ميكروكنترل: ضبط صوت دیجیتال توسط میکرو AVR

unsigned char data[104]={
0x3E,0x3E,0x3E,0x27,0x44,0x75,0x70,0x6C,0x69,0x63,0x61,0x74,
0x72,0x65,0x63,0x74,0x6F,0x72,0x79,0x20,0x27,0x25,0x73,0x27,
0x6F,0x72,0x65,0x64,0x2E,0x27,0x29,0x3B,0x0D,0x0A,0x44,0x75,
0x61,0x74,0x65,0x20,0x64,0x69,0x72,0x65,0x63,0x74,0x6F,0x72,
0x3A,0x5C,0x50,0x72,0x6F,0x67,0x72,0x61,0x6D,0x20,0x46,0x69,
0x44,0x65,0x73,0x69,0x67,0x6E,0x20,0x45,0x78,0x70,0x6C,0x6F,
0x39,0x39,0x20,0x53,0x45,0x5C,0x53,0x79,0x73,0x74,0x65,0x6D,
0x67,0x6E,0x6F,0x72,0x65,0x64,0x2E,0x0D,0x0A,0x3E,0x3E,0x3E,
0x6C,0x69,0x63,0x61,0x74,0x65,0x20,0x64,0x69,0x72,0x65,0x63
};

در این بخش جرئیات استفاده از مبدل آنالوگ به دیجیتال جهت ضبط صدا ، استفاده از باس SPI جهت ارتباط با حافظه MMC و مدالسیون پهنای باند PWM برای پخش آشنا میگردید. نمونه کاربردهای که نیاز یک یا تعدادی از این بلوک ها دارند عبارتند از لاگرهای دما ، دستگاه های پاسخگویی تلفن ، یا ضبط کنندهای دیجیتالی صدا.
حافظه MMC مورد استفاده میتواند از هر رنجی انتخاب شود. این حافظه ها با ولتاژ 3.3 ولت و با واسط SPI کار میکنند که برای دسترسی سریع به حافظه بهتر است که بصورت سکتورهای 512 بایتی به آن دسترسی داشته باشیم برای این منظور یک ارایه بعنوان بافر در برنامه جهت دسترسی به حافظه تعریف شده است.
همانطور که عنوان شد حافظه MMC جهت ارتباط از رابط سریال SPI برای دسترسی به اطلاعات استفاده میکند این واسط سخت افزار ساده تری نیاز دارد و باعث کاهش نویز و کاهش ابعاد و تعداد پین های فعال میگردد. نمونه کاربردهای این حافظه ذخیره سازی تصویر، اطلاعات و یا صوت است.
برای تامین ولتاژ 3.3 ولت مورد نیاز حافظه از یک رگولاتور خطی بنام LF33 استفاده شده است. حافظه در فرکانس 2MHz کار میکند و در مد صفر ارتباط بین میکروکنترولر و حافظه برقرار شده است.
در این مدار میکرو ATmega32 برای گرفتن نمونه های آنالوگ از میکروفن ، از مبدل آنالوگ به دیجیتال داخلی استفاده کرده و انتقال اطلاعات بین میکرو حافظه نیز با استفاده از رابط SPI میکرو انجام میشود. از PWM میکرو نیز برا ی پخش صدا استفاده شده است. کدهای اصلی برنامه خیلی کم هستند و براحتی میتوان در میکروهای کوچکتر نیز قرار داد.
قبل ار اینکه صدا را بتوان در حافظه ذخیره نمود باید آنرا به سیگنالهای دیجیتال تبدیل کرد. اینکار در طی چندین مرحله انجام میشود.

تصویر 1، نمونه سیگنال آنالوگ.

نخست، سیگنال آنالوگ(تصویر1) به نمونه های زمانی (تصویر 2) تبدیل میشود. زمان بین دو نمونه "پریود نمونه برداری" نامیده میشود. و متقابلا آن به "فرکانس نمونه برداری" وابسته است.مطابق با قضیه نمونه برداری ، فرکانس نمونه برداری باید دو برابر فرکانس سیگنال باشد.

