувьд аудио тоглуулах боломжтой боловч тийм ч сайн сонсогдохгүй. Үүний оронд би Adafruit I2S стерео декодерыг ашиглан шугамаас гарах дохиог гаргана. Энэ дохиог ямар ч HiFi систем рүү хялбархан илгээж, одоо байгаа HiFi системдээ утасгүй аудио нэмж болно.

Хангамж

Ихэнх үйлдвэрлэгчид талхны самбар, холбогч, USB кабель, цахилгаан хангамжийн гагнуурын индүүтэй байх бөгөөд ESP32 болон стерео декодер хийхэд ердөө 15 фунт зарцуулах болно гэж найдаж байна. Үгүй бол шаардлагатай бүх хэсгүүдийг доор жагсаав.

• ESP32 - ESP32 -PICO -KIT болон TinyPico дээр туршсан - 9.50/ 24 фунт стерлинг
• Adafruit I2S стерео декодер - 5.51 фунт стерлинг
• Талхны самбар - тус бүр 3- 5 фунт
• Холбогч утас - 3 фунт
• Утастай чихэвч/Hi -Fi систем - £££
• Түлхэх толгой эсвэл гагнуурын төмөр - 2.10 фунт / 30 фунт
• Микро USB кабель - 2.10 фунт/ 3 фунт
• 3.5 мм RCA холбогч/ 3.5 мм залгуур (эсвэл таны чанга яригч хэрэгтэй) - 2.40 фунт/ 1.50 фунт
• USB цахилгаан хангамж - 5 фунт

Алхам 1: Барилга - талхны самбар

Хэрэв та ESP32-PICO-KIT худалдаж авсан бол урьдчилан гагнаж байгаа тул ямар ч тээглүүр гагнах шаардлагагүй болно. Зүгээр л талхны тавцан дээр тавь.

Алхам 2: Барилга - Толгойг дарах/гагнах

Хэрэв танд гагнуурын төмөр байгаа бол Adafruit вэбсайт дээрх зааврын дагуу зүүг стерео декодер руу гагнана уу. Бичиж байх үед миний гагнуурын төмөр түгжигдсэн байсан. Би түр зуурын гагнуурын төмрийг төлөхийг хүсээгүй тул пимороноос түлхэх толгойнуудыг хайчилж авлаа. Стерео декодертой таарч байхын тулд би тэдгээрийг хайчилж авлаа. Энэ бол хамгийн сайн шийдэл биш (мөн толгойг хэрхэн ашиглахыг төлөвлөөгүй), гэхдээ энэ нь гагнуурын төмрийн хамгийн хямд хувилбар юм. Зүссэн толгой хэсгийг талхны самбар дээр байрлуул. Декодер хийхийн тулд танд зөвхөн 6 мөр бүхий 1 мөр хэрэгтэй. Тогтвортой байдлыг хангахын тулд та өөр зургаан хэсгийг нэмж болно, гэхдээ энэ нь прототипийн системд шаардлагагүй юм. Толгойн толгойг зүүх голууд нь vin, 3vo, gnd, wsel, din болон bclk юм.

Алхам 3: Барилга - Цахилгааны зүүг утсаар холбоно уу

Стерео декодерыг түлхэх толгойн дээр (vin, 3vo, gnd, wsel, din ба bclk pin) байрлуулж, хооронд нь чанга дарна уу. Дахин хэлэхэд үүнийг гагнуурын төмрөөр хийх нь зүйтэй боловч би импровиз хийх шаардлагатай болсон. Энэхүү зааварчилгааны бүх утаснууд цэнхэр өнгөтэй болохыг та анзаарах болно. Надад холбогч утас байхгүй байсан болохоор 1 урт утсыг жижиг хэсэг болгон хайчилж авсан. Түүнчлэн, би өнгөний хараагүй, утасны өнгийг төдийлөн тоодоггүй. Цахилгаан тээглүүрийг дараах байдлаар хавсаргасан болно.

