LXF158:Arduino: Немного по­шу­мим

Подписка на печатную версию Весь 2015 год (12 номеров) Первое полугодие (6 номеров) Второе полугодие (6 номеров)

Подписка на электронную версию Весь 2015 год (12 номеров) Первое полугодие (6 номеров) Второе полугодие (6 номеров)

Подшивки старых номеров журнала (печатные версии) Весь 2014 год (12 номеров) Первое полугодие (6 номеров) Второе полугодие (6 номеров)

Элек­тро­ни­ка Ва­шей пла­те под си­лу сыг­рать Бет­хо­ве­на... или нечто вро­де

Arduino: Немного по­шу­мим В этой гром­кой ста­тье маэ­ст­ро Ник Вейч пре­вра­ща­ет свой Arduino в му­зы­каль­ный ин­ст­ру­мент, упот­реб­ляя сло­во «на­строй­ка» в бу­к­валь­ном смысле.

Во мно­гих про­ек­тах Arduino – будь то хоровод све­то­дио­дов или кон­так­ты ЖК-эк­ра­на – ве­ду­щую роль иг­ра­ет свет. Это очень ми­ло, но есть дру­гие из­ме­рение, ко­то­ры­м мы по­ка пренеб­рега­ли: это звук. По­ми­гать пе­ред кем-то све­то­дио­да­ми – шту­ка хо­ро­шая, но лю­ди ведь долж­ны на них сна­ча­ла по­смот­реть; пре­лесть же зву­ка в том, что его не так лег­ко иг­но­ри­ро­вать, в чем ско­ро убе­дят­ся ва­ши дру­зья и род­ные.

Соз­да­ем му­зы­ку

Про­стей­ший спо­соб до­быть звук – восполь­зо­вать­ся мик­ро­схе­мой то­наль­но­го генера­то­ра. Они очень де­ше­вы, тре­бу­ют миниму­ма до­полнитель­ных ком­понен­тов для под­клю­чения ди­на­ми­ка, и ими лег­ко управ­лять с по­мо­щью им­пуль­сов с од­но­го из циф­ро­вых вы­хо­дов Arduino. Та­кая схе­ма слиш­ком про­ста, что­бы опи­сы­вать ее здесь.

Сфор­ми­ро­вать соб­ст­вен­ный звук нена­мно­го сложнее. Звук – это все­го лишь удар­ная вол­на, и с под­хо­дя­щим генера­то­ром волн (на­при­мер, ди­на­ми­ком) мы по­лу­чим про­стые зву­ки пря­мо с вы­во­дов Arduino. Ма­ло то­го, при всей неслож­но­сти дан­ной за­да­чи, в ПО Arduino есть еще и спе­ци­аль­ная биб­лио­те­ка, ко­то­рая об этом за­бо­тит­ся.

Биб­лио­те­ка то­нов фор­ми­ру­ет пря­мо­уголь­ные ко­ле­бания (т. е. «вкл» и «выкл»), манипу­ли­руя внут­ренними генера­то­ра­ми так­тов мик­ро­схе­мы Atmega. Она про­сто за­да­ет час­то­ту и на­прав­ля­ет ре­зуль­тат на нуж­ный вы­вод. Пря­мо­уголь­ные ко­ле­бания да­ют гру­бый и сы­рой звук, но в этом есть и свои плю­сы. В ре­аль­ном ми­ре вы вряд ли под­клю­чи­те эту схе­му к сво­ей сис­те­ме Hi-Fi, но она пре­крас­но по­дой­дет на роль двер­но­го звон­ка. Пом­ня обо всем этом, да­вай­те по­ко­ре­жим клас­си­че­­ский опус – «Оду к ра­до­сти» Бет­хо­ве­на. Так или ина­че она нам под­хо­дит. Пер­вое, что нам нуж­но знать – как сгенери­ро­вать звук. Это про­сто:

tone(pin, pitch, duration);

Обя­за­тель­ных ар­гу­мен­тов у функ­ции tone два: но­мер вы­во­да (pin) и тон (pitch). Тре­тий, необя­за­тель­ный ар­гу­мент – про­дол­жи­тель­ность зву­чания (duration). Но­мер вы­во­да – обыч­ный но­мер кон­так­та Arduino. Тон – это про­из­воль­но ука­зан­ная час­то­та; воспро­из­во­дить стан­дарт­ные но­ты вы не обя­за­ны.

