Введение

В этой статье мы рассмотрим практический пример использования SD карты с микроконтроллером AVR. По просьбе трудящихся я написал проект, который читает с SD карты wav файл и воспроизводит его.

Для проекта я использовал микроконтроллер atmega16, тактируемый от внешнего кварца с частотой 6 МГц. В качестве ЦАПа задействована функция формирования ШИМ сигнала таймера Т0. Wav файл для воспроизведения был выбран с такими параметрами: 8 бит, 22 кГц, моно.

Низкоуровневые функции для работы с SD картой

Чтобы использовать библиотеку Petit FatFs с SD картой, нужно реализовать три низкоуровневые функции для работы с ней - это функция инициализации, чтения и записи. Если вы читали предыдущий материал, в котором была описана библиотека Petit FatFs, то должны помнить, что "пустышки" этих функций находятся в файле diskio.c

На сайте Elm Chan`a есть примеры использования библиотеки с SD картами, поэтому можно взять уже готовые функции из этих проектов, что я и сделал. Я позаимствовал из одного примера файл mmc.c и заменил им файл diskio.c , однако файл mmc.c тоже потребовал небольшого "допиливания".

В начале файла определены макросы, реализующие работу с SPI интерфейсом. Можно определить эти макросы для работы с аппаратным SPI модулем, а можно реализовать программный SPI. Это уже вопрос ресурсов и желания пользователя.

Макросы такие:

#define SELECT() - формирует низкий уровень на CS выводе карты
#define DESELECT() - формирует высокий уровень на СS выводе карты
#define MMC_SEL - возвращает единицу, если на выводе CS низкий уровень
#define init_spi() - инициализирует SPI модуль
#define dly_100us() - формирует задержку на 100 микросекунд
#define xmit_spi(d) - передает байт данных по SPI
#define rcv_spi() - принимает байт данных по SPI
#define FORWARD(d) - перенаправляет поток данных, этот макрос можно оставить пустым

Все эти макросы легко реализовать, если прочитать материал про SPI модуль AVR микроконтроллера. Я как раз взял оттуда spi драйвер и "прицепил" его к файлу mmc.c.

Короче, получается такая последовательность. Мы берем библиотеку Petit FatFs добавляем к ней файл mmc.c из примеров Elm Chan`a, описываем макросы реализующие spi и после этого можем работать с SD картой. Немного заморочено, но если один раз разобрался, то все становится понятно.

Итак, я все это проделал и теперь могу использовать SD карту. И чтобы показать, что это действительно работает, я написал проект, в котором микроконтроллер читает с SD карты wav файл и воспроизводит.

Воспроизведение звука микроконтроллером

Поскольку проект исключительно демонстрационный, я не гнался за качеством звука, а постарался сделать код как можно более простым.

В качестве файла для воспроизведения я взял произвольный mp3 трек (мне попалась песня группы Prodigy) и перекодировал его в wav файл с такими параметрами: 8 бит, 22 кГц, моно. Для конвертирования файла я использовал видео редактор Sony Vegas, но можно найти программу и попроще. Например, такая функция есть во многих аудио редакторах вроде Sound Forge, WaveLab, Cool Edit и т.д.

"8 бит" - это разрядность одной выборки аналогового сигнала. Звук хорошего качества обычно имеет разрядность 16 (CD качество) или 24 бита (студийная запись), но для микроконтроллерной "говорилки" 8-и разрядов хватит за глаза.

"22 кГц" - это частота дискретизации. То есть частота, с которой из аналогового сигнала "брались" выборки. С этой же частотой мы должны преобразовывать цифровые выборки сигнала в аналоговые напряжения. Цифровой звук хорошего качества обычно имеет частоту дискретизации 44.1 кГц (CD качество), 96 кГц ( студийная запись) и т.д.

"моно" - означает одну звуковую дорожку, которая будет воспроизводиться как в правом, так и в левом аудио каналах.