3v3 (ESP32) -> стерео декодер дээр вин хийх

gnd (ESP32) -> стерео декодер дээр gnd

Алхам 4: Барилга - I2S утас

Bluetooth аудиог ESP32 -ээс стерео декодер руу илгээхийн тулд I2S нэртэй дижитал холбооны аргыг ашиглах гэж байна. Стерео декодер нь энэхүү дижитал дохиог аваад аналог дохио болгон хувиргах бөгөөд үүнийг чанга яригч эсвэл HiFi -д залгах боломжтой болно. I2S нь зөвхөн 3 утас шаарддаг бөгөөд ойлгоход хялбар байдаг. Бит цаг (bclk) шугам нь өндөр, нам болж, шинэ бит дамжуулж байгааг харуулж байна. Өгөгдөл дамжуулах шугам (dout) нь өндөр эсвэл нам болж, энэ бит нь 0 эсвэл 1 гэсэн утгатай эсэхийг харуулах бөгөөд сонгох шугам (wsel) нь зүүн эсвэл баруун сувгийг дамжуулж байгаа эсэхийг харуулахын тулд өндөр эсвэл бага болгож хувиргадаг. Микроконтроллер бүр I2S -ийг дэмждэггүй боловч ESP32 нь 2 I2S шугамтай байдаг. Энэ нь энэ төслийн хувьд тодорхой сонголт болж байна.

Цахилгааны утас дараах байдалтай байна.

27 (ESP32) -> wsel (Стерео декодер)

25 (ESP32) -> din (Стерео декодер)

26 (ESP32) -> bclk (Стерео декодер)

Алхам 5: BtAudio номын санг суулгах

Хэрэв та тэдгээрийг суулгаагүй бол Arduino IDE болон ESP32 -ийн Arduino цөмийг суулгаарай. Тэднийг суулгасны дараа миний Github хуудсанд зочилж, репозиторыг татаж аваарай. Sketch >> Номын сан оруулах >> хэсэгт байрлах Arduino IDE дотроос ". ZIP номын сан нэмэх" -г сонгоно уу. Дараа нь татаж авсан zip файлыг сонгоно уу. Энэ нь миний btAudio номын санг таны Arduino номын санд нэмэх ёстой. Номын санг ашиглахын тулд та Arduino -ийн тоймд холбогдох толгой хэсгийг оруулах ёстой. Та үүнийг дараагийн алхам дээр харах болно.

Алхам 6: BtAudio номын санг ашиглах

Суулгасны дараа ESP32 -ийг компьютерт микро USB -ээр холбож, стерео декодероо 3.5 мм -ийн утсаар чанга яригчдаа холбоно уу. Ноорог байршуулахаасаа өмнө Arduino редактор дээр зарим зүйлийг өөрчлөх шаардлагатай болно. Та самбараа сонгосны дараа Tools >> Partition Scheme хэсэгт хуваагдах схемийг засаад "No OTA (Large APP)" эсвэл "Minimal SPIFFS (OTA -тэй том APPS)" -ийг сонгох хэрэгтэй болно. Энэ төсөл нь маш санах ойн хүнд номын сан болох WiFi болон Bluetooth хоёуланг нь ашигладаг тул энэ нь зайлшгүй шаардлагатай юм. Үүнийг хийсний дараа дараах тоймыг ESP32 дээр байршуулна уу.

#оруулах

// btAudio audio = btAudio ("ESP_Speaker") аудио төхөөрөмжийн нэрийг тохируулна; void setup () {// аудио өгөгдлийг ESP32 audio.begin () руу дамжуулдаг; // хүлээн авсан өгөгдлийг I2S DAC болгон гаргадаг int bck = 26; int ws = 27; int dout = 25; аудио. I2S (bck, dout, ws); } void loop () {}

Ноорогыг ерөнхийд нь 3 үе шатанд хувааж болно.

