目錄

• STC8H開發(一): 在Keil5中配置和使用FwLib_STC8封裝庫(圖文詳解)
• STC8H開發(二): 在Linux VSCode中配置和使用FwLib_STC8封裝庫(圖文詳解)
• STC8H開發(三): 基于FwLib_STC8的模數轉換ADC介紹和演示用例說明
• STC8H開發(四): FwLib_STC8 封裝庫的介紹和使用注意事項
• STC8H開發(五): SPI驅動nRF24L01無線模塊
• STC8H開發(六): SPI驅動ADXL345三軸加速度檢測模塊
• STC8H開發(七): I2C驅動MPU6050三軸加速度+三軸角速度檢測模塊
• STC8H開發(八): NRF24L01無線傳輸音頻(對講機原型)

關于PWM, DAC和音頻

PWM是脈沖寬度調制的縮寫, 因為介紹的文章很多, 自己做功課即可, 參考

• 維基百科 Pulse-width_modulation
• 百度百科 PWM技術

大部分低端MCU不帶DAC轉換, 但是可以使用PWM模擬, 對于音頻傳輸

1. 人普通談話的聲波頻率在500-2000Hz之間, 人耳可以聽到的聲波的頻率范圍在20Hz至20kHz之間
2. 用于通話, 8kHz的帶寬就能達到較好的語音傳輸效果
3. 通過PWM模擬DAC, 因為PWM是方波, 其頻率會引入底噪, 底噪的頻率是PWM頻率的倍數
4. PWM頻率在8KHz時, 在聽感上底噪很大, 與傳輸的音頻一樣明顯, 將PWM的頻率調節到16kHz以上才能有效抑制底噪

無線音頻傳輸的實作

發送部分

接收部分

以下實作的是單聲道 8kHz 8bit 采樣的音頻信號傳輸

發送部分

發送部分需要實作的是8kHz采樣, 并通過NRF24L01將每秒的8000位元組資料發送出去.

語音輸入

語音輸入可以使用駐極體話筒加S9013放大輸入或者直接使用MAX9814. 在測驗階段建議使用后者, 可以保證采樣輸入不失真, 在調通后再用駐極體話筒電路替換.

ADC音頻采樣

因為ADC采樣需要實作準確的每秒8000采樣, 所以不能用DMA方式, 在STC8H(包括STM32等其它MCU)下, 無法在DMA情況下精確調節每秒的采樣個數, 因為ADC的采樣頻率, 采樣周期和轉換周期在不同MCU中都是固定的, 所以很難正好做到8kHz的采樣. 具體的實作中有兩種方式:

1.定時器驅動采集

通過定時器設定為8kHz, 在中斷中發起ADC轉換, 是比較容易實作的. 這時候需要將ADC也實作為中斷方式, 因為ADC的轉換時間比較長, 如果在定時器中斷中做同步的ADC轉換, 容易影響主行程. 需要有定時器的中斷處理和ADC的中斷處理, 定時器的中斷處理單純用于發起轉換, ADC的中斷才用于讀出結果.

2.連續采集定時讀取

通過定時器設定為8kHz, 將ADC的采集設定為回圈方式(中斷采集, 但是在中斷時再次發起), 在定時器中斷中僅僅讀取采集結果. 這種方式也能實作8kHz的采樣. 因為這種方式實際上會多消耗電量, 所以實際使用中還是采用了前一種方法.

NRF24L01發送

NRF24L01在設定為1Mbps帶寬時實際傳輸速度能達到23k位元組每秒, 因此對于8bit 8kHz采樣的傳輸是沒問題的. 因為NRF24L01傳輸時的回應和重發機制, 在信號不好時, 容易導致發送中斷, 為了避免傳輸時間的波動影響, 在實作中使用了雙陣列做緩沖. 采樣到發送之間的邏輯為

1. 兩個256位元組陣列作為全域變數, 同時定義變數指向當前寫入的陣列編號和寫入位置
2. ADC中斷讀取結果時, 往當前編號的陣列和位置中寫入并移動位置, 當寫滿一個陣列時, 將此陣列標記為可發送, 并切換到下一個陣列繼續寫入
3. 在主行程中, 判斷當前是否有可發送的陣列, 如果可發送, 則在回圈中按32個位元組一組將資料全部發送.

因為在正常收發的信號強度下, NRF24L01的發送速度是比采樣速度快的, 所以基本上NRF24L01的發送是發送 -> 等待 -> 發送的狀態

接收部分

接收部分要實作的是將NRF24L01接收到的資料進行存盤, 并按照8kHz的頻率, 將每個值設為PWM輸出的占空比, 實作DAC模擬

RNF24L01接收

因為NRF24L01發送是集中發送, 而PWM還原是勻速的, 所以在接收也需要有緩沖, 接收的機制和發送相似

1. 兩個256位元組陣列作為全域變數, 同時定義變數指向當前寫入的陣列編號和寫入位置
2. NRF24L01通過中斷接收資料, 在接收時, 往當前編號的陣列和位置中寫入并移動位置, 當寫滿一個陣列時, 將此陣列標記為可用, 并切換到下一個陣列繼續寫入

PWM模擬DAC還原

初始化一個PWM輸出, PWM周期為256對應8bit的占空比調節范圍, 確保PWM頻率不低于16kHz. 在8kHz定時器的中斷中, 判斷當前讀取的陣列和位置, 每次讀取一個值, 并將其設定為PWM占空比. 如果陣列不可用, 就不做任何操作, 如果此時將占空比設為0, 會產生噪音.

