Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья

Роман Криночкин (г. Винница)

Диктофоны, автоответчики, системы промышленной связи, системы безопасности с интеркомами, говорящие игрушки, беспроводные гарнитуры и многие другие приложения можно воплотить фактически на единственном чипе. Это микроконтроллер из семейства STM32F компании STMicroelectronics.

Неизменное улучшение технологии производства полупроводниковых кристаллов, вместе с увеличением плотности интеграции, привело к расширению Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья многофункциональных способностей микросхем, что в свою очередь, позволило существенно прирастить область внедрения микроконтроллеров (МК). Современный МК отличается не только лишь высочайшим быстродействием и огромным объемом RAM- и Flash-памяти, да и богатым набором устройств перифирии, гарантирующих возможность внедрения в самых различных ситуациях, для которых ранее приходилось использовать дискретные многокорпусные Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья наборы микросхем. Но за высшую производительность и универсальность приходиться рассчитываться значимым энергопотреблением.

На 1-ый взор все микроконтроллеры с одной ARM-архитектурой должны быть схожи. Но, невзирая на схожее ядро, «пробным камнем», позволяющим отличить успешный продукт от плохого, является соотношение «функциональность/стоимость/энергопотребление». Компании STMicroelectronics удалось достигнуть в собственных продуктах сочетания Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья низкого энергопотребления при высочайшей производительности и богатейшего набора периферии по применимой стоимости. Все это позволяет отыскивать новые способности использования семейства микроконтроллеров STM32F. В статье речь пойдет о внедрении МК STM32F (в главном семейства «Connectivity line» STM32F105xx/107xx, также STM32F103xC/D/E) в разные звуковые Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья приложения.

Самым обычным примером использования STM32F в области звуковых приложений является создание всеохватывающего аудиопроигрывателя с возможностью чтения аудиопотока с USB Flash-носителей и карт памяти, поддержкой HMI (human machine interface) в виде сенсорных экранов и/либо кнопочных устройств ввода и с выводом инфы по шине I Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья2S прямо в ЦАП (рис. 1) [1].

Рис. 1.

Пример организации аудиопроигрывателя на базе семейства «Connectivity line»

Но не стоит мыслить, что применение этих чипов ограничивается бытовой аудиовоспроизводящей аппаратурой. Производителям удалось интегрировать в данную серию также поддержку контроллера протокола передачи данных Ethernet, промышленную шину связи CAN с выделенной памятью, огромное количество таймеров и 16-канальный АЦП Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья. Таким макаром, данный МК совмещает внутри себя как функции, направленные на внедрение в потребительских приложениях, так и обычно присущие индустриально-ориентированным контроллерам характеристики, что делает вероятным применение серии «Connectivity line» в всеохватывающих приложениях. Ничто не мешает выстроить на базе этих чипов не только лишь аудиоплеер, да Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья и промышленную систему АСУ со звуковым оповещением. Не тайна, что шина CAN получила наибольшее распространение на транспорте, потому полностью может быть внедрение описываемых МК в системах управления автомобилем. При всем этом два независящих контроллера CAN будут применены для взаимодействия с сетью датчиков тс; существенное количество вводов/выводов общего предназначения (до Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья 81 для МК в корпусе LQFP100) может быть выделено для управления работой разных исполнительных устройств; звуковые же способности чипа будут ориентированы на создание голосового информационного канала для водителя тс либо даже (прогресс не стоит на месте) для определения его голосовых команд.

Кстати, наличие встроенного контроллера USB OTG и способность к поддержке Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья карт памяти в комплексе с высочайшей производительностью Cortex M3-архитектуры и звуковыми способностями семейства «Connectivity line» существенно упрощают создание на его базе GPS-навигаторов; остается только добавить GPS-приемник и сенсорный экран – устройство готово!

Также увлекательными сферами внедрения для чипов семейства могут стать приложения по организации безопасности (системы аудиовизуального контроля Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья периметра, интеркомы), телефония, беспроводные гарнитуры, персональная и коллективная радиосвязь (этому содействует интегрированный ЦАП) и даже частичная подмена обычных ЦОС-процессоров, словом микросхемы могут употребляться всюду, где нужно организовать передачу аудиоданных в цифровом виде. При всем этом возможность гибкой опции интерфейсов позволяет использовать их как там, где требования Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья к качеству звукового тракта относительно значительны (музыкальные приложения, Bluetooth-гарнитуры), так и там, где нужна редукция свойства в пользу пропускной возможности (системы безопасности, радиосвязь и т.п.).