Итак, для воспроизведения wav файла с параметрами 8 бит, 22 кГц, моно, нам понадобится одноканальный 8-и разрядный ЦАП, способный формировать на выходе аналоговые напряжения с частотой 22 кГц. Поскольку у большинства AVR`ок нет встроенного цифро-аналогового преобразователя, мы можем использовать следующие варианты:

- аппаратный ШИМ,
- программный ШИМ,
- внешний интегральный ЦАП,
- внешняя схема ЦАП`a .

Реализация программного ШИМ`a требует от микроконтроллера большого быстродействия, поэтому я не захотел с ним связываться. Внешний ЦАП обычно использует SPI, который нужен для SD карты. Внешняя схема ЦАП`а, например схема R-2R, неплохой вариант, но под нее нужно отдать целый порт микроконтроллера.

Исходя из этого, я остановил свой выбор на аппаратном 8-и разрядном ШИМ`е. Во первых, эта функция есть во всех микроконтроллерах AVR, а во-вторых, для реализации ЦАП`а требуется всего один вывод микроконтроллера.

В одном из старых материалов я уже описывал принцип формирования аналогового сигнала с помощью ШИМ, однако в случае wav файла здесь не все так просто.

С какой частотой можно формировать аналоговые напряжения с помощью ШИМ? Это зависит от трех параметров: тактовой частоты микроконтроллера, делителя таймера и его разрядности. Например, для 8-и разрядного ШИМ сигнала при тактовой частоте микроконтроллера 16 МГц можно получить следующие частоты.

Тактовая частота микроконтроллера Fcpu = 16000000 Гц
Тактовая частота таймера Т0 Ftim = Fcpu/k , где k - 1, 8, 64, 256, 1024.
Частота ШИМ сигнала Fpwm = (Fcpu/k)/2^8 = Fcpu/(k*256)

при k = 1 Fpwm = 62500
при k = 8 Fpwm = 7812
при k = 64 Fpwm = 976
при k = 256 Fpwmn = 244
при k = 1024 Fpwm = 61

Ближайшая частота к требуемым 22 килогерцам - это 7812, но такая частота не подойдет. Файл, воспроизводимый с такой частотой, будет уж слишком замедленным. Надо подобрать такую тактовую частоту микроконтроллера, при которой можно получить требуемую частоту формирования аналоговых напряжений. Неплохой результат получается при 6 МГц и k = 1

Fcpu = 6000000 Гц
Fan = 6000000/(2^8 * 1) = 23437 Гц

Звуковой файл будет немного ускоренно воспроизводиться, но на слух это почти незаметно.

Итак, аналоговые напряжения будут формироваться с помощью ШИМ функции аппаратного таймера Т0, но как разнести процесс чтения данных с процессом воспроизведения? Считывать с SD карты по одной выборке сигнала с частотой 22 кГц не получится, микроконтроллер не будет успевать это сделать.

Тут понадобится буфер, условно состоящий из двух одинаковых половинок. Пока одна часть буфера заполняется данными с SD карты, из другой части буфера данные передаются в ЦАП (в нашем случае таймеру). Нужно только выбрать такой размер буфера, при котором эти два процесса не будет "наезжать"друг на друга.

Я подбирал размер буфера следующим образом. Задал максимальную частоту SPI модуля микроконтроллера atmega16 и посмотрел сколько времени затрачивается на чтение данных с SD карты. То есть сколько времени выполняется функция pf_read(..).

При тактовый частоте Fcpu = 6 МГц эта функция выполнялась ~2.5 мс, но иногда попадались циклы по 5 мс (наверное из-за чтения на границе секторов .. напишите в комментариях, если знаете). Причем это время не зависело от количества данных - и 32, и 64, и 128 байт читались за одно и то же время.