Для ва­ше­го удоб­ст­ва, в биб­лио­те­ке есть за­го­ло­воч­ный файл с оп­ре­де­ления­ми нот, по­это­му мож­но поль­зо­вать­ся та­ки­ми обо­зна­чения­ми:

tone(7,1568);

tone(7,NOTE_G6);

Оба ва­ри­ан­та вы­зо­ва воспро­из­ве­дут од­ну и ту же но­ту [«соль» средней ок­та­вы, – прим. ред.]. Ес­ли про­дол­жи­тель­ность зву­чания (це­лое чис­ло мил­ли­се­кунд на воспро­из­ве­дение но­ты) не ука­за­на, то в нуж­ный мо­мент при­дет­ся его оста­но­вить:

noTone(pin);

В один мо­мент вре­мени мож­но воспро­из­во­дить несколь­ко нот; в стан­дарт­ном Duemilanove Arduino – до трех, но в боль­шин­ст­ве слу­ча­ев на прак­ти­ке есть ог­раничение в две но­ты. Это свя­за­но с тем, что для по­лу­чения пря­мо­уголь­ной вол­ны ис­поль­зу­ет­ся встро­ен­ный генера­тор так­тов, ко­то­рый так­же обес­пе­чи­ва­ет генера­цию ШИМ-сиг­на­лов и функ­цию внут­реннего тай­ме­ра мил­ли­се­кунд. За­няв его тре­мя но­та­ми, вы боль­ше не смо­же­те от­сле­дить про­хо­ж­дение вре­мени, что мо­жет стать про­бле­мой. Учи­ты­вая ка­че­­ст­во зву­ка, по­лу­чае­мо­го с та­кой схе­мой, час­то доста­точ­но во­об­ще од­но­го ка­на­ла.

Со­хра­ня­ем ме­ло­дии

Итак, зву­ки из­да­вать мы те­перь уме­ем, но как соз­дать му­зы­ку? Для ка­ж­дой но­ты нам нуж­но знать три ве­щи – тон, вре­мя зву­чания и ин­тер­вал до сле­дую­щей но­ты. В при­ме­рах из биб­лио­теки ме­ло­дий эти па­ра­мет­ры хра­нят­ся в раз­лич­ных мас­си­вах, что, с од­ной сто­ро­ны, уп­ро­ща­ет код, а с дру­гой – услож­ня­ет его понимание. В иде­аль­ном слу­чае всю ин­фор­ма­цию о ме­ло­дии нуж­но хранить в од­ном мас­си­ве. Тут нам по­мо­гут струк­ту­ры – struct, это поль­зо­ва­тель­ский тип дан­ных, ко­то­рый лег­ко оп­ре­де­лить и ко­то­рым удоб­но поль­зо­вать­ся. Он при­шел из стан­дарт­но­го язы­ка C, на ко­то­ром, кста­ти, мы и пи­шем боль­шую часть ко­да для Arduino (удив­ле­ны? – а мы вро­де об этом упо­ми­на­ли). Вот син­так­сис объ­яв­ления струк­ту­ры:

struct mydata { <type> <propertyname>;

<type> <propertyname>;

…

}

Струк­ту­ру для но­ты мож­но ор­га­ни­зо­вать так:

struct note{

uint16_t pitch;

uint8_t duration;

uint8_t pause;

};

note first={880,12,8};

int duration =first.duration*25;

