🔆 🖱️ 👨🏼‍✈️ मापने हार्मनी - STM32L4 डिस्कवरी में ध्वनि स्पेक्ट्रम विश्लेषक 🌟 🥥 🤰🏻

पिछली पोस्ट में, हमने एक सस्ते चीनी एलसीडी स्क्रीन को STM32L4 डिस्कवरी बोर्ड से जोड़ा । अब हम इस संयोजन को लागू करने का प्रयास करेंगे जो एक एलईडी के पारंपरिक निमिष से परे जाता है, अर्थात्, एक ध्वनि स्पेक्ट्रम विश्लेषक जो बोर्ड पर माइक्रोफोन का उपयोग करता है। उसी समय, मैं आपको बताऊंगा कि फ्रीआरटीओएस ऑपरेटिंग सिस्टम का उपयोग कैसे करें, और इसकी आवश्यकता क्यों है, साथ ही साथ संगीत ऑक्टेव में 12 नोट क्यों हैं, और 53 नोट 12 से बेहतर हैं।

ध्वनि का डिजिटलीकरण

हम माइक्रोफ़ोन से संकेत प्राप्त करना चाहते हैं, तेजी से फूरियर ट्रांसफॉर्म (हमारी मदद करने के लिए एफपीयू) का उपयोग करके इसके स्पेक्ट्रम की गणना करते हैं और एलसीडी पर 'रंग झरना' के रूप में परिणाम दिखाते हैं। ध्वनि की ताकत को रंग में एन्कोड किया जाएगा। हम डिस्प्ले के किनारे से पिक्सेल की एक रेखा खींचेंगे, जहाँ सबसे बाएँ पिक्सेल न्यूनतम आवृत्ति के अनुरूप होगा और सबसे दायाँ अधिकतम के अनुरूप होगा, जबकि पिछली तस्वीर एक लाइन से हटकर, एक नई लाइन के लिए स्थान खाली कर देगी। हमारा माइक्रोकंट्रोलर खरोंच से शुरू करने के लिए बहुत जटिल है, तो चलिए DFSDM_AudioRecord नामक STM32Cube किट से एक उदाहरण के साथ शुरू करते हैं। DFSDM क्या है? यह सिग्मा-डेल्टा मॉड्यूलेशन के लिए डिजिटल फ़िल्टर है। तथ्य यह है कि, अच्छे पुराने एनालॉग माइक्रोफोनों के विपरीत, डिस्कवरी बोर्ड पर कोई भी वोल्टेज को ध्वनि दबाव के आनुपातिक रूप में संकेत नहीं देता है,और कई मेगाहर्ट्ज़ की घड़ी आवृत्ति के साथ शून्य और लोगों के अनुक्रम के रूप में। यदि आप इस क्रम को कम-पास फ़िल्टर के माध्यम से पास करते हैं, तो आपको समान एनालॉग सिग्नल मिलता है। माइक्रोकंट्रोलर्स के पिछले मॉडल में, डिजिटल रूप में एक ऑडियो सिग्नल प्राप्त करने के लिए एक डिजिटल फ़िल्टर बनाना आवश्यक था। अब माइक्रोकंट्रोलर के पास इसके लिए एक विशेष मॉड्यूल है, और जो भी आवश्यक है, उसे प्रोग्राम की शुरुआत में कॉन्फ़िगर करना है। ऐसा करने के लिए, आप या तो दस्तावेज़ पढ़ने में देरी कर सकते हैं, या तैयार किए गए उदाहरण का उपयोग कर सकते हैं। मैं दूसरे रास्ते से गया। निम्न चित्र DFSDM_AudioRecord प्रोग्राम की आंतरिक संरचना को दिखाता है।माइक्रोकंट्रोलर्स के पिछले मॉडल में, आपको डिजिटल साउंड सिग्नल प्राप्त करने के लिए एक डिजिटल फिल्टर बनाना था। अब माइक्रोकंट्रोलर के पास इसके लिए एक विशेष मॉड्यूल है, और यह आवश्यक है कि कार्यक्रम की शुरुआत में इसे कॉन्फ़िगर किया जाए। ऐसा करने के लिए, आप या तो दस्तावेज़ पढ़ने में देरी कर सकते हैं, या तैयार किए गए उदाहरण का उपयोग कर सकते हैं। मैं दूसरे रास्ते से गया। निम्न चित्र DFSDM_AudioRecord प्रोग्राम की आंतरिक संरचना को दिखाता है।माइक्रोकंट्रोलर्स के पिछले मॉडल में, आपको डिजिटल साउंड सिग्नल प्राप्त करने के लिए एक डिजिटल फिल्टर बनाना था। अब माइक्रोकंट्रोलर के पास इसके लिए एक विशेष मॉड्यूल है, और जो भी आवश्यक है, उसे प्रोग्राम की शुरुआत में कॉन्फ़िगर करना है। ऐसा करने के लिए, आप या तो दस्तावेज़ पढ़ने में देरी कर सकते हैं, या तैयार किए गए उदाहरण का उपयोग कर सकते हैं। मैं दूसरे रास्ते से गया। निम्न चित्र DFSDM_AudioRecord प्रोग्राम की आंतरिक संरचना को दिखाता है।

