Музыка на ATtiny2313: двухканальный синтезатор

В статье я поведаю о том, как сделать на основе микроконтроллера Atmel ATtiny2313 двухканальный синтезатор прямоугольного сигнала и покажу, как из этого получить простой 8-битный музыкальный проигрыватель. Приводится схема рассматриваемого устройства и полный код на ассемблере.

Более подробно остановимся на следующем:

• Музыкальная теория, необходимая для реализации музыкального проигрывателя;
• Генератор частоты на 16-ти разрядных ШИМ-каналах;
• Конвертация мелодии и удобная запись нот.

Поговорим немного и о работе с оперативной памятью SRAM и организацию работы программы по принципу обработки событий.

Введение

Когда я только начинал разбираться с микроконтроллерами семейства AVR, я собрал крохотное устройство, где в качестве генератора звука использовался tiny13. Для этого там применялась ШИМ-модуляция гармонических колебаний. Тогда мне казалось, что существенным упущением было генерировать частоту из основного цикла без использования прерываний. Однако позже выяснилось, что модуляция синуса, даже с разрешением 8 бит и даже при наличии таблицы синусов для проигрывания мелодии задача весьма нетривиальная и крайне критичная по времени. В случае ATtiny2313 в наличии всего два таймера, а требуется контролировать ШИМ, модуляцию синуса на двух каналах, длительность нот, а также общий ход программы при сохранении многозадачности.

В итоге я решил, что буду рисовать музыку прямоугольными колебаниями [1] . Вообще моей главной задачей было получить как можно более точную частоту, элегантный способ задания высоты и длительности нот. И, как мне кажется, это было достигнуто.

Схема устройства

Для генерации сигнала будем использовать 16-битный таймер, поэтому нам нужны выводы микроконтроллера OC1A и OC1B. С них будем брать левый и правый каналы, предварительно пропустив через RC-фильтр, у которого две основных функции:

• Работа в режиме интегратора — из ШИМ получается сигнал заданного уровня;
• Работа в режиме фильтра нижних частот.

Первая функция в данном проекте практически никакого применения не находит, а вот фильтр нужен для удаления из генерируемого сигнала паразитных высокочастотных составляющих, в том числе нежелательных обертонов. Частоту среза в герцах можно посчитать при помощи уравнения:

В данном случае я использовал значения R=470Ω, C=100nF. Это даёт частоту среза 3386.27 Гц, что вполне подходит для проигрывателя.

Насчёт подключения акустической системы: я включал напрямую к маломощному динамику на 8Ω, сил микроконтроллера хватало на достаточно громкое воспроизведения музыки. Причём я сводил два канала в один, просто соединяя два провода вместе. Вообще так делать не рекомендуется, весьма желательно воткнуть между выходом с микроконтроллера и акустической системой операционный усилитель-другой.

Немного теории

Нашей задачей является создание проигрывателя, значит, нужно вспомнить азы музыкальной теории. Композиции состоят из совокупности нот, а у всякой ноты имеется два фундаментальных параметра — высота и длительность.

Высота ноты задаётся определённой частотой колебаний звукового сигнала. Для расчета периода колебаний по частоте нам будет нужна простейшая формула. К ней мы вернёмся немного позже:

В современной музыке ныне практически повсеместно используется так называемый равномерно темперированный строй. Вдаваться в подробности я не буду, если интересно, к вашим услугам статья на Википедии. Нам для проекта необходимо знать соответствие высот нот частотам согласно этому строю. На той же Википедии есть вполне годная таблица, которой мы и воспользуемся.

В музыке длительность ноты понятие относительное и зависит от темпа, в котором исполняется произведение. Темп обычно задаётся в ударах в минуту (bpm), причём один удар равен одной четвертной ноте. Следовательно, запись 100 bpm (или =100) означает, что в минуте помещается ровно 100 четвертных нот. Нетрудно тогда посчитать и длительность одной четвертной ноты, 1/100 = 0.01 минут или 0.6 секунд [2] .