1. ESP32 -ийн "Bluetooth нэр" -ийг тохируулдаг дэлхийн btAudio объектыг үүсгэнэ үү
2. ESP32 -ийг btAudio:: begin аргаар аудио хүлээн авахаар тохируулна уу
3. I2S тээглүүрийг btAudio:: I2S аргаар тохируулна уу.

Энэ бол програм хангамжийн тал дээр л байгаа юм! Одоо та ESP32 -тэй Bluetooth холболтыг эхлүүлэхэд л хангалттай. Утас/зөөврийн компьютер/MP3 тоглуулагч дээрээ шинэ төхөөрөмж хайж олоход л "ESP_Speaker" гарч ирнэ. Бүх зүйл ажиллаж байгаад баяртай байвал (хөгжим тоглодог) ESP32 -ийг компьютерээсээ салгаж болно. Үүнийг USB тэжээлийн эх үүсвэрээр асаагаарай, энэ нь таны оруулсан хамгийн сүүлийн кодыг санах болно. Ингэснээр та ESP32 -ийг HiFi системийнхээ ард үүрд нууж болно.

Алхам 7: DSP - Шүүлтүүр хийх

Дижитал дохио боловсруулах замаар хүлээн авагчийг өргөтгөх

Хэрэв та бүх алхмуудыг дагаж мөрдвөл (мөн би юу ч орхисонгүй) танд HiFi системийнхээ бүрэн ажиллагаатай Bluetooth хүлээн авагч байна. Энэ нь дажгүй ч гэсэн микроконтроллерыг хязгаар руу нь түлхдэггүй. ESP32 нь 240MHz давтамжтай ажилладаг хоёр цөмтэй. Энэ нь энэ төсөл нь зөвхөн хүлээн авагчаас хамаагүй илүү гэсэн үг юм. Энэ нь дижитал дохионы процессор (DSP) бүхий Bluetooth хүлээн авагч байх чадвартай. DSP нь үндсэндээ дохионы математик үйлдлийг бодит цаг хугацаанд гүйцэтгэдэг. Нэг ашигтай үйлдлийг дижитал шүүлт гэж нэрлэдэг. Энэ процесс нь өндөр эсвэл бага нэвтрүүлэх шүүлтүүр ашиглаж байгаа эсэхээс хамаарч тодорхой хязгаарын давтамжаас доогуур буюу түүнээс дээш давтамжийг бууруулдаг.

Өндөр нэвтрүүлэх шүүлтүүр

Өндөр нэвтрүүлэх шүүлтүүр нь тодорхой зурвасын доорхи давтамжийг сулруулдаг. Би earlevel.com -ийн код дээр үндэслэн Arduino системийн шүүлтүүрийн номын сан байгуулсан. Гол ялгаа нь би дээд зэрэглэлийн шүүлтүүрийг бүтээхэд илүү хялбар болгох үүднээс ангийн бүтцийг өөрчилсөн явдал юм. Дээд зэрэглэлийн шүүлтүүр нь таны хязгаараас давсан давтамжийг илүү үр дүнтэй дардаг боловч илүү их тооцоолол шаарддаг. Гэсэн хэдий ч одоогийн хэрэгжилтээр та 6-р зэрэглэлийн шүүлтүүрийг бодит цагийн аудиог ашиглах боломжтой болно!