Мы соз­да­ли про­стую струк­ту­ру дан­ных с тре­мя зна­чения­ми. Час­то­та – 16-бит­ное це­лое чис­ло (0 – 65535), а про­дол­жи­тель­ность зву­чания и пау­за – 8-бит­ные чис­ла (0 – 255). Два по­следних зна­чения яв­ля­ют­ся ско­рее услов­ны­ми, чем ис­тин­ны­ми. Вре­мя нуж­но за­да­вать в мил­ли­се­кун­дах в диа­па­зоне где-то от 50 до 2000. Но ес­ли хранить эти зна­чения в 16-бит­ных чис­лах, для хранения каж­дой но­ты по­на­до­бит­ся на 50 % боль­ше мес­та (шесть байт вме­сто че­ты­рех), и мы силь­но раз­ду­ем объ­ем тре­буе­мой па­мя­ти. Так как нам вряд ли нуж­но воспро­из­во­дить но­ты с мил­ли­се­кунд­ной точ­но­стью, про­ще хранить в па­мя­ти мень­шие чис­ла, а при ис­поль­зо­вании ум­но­жать их на ко­эф­фи­ци­ент. Ес­ли ум­но­жать их на 25, по­лу­чит­ся диа­па­зон от 0 до 6375, т. е. бо­лее шес­ти се­кунд, и это­го долж­но быть вполне доста­точ­но.

Са­ми но­ты то­же при же­лании мож­но уме­стить в один байт – ес­ли вы бу­де­те иг­рать му­зы­ку, то ско­рее все­го по но­там, а не зву­ка­ми про­из­воль­ной час­то­ты, по­это­му мож­но ог­раничить­ся диа­па­зо­ном 255 нот (уж это­го-то хва­тит!), ко­то­рый по­мес­тит­ся в од­ном бай­те (еще од­но без­зна­ко­вое 8-бит­ное це­лое чис­ло). На­конец, сто­ит вве­сти обо­зна­чения для нот, ко­то­рые мы хо­тим воспро­из­во­дить:

// notes in the melody:

enum { GG,A,B,C,D,E,F,G};

static const uint16_t frequency[] ={

784, // GG

880, //A

988, //B

1047,

1175,

1319,

1397,

1568//G

};

Объ­яв­ление их как ста­ти­че­­ских кон­стант оз­на­ча­ет, что зна­чения никогда не бу­дут и не смо­гут из­менить­ся. Вы мо­же­те счесть это скаред­ны­ми по­пыт­ка­ми сэ­ко­но­мить ис­поль­зуе­мое ме­сто, но ина­че па­мять растратит­ся до­воль­но бы­ст­ро. Пусть на­ша ме­ло­дия не слиш­ком длин­ная, но хранение дан­ных та­ким об­ра­зом сэ­ко­но­мит до 1 КБ да­же на ко­рот­ком наигрыше, и это важ­но, ес­ли вы на­ме­ре­ны сде­лать в про­грам­ме что-то еще.

Те­перь мож­но пе­рей­ти к ме­ло­дии. Для краткости мы при­ве­дем толь­ко пер­вый такт «Оды к ра­до­сти», но в лис­тин­ге DVD при­ве­де­на вся ме­ло­дия:

note tune[] ={ {E,10,12},{E,10,12},{F,10,12} ,{G,10,12},

{G,10,12},{F,10,12},{E,10,12} ,{D,10,12},

{C,10,12},{C,10,12},{D,10,12} ,{E,10,12},

{E,12,14},{D,7,8},{D,24,32},

…

Про­бе­лы при пар­син­ге ко­да не воспринимаются, и вы мо­же­те от­фор­ма­ти­ро­вать свой код так, что­бы его бы­ло про­ще чи­тать или ре­дак­ти­ро­вать. Для ка­ж­дой но­ты при­ве­де­ны час­то­та, про­дол­жи­тель­ность и пау­за. Пау­за всегда длиннее про­дол­жи­тель­но­сти, по­то­му что в ко­де мы сде­ла­ем так, чтобы пау­за вклю­чала вре­мя воспро­из­ве­дения всей но­ты. На­конец, нам ну­жен код для воспро­из­ве­дения ме­ло­дии:

void loop() {

for (int i = 0; i < (sizeof(tune)/3); i++) {

tone(7, frequency[tune[i].pitch], tune[i].duration*25);

delay(tune[i].pause*25);