डीएमए का उपयोग करके डिजीटल ध्वनि रिंग बफर में गिरती है। डीएमए दो बार एक बाधा का कारण बनता है: एक बार - जब बफर आधा भरा होता है, दूसरी बार - जब यह भरा होता है। इंटरप्ट रुटीन बस उपयुक्त ध्वज सेट करता है। आरंभीकरण के बाद मुख्य () फ़ंक्शन एक अनंत लूप को निष्पादित करता है जहां इन झंडों की जांच की जाती है और, यदि ध्वज सेट किया जाता है, तो बफर के संबंधित आधे को कॉपी किया जाता है। एक उदाहरण दूसरे बफर को डेटा कॉपी करता है, जहां से यह फिर से डीएमए का उपयोग करके हेडफोन एम्पलीफायर को भेजा जाता है। मैंने इस कार्यक्षमता को छोड़ दिया, ऑडियो सिग्नल के स्पेक्ट्रम की गणना को जोड़ा।

जब कई कार्य हैं

हमारे कोड में नई कार्यक्षमता जोड़ने का सीधा तरीका अधिक झंडे जोड़ना और उन कार्यों को लिखना है जिन्हें इन झंडे सेट होने पर बुलाया जाएगा। परिणाम आमतौर पर झंडे, हैंडलर फ़ंक्शन और वैश्विक संदर्भ की गड़बड़ी है, जो वैश्विक होने के लिए मजबूर है, क्योंकि एक समस्या का समाधान व्यक्तिगत कार्यों - इवेंट हैंडलर द्वारा लागू किए गए कई छोटे चरणों में विभाजित है। एक वैकल्पिक तरीका एक ऑपरेटिंग सिस्टम जैसे FreeRTOS के लिए कार्य प्रबंधन को सौंपना है। यह आपको इस तथ्य के कारण तर्क को सरल बनाने की अनुमति देता है कि प्रत्येक कार्य को प्रसंस्करण घटनाओं के अपने चक्र के भीतर हल किया जाता है जो ऑपरेटिंग सिस्टम के कार्यों के माध्यम से एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं। उदाहरण के लिए, हम एक अलग चक्र के रूप में एक डाटा प्रोसेसिंग कार्य जोड़ सकते हैं,जो सिंक्रनाइज़ेशन आदिम - सेमाफोर पर डेटा के तैयार होने का इंतजार करेगा। सेमाफोर बहुत सरल है: आप इसे पास कर सकते हैं यदि ध्वज की जाँच की जाती है, और ध्वज स्वचालित रूप से छोड़ा गया है। हमारे मामले में, डेटा स्रोत एक ध्वज उठाएगा जब वह किसी अन्य कार्य के लिए डेटा तैयार करेगा। इसी तरह से, आप डेटा स्रोत कार्यों और डेटा उपभोक्ता कार्यों से मनमानी श्रृंखला बना सकते हैं, यह कैसे होता है, उदाहरण के लिए, लिनक्स ऑपरेटिंग सिस्टम में।लिनक्स ऑपरेटिंग सिस्टम में।लिनक्स ऑपरेटिंग सिस्टम में।