Ноорог нь бидний үндсэн гогцоог өөрчилснөөс бусад тохиолдолд өмнөх алхамтай ижил байна. Шүүлтүүрийг идэвхжүүлэхийн тулд бид btAudio:: createFilter аргыг ашигладаг. Энэ арга нь 3 аргументыг хүлээн авдаг. Эхнийх нь шүүлтүүрийн каскадын тоо юм. Шүүлтүүрийн каскадын тоо нь шүүлтүүрийн дарааллын тал хувь юм. 6 -р эрэмбийн шүүлтүүрийн хувьд эхний аргумент нь 3. 8 -р эрэмбийн шүүлтүүрийн хувьд 4 байх ёстой. Хоёр дахь аргумент нь шүүлтүүрийн таслал юм. Өгөгдөлд үнэхээр гайхалтай нөлөө үзүүлэхийн тулд би үүнийг 1000Hz болгож тохируулсан. Эцэст нь бид гурав дахь аргумент бүхий файлын төрлийг зааж өгдөг. Энэ нь өндөр нэвтрүүлэх шүүлтүүрийн хувьд өндөр дамжуулалт, бага дамжуулалтын шүүлтүүрийн хувьд бага дамжуулалт байх ёстой. Доорх скрипт нь энэ давтамжийн хязгаарыг 1000Гц ба 2Гц хооронд шилжүүлдэг. Та өгөгдөлд гайхалтай нөлөө үзүүлэхийг сонсох ёстой.

#оруулах

btAudio аудио = btAudio ("ESP_Speaker"); хүчингүй тохиргоо () {audio.begin (); int bck = 26; int ws = 27; int dout = 25; аудио. I2S (bck, dout, ws); } void loop () {delay (5000); audio.createFilter (3, 1000, өндөр дамжуулалт); саатал (5000); audio.createFilter (3, 2, өндөр дамжуулалт); }

Бага нэвтрүүлэх шүүлтүүр

Бага нэвтрүүлэх шүүлтүүр нь өндөр дамжуулагч шүүлтүүрийн эсрэг зүйлийг хийж, тодорхой давтамжаас давсан давтамжийг дардаг. Гурав дахь аргументийг бага дамжуулалтаар өөрчлөхийг шаардахаас бусад тохиолдолд тэдгээрийг өндөр нэвтрүүлэх шүүлтүүрийн нэгэн адил хэрэгжүүлж болно. Доорх зургийн хувьд би 2000Гц-ээс 20000 Гц-ийн хоорондох бага дамжуулалтыг өөрчилнө. Та ялгааг сонсох болно гэж найдаж байна. Бага давтамжтай шүүлтүүр нь 2000Hz давтамжтай байх үед энэ нь маш намуухан сонсогдох ёстой.

#оруулах

btAudio аудио = btAudio ("ESP_Speaker"); хүчингүй тохиргоо () {audio.begin (); int bck = 26; int ws = 27; int dout = 25; аудио. I2S (bck, dout, ws); } void loop () {delay (5000); audio.createFilter (3, 2000, бага дамжуулалт); саатал (5000); audio.createFilter (3, 20000, бага дамжуулалт); }

Алхам 8: DSP - Динамик хүрээний шахалт

Арын дэвсгэр

Динамик хүрээ шахалт нь дууны чанга байдлыг жигд болгохыг хичээдэг дохио боловсруулах арга юм. Энэ нь тодорхой босгоос дээш гарсан чанга дууг нам гүм байдлын түвшинд хүртэл дарж, дараа нь хоёуланг нь нэмэгдүүлдэг. Үр дүн нь бүр илүү сонсох туршлага юм. Энэ нь намайг маш чанга арын хөгжим, маш намуухан хоолойтой шоу үзэж байхад үнэхээр хэрэг болсон юм. Энэ тохиолдолд зөвхөн дууны хэмжээг нэмэгдүүлэх нь тус болсонгүй. Динамик хүрээ шахалтын тусламжтайгаар би чанга дууны хөгжмийг дууны түвшинд хүртэл бууруулж, бүх зүйлийг дахин зөв сонсох боломжтой болсон.

Код

Динамик хүрээний шахалт нь зөвхөн дууны хэмжээг бууруулах эсвэл дохиог босго болгохыг хэлдэггүй. Үүнээс арай ухаантай юм. Хэрэв та дууны түвшинг бууруулбал чимээгүй чимээ, чанга дуу багасах болно. Үүнийг даван туулах нэг арга бол дохиог босгох явдал боловч энэ нь ноцтой гажуудал үүсгэдэг. Динамик хүрээний шахалт нь зөөлөн босго ба шүүлтүүрийн хослолыг агуулдаг бөгөөд хэрэв та дохиог босго/клип хийх юм бол гажуудлыг багасгах болно. Үр дүн нь чанга дууг гажуудуулахгүйгээр "хайчилж", чимээгүйг байгаагаар нь үлдээх дохио юм. Доорх код нь гурван өөр түвшний шахалтын хооронд шилждэг.