}

delay(15000);

}

Этот код, ра­зу­ме­ет­ся, сто­ит обер­нуть в соб­ст­вен­ную функ­цию, а не по­вто­рять все вре­мя в глав­ном цик­ле. Хо­тя в этих стро­ках мно­го че­го про­ис­хо­дит, код оче­ви­ден.

При инициа­ли­за­ции цик­ла мы мо­жем оп­ре­де­лить ко­ли­че­­ст­во нот, по­лу­чив раз­мер мас­си­ва (в бай­тах) и раз­де­лив его на три, так как для ка­ж­дой но­ты ис­поль­зу­ет­ся три бай­та.

На­страи­ва­ем­ся

В сле­дую­щей стро­ке мы воспро­из­во­дим но­ту с по­мо­щью функ­ции биб­лио­те­ки то­нов. Мы вы­да­ем ее на вы­вод 7 (он не ху­же лю­бо­го дру­го­го), и это пер­вый ар­гу­мент функ­ции. Час­то­ту но­ты возь­мем из соз­дан­но­го ранее мас­си­ва. В ка­че­­ст­ве ин­дек­са мы ис­поль­зу­ем зна­чения из пе­ре­чис­ления, ко­то­рые хра­нят­ся в на­шем мас­си­ве tune в по­ле струк­ту­ры pitch. Так, tune[i].pitch со­дер­жит чис­ло от 0 до 7 (числами мы обо­зна­чи­ли но­ты, для про­стоты про­чтения), ко­то­рое ис­поль­зу­ет­ся в ка­че­­ст­ве ин­дек­са мас­си­ва, где хранятся на­стоя­щие час­то­ты.

По­следний нуж­ный нам па­ра­метр – про­дол­жи­тель­ность зву­чания. Он дол­жен быть в мил­ли­се­кун­дах, но мы для эко­но­мии па­мя­ти де­ли­ли зна­чения на 25, и те­перь нуж­но ум­но­жать их на 25.

Пау­за ме­ж­ду но­та­ми реа­ли­зу­ет­ся стан­дарт­ной функ­ци­ей delay(), ко­то­рая ана­ло­гич­ным об­ра­зом ис­поль­зу­ет дан­ные из мас­си­ва tune. Что­бы га­ран­ти­ро­ван­но пре­рвать воспро­из­ве­дение, мож­но бы­ло вы­звать функ­цию noTone(7), но на прак­ти­ке в этом нет необ­хо­ди­мо­сти.

Для воспро­из­ве­дения ме­ло­дии мож­но под­клю­чить неболь­шой ди­на­мик пря­мо к вы­во­дам Arduino. Но что­бы не по­вре­дить сам ди­на­мик, по­на­до­бит­ся неболь­шой ре­зи­стор – где-то в диа­па­зоне от 100 Ом до 1 кОм. Ес­ли вы ис­поль­зуе­те пье­зо­эле­мент или пье­зо­ди­на­мик, без ре­зи­сто­ра мож­но и обой­тись: они час­то об­ла­да­ют боль­шим внут­ренним со­про­тив­лением, рас­счи­тан­ным на сиг­на­лы ло­ги­че­­ских уровней. Фор­му­ла, ко­то­рую вам нуж­но знать, вы­гля­дит так:

P =

248868.png Vpeak2

2 R

Это все­го лишь при­бли­жение! Ди­на­ми­ки уст­рое­ны сложнее, чем вы ду­ма­ли – они со­дер­жат ин­дук­тив­ную на­груз­ку, и в оп­ре­де­лении мощ­но­сти по от­но­шению к ди­на­ми­ку есть мас­са тон­ко­стей. Нам же важ­но про­сто его не сжечь, по­это­му доста­точ­но и при­бли­жен­ной фор­му­лы; но тре­бу­ют­ся ме­ры пре­досто­рож­но­сти. В дан­ном слу­чае R – ре­зи­стив­ная на­груз­ка (со­про­тив­ление ди­на­ми­ка долж­но быть ука­за­но на его задней по­верх­но­сти – обыч­но это 4, 8 или 16 Ом), а V – пи­ко­вое на­пря­жение – в на­шем слу­чае 5 В без ис­поль­зо­вания уси­ли­те­ля мощ­но­сти. С на­груз­кой 16 Ом это даст нам при­мер­но 1,5 Вт.

Пре­дот­вра­ща­ем пе­ре­груз­ку

Что про­изой­дет при пе­ре­груз­ке ди­на­ми­ка? Пье­зо­эле­мент, ес­ли не до­хо­дить до бес­пре­де­ла, про­сто бу­дет из­да­вать ужас­ные зву­ки, по­ка не вый­дет из строя, но вообще-то на удив­ление вы­носли­в. В обыч­ном ди­на­ми­ке с бу­маж­ным ко­ну­сом и сер­дечником вы ли­бо по­вре­ди­те сер­дечник, ли­бо рас­тря­се­те его на час­ти, ли­бо по­вре­ди­те ко­нус – а час­то и то, и дру­гое, и третье; по­это­му здесь то­же нуж­но при­нять ме­ры пре­досто­рож­но­сти. Из-за спо­со­ба сво­его из­го­тов­ления ди­на­ми­ки чре­ва­ты так­же опас­но­стью для Arduino. Кро­шеч­ный пье­зо­эле­мент не при­чинит ему вре­да, но чем боль­ше ин­дук­тив­ность, тем боль­ше шу­мы скач­ков на­пря­жения и тем боль­ше мощ­ность це­пи. Хо­тя в це­пях для управ­ления ди­на­ми­ками с по­мо­щью Arduino, ко­то­рые вам мо­гут встре­тить­ся, его обыч­но нет, ре­ко­мен­ду­ет­ся до­ба­вить раз­вя­зы­ваю­щий кон­ден­са­тор ем­ко­стью око­ло 250 мкФ, под­клю­чив его вы­ход к «плю­су» ди­на­ми­ка. Он не толь­ко сгла­жи­ва­ет пе­ре­ход­ные про­цес­сы, но и по­гло­ща­ет по­сто­ян­ную ком­понен­ту сиг­на­ла, и сер­дечник бу­дет пе­ре­ме­щать­ся в обо­их на­прав­лениях, как и пред­пи­са­но его при­ро­дой.

До­полнитель­ный звук

Мы всту­па­ем на тер­ри­то­рию ау­дио­це­пей, и она мо­жет по­ка­зать­ся вам незна­ко­мой, по­то­му что в ау­дио­це­пях при­сут­ст­ву­ют цик­ли­че­­ские на­пря­жения, ко­то­рые роднят их с це­пями пе­ре­мен­но­го, а не по­сто­ян­но­го то­ка – по­это­му мы и до­ба­ви­ли раз­вя­зы­ваю­щий кон­ден­са­тор в на­шу глав­ную схе­му.