Используя интегрированный 12-битный двухканальный независящий ЦАП, можно создавать такие достойные внимания устройства как генераторы шумов, приборы для тестирования частотных черт цепей, синтезаторы разных Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья музыкальных звуков и т.п.

Подчеркнем главные особенности и технические свойства чипов STM32F105xx/107xx из семейства «Connectivity line» исходя из убеждений внедрения в звуковых приложениях:

Полная поддержка цифрового аудиоинтерфейса I2S (два независящих канала);

Два независящих 12-битных ЦАП с возможностью синхронизации;

Контроллер USB OTG;

Три канала SPI Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья (мультиплексируются с I2S);

Один либо два контроллера I2C;

Ethernet (только 107xx).

Шина I2S, как она есть

Коль скоро конкретно имплементация аппаратной поддержки шины I2S предоставляет возможность широкого внедрения МК STM32F105xx/107xx в звуковых приложениях, стоит поведать о ней подробнее.

I2S (Inter-IC Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья Sound bus) является синхронной поочередной шиной, разработанной компанией Philips Semiconductors специально для связи меж микросхемами в области цифрового аудио. Дело в том, что на пути от битов данных до механических колебаний звук в цифровой форме ожидает непростой процесс преобразований, осуществляемый обычно разными интегральными схемами, такими как АЦП/ЦАП, ЦОС Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья-процессоры, корректоры ошибок, цифровые фильтры, интерфейсы и т.п. Для стандартизации связи меж разными многофункциональными блоками и применяется протокол I2S.

Шина употребляет для связи две служебные полосы тактирования «Serial Clock» (SCK) и выбора канала «Word Select» (WS) и одну линию данных «Serial Data» (SD). Наличие полосы тактирования SCK Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья обосновано синхронной природой интерфейса, а вот наличие полосы выбора канала WS впрямую связанно с его звуковым применением. Переключая состояние данной полосы, ведущее устройство показывает на передачу данных из различных каналов стерео аудиопотока: WS = 0 – левый канал, WS = 1 – правый. Кстати спецификация предугадывает, что ведущим устройством может быть как сам Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья передатчик, так и приемник либо даже третье устройство-арбитр. При всем этом основной задачей ведущего является генерация сигналов на служебных линиях SCK и WS (рис. 2 [2]).

Рис. 2.

Варианты сочетания ведущий/ведомый и тайминги при работе по протоколу I2S

Эталон выдвигает требования к задержкам сигналов на линях WS и SD по Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья отношению к направлениям тактовой полосы, и это вправду принципиально, потому что поток аудиоданных должен восстанавливаться из цифровой формы строго в согласовании с равными временными промежутками, определяемыми частотой семплирования. В ином случае мы рискуем получить значимые преломления звука. По этой же причине ведущее устройство должно генерировать тактовый сигнал с как Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья можно большей равномерностью (стабильностью тактирования), в неприятном случае высочайшие значения неравномерности не позволят отменно воспроизвести записанное в цифровой форме музыкальное произведение.

Существует еще одна неувязка, связанная с вопросами тактирования. Дело в том, что разным периферийным интерфейсам нередко нужна разная частота системной шины. Микроконтроллеры семейства STM32F разработаны таким макаром, чтоб очень воплотить Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья способности интегрированных устройств при использовании всего 1-го наружного осциллятора. Для этого предвидено несколько внутренних делителей и PLL-умножителей частоты, которые могут быть мультиплексированы для заслуги разных сочетаний частоты тактирования, нужной разным периферийным блокам. Но, невзирая на это, при одновременном использовании огромного количества блоков бывает тяжело либо Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья нереально подобрать нужную комбинацию характеристик. Также внедрение делителей и умножителей усугубляет стабильность тактирования. Потому, к примеру, трудно достигнуть заявленной стабильности на шине I2S при одновременном использовании ее с USB и Ethernet. Приходиться выбирать: или использовать меньше устройств, или соглашаться на ухудшение свойства. Вобщем, ухудшение не так и велико – стабильность тактирования в Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья худшем случае составляет для всех частот семплирования 0.1…0.4% и лишь на единственной частоте 96 кГц растет до малоприемлемых 2% [3, раздел 24.4.3].