1. Гажуудал бүхий шахалт
2. Гажуудалгүйгээр шахах
3. Шахалт байхгүй

#оруулах

btAudio аудио = btAudio ("ESP_Speaker"); хүчингүй тохиргоо () {audio.begin (); int bck = 26; int ws = 27; int dout = 25; аудио. I2S (bck, dout, ws); } void loop () {delay (5000); audio.compress (30, 0.0001, 0.0001, 10, 10, 0); саатал (5000); audio.compress (30, 0.0001, 0.1, 10, 10, 0); саатал (5000); audio.decompress (); }

Динамик хүрээний шахалт нь төвөгтэй бөгөөд btAudio:: compress арга нь олон параметртэй байдаг. Би тэдгээрийг энд (дарааллаар) тайлбарлахыг хичээх болно.

1. Босго - Аудио буурах түвшин (децибелээр хэмжигддэг)
2. Довтолгооны хугацаа - Босго давсан тохиолдолд компрессор ажиллаж эхлэх хугацаа
3. Суллах хугацаа - Компрессор ажиллахаа болих хугацаа.
4. Бууралтын харьцаа - аудиог шахах хүчин зүйл.
5. Өвдөгний өргөн - Компрессор хэсэгчлэн ажиллах босго орчмын өргөн (децибелээр) (илүү байгалийн дуу чимээ).
6. Шахалтын дараа дохионд нэмэгдсэн ашиг (децибел) (эзлэхүүнийг нэмэгдүүлэх/бууруулах)

Шахалтын эхний хэрэглээнд маш их сонсогдохуйц гажуудал нь босго нь маш бага бөгөөд довтолгооны хугацаа болон суллах хугацаа хоёулаа маш богино тул үр дүнтэй босго тогтооход хүргэдэг. Энэ нь хоёр дахь тохиолдолд гаргах хугацааг нэмэгдүүлэх замаар тодорхой шийдэгддэг. Энэ нь үндсэндээ компрессорыг илүү гөлгөр байдлаар ажиллахад хүргэдэг. Энд би зөвхөн 1 параметрийг өөрчлөх нь аудионд хэрхэн гайхалтай нөлөө үзүүлж болохыг харуулсан. Одоо янз бүрийн параметрүүдийг туршиж үзэх таны ээлж боллоо.

Хэрэгжилт (шидэт математик - заавал биш)

Динамик хүрээний шахалтыг гэнэн байдлаар хэрэгжүүлэх нь хэцүү гэдгийг би олж мэдсэн. Алгоритм нь 16 битийн бүхэл тоог децибел болгон хөрвүүлж, дохиог боловсруулсны дараа буцааж 16 битийн бүхэл тоо болгон хувиргахыг шаарддаг. Нэг мөр код нь стерео өгөгдлийг боловсруулахад 10 микросекунд зарцуулж байгааг би анзаарсан. 44.1 КГц давтамжтай стерео аудио нь DSP -д ердөө 11.3 микросекунд үлдээдэг тул энэ нь хүлээн зөвшөөрөгдөхгүй удаан юм … Гэсэн хэдий ч жижиг хайлтын хүснэгт (400 байт) ба Netwon -ийн хуваагдсан ялгааг үндэслэсэн интерполяцийн процедурыг нэгтгэснээр 0.2 микросекундэд 17 битийн нарийвчлалыг авах боломжтой болно.. Би үнэхээр сонирхож буй бүх математиктай pdf баримт бичгийг хавсаргав. Энэ нь төвөгтэй, танд анхааруулсан байна!