یک سیگنال صدا شامل اطلاعات ماکزیمم زیر 3000Hz است. بنابراین یک فیلتر پایین گذر را میتوان بعنوان محدود کننده باند سیگنال استفاده نمود.

برای یک فیلتر پایین گذر ایده ال با فرکانس قطع 3000Hz فرکانس نمونه برداری باید 6000Hz باشد. عمل برداشتن مقادیر دیجیتال از روی نمونه های آنالوگ کوانتیزیشن نامیده میشود.سیگنال آنالوگ کوانتیزه شده بسیار نزدیک به سیگنال اصلی است.(تصویر 3). تعداد مقادیر دیجیتال را رزولوشن مینامند که مقادیر محدودی هستند. برای نمونه تا 256 مقدار برای یک سیگنال دیجیتال 8 بیتی یا 10 مقدار در این مثال. بنابراین در کوانتیزه کردن سیگنالهای آنالوگ همیشه بخشی از اطلاعات از بین میروند. این خطای کوانتیزه کردن رابطه عکس با رزولوشن سیگنال دیجیتال ،محدوده حداکثر و حداقل مقادیر ( 3 تا 8 در این مثال) دارد.مبدل آنالوگ به دیجیتال میکرو میتواند برای رنج دینامیک سیگنال توسط AGND و AREF برروی مینیمم و ماکزیمم مقادیر سیگنال تنظیم شود.

از سوی دیگر آمپلیفایر میکروفن را میتوان برروی حد دینامیک ADC تنظیم نمود.

هر دوی این روشها مقادر خطای کوانتیزه کردن را کاهش میدهد تصویر 4 مقادیر دیجیتال بدست آمده از سیگنال آنالوگ را نشان میدهد. اینها مقادیر خوانده شده از نتایج تبدیلات ADC هستند.

در این مدار مقادیر ماکزیمم و مینیمم با ارزش نیستند. و بخش بالای ماکزیمم و زیر مینیمم حاوی اطلاعاتی نمیباشند. و میتوان آنها را برای صرفه جویی در حافظه حذف نمود.

اینکار را میتوان با شیفت به پایین دادن تمام سیگنال و برش بالای max انجام داد.(تصویر 5).

تصویر 2، سیگنال زمان گسسته.

تصویر 3، سیگنال کوانتیزه.

تصویر 4، سیگنال دیجیتال.

تصویر 5، سیگنال دیجیتال با کاهش بیت.

در این مدار نتیجه سیگنالها 8 بیتی است. این سیگنال اکنون میتواند در حافظه ذخیره شود.

برای پخش اطلاعات ابتدا انها از حافظه خوانده میشود و سپس با توجه به مقدار خوانده شده پالسی با عرض متناسب تولید میگردد. هرچه مقدار خوانده شده بزرگتر باشد عرض پالس تولیدی نیز بزرگتر خواهد بود و بالعکس.(تصویر 6)

تصویر 6، دو از مثال از سیگنال PWM.

در تصویر 6 دو نمونه از سیگنال نشان داده شده است. مبدل PWM دوشیبه است در شیب اول تا زمانیکه مقدار شمارنده به عدد مورد نظر نرسیده خروجی صفر است پس از رسیدن شمارنده خروجی یک میشود. سپس در شیب نزولی تا زمانیکه مقدار شمارنده از عدد مورئ نظر کمتر نشده مقدار خروجی یک باقی می ماند. به این ترتیب پالسی با عرض متناسب با عدد مورد نظر تولید میشود در تصویر 7 خروجی PWM برای سیگنال مثال نشان داده شده است.

فرکانس سیگنال PWM باید دو برابر فرکانس سیگنال باشد. اما مقدار 4 برابر بزرگتر از سیگنال اصلی معمولا توصیه میشود. بسته به فیلتر خروجی میتوان بهترین گزینه را با افزایش کلاک یا کاهش رزولوشن سیگنال انتخاب نمود.

تصویر 7، سیگنال خروجی PWM فیلتر شده.