Аппаратную поддержку шины I2S предоставляют последующие модели микроконтроллеров: STM32F 103xC/D/E, 105xx, 107xx, при всем этом заявленные характеристики таковы [1]:

Программно конфигурируемое разрешение 16/32 бит;

Стабильность тактирования: более Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья 0.5%

Возможность работать в режимах ведущего и ведомого;

Поддержка частот семплирования от 8 до 96 кГц;

Два независящих приемопередатчика.

Нужно также отметить, что спецификация протокола I2S не клеветает какого-нибудь определенного физического уровня для шины (все, что есть в эталоне – величина напряжений, считающихся высочайшим и низким уровнем сигнала). Потому производители при использовании Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья наружных связей меж устройствами прибегают к разным видам физической реализации, к примеру, используют разъемы и кабели HDMI, маркируя их подходящим образом (на рис. 3 приведен пример конкретно такового устройства [4]).

Рис. 3.

Пример физической реализации шины I2S в виде разъема HDMI

Как использовать интегрированный ЦАП

Ранее мы подчеркивали наличие в микросхемах STM32F105xx Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья/107xx встроенного двухканального 12-битного ЦАП, который может быть полностью подходящ к использованию в почти всех звуковых приложениях, где нет необходимости в высочайшей точности преобразования.

Заявленные характеристики ЦАП:

Два стопроцентно независящих преобразователя;

8/12-битный равномерный выход;

Выдача до 1-го миллиона семплов за секунду;

Возможность синхронизации для вывода стереосигнала;

Отключаемый выходной буфер Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья для роста нагрузочной возможности;

Отдельный канал прямого доступа к памяти;

Интегрированный генератор псевдослучайных чисел;

Интегрированный генератор треугольных импульсов;

Погрешность смещения- 10 мВ либо до 12 МЗР;

Дифференциальная нелинейность 2 МЗР, интегральная- 4 МЗР.

Невзирая на относительно низкое разрешение (до 12 бит), сфера внедрения таких ЦАП может быть довольно широка, в том числе и Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья за счет интегрированных генераторов треугольных импульсов и псевдослучайных чисел. К примеру, при помощи последнего нетрудно воплотить генератор белоснежного шума с равномерным диапазоном и перестраиваемой неизменной составляющей. Это бывает нужно в синтезаторах электрической музыки для получения необыкновенных звуковых эффектов либо даже для симуляции неких «живых» инструментов с высочайшей Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья шумовой компонентой (перкуссия, цимбалы и т.п.).

Также генераторы шумов могут быть применены для тестирования частотных черт аудиоцепей (фильтров, усилителей). При оцифровке музыки и других низкочастотных сигналов может быть применение шумовых сигналов для роста разрядности АЦП сверх заявленной (т.н. шумовой оверсемплинг).

Если гласить о прямом применении АЦП МК STM32F Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья для проигрывания звука, то оно оправдано в почти всех сферах, где качество звучания играет второстепенную роль. К примеру, в телефонной либо радиосвязи полностью довольно и наименьшего разрешения, при всем этом микроконтроллер мог бы взять на себя другие интерфейсные функции - оцифровку звука интегрированным АЦП, кодирование/декодирование подходящим вокодером, отработку кнопок Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья, вывод на экран. Аналогичным образом огромное количество других приложений могут быть реализованы фактически на единственном чипе: диктофоны, автоответчики, системы безопасности с интеркомами, говорящие игрушки, беспроводные гарнитуры и т.д.

Важной особенностью встроенного ЦАП является наличие отключаемого буфера, который призван уменьшить выходное сопротивление преобразователя. Это позволяет существенно прирастить Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья нагрузочную способность прибора, чего нередко бывает довольно для подключения впрямую наружной нагрузки без использования дополнительного операционного преобразователя. Для сопоставления, допустимая малая резистивная нагрузка с включенным буфером равна 5 кОм, без буфера (для получения 1% точности) она составит более 1.5 МОм. При подключении нагрузки меньше допустимой напряжение на выходе ЦАП будет отличаться от данного программно (нагрузка Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья будет «просаживать» выход по напряжению), что приведет к уменьшению точности преобразования.