Затем я посчитал сколько данных будет передано в ЦАП за время 5 мс. Частота нашего псевдо ЦАП`a = 23437 Гц, соответственно период = 42.6 мкс. Делим 5 мс на 42.6 и получаем искомую цифру.

n = 0.005/(1/23437) = 117

То есть за 5 мс микроконтроллер выдаст 117 выборок сигнала, при этом за это же время успеет прочитать с карты 128 выборок. Получается, что если взять буфер размером 256 байт микроконтроллер будет успевать выполнять обе задачи и даже остается небольшой запас времени. Он, кстати, необходим, потому что в процесс чтения данных с SD карты, будут вклиниваться прерывания таймера Т0.

Так я и сделал. Выбрал размер буфера равным 256 байт.

Схема для проекта

Схема питается от двух стабилизаторов - 3.3 В и 5 В. Как вариант можно запитать все схему от 3-х вольтового источника (тогда даже не понадобятся преобразователи уровней) или понизить 5-и вольтовое напряжение с помощью трех последовательно включенных диодов и запитать таким образом SD карту.

Микроконтроллер тактируется от внешнего кварцевого резонатора с частотой 6 МГц. SD карта подключена к микроконтроллеру по одной из приведенных ранее схем.

Для преобразования ШИМ сигнала в постоянное напряжение используется низкочастотный RC фильтр из двух каскадов. Частота среза фильтра около 10 кГц, что соответствует полосе воспроизводимого цифрового сигнала.

Для индикации состояния устройства используется светодиод LED1. Если карта не считывается в момент включения устройства, светодиод начинает моргать.

Код проекта

Все основное действо заключено в файле main.c. При старте программы происходит инициализация переменных и настройка выводов - настраивается ШИМ выход и выход для светодиода.

Затем монтируется SD карта, открывается файл под названием 1.wav и из него (в буфер) читаются 256 байт. Далее проверяется результат выполнения операций с картой. Если операции завершились неудачно, программа зацикливается и начинает моргать светодиод. Если чтение прошло успешно, программа инициализирует таймер Т0 и зажигает светодиод.

Далее разрешаются прерывания и программа попадает в бесконечный цикл, внутри которого расположен конечный автомат с тремя состояниями. В первом состоянии идет заполнение нижней половины буфера, во втором - верхней половины, а в третьем программа ничего не делает. В третье состояние автомат переходит, когда wav файл заканчивается. При этом гасится светодиод и выключается таймер Т0.

Параллельно основному циклу программы выполняется прерывание таймера Т0. Оно сделано предельно коротким. В микроконтроллер загружает в регистр сравнения OCR0 содержимое ячейки буфера, на которую указывает индексная переменная, а затем инкрементирует ее. Поскольку размер буфера равен 256 байт, индексную переменную не приходится проверять на граничное значение.

Автомат, заполняющий буфер данными, проверяет индексную переменную. И по ее значению "понимает" в какую часть буфера можно писать данные.

Неиспользуемые функции библиотеки Petit FatFs я отключил в файле pff.h.

Из недостатков проекта можно отметить два момента:

- при воспроизведении не пропускается заголовок wav файла
- когда wav файл заканчивается таймер выключается, не "доигрывая" оставшееся содержимое буфера.

//****************************************
//
// Author(s)...: Pashgan
//
// Target(s)...: Mega16
//
// Compiler....: GCC 
//
// Description.: Воспроизведение wav файла с SD карты
//
//****************************************

#include "compilers_4.h"
#include "diskio.h"
#include "pff.h"

/* выводы микроконтроллера */
#define LED_PORT PORTD
#define LED_DIR DDRD
#define LED_PIN 4

#define PWM_PORT PORTB
#define PWM_DIR DDRB
#define PWM_PIN 3

/* буфер */
#define BUF_SIZE 256UL
#define HALF_BUF ((BUF_SIZE)/2)

uint8_t buf[BUF_SIZE];

/*переменные для доступа к SD*/
FATFS fs;
WORD s1;
FRESULT res;

/*остальные переменные*/
typedef enum{ST_LOW_BUF, ST_HI_BUF, ST_STOP}state_t;
static state_t st;

static volatile uint8_t i;
static char f[] = "1.wav";

int main( void )
{
 st = 0;
 i = 0;