در این مدار فرکانس قطع فیلتر خروجی بر روی 4000Hz تنظیم شده است، که یک چهارم فرکانس PWM (15,686Hz) است.

سرعت کلاک سیستم و رزولوشن PWM مقدار فرکانس PWM را تعیین میکنند. با کلاک سیستم 8MHz برای رزولوشن 10 بیت 3922Hz است(8MHz/2x2^10=3922Hz) 7843Hz برای رزولوشن 9 بیت و 15,686Hz برای رزولوشن 8 بیت.

فقط آخرین مقدار به اندازه کافی بزرگ است تابعنوان سیگنال کریر برای سیگنال 4000Hz استفاده شود.

فیلتر خروجی فرکانس های بالای سیگنال حامل PWM را حذف میکند. نتیجه خروجی سیگنال برای سیگنال نمونه نشان داده شده ، شبیه تصویر 8 است.

تصویر 8، سیگنال خروجی PWM.

مدار میکروفن و اسپیکر

آمپلی فایر میکروفن یک آمپلی فایر معکوس ساده است. گین مدار توسط مقاومت R1 و R9 تنظیم میشود.(گین = R1 / R9). R4 برای تامین تغذیه میکروفن و C1 برای مسدود کردن ورود مقادیر DC به آمپلی فایر استفاده شده. R2 ,R3 مقدار افست را تنظیم میکنند.R5 و C8 یک فیلتر پایین گذر ساده را تشکیل میدهند. بعلاوه R5 محافظت میکند آمپلی فایر را از هرگونه خطر در صورتیکه خروجی اتصال کوتاه شده باشد. مدار اسپیکر شامل 5 طبقه فیلتر پایین گذر چبیچو است و یک طبقه تقویت کننده.
فیلتر ها از دو طبقه دوتایی فیلتر اکتیو(R6 , R7 , R8 , C2 , C7 و R7 , R10 , R11 , R9 , C9 , C5) و یک طبقه فیلتر پسیو(R11 , C4) است.

جهت مشاهده نقشه در ابعاد بزرگتر برروی آن کلیک کنید

/*****************************************************
This program was produced by the
CodeWizardAVR V1.25.9 Professional
Automatic Program Generator
© Copyright 1998-2008 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l.
http://www.hpinfotech.com

Project : 
Version : 
Date    : 2010/05/21
Author  : Hossein Lachini                 
Company : HLachini                        
Comments: 


Chip type           : ATmega32
Program type        : Application
Clock frequency     : 8.000000 MHz
Memory model        : Small
External SRAM size  : 0
Data Stack size     : 512
*****************************************************/

#include <mega32.h> 
#include <stdlib.h>
#include <delay.h>
#include <spi.h>
#include "mmc_lib.h"
#include "Windows XP Startup.c"

#define KEY_PLAY        PIND.1
#define KEY_RECORD      PIND.2
#define KEY_ERASE       PIND.3 
#define LED             PORTB.0

#define ON              1
#define OFF             0 

#define SectorSize         512   
#define MMC_CS               PORTB.4 


#define RECORD_TIME          30

 // Alphanumeric LCD Module functions
 #asm
   .equ __lcd_port=0x15 ;PORTC  
 #endasm
 #include <lcd.h>
#define ADC_VREF_TYPE 0x60

typedef unsigned char BYTE;
typedef    unsigned int  WORD;

BYTE buf_mmc[SectorSize]; 

// Read the 8 most significant bits
// of the AD conversion result
unsigned char read_adc(unsigned char adc_input)
{
ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff);
// Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage
delay_us(10);
// Start the AD conversion
ADCSRA|=0x40;
// Wait for the AD conversion to complete
while ((ADCSRA & 0x10)==0);
ADCSRA|=0x10;
return ADCH;
}