Посчитаем для примера реальные длительности нот для темпа =120. Основой будет длительность четвертной ноты, равной в этом случае .

Обозначение Отношение Длительность (мс) 4/4 (целая) 2000 2/4 (половинная) 1000 1/4 (четвертная) 500 1/8 (восьмая) 250 1/16 (шестнадцатая) 125 1/32 (тридцатьвторая) 62.5

Планировка программы

Опираясь на приведённую выше информацию, а также на технические возможности ATtiny2313, можно составить общий план работы программы.

Нам нужен прямоугольный сигнал с частотой, соответствующей определённой ноте. Прямоугольник можно получить, чередуя выходные сигналы микроконтроллера 0→1→0→…, причём время стабильного состояния низкого и высокого уровней должно быть одинаковым. Оно будет тогда являться не чем иным, как полупериодом колебания. Следовательно, два раза по столько и получим полный период, откуда можно высчитать и частоту. Таким образом, частоту будем задавать через полупериод колебания.

Для генерации сигнала мы используем 16-битный таймер. Из даташита определим подходящий режим его работы. Это будет нормальный режим, с таким приколом: таймер считает от 0 до 65535, а при достижении значения OCR1A ( OCR1B ) чередует на соответствующем выводе уровень сигнала (0→1 или 1→0).

Этого, конечно, маловато будет. Ведь если таймер перекинул выход, он затем будет считать ещё 65535 тиков до следующего изменения, как тогда задать полупериод? С одной стороны логично предложить сброс таймера при достижении OCR1A . Но второй канал тогда определённо сильно пострадает.

Можно поступить следующим образом. Включим прерывания по достижении значений OCR1A и OCR1B . В обработчике такого прерывания будет код, прибавляющий к текущему значению регистра аккурат ровно столько же тиков, сколько нужно для задания полупериода. То есть, например, полупериод задан 2300 тиками таймера, текущее значение на момент прерывания было 4100. Тогда следующее прерывание должно произойти в момент времени 2300+4100=6400. Это значение и занесём в регистр. Вот и готов наш генератор прямоугольной частоты.

Давайте теперь рассмотрим конкретные цифры. Согласно нашей рабочей схеме, ATtiny2313 работает от кристалла с частотой 20.000 МГц. Тогда если взять предделитель /8 таймера1, получим, что длительность одного тика таймера равна:

Иными словами, мы можем задавать длительность полупериода с разрешением в 0.4 микросекунд. Выведем формулу для определения количества тиков таймера из исходной частоты:

Число тиков для, скажем, частоты 440.000 Гц (соответствует ноте ля 4-ой октавы — A4) определяется так:

Конечно, мы рассматриваем целочисленные значения, так как десятичные дроби таймеру не скормишь. Из-за округления возникает некоторая ошибка при формировании частоты. Но как показывает практика, эта ошибка находится в допустимом диапазоне.

Для того, чтобы изменения сигналов были поданы на вывод микроконтроллера, соответствующие порты должны быть заданы как выходные в регистре DDR . Это пригодится для пауз на каналах: мы просто будем отключать выход и получать с него тишину.

Поскольку у нас остался один восьмибитный таймер, то для задания времени звучания нот на каждом из каналов понадобятся софт-таймеры (то есть полученные программно). «Железный» же таймер заставим работать как генератор прерываний; в обработчик прерывания засунем код, который будет поддерживать правильную работу системы и следить за софт-таймерами.

Возьмём режим работы таймера0: сброс при достижении OCR0A . В качестве предделителя используем /64 . Будем генерировать прерывания каждые 50 тиков, следовательно в регистр OCR0A требуется занести значение 49. При таком подходе каждое такое прерывание назовём тиком системных часов. Время одного тика:

Получаем разрешение для софт-таймеров в 0.16 мс. Этого хватит и для достаточно высокого темпа воспроизведения.