बेशक, कार्यों का एक साथ निष्पादन एक भ्रम है, खासकर जब कंप्यूटिंग कोर केवल एक है। इस मामले में, हम कह सकते हैं कि हमारे पास प्रोसेसर द्वारा प्रोग्राम निष्पादन का एक ही धागा है। अन्य तुल्यकालन आदिम की तरह सेमाफोर, एक जादुई खरगोश छेद की भूमिका निभाते हैं, जिसमें निष्पादन का प्रवाह दूसरे कार्य में उभरने में विफल रहता है।

FreeRTOS को अपने प्रोजेक्ट से जोड़ना काफी सरल है। यह केवल अंतहीन लूप को बदलने के लिए आवश्यक है, जो आमतौर पर माइक्रोकंट्रोलर में मुख्य () फ़ंक्शन को समाप्त करता है, ऑस्कर कर्नेलस्टार्ट () के साथ कॉल करता है। उसके बाद, संकलक आपको समझाएगा कि संकलन के लिए उसके पास क्या कमी है। आपके द्वारा पहले लूप में किए गए सभी कार्यों को एक अलग कार्य में स्थानांतरित करना होगा और xTaskCreate कॉल के साथ पंजीकृत होना चाहिए। उसके बाद, आप जितने चाहें उतने अधिक कार्य जोड़ सकते हैं। यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि कॉल के बीच xTaskCreate और osKernelStart के लिए यह बेहतर है कि हार्डवेयर के साथ काम करने वाले किसी भी कोड को न रखें, क्योंकि यहां सिस्टम टाइमर सही तरीके से काम नहीं कर सकता है। OSSystickHandler () ऑपरेटिंग सिस्टम टाइमर हैंडलर को कॉल SysTick_Handler () में जोड़ा जाना चाहिए, और दो कार्य SVC_Handler और PendSV_Handler को उनके कोड से हटा दिया जाना चाहिए।चूंकि वे ओएस कोड में कार्यान्वित किए जाते हैं। कार्यों को पंजीकृत करते समय, स्टैक के आकार के साथ गलती नहीं करना महत्वपूर्ण है। यदि यह बहुत छोटा हो जाता है, तो आपको सबसे अप्रत्याशित स्थानों में क्रैश मिलेगा। स्टैक ओवरफ्लो होने पर सबसे पहले संरचना ही कार्य का वर्णन करती है। IAR में कार्यों की सूची देखने की क्षमता है। यदि आप इसमें परिवर्तित नाम के साथ कोई कार्य देखते हैं, तो आपको स्टैक का आकार बढ़ाने की आवश्यकता है।