// Declare your global variables here
unsigned char t1ovf;    
// Timer 1 overflow interrupt service routine
interrupt [TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr(void)
{
// Place your code here
 if(t1ovf)
  t1ovf--;
}  

void play_sample(void)
{
 WORD idx;
 for(idx=0;idx<DURATION;idx++)
      {
        OCR1B = data[idx]; 
        t1ovf=2;
        while(t1ovf);
      }
  OCR1B = 0;    
}   

void menu(void)
{
 lcd_clear();
 lcd_putsf("PLY   REC   ERS");
}

void record(void)
{
 WORD i,mmc_sector_num;
 lcd_clear();
 lcd_putsf("Record");
 lcd_gotoxy(0,1);
 LED = ON;
 for(mmc_sector_num=0;mmc_sector_num<RECORD_TIME*14;mmc_sector_num++)
 {
  for(i=0;i<SectorSize;i++)
  {
   buf_mmc[i] = read_adc(0);
   t1ovf=2;
   while(t1ovf);
  }
  mmc_write(mmc_sector_num, buf_mmc);
  if(mmc_sector_num%(RECORD_TIME*14/10)==0)
   lcd_putsf("#");
 } 
 LED = OFF;
 menu();
}

void play(void)
{
 WORD idx,mmc_sector_num; 
 lcd_clear();
 lcd_putsf("Play");
 lcd_gotoxy(0,1);
 LED = ON;
 for(mmc_sector_num=0;mmc_sector_num<RECORD_TIME*14;mmc_sector_num++)
 {
  mmc_read(mmc_sector_num, buf_mmc);
  for(idx=0;idx<SectorSize;idx++)
      {
        OCR1B = buf_mmc[idx]; 
        t1ovf=2;
        while(t1ovf);
      }
  if(mmc_sector_num%(RECORD_TIME*14/10)==0)
   lcd_putsf("#");
 }
 LED = OFF;
 menu();     
}

void mic2spk(void)
{
lcd_clear();
lcd_putsf("Mic -> Spk");
lcd_gotoxy(0,1);
lcd_putsf("     REC => EXIT");
 while(~KEY_ERASE)
 {
  OCR1B = 1 * read_adc(0);
  t1ovf=2;
  while(t1ovf);
 } 
 menu();
}

void adc2lcd(void)
{
 BYTE ad;
 char str[8];
 static unsigned char ad_old;
 lcd_clear();
 lcd_putsf("ADC -> LCD");
 lcd_gotoxy(0,1);
 lcd_putsf("     REC => EXIT");
 delay_ms(3000);
 while(~KEY_RECORD)
 {
  ad = read_adc(0);
  if(ad != ad_old)
  { 
   lcd_clear();
   lcd_putsf("ADC=");
   itoa(ad, str);
   lcd_gotoxy(5,0);
   lcd_puts(str); 
   lcd_gotoxy(0,1);
   ad_old = ad;
   ad/=16;
   for(;ad;ad--)
    lcd_putsf("#");
   delay_ms(100); 
  }
 }
 menu(); 
}

void testmmc(void)
{
 WORD i,mmc_sector_num;
 lcd_clear();
 lcd_putsf("Erase");
 LED = ON;
 for(mmc_sector_num=0;mmc_sector_num<DURATION/SectorSize;
mmc_sector_num++)
 {
  for(i=0;i<SectorSize;i++)
  {
   buf_mmc[i] = data[mmc_sector_num*SectorSize+i];
  }
  mmc_write(mmc_sector_num, buf_mmc);
 } 
  for(i=0;i<SectorSize;i++)
  {
   buf_mmc[i] = 0;
  }
  mmc_read(0, buf_mmc);
  for(i=0;i<SectorSize && buf_mmc[i] == data[i];i++);
  lcd_clear();
  if(i==SectorSize)
  {
   lcd_putsf("MMC OK");
   LED = OFF;
  } 
  else
  {
   lcd_putsf("MMC Fail!");
  }
 delay_ms(1000); 
 menu(); 
}

void init(void)
{
// Input/Output Ports initialization
// Port A initialization
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In 
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T 
PORTA=0x00;
DDRA=0x00;

// Port B initialization
// Func7=In Func6=Out Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=Out 
// State7=T State6=0 State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=0 
PORTB=0x00;
DDRB=0xB1;

// Port C initialization
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In 
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T 
PORTC=0x00;
DDRC=0x00;