Кодеки, кодеки и снова кодеки

При работе с микроконтроллерами важным при выборе аппаратной платформы является наличие у производителя соответственных программных инструментов, облегчающих разработку: драйверов контроллеров, стеков для разных протоколов и т.д. В случае работы с аудио нужной Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья частью программного обеспечения являются кодеки, дозволяющие читать и сохранять файлы из/в пользующиеся популярностью форматы. Основная задачка кодека при записи файла – это сжатие (с потерями либо без) начального аудиопотока для более экономичного его хранения на наружных носителях и/либо передачи по каналам связи. При декодировании появляется оборотная Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья задачка – конвертировать сжатые данные в аудиопоток, применимый для прямого перевода в аналоговую форму.

Различные кодеки имеют разную эффективность и качество сжатия, также они отличаются количеством вычислительных операций для проведения кодировки/декодирования, некие кодеки являются проприетарными, другие распространяются безвозмездно. Потому следует трепетно подойти к вопросу выбора того либо другого кодека для разрабатываемого Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья приложения. К примеру, при реализации аудиоплеера принципиальна поддержка как можно большего числа форматов проигрывания звука. При разработке аппаратуры для радиосвязи принципиально не обилие форматов, а действенный двунаправленный кодер речи (вокодер), мало загружающий CPU и канал приемопередачи.

Общей особенностью фактически всех аудиоприменений является критичность к временным задержкам, потому Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья выбор кодека нужно производить с учетом нужной производительности CPU, которая должна быть достаточной для произведения всех нужных вычислений кодировки/декодирования «на лету». Внедрение каналов прямого доступа к памяти также существенно наращивает общую производительность системы, так как эти каналы избавляют необходимость роли микропроцессора при передаче уже обработанных данных от Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья 1-го периферийного устройства к другому.

Посреди кодеков для внедрения в семействе МК STM32F можно отметить:

Speex Vocoder – бесплатный open-source кодек для кодировки/декодирования речи. Предоставляет настоящее решение для записи, проигрывания либо передачи речи. Область внедрения – автоответчики, интеркомы, диктофоны, коротковолновые рации. При применении данного кодека на микропроцессорах STM32F103xx Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья с частотой ядра 72 МГц кодирование речи со средним качеством загружало CPU на 52%, декодирование – на 8%. Объем памяти нужный для работы кодека: память данных (Flash) – 32 кбайт, память программ (RAM) – 7 кбайт [5].

Базируется на технологии CELP (code-excited linear prediction);

Три частоты семплирования (8/16/32 кГц) при неизменном битрейте;

Разработка VBR- кодирование с переменным битрейтом (от Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья 2 до 44кбит/с)

Детектирование присутствия голоса (VAD), прерывающаяся передача (DTX);

Подавители эха и шумов.

STM32 Spirit Audio Engine – полный качественный аудиодвижок, безвозмездно предоставляемый для использования с STM32F. Модель распространения несколько неудобна - для получения бесплатного доступа юзер должен связаться с региональным дилером, подписать лицензионное соглашение, после Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья этого ему будет отправлен диск, содержащий аудиодвижок, документацию и примеры. Нужно также увидеть, что хотя сам движок бесплатен, разработчик не освобождается от оплаты отчислений за внедрение форматов .mp3 и .wma.

Кодирование аудио в формате *.mp3;

Декодирование аудио в форматах *.mp3 и *.wma, с интегрированным эквалайзером;

Регулятор громкости;

Трехполосный эквалайзер;

Микшер Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья каналов.

Демо платы

Компания STMicroelectronics предлагает отладочную плату на базе МК STM32F107VCT, в какой реализована попытка очень использовать всю имеющуюся в чипе периферию. Касательно интересующей нас звуковой части, на плате расположен отдельный 24-битный дельта-сигма стерео ЦАП CS43L22, присоединенный к МК по интерфейсу I2S Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья. Это производительный ЦАП с низким энергопотреблением, он имеет в собственном составе усилитель, рассчитанный для работы как на наушники (14 мВт; 16 Ом@2.5 В), так и на маленькие громкоговорители (класс D, выходная мощность в стерео 2×1 Вт, 8 Ом@5 В).