स्पेक्ट्रम की गणना करने के लिए, हम तेजी से फूरियर रूपांतरण का उपयोग करते हैं। संबंधित फ़ंक्शन पहले से ही लायब्रेरी में है। वह जटिल डेटा से भरा एक बफर प्राप्त करती है, और वहां परिणाम बनाती है। तदनुसार, इनपुट पर, उसे एक बफर की आवश्यकता होती है, जहां डिजीटल ध्वनि शून्य (जटिल भाग 0) के साथ वैकल्पिक होती है। आउटपुट पर, हमें जटिल संख्याएं मिलती हैं, जिसके लिए हम वास्तविक और काल्पनिक भागों के वर्गों को जोड़कर तुरंत मॉड्यूल के वर्ग की गणना करते हैं। हम इसे केवल आधे बफर के लिए करते हैं, क्योंकि स्पेक्ट्रम सममित है। यदि हम उलटा परिवर्तन करना चाहते हैं, तो हमें दूसरी छमाही की आवश्यकता होगी, लेकिन स्पेक्ट्रम के सरल प्रदर्शन के लिए इसकी आवश्यकता नहीं है। विभिन्न वर्णक्रमीय श्रेणियों में स्पेक्ट्रम की गणना करने में सक्षम होने के लिए कुछ अतिरिक्त प्रयास आवश्यक हैं। कम आवृत्तियों के लिए स्पेक्ट्रम प्राप्त करने के लिए,मैं बफर पढ़ने के कई चक्रों के लिए डेटा जमा करता हूं, प्रभावी रूप से ध्वनि की नमूना आवृत्ति को कम करता है, जो कि शुरू में 44.1kHz है। परिणाम 6 रेंज - 20kHz, 10kHz, 5kHz, 2600Hz, 1300Hz, 650Hz है। श्रेणियों को स्विच करने के लिए, जॉयस्टिक और एक अलग कार्य का उपयोग करें। जॉयस्टिक 'झरना ’को शुरू करने / रोकने का कार्य करता है, साथ ही संवेदनशीलता को समायोजित भी करता है। लॉगरिदमिक इकाइयों (डेसीबल) में स्पेक्ट्रम को दिखाने के लिए यह अधिक सुविधाजनक है, क्योंकि इसकी गतिशील सीमा आमतौर पर बहुत बड़ी होती है, और रैखिक पैमाने पर हम स्पेक्ट्रम के केवल सबसे मजबूत घटकों को भेद सकते हैं। एफपीयू पर भी लघुगणक को काफी लंबा समय माना जाता है, इसलिए मैंने असली लघुगणक को एक टुकड़े-टुकड़े रैखिक सन्निकटन के साथ बदल दिया, जिसे प्राप्त करना आसान है, जाननापरिणाम 6 रेंज - 20kHz, 10kHz, 5kHz, 2600Hz, 1300Hz, 650Hz है। श्रेणियों को स्विच करने के लिए, जॉयस्टिक और एक अलग कार्य का उपयोग करें। जॉयस्टिक 'झरना ’को शुरू करने / रोकने का कार्य करता है, साथ ही संवेदनशीलता को समायोजित भी करता है। लॉगरिदमिक इकाइयों (डेसीबल) में स्पेक्ट्रम को दिखाने के लिए यह अधिक सुविधाजनक है, क्योंकि इसकी गतिशील सीमा आमतौर पर बहुत बड़ी होती है, और एक रैखिक पैमाने पर हम स्पेक्ट्रम के केवल सबसे मजबूत घटकों को भेद कर सकते हैं। एफपीयू पर भी लघुगणक को काफी लंबा समय माना जाता है, इसलिए मैंने असली लघुगणक को एक टुकड़े-टुकड़े रैखिक सन्निकटन के साथ बदल दिया, जिसे प्राप्त करना आसान है, जाननापरिणाम 6 रेंज - 20kHz, 10kHz, 5kHz, 2600Hz, 1300Hz, 650Hz है। श्रेणियों को स्विच करने के लिए, जॉयस्टिक और एक अलग कार्य का उपयोग करें। जॉयस्टिक 'झरना ’को शुरू करने / रोकने का कार्य करता है, साथ ही संवेदनशीलता को समायोजित भी करता है। लॉगरिदमिक इकाइयों (डेसीबल) में स्पेक्ट्रम को दिखाने के लिए यह अधिक सुविधाजनक है, क्योंकि इसकी गतिशील सीमा आमतौर पर बहुत बड़ी होती है, और एक रैखिक पैमाने पर हम स्पेक्ट्रम के केवल सबसे मजबूत घटकों को भेद कर सकते हैं। एफपीयू पर भी लघुगणक को काफी लंबा समय माना जाता है, इसलिए मैंने असली लघुगणक को एक टुकड़े-टुकड़े रैखिक सन्निकटन के साथ बदल दिया, जिसे प्राप्त करना आसान है, जाननालॉगरिदमिक इकाइयों (डेसीबल) में स्पेक्ट्रम को दिखाने के लिए यह अधिक सुविधाजनक है, क्योंकि इसकी गतिशील सीमा आमतौर पर बहुत बड़ी होती है, और एक रैखिक पैमाने पर हम स्पेक्ट्रम के केवल सबसे मजबूत घटकों को भेद कर सकते हैं। एफपीयू पर भी लघुगणक को काफी लंबा समय माना जाता है, इसलिए मैंने असली लघुगणक को एक टुकड़े-टुकड़े रैखिक सन्निकटन के साथ बदल दिया, जिसे प्राप्त करना आसान है, जाननालॉगरिदमिक इकाइयों (डेसीबल) में स्पेक्ट्रम को दिखाने के लिए यह अधिक सुविधाजनक है, क्योंकि इसकी गतिशील सीमा आमतौर पर बहुत बड़ी होती है, और एक रैखिक पैमाने पर हम स्पेक्ट्रम के केवल सबसे मजबूत घटकों को भेद कर सकते हैं। एफपीयू पर भी लघुगणक को काफी लंबा समय माना जाता है, इसलिए मैंने असली लघुगणक को एक टुकड़े-टुकड़े रैखिक सन्निकटन के साथ बदल दिया, जिसे प्राप्त करना आसान है, जाननाफ्लोट 32 में एक संख्या का प्रतिनिधित्व करने के लिए प्रारूप । सबसे महत्वपूर्ण बिट एक संकेत है। अगले 8 बिट्स द्विआधारी घातांक प्लस 127 हैं। शेष बिट्स मंटिसा के भिन्नात्मक भाग हैं इस तथ्य के बावजूद कि पूर्णांक भाग 1 है (हम सादगी के लिए नामांकित संख्याओं की बारीकियों को छोड़ते हैं)। तो, फ्लोट 32 से एक्सप्रेशनर का चयन किया और मंटिसा के कई सबसे महत्वपूर्ण बिट्स को पकड़ा, आप लघुगणक का एक अच्छा अनुमान प्राप्त कर सकते हैं। पूर्व-तैयार तालिका का उपयोग करते हुए, हम एलसीडी पर डिस्प्ले के लिए परिणामी संख्या को आरजीबी कोड में बदल देते हैं। यह 90 या 60 डेसिबल के एक रंग पैमाने पर निकलता है। इस पैमाने के शून्य के अनुरूप वॉल्यूम स्तर को जॉयस्टिक को ऊपर और नीचे धकेल कर समायोजित किया जा सकता है।