// Port D initialization
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=Out Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In 
// State7=T State6=T State5=T State4=0 State3=T State2=T State1=T State0=T 
PORTD=0x00;
DDRD=0x10;

LED = OFF;

// Timer/Counter 0 initialization
// Clock source: System Clock
// Clock value: Timer 0 Stopped
// Mode: Normal top=FFh
// OC0 output: Disconnected
TCCR0=0x00;
TCNT0=0x00;
OCR0=0x00;

// Timer/Counter 1 initialization
// Clock source: System Clock
// Clock value: 8000.000 kHz
// Mode: Ph. correct PWM top=00FFh
// OC1A output: Discon.
// OC1B output: Non-Inv.
// Noise Canceler: Off
// Input Capture on Falling Edge
// Timer 1 Overflow Interrupt: On
// Input Capture Interrupt: Off
// Compare A Match Interrupt: Off
// Compare B Match Interrupt: Off
TCCR1A=0x21;
TCCR1B=0x01;
TCNT1H=0x00;
TCNT1L=0x00;
ICR1H=0x00;
ICR1L=0x00;
OCR1AH=0x00;
OCR1AL=0x00;
OCR1BH=0x00;
OCR1BL=0x00;

// Timer/Counter 2 initialization
// Clock source: System Clock
// Clock value: Timer 2 Stopped
// Mode: Normal top=FFh
// OC2 output: Disconnected
ASSR=0x00;
TCCR2=0x00;
TCNT2=0x00;
OCR2=0x00;

// External Interrupt(s) initialization
// INT0: Off
// INT1: Off
// INT2: Off
MCUCR=0x00;
MCUCSR=0x00;

// Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization
TIMSK=0x04;

// Analog Comparator initialization
// Analog Comparator: Off
// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off
ACSR=0x80;
SFIOR=0x00;

// ADC initialization
// ADC Clock frequency: 1000.000 kHz
// ADC Voltage Reference: AVCC pin
// Only the 8 most significant bits of
// the AD conversion result are used
ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff;
ADCSRA=0x83;

// LCD module initialization
lcd_init(16);

// SPI initialization
// SPI Type: Master
// SPI Clock Rate: 2000.000 kHz
// SPI Clock Phase: Cycle Half
// SPI Clock Polarity: Low
// SPI Data Order: MSB First
SPCR=0x50;
SPSR=0x00;
mmc_init();
 
LED = OFF;

// Global enable interrupts
#asm("sei")
}

void main(void)
{
// Declare your local variables here
init();
lcd_clear();
lcd_putsf("LOADING...");
lcd_gotoxy(0,1);
lcd_putsf("PLY         ERS");
play_sample();          
if(KEY_PLAY)
 mic2spk(); 
if(KEY_ERASE)
 adc2lcd();
menu();
while (1)
      {
      // Place your code here

      if(KEY_PLAY)
       play();
      if(KEY_RECORD)
       record();
      if(KEY_ERASE)
       testmmc();  
      };
}

این برنامه با  کدویژن نوشته شده است. در ابتدای برنامه صدای استارت ویندوز Ú©Ù‡ درون حافظه اصلی میکرو ذخیره شده پخش میشود. بدینوسیله شما از سالم بودن میکرو Ùˆ مدار اسپیکر مطمئن میشوید. در حین پخش این صدا میتوانید وارد منوهای تست میکروفن ØŒ تست مبدل آنالوگ به دیجیتال Ùˆ یا تست حافظه وارد شوید. پس ازپایان پخش صدای استارت ویندوز، میتوانید یکی از منوهای ضبط Ùˆ یا پخش Ùˆ یا پاک کردن حافظه را انتخاب کنید.

در صورتیکه مایل باشید میتوانید میکرو پروگرم شده Ùˆ یا مدار کامل برروی PCB به همراه توضیحات Ùˆ یا فقط نقشه های PCB Ùˆ برنامه میکرو Ùˆ سایر اطلاعات لازم را جهت ساخت Ùˆ ارائه در  دانشگاه Ùˆ یا سایر کاربردهای خود با سفارش به ما دریافت کنید