Софт-таймеры длительности нот организуем таким образом, чтобы они считали в обратную сторону. Оттикав заданное число, раз они инициируют смену ноты. Число тиков этих таймеров зависит от реальной длительности ноты следующим образом:

где tnote — длительность ноты в миллисекундах. Так, например, для длительности восьмой ноты в темпе =120 количество тиков будет равно:

Обратно же, в наличии некоторая погрешность, но куда без неё? :-)

Сделаем так, что при нажатии одной кнопки начинается воспроизведение. При этом загорается светодиод. Программа сбрасывается в двух случаях (при этом светодиод гаснет):

1. Вся мелодия сыграна;
2. Нажата вторая кнопка.

Управление будем осуществлять из главного цикла программы.

Программный код

Ну вот мы и подошли, похоже, к самой интересной части статьи. Рассматривать код будем по кусочкам.

Сперва, конечно, в листинг нужно кинуть инклуд с именем зверя, а также назначить символьные имена регистров, используемых в программе. Констант у нас пока не будет, обойдёмся без них.

Регистры R10 — R13 используются для хранения тона на протяжении всей длительности ноты для генерации частоты (можно использовать SRAM, но тут нам важна скорость отработки прерываний, так что лучше будет хранить данные в регистрах). R16 же я не использовал, потому что он активно задействован в макросах.

Я использовал всего четыре макроса. Вот они:

Из них реально полезными являются OUTI и MEMWI , два других, MEMR и MEMW , просто псевдонимы соответственно инструкций lds и sts , введённые исключительно для моего удобства.

Для использования оперативной памяти в программах можно предварительно разметить необходимую область памяти под свои нужды. Делается это при помощи директивы .DSEG , последующих меток и соответствующих меткам директив .BYTE , «выделяющих» в памяти необходимое количество байт [3] .

Для нашей программы зарезервируем всего 8 байт. В первых четырех будут хранится текущие адреса таблицы нот для первого и второго каналов. Остальные байты пойдут под 16-ти разрядные софт-таймеры.

Получаем такую структуру:

Согласно плану программы, нам нужно определить обработчики для трёх прерываний. Не стоит забывать также и о директивах .CSEG и .ORG 0x0000 , означающих начало кода программы с адреса 0x0000 .

Остальные прерывания у нас не используются, и на них стоит заглушка в виде инструкции reti .

Обратите внимание, что стек нужно задать в явном виде. Поскольку на борту tiny2313 всего 128 байт оперативной памяти, то старшего байта у регистра стека нет.

Основной цикл программы в петле с возвращением в метку back2 . Здесь проверяется нажатие второй кнопки, всё остальное организовано в обработчике системных часов.

Тут нужно просто задать параметры для двух таймеров.

Как было сказано, завершение [4] происходит в случае окончания проигрывания мелодии или нажатия кнопки 2.

Рассмотрим код для установки ноты на канале. Всего у нас будет четыре таблицы данных, которые мы разместим во флеш-памяти, поскольку в EEPROM они целиком всё равно не влезут (да и скорость доступа оттуда низкая). Таблицы будут такими:

• Таблица нот
• Таблица длительностей
• Таблица мелодии на канале 1
• Таблица мелодии на канале 2

Все значения в таблицах будут кодироваться словами (2 байта). В случае нот мы кодируем высоту и длительность, а мелодии состоят из пар байт нота-длительность (плюс управляющие слова). Не обязательно заносить в таблицы нот и длительности все ноты подряд, достаточно лишь тех, что используются в конкретном произведении. Это позволяет сэкономить место.

Рассмотрим код для первого канала (код для второго канала отличается именами используемых регистров и адресов памяти, в остальном идентичен).

В коде используется вызов процедуры getVals . Она просто считывает данные из указанного адреса флеш-памяти и заносит в регистры Temp3 и Temp4 :

Кроме того, есть переход — rjmp endplay , он здесь потому, что дальше программе было не достать метку endplay (из-за ограниченности длины прыжка, максимально равной 127 байт) и пришлось использовать вспомогательный переход.