हम एक तस्वीर प्रदर्शित करते हैं - डेटशीट पढ़ने के लाभों के बारे में

अब हमें केवल चित्र प्रदर्शित करना है और अपने 'झरने' को पुनर्जीवित करना है। इसका सीधा तरीका यह है कि पूरी स्क्रीन से छवि को एक बफर में संग्रहीत करें, इसे वहां अपडेट करें और हर बार नया डेटा दिखाई देने पर फिर से शुरू करें। न केवल यह समाधान बेहद अक्षम है, हमारे पास पूरी तस्वीर संग्रहीत करने के लिए पर्याप्त मेमोरी भी नहीं है। ऐसा लगता है कि एलसीडी के पास खुद इसके लिए पर्याप्त मेमोरी है, और इसके साथ कुछ दिलचस्प करने में सक्षम होना चाहिए। दरअसल, डेटाशीट का अध्ययनअनुमति दी गई अप्रयुक्त स्क्रॉलिंग कमांड का पता लगाने के लिए, जो आपको स्क्रीन पर एलसीडी नियंत्रक मेमोरी को प्रदर्शित करने के तरीके को गतिशील रूप से बदलने की अनुमति देता है। कल्पना करें कि मेमोरी एक रिंग में संलग्न टेप है जिसे आप स्क्रीन के कांच के नीचे देखते हैं। वर्टिकल स्क्रॉलिंग स्टार्ट एड्रेस (0x37) कमांड आपको स्क्रीन के ऊपरी किनारे के अनुरूप रिबन पर स्थिति सेट करने की अनुमति देता है। इसलिए, हम सभी को 'वॉटरफॉल' को पुनर्जीवित करने की जरूरत है ताकि इस स्थिति में एक नया स्पेक्ट्रम रिकॉर्ड किया जा सके और मेमोरी टेप के माध्यम से स्क्रॉल किया जा सके। संबंधित कोड एलसीडी ड्राइवर में जोड़ा गया था, जो प्रतिष्ठित पीटर ड्रैशर से उधार लिया गया था , और यहां वर्णित के रूप में अनुकूलित किया गया था। इस दृष्टिकोण का एकमात्र दोष: स्क्रॉल केवल स्क्रीन के लंबे पक्ष के साथ काम करता है। तदनुसार, केवल लघु पक्ष स्पेक्ट्रम उत्पादन के लिए उपलब्ध है।

12 ?