Де­ло в том, что в це­пях пе­ре­мен­но­го то­ка ком­понен­ты ве­дут се­бя по-дру­го­му, и это за­метнее все­го на при­ме­ре скром­но­го кон­ден­са­то­ра. В це­пях по­сто­ян­но­го то­ка мы поль­зо­ва­лись кон­ден­са­то­ра­ми для бу­фе­ри­за­ции на­пря­жения и сгла­жи­вания пе­ре­ход­ных про­цес­сов, и, воз­мож­но, иногда ис­поль­зо­ва­ли их в ка­че­­ст­ве при­ми­тив­но­го тай­ме­ра. С пе­ре­мен­ным то­ком они ве­дут се­бя ина­че: они его про­пуска­ют. На са­мом де­ле ника­ко­го то­ка че­рез них не те­чет – они про­сто со­хра­ня­ют и осво­бо­ж­да­ют элек­три­че­скую энер­гию (это ес­ли вы не про­бье­те кон­ден­са­тор, по­дав на него слиш­ком боль­шое на­пря­жение, че­го мы де­лать не со­ве­ту­ем, по­то­му что он щелкнет и пре­мерз­ко за­во­ня­ет), но из-за цик­ли­че­­ской за­ряд­ки и раз­ряд­ки обо­их пла­стин соз­да­ет­ся ви­ди­мость про­хо­ж­дения то­ка.

Это по­ве­дение за­ви­сит толь­ко от час­то­ты при­ло­жен­но­го на­пря­жения и, ра­зу­ме­ет­ся, ем­ко­сти са­мо­го кон­ден­са­то­ра – ес­ли вник­нуть, то чем вы­ше час­то­та, тем боль­ше цик­лов за­ряд­ки и раз­ряд­ки вы­пол­ня­ет­ся ка­ж­дую се­кун­ду, и тем боль­ше ток, «про­хо­дя­щий» че­рез кон­ден­са­тор. Свой­ст­во за­ви­си­мо­сти от час­то­ты на­зы­ва­ет­ся ре­ак­тив­ным со­про­тив­лением ком­понен­та и оп­ре­де­ля­ет­ся по фор­му­ле

Reactance(X) =

248871.png 2πfC

1

Это со­про­тив­ление в чем-то ана­ло­гич­но обыч­но­му со­про­тив­лению резистора в це­пях по­сто­ян­но­го то­ка. Но так как оно за­ви­сит от час­то­ты про­хо­дя­ще­го че­рез ком­понент сиг­на­ла, то чрез­вы­чай­но удоб­но для соз­дания ау­дио­фильт­ров.

Про­стой ре­зи­стор и кон­ден­са­тор (RC) мож­но ис­поль­зо­вать в ка­че­­ст­ве де­ли­те­ля на­пря­жения сиг­на­ла, из­ме­няю­ще­го его уро­вень в за­ви­си­мо­сти от час­то­ты. Это оз­на­ча­ет, что сигналы с одними час­то­тами прой­дут че­рез эту це­поч­ку без из­менений, а сигналы с дру­гими – су­ще­ст­вен­но снизят­ся; что и пригодится для подавления неже­ла­тель­ных сиг­на­лов и наводок в на­шей сис­те­ме. Час­тот­ный диа­па­зон зву­ка, слы­ши­мо­го человеческим ухом, нам из­вес­тен, и мож­но от­фильт­ро­вать ненуж­ные ко­ле­бания, подо­брав под­хо­дя­щий кон­ден­са­тор.

В за­ви­си­мо­сти от ре­зи­сто­ра и кон­ден­са­то­ра мож­но соз­дать фильтр верхних час­тот (т. е. от­ре­зать нижние час­то­ты – таким способом удоб­но из­бав­лять­ся от шу­ма элек­тро­се­ти пи­тания) или фильтр нижних час­тот (с его по­мо­щью удоб­но от­фильт­ро­вы­вать дру­гие по­ме­хи, та­кие как шум от генера­то­ра так­тов), или объ­единить два фильт­ра и по­лу­чить по­ло­со­вой фильтр.

Мы не бу­дем слиш­ком уг­луб­лять­ся в тео­рию зву­ка, по­то­му что это не те­ма на­шей се­рии, да и вы­чис­ления очень услож­нят­ся – но мы и не собираемся ею пренеб­ре­гать. При­сое­ди­няй­тесь к нам в сле­дую­щий раз для ув­ле­ка­тель­ного пу­те­ше­ст­вия с ге­не­ра­ци­ей си­ну­сои­даль­ной вол­ны со сдви­гом час­то­ты для эму­ля­ции тер­мен­вок­са. |