 /*настройка шим выхода*/
 PWM_DIR |= (1<<PWM_PIN);
 PWM_PORT &= ~(1<<PWM_PIN);

 /*статусный светодиод*/
 LED_DIR |= (1<<LED_PIN);
 LED_PORT &= ~(1<<LED_PIN);

 /*монтируем диск, открываем файл, заполняем буфер*/
 res = pf_mount(&fs);
 if (res == FR_OK){
   res = pf_open(f);
   if (res == FR_OK){
      res = pf_read(buf, BUF_SIZE, &s1); 
   }
 }

 /*если файл прочитался, то запускаем таймер*/
 if (res == FR_OK){
   TCCR0 = 0;
   TCNT0 = 0;
   TIMSK |= (1<<TOIE0);
   TIFR = (1<<TOV0);
   TCCR0 = (1<<COM01)|(0<<COM00)|(1<<WGM01)|(1<<WGM00)|(1<<CS00);

   LED_PORT |= (1<<LED_PIN);
 }
 else{

   /*в противном случае зацикливаемся
   и мигаем светодиодом */
   while(1){
      LED_PORT ^= (1<<LED_PIN);
      _delay_ms(300);
   }
 }

 sei();
 while(1){

 switch (st){
 case ST_LOW_BUF:

 /*если индекс указывает на верхнюю половину
 буфера, то заполняем нижнюю половину*/
 if (i >= HALF_BUF) {
   pf_read(buf, HALF_BUF, &s1);
   if (s1 < HALF_BUF){
      TCCR0 = 0;
      PWM_PORT &= ~(1<<PWM_PIN); 
      LED_PORT &= ~(1<<LED_PIN);
      st = ST_STOP;
   }
   else{
      st = ST_HI_BUF;
   }
 }
 break;

 case ST_HI_BUF:
 /*если индекс указывает на нижнюю половину
 буфера, то заполняем верхнюю половину*/ 
 if (i < HALF_BUF) {
   pf_read(&buf[HALF_BUF], HALF_BUF, &s1);
   if (s1 < HALF_BUF){
      TCCR0 = 0;
      PWM_PORT &= ~(1<<PWM_PIN); 
      LED_PORT &= ~(1<<LED_PIN);
      st = ST_STOP;
   }
   else{
      st = ST_LOW_BUF;
   }
 }
 break;

 case ST_STOP:
/*файл закончился, ничего не делаем*/
 break;

 default:
 break;
 }

 } 
 return 0;
}

/*ШИМ, который формирует нам аналоговый сигнал*/
ISR(TIMER0_OVF_vect)
{
   uint8_t tmp = i;

   OCR0 = buf[tmp];
   tmp++;

   i = tmp;
}

Заключение

Подведем итог. Wav файл - это последовательность выборок сигнала. Он имеет такие характеристики, как разрядность и частота дискретизации. Чтобы воспроизвести wav файл мы должны преобразовывать выборки сигнала в аналоговые напряжения, причем делать это с частотой дискретизации, иначе файл будет воспроизводиться замедленно или наоборот ускоренно.

Для формирования аналогового напряжения можно использовать широтно-импульсную модуляцию или микросхемы цифро-аналоговых преобразователей. При этому нужно учитывать производительность микроконтроллера и этих микросхем. Разрядность цифро-аналогового преобразователя должна быть равной или выше разрядности воспроизводимых данных, иначе их придется округлять.

Чтобы разнести процесс чтения данных с SD карты с процессом воспроизведения, можно использовать буфер. Из одной половины буфера данные будут читаться, в другую - записываться. Чтобы выбрать достаточный размер буфера, необходимо знать сколько времени требуется для чтения порции данных и сколько времени затрачивается на воспроизведение этой порции.

Файлы

SD-card-1-IAR.rar
SD-card-1-WinAvr.rar
SD-card-1-AS6.rar
SD-card-1-CodeVision.rar