Генерация и обработка аудио потока

Сопутствующие цели
Освоить принципы генерации аудио потока
Изучить форматы представления, хранения и передачи аудио данных
Изучить алгоритмы взаимного преобразования PDM-формата данных в PCM-формат

Постановка задачи
Согласно заданным принципиальной схеме и управляющей программе, на базе микроконтроллера ATSAM3N4C, цифро-аналогового преобразователя DAC0832 и генератора SOUNDER звука построить модель устройства генерации звуковых колебаний на базе PDM-фильтрации цифровых аудио данных

Схема в Proteus

Постановка задачи
Новый проект «MMVP_LW4_ATSAM3N4C_SOUNDER» рекомендуется создавать на базе одного из предыдущих, ранее отлаженных, например, на основе «MMVP_LW3_ATSAM3N4C_CAMERA_LCD_1» путём его копирования через буфер обмена. Лишние файлы рекомендуется удалить в соответствии со следующим рисунком

Модель устройства
генерации звуковых колебаний на базе PDM-фильтрации цифровых аудио данных
Примерный состав проекта MMVP_LW4_ATSAM3N4C_SOUNDER

Настройки микроконтроллера
Модель устройства
генерации звуковых колебаний

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
Файлы
newlib_stubs.c и flash.ld
остаются без изменений по сравнению с проектом «MMVP_LW3_ATSAM3N4C_CAMERA_LCD_1»
Проект «MMVP_LW4_ATSAM3N4C_SOUNDER»

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
#include "sam3n4c.h"
#include "pmc.h"
#include "pio.h"
#include "board.h"
#define WINLEN 32 // Количество бит
// в подвижном окне для преобразования PDM в PCM
volatile int32_t ITM_RxBuffer;
// DAC commands
// PA8 <---> /CS
#define SOUND_CS {PIO_PA8, (AT91S_PIO *) PIOA, AT91C_ID_PIOA, PIO_OUTPUT_0, PIO_DEFAULT}
// PA9 <---> /WR
#define SOUND_WR {PIO_PA9, (AT91S_PIO *) PIOA, AT91C_ID_PIOA, PIO_OUTPUT_0, PIO_DEFAULT}
Файл main.c

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
// DAC data bus
// PA0 <---> DI0
#define SOUND_DI0 {PIO_PA0, (AT91S_PIO *) PIOA, AT91C_ID_PIOA, PIO_OUTPUT_0, PIO_DEFAULT}
// PA1 <---> DI1
#define SOUND_DI1 {PIO_PA1, (AT91S_PIO *) PIOA, AT91C_ID_PIOA, PIO_OUTPUT_0, PIO_DEFAULT}
// PA2 <---> DI2
#define SOUND_DI2 {PIO_PA2, (AT91S_PIO *) PIOA, AT91C_ID_PIOA, PIO_OUTPUT_0, PIO_DEFAULT}
// PA3 <---> DI3
#define SOUND_DI3 {PIO_PA3, (AT91S_PIO *) PIOA, AT91C_ID_PIOA, PIO_OUTPUT_0, PIO_DEFAULT}
Файл main.c

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
// PA4 <---> DI4
#define SOUND_DI4 {PIO_PA4, (AT91S_PIO *) PIOA, AT91C_ID_PIOA, PIO_OUTPUT_0, PIO_DEFAULT}
// PA5 <---> DI5
#define SOUND_DI5 {PIO_PA5, (AT91S_PIO *) PIOA, AT91C_ID_PIOA, PIO_OUTPUT_0, PIO_DEFAULT}
// PA6 <---> DI6
#define SOUND_DI6 {PIO_PA6, (AT91S_PIO *) PIOA, AT91C_ID_PIOA, PIO_OUTPUT_0, PIO_DEFAULT}
// PA7 <---> DI7
#define SOUND_DI7 {PIO_PA7, (AT91S_PIO *) PIOA, AT91C_ID_PIOA, PIO_OUTPUT_0, PIO_DEFAULT}
Файл main.c

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
// Sound DAC data bus pins
Pin SoundBusPins[] = {
SOUND_DI0,
SOUND_DI1,
SOUND_DI2,
SOUND_DI3,
SOUND_DI4,
SOUND_DI5,
SOUND_DI6,
SOUND_DI7,
};
Файл main.c

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
// Sound DAC control pins
Pin SoundCtrlPins[] = {
SOUND_CS,
SOUND_WR,
};
uint8_t wave[] = { 127, 255, 222, 218, 170, 68, 16, 0, 0, 1, 4, 74, 171, 111, 127, 255,
};
const uint16_t n = sizeof(wave) / sizeof(uint8_t);
const uint8_t bytesLen = WINLEN / 8 / sizeof(uint8_t);
Файл main.c