音頻輸出

測時階段, 可以在PWM輸出上串聯一個200R的電阻后值連喇叭, 可以聽到輸出的音頻. 這個電阻不能太小, 測驗中如果阻值小于100R, 會導致MCU供電不足反復重啟. 在確定音頻輸出沒問題后, 可以替換為 PAM8403 音頻放大模塊.

在使用 PAM8403 模塊時

1. 模塊需要獨立供電, 測驗中如果與MCU都使用USB2TTL供電, 會使MCU供電不足而導致聲音輸出例外
2. 模塊與MCU的輸出可以不共地, 即模塊MCU的PWM輸出和地, 可以直接接入PAM8403的音頻輸入
3. 因為是單聲道信號, 所以只能用PAM8403的一個聲道, L或者R都可以

演示代碼

• GitHub FwLib_STC8/tree/master/demo/spi/nrf24l01_audio
• Gitee FwLib_STC8/tree/master/demo/spi/nrf24l01_audio

接線說明

在測驗中發送部分使用的是 STC8H3K32S2, 接收部分使用的是 STC8H1K08, 你可以使用STC8H系列的任意一個型號

共同的連接部分(NRF24L01)

   8H3K32S2/8H1K08  NRF24L01
   P35(SS, Ignored) => CSN    16
   P34(MOSI)        => MOSI   15
   P33(MISO)        => MISO   14
   P32(SPCLK)       => CLK    13
   P36(INT2)        => IRQ    17
   P37(IO)          => CE     18

發送部分

STC8H3K32S2         MAX9814
   P11(ADC1)        => MIC
   3.3V             => VDD
   3.3V             => GAIN
   GND              => A/R
   GND              => GND

ADC, 如果是STC8H3K32S2, 使用ADC采樣需要將AVcc, AGnd 和 ADC_Vref+ 正確連線

   AVcc             => 3.3V
   AGnd             => GND
   ADC_Vref+        => 3.3V
   P11              => Output(MAX9814) or MIC

接收部分

STC8H1K08           PAM8403
   P10(PWM1P)       => 200R => L or R Input
   GND              => _|_ Input
   Ext 3.3V/5V      => VCC
   Ext GND          => GND

注意:

1. MCU的pin腳布局不一定相同, STC8H3K32S2和STC8H1K08都是20pin的封裝, 但是pin腳布局就不一樣
2. 燒錄發送部分和接收部分時, 注意要調換 nrf24l01.c 中的 RX_ADDRESS 和 TX_ADDRESS

效果演示

B站視頻 https://www.bilibili.com/video/BV1kZ4y1Z78v

除錯說明

因為這個演示實際上包含了定時器, ADC采樣, NRF24L01發送, 接收, PWM調制這幾個環節, 任一個環節出問題, 都會導致演示失敗. 在除錯中, 需要遵循化整為零, 逐個確認的原則, 對每個節點是否作業正常進行確認.

定時器除錯

因為8kHz的輸出較難觀測, 可以用一個uint16_t的全域變數自增到8000后串口輸出觀察時間間隔是否正確

ADC除錯

1. 先通過同步模式, 查看ADC采集是否正確, STC8H1K和STC8H3K的ADC接線是不一樣的, 如果接線不正確, 輸出的就是噪音.
2. 同步采樣沒問題后, 再通過中斷方式采集檢查是否正確
3. 中斷沒問題后, 就可以結合定時器, 通過定時器發起采樣

NRF24L01 除錯

可以參考前面的例子SPI驅動nRF24L01無線模塊 單獨運行 NRF24L01 進行收發是否功能正常

PWM 除錯

有條件的可以用邏輯分析儀, 輸出正常后, 用音頻進行測驗, 可以參考PWM輸出音頻這個例子, 回圈播放一段8bit音頻檢查PWM輸出是否正確, 因為音頻較大, 測驗這個需要使用Flash容量至少32K位元組的芯片, 例如STC8H3K32S2.

最小系統聯調

最小系統的發送端先不使用ADC, 使用固定的8bit音頻作為輸入進行發送, 接收端先不外接音頻放大, 直接用200歐串聯小喇叭進行檢查, 作業正常的情況下, 音頻播放效果應當是非常好的

在最小系統聯調沒問題后, 就可以開始除錯ADC, 沒問題后最后加入音頻放大模塊.

標籤：嵌入式

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