चलो हमारे डिवाइस के व्यावहारिक अनुप्रयोगों पर चलते हैं। पहली चीज जो स्पेक्ट्रम पर देखना आसान है, वह है हार्मोनिक्स, अर्थात्, आवृत्तियों जो मौलिक आवृत्ति के गुणक हैं। ख़ासकर आवाज़ में उनका बहुत कुछ। संगीत वाद्ययंत्र बनाने वाली ध्वनियों में भी हैं। यह समझना आसान है कि पड़ोसी ऑक्टेव के नोट 2 बार आवृत्ति में भिन्न क्यों होते हैं: फिर एक उच्च ऑक्टेव के नोट एक कम ऑक्टेव के नोटों के दूसरे हार्मोनिक के साथ आवृत्ति में मेल खाते हैं। वे कहते हैं कि एक ही समय में वे "एक सुर में" आवाज करते हैं। यह समझना थोड़ा मुश्किल है कि एक ऑक्टेव में 12 नोट क्यों हैं - सात मुख्य (पियानो कीबोर्ड पर सफेद कुंजी) प्लस 5 अतिरिक्त (ब्लैक की)। अतिरिक्त नोटों को तेज और सपाट पात्रों के साथ मुख्य नोटों द्वारा दर्शाया गया है, हालांकि वास्तव में उनके और मुख्य नोटों में कोई अंतर नहीं है - सभी 12 नोट एक ज्यामितीय प्रगति बनाते हैंआसन्न नोटों के बीच आवृत्तियों का अनुपात 12 वीं डिग्री के मूल के बराबर है। नोटों में सप्तक के इस विभाजन का अर्थ यह है कि किसी भी नोट के लिए अन्य नोट्स हैं जो आवृत्ति में डेढ़ गुना से भिन्न होते हैं - इस संयोजन को पांचवा कहा जाता है। नोट जो पाँचवें नोट को एकजुट करते हैं, क्योंकि एक नोट का दूसरा हार्मोनिक दूसरे नोट के तीसरे हार्मोनिक के साथ आवृत्ति में मेल खाता है। नीचे दिए गए फोटो में नोट डू और सोल के स्पेक्ट्रा को दिखाया गया है, जो पांचवें, मिलान हारमोंस के रूप में पीले रंग में परिक्रमा करता है।एक पांचवें का गठन, मिलान हार्मोनिक्स पीले रंग में परिचालित होते हैं।एक पांचवें का गठन, मिलान हार्मोनिक्स पीले रंग में परिचालित होते हैं।

कैसे आए 12 के नोट? चूंकि नोट एक ज्यामितीय प्रगति बनाते हैं, इसलिए हम लघुगणक पर जाते हैं। ln (1.5) / ln (2) = 0.58496 ... अंश 7/12 = 0.583 के लिए एक करीबी मान प्राप्त होता है ... यानी, सात अर्ध स्वर (निकटवर्ती नोटों के बीच का अंतराल) पांचवें, 1.498 के बहुत करीब होते हैं। दिलचस्प है, अंश 31/53 = 0.58491 .. बहुत अधिक सटीकता देता है, ताकि पांचवें केवल पांचवें स्थान पर 1.5 से अलग हो। इस तथ्य पर किसी का ध्यान नहीं गया, लेकिन एक सप्तक में 53 नोटों वाले संगीत वाद्ययंत्रों को वितरण नहीं मिला। उन्हें धुनना मुश्किल है, उन्हें खेलना मुश्किल है, और पारंपरिक साधनों के साथ अंतर महसूस करने वाले लोगों का प्रतिशत गायब होने के छोटे हैं।

स्रोत कोड

यहाँ झूठ बोलता है । संकलन के लिए एआरएम 7.50.2 के लिए आईएआर एंबेडेड वर्कबेंच का उपयोग किया गया था। संकलन के लिए किसी अन्य पुस्तकालय की आवश्यकता नहीं है।

मापने हार्मनी - STM32L4 डिस्कवरी में ध्वनि स्पेक्ट्रम विश्लेषक

ध्वनि का डिजिटलीकरण

जब कई कार्य हैं

हम एक तस्वीर प्रदर्शित करते हैं - डेटशीट पढ़ने के लाभों के बारे में

12 ?

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