Рассмотрим первый канал:

Всё согласно рассуждениям выше. Кроме того:

• Чтобы не произошло произвольной фигни, нужно отключать прерывания
• Также, поскольку контроль тона может происходит часто, прерывания могут возникнуть где угодно в программе и грохнуть SREG, что опять же приведёт к рандомной фигне, так что его надо сохранять и восстанавливать

Всё вышесказанное справедливо и для второго канала.

Тот самый, который тикает раз в 160 микросекунд. Вот код:

На этом программный код готов. Теперь нужна какая-нибудь музыка, которую наш проигрыватель будет играть.

Музыкальная композиция

В качестве мелодии для проигрывателя я выбрал весьма красивую титульную тему Lilium из аниме Elfen Lied.

У нас двухканальный (двухголосый) синтезатор, значит нам нужно расписать композицию на два голоса, что я и сделал. Использовал я для этого MIDI-файл.

Как перекладывать музыку вариантов может быть несколько. Тут нам нужен какой-нибудь MIDI-редактор, способный показывать ноты во вменяемом виде [5] . Очень удобно использовать режим просмотра piano roll (пример в Nuendo 3), так как тут наглядно видно и ноты, и их длительности.

Конвертацию делать придётся вручную (автоматические средства пока не доступны): выписываем каждую ноту ровно один раз и подбираем для неё число тиков по приведённой выше формуле. Смотрим, первая нота F#4. Посмотрим по таблице частоту этой ноты. Увидим значение 369.994. Значит, число тиков будет

Выпишем в таком духе все ноты, участвующие в произведении, и посчитаем для них число тиков таймера. Удобно для расчётов использовать Microsoft Excel или какой-нибудь математический пакет вроде Scilab или Maxima. Я, например, заготовил таблицу (Excel 2003) и PDF файл.

Затем пройдёмся по композиции ещё раз и выпишем все участвующие в нём длительности. Вычислим и для них соответствующее число тиков софт-таймера, учитывая темп произведения =60, что значит, что длительность четвертной ноты равна 1 секунде. Не забываем также и о паузах.

Когда всё это готово, запишем в ассемблерный листинг таблицы с полученными нотами и длительностями.

Таблица будет состоять из слов (в данном случае размером два байта), значит нужно воспользоваться директивой .DW . Составим таблицу нот:

Воспользуемся на этом этапе константами. Это очень удобное средство сопоставить положение ноты в таблице конкретному символьному имени, которое можно будет использовать при записи мелодии. Константы вводятся в эксплуатацию директивой .EQU .

Сделаем то же самое и для таблицы длительностей:

Обратите внимание, что тут я использовал обозначение целой ноты как d1 , а половинной — d12 , хотя корректнее было бы использовать d44 и d24 . Однако мне так было удобнее.

Когда всё это сделано, можно начинать записывать саму композицию, в два прохода — сначала один канал, а затем второй. Вот что получилось:

Полный код программы

Вот полный код (комментарии на английском): ATtiny2313XBoard_MusicPlayer.asm

В полученной прошивке код и данные занимают где-то по 500 байт, оставляя свободным ещё 1КБ для разнообразного контента, будь то дополнительный код или музыка.

Результат

Запрограммируем контроллер, не забывая выставить фузы на работу от внешнего кристалла ( CKSEL3. 0 = 0 ). Нажмём на кнопку и из микроконтроллера начинает стремиться музыка:

Задача выполнена :-) Надеюсь, материал был для вас полезным! Через некоторое время последует вторая часть статьи, посвещенная MIDI и последовательной передаче данных в контексте того же ATtiny2313.

Примечания

Вот наглядное сравнение двух видов колебаний:

В случае с микроконтроллером за отрезок на рисунке [-1; 1] принимаются значения напряжения на выходе порта [0; 5] вольт (при напряжении питания +5В).