Алхам 9: Wifi интерфэйс

Одоо танд бодит цагийн DSP-ийг ажиллуулах чадвартай Bluetooth хүлээн авагч байна. Харамсалтай нь, хэрэв та DSP параметрүүдийн аль нэгийг өөрчлөхийг хүсч байвал HiFi -ээсээ салж, шинэ ноорог байршуулж, дараа нь дахин холбогдох хэрэгтэй болно. Энэ бол эвгүй юм. Үүнийг засахын тулд би DSP -ийн бүх параметрүүдийг компьютер дээрээ дахин холболтгүйгээр засварлах боломжтой вэб сервер боловсруулсан. Вэб серверийг ашиглах тоймыг доор үзүүлэв.

#оруулах

#btAudio audio = btAudio ("ESP_Speaker") оруулах; webDSP вэб; void setup () {Serial.begin (115200); audio.begin (); int bck = 26; int ws = 27; int dout = 25; аудио. I2S (bck, dout, ws); // WiFi ID болон нууц үгээр солино const char* ssid = "SSID"; const char* password = "PASSWORD"; web.begin (ssid, нууц үг, & аудио); } void loop () {web._server.handleClient (); }

Код нь таны ESP32 -д IP хаягийг зааж өгдөг бөгөөд үүнийг ашиглан та вэбсайтад нэвтрэх боломжтой болно. Энэ кодыг анх ажиллуулахдаа та үүнийг компьютер дээрээ хавсаргасан байх ёстой. Ингэснээр та өөрийн ESP32 -д оноосон IP хаягийг сериал монитор дээрээ харах боломжтой болно. Хэрэв та энэ вэбсайтад хандахыг хүсвэл энэ IP хаягийг дурын вэб хөтөч рүү оруулна уу (хром дээр туршсан).

Одоо бид Bluetooth болон I2S -ийг идэвхжүүлэх аргыг мэддэг байх ёстой. Гол ялгаа нь webDSP объектыг ашиглах явдал юм. Энэ объект нь таны Wifi SSID болон нууц үгийг аргумент болгон btAudio объект руу заагч болгон авдаг. Үндсэн гогцоонд бид вэб хуудаснаас ирж буй өгөгдлийг сонсож, дараа нь DSP параметрүүдийг шинэчилж байхын тулд webDSP объектыг байнга авдаг. Хаалтын цэгийн хувьд Bluetooth болон Wifi хоёулаа ESP32 дээр ижил радио ашигладаг болохыг тэмдэглэх нь зүйтэй. Энэ нь вэб хуудсанд параметр оруулахаас эхлээд мэдээлэл ESP32 -д хүрэх хүртэл 10 секунд хүртэл хүлээх шаардлагатай болж магадгүй гэсэн үг юм.

Алхам 10: Ирээдүйн төлөвлөгөө

Энэ заавар танд таалагдсан гэж найдаж байна, одоо Bluetooth аудио болон DSP -ийг HiFi дээрээ нэмсэн гэж найдаж байна. Гэсэн хэдий ч энэ төсөлд маш их боломж бий гэж бодож байгаа бөгөөд ирээдүйд авч болох зарим чиглэлээ л хэлэхийг хүссэн юм.

• Wifi аудио дамжуулалтыг идэвхжүүлэх (хамгийн сайн дууны чанарыг хангахын тулд)
• Дуут командыг идэвхжүүлэхийн тулд I2S микрофон ашиглана уу
• WiFi хяналттай эквалайзер хөгжүүлэх
• Үүнийг гоё болгоорой (талхны самбар нь бүтээгдэхүүний гайхалтай загварыг хашгирдаггүй)

Эдгээр санаануудыг хэрэгжүүлж эхлэхэд би илүү сургамжтай зүйл хийх болно. Эсвэл өөр хэн нэгэн эдгээр онцлогийг хэрэгжүүлэх болно. Энэ бол бүх зүйлийг нээлттэй эх сурвалж болгохын баяр баясгалан юм!