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
/* Массив, определяющий пропорции плотности битов */
uint8_t onesQuantity[] = {
0, /* количество единичных битов в числе 0 */
1, /* количество единичных битов в числе 1 */
1, /* количество единичных битов в числе 2 */
2, /* количество единичных битов в числе 3 */
1, /* количество единичных битов в числе 4 */
2, /* количество единичных битов в числе 5 */
2, /* количество единичных битов в числе 6 */
3, /* количество единичных битов в числе 7 */
Файл main.c

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
1, /* количество единичных битов в числе 8 */
2, /* количество единичных битов в числе 9 */
2, /* количество единичных битов в числе 10 */
3, /* количество единичных битов в числе 11 */
2, /* количество единичных битов в числе 12 */
3, /* количество единичных битов в числе 13 */
3, /* количество единичных битов в числе 14 */
4, /* количество единичных битов в числе 15 */
};
Файл main.c

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
void TC0_Handler ( void );
int main ( void ) {
// Разрешение тактирования порта PIOA
PMC_EnablePeripheral ( ID_PIOA );
PIO_Configure ( SoundBusPins, PIO_LISTSIZE ( SoundBusPins ) );
PIO_Configure ( SoundCtrlPins, PIO_LISTSIZE ( SoundCtrlPins ) );
Файл main.c

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
// Инициализация таймера TC0
TC_Configure ( TC0, TC_CMR_WAVE | TC_CMR_WAVSEL_UP_RC | TC_CMR_TCCLKS_TIMER_CLOCK1 );
TC_Start ( TC0 );
TC0->TC_CHANNEL[0].TC_RC = 0x0040;
// Разрешение прерывания
// по переполнению таймера TC0
TC0->TC_CHANNEL[0].TC_IER = TC_IER_CPCS;
Файл main.c

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
// Включение обработки прерываний таймера TC0
NVIC_SetPriorityGrouping ( 0 );
NVIC_EnableIRQ ( TC0_IRQn );
for(;;) {
}
return 0;
}
Файл main.c

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
void TC0_Handler ( void ) {
/* Преобразование PDM в PCM с заданным окном длиной WINLEN бит */
uint16_t i;
uint8_t bit = wave[0] & 0x80; // Выделение старшего бита в wave[0]
/* Циклический сдвиг всего массива wave[] влево
* (в сторону старшего бита) */
for ( i = 0; i < n - 1; i++ ) {
wave[i] <<= 1;
if (wave[i+1] & 0x80) {
wave[i] |= 1; } }
wave[n-1] <<= 1;
if (bit) { wave[n-1] |= 1; }
/* -------------------------------------- */
Файл main.c

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
/* Усреднение количества единичных битов в окне,
* начиная от старшего бита wave[0] длиной WINLEN */
uint16_t onesQ = 0;
for ( i = 0; i < bytesLen; i++ ) {
onesQ += onesQuantity[(wave[i] >> 4) & 0x0F];
onesQ += onesQuantity[wave[i] & 0x0F];
}
if (onesQ) {
onesQ <<= 8; // *= 256 (ибо ЦАП 8-разрядный)
onesQ--;
onesQ /= WINLEN; }
Файл main.c

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
SoundBusPins[0].pio->PIO_SODR = onesQ & 0xFF;
SoundBusPins[0].pio->PIO_CODR = (~onesQ) & 0xFF;
PIO_Set ( SoundCtrlPins + 1 );
PIO_Clear ( SoundCtrlPins + 1 );
/* -------------------------------------- */
NVIC_ClearPendingIRQ ( TC0_IRQn );
}
Файл main.c

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
Отличительные строки файла startup_sam3n.c
static void TimingDelay_Decrement ( void );
void IntDefaultHandler ( void );
void TC0_Handler ( void );
/* Exception Table */
__attribute__ ((section(".vectors")))
IntFunc exception_table[] = {
/* Configure Initial Stack Pointer, using linker-generated symbols */
(IntFunc) (&_estack),
Reset_Handler,
IntDefaultHandler,
……………………………
IntDefaultHandler, /* 22 Reserved */
TC0_Handler, /* 23 Timer Counter 0 */
IntDefaultHandler, /* 24 Timer Counter 1 */

Программа генерации звуковых колебаний
на базе PDM-фильтрации цифровых данных
Отличительные строки make-файла
# Target file name (without extension)
TARGET=MMVP_LW4_ATSAM3N4C_SOUNDER
……………………………………………
SOURCE=startup_sam3n.c \
main.c \
newlib_stubs.c \
$(CM3_SPL_DIR)/src/pmc.c \
$(CM3_SPL_DIR)/src/pio.c \
$(CM3_SPL_DIR)/src/tc.c \
$(CM3_SPL_DIR)/src/nvic.c
Файл makefile