Демо плата может быть настроена для вывода звука через ЦАП, интегрированный в МК, в Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья данном случае наружный ЦАП употребляется как усилитель. Также на плате расположен 3.5 мм разъем для подключения средств звуковоспроизведения.

В сети можно повстречать близкие многофункциональные аналоги этой платы с некими маленькими отличиями, к примеру, с наличием микрофона [6].

STMicroelectronics выпускает еще одну плату, разработанную специально для использовании в звуковых применениях – STEVAL-CCA021V Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья1 (рис. 4) на базе МК STM32F103RE с поддержкой USB.

Рис. 4.

Демо плата STEVAL-CCA021V1 для звуковых приложений

В состав платы входят несколько аудио микросхем, а конкретно: 16-битный I2S ЦАП TS4657 с линейным RCA-выходом; два усилителя класса D – моно TS4962 (1.4 Вт; 8 Ом@5 В) с выводом на Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья интегрированный динамик/моно-джек, стерео TS2012 (2×1.15 Вт; 8 Ом@5 В) с выходами на наружные громкоговорители; микрофонный предусилитель TS472 с усилением до 40 дБ.

МЭМС-микрофоны

Данный обзор был бы неполным без нескольких слов о новых микрофонах, выполненных по технологии МЭМС. До недавнешнего времени, когда шла речь о МЭМС, почти всегда имелись в виду Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья малогабаритные встраиваемые акселерометры. Но сама разработка существенно обширнее и предполагает под собой внедрение средств производства электрической техники (литография, травление и т.п.) в изготовлении разных механических устройств (фактически говоря, МЭМС – это МикроЭлектроМеханическая Система). По мере развития технологии находятся все новые и новые внедрения для нее – детекторы давления, микродвигатели, гироскопы и Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья т.п. Сейчас дело дошло и до микрофонов. По принципу деяния древняя испытанная конструкция конденсаторного микрофона осталась без конфигураций – та же заряженная эластичная мембрана, двигающаяся под действием механических колебаний. Но технологически это совсем другой продукт, которому предсказывают широчайшее применение. Дело в том, что размеры и цена Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья производства МЭМС-микрофонов на порядок ниже, чем у их братьев, изготовленных по традиционной технологии. При всем этом качество преобразования звука и надежность выше. Потому МЭМС-устройства обещают революцию в этой области и могут быть внедрены фактически в хоть какой прибор, требующий преобразования звука, без особого воздействия на его размер и конечную цена Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья.

В 2010 году STMicroelectronics приступила к производству МЭМС-микрофонов – модель MP45DT01 имеет однобитный PDM-выход (pulse density modulation - плотностно-импульсная модуляция) и просит тактирования наружным сигналом с частотой 2.5 МГц. Свойства устройства последующие:

Чувствительность –26 dBFS;

Отношение сигнал/шум 58 dB;

Точка акустической перегрузки 120dBSPL;

Размеры 4.72 × 3.76 мм;

Средний ток Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья употребления – 0.65 мА при 1.8 В

Возможность совместной работы пары микрофонов в стерео режиме [7]

Наличие PDM-выхода позволяет использовать сигнал как в цифровых, так и в аналоговых схемах (пропустив его за ранее через фильтр нижних частот).

Перечень литературы

STM32F105xx/107xx Datasheet (http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья_LITERATURE/DATASHEET/CD00220364.pdf)

I2S bus specification. Philips Semiconductors, 1996.

Reference Manual for STM32F101xx, STM32F102xx, STM32F103xx, STM32F105xx and STM32F107xx [RM0008]

http://www.flickr.com/photos/mikelaaron/3946085257/

Vocoder demonstration using a Speex audio codec on STM32F101xx and STM Звуковые возможности микроконтроллера STM32F - статья32F103xx microcontrollers [AN2812]

http://www.embedinfo.com/en/list.asp?id=57

MP45DT01 Datasheet. MEMS audio sensor omni-directional digital microphone, STMicroelctronics, 2010.



zvuchit-stihotvorenie-topi-da-bolota-yuliya.html
zvuk-eto-mehanicheskie-kolebaniya-chastota-kotorih-nahoditsya-v-intervale-ot-20-gc-do-20-000-gc.html
zvuk-j-v-nachale-sloga-v-sochetanii-s-glasnim-e.html