STC8H开发(八): NRF24L01无线传输音频(对讲机原型)

关于PWM, DAC和音频

PWM是脉冲宽度调制的缩写, 因为介绍的文章很多, 自己做功课即可, 参考

维基百科 Pulse-width_modulation

百度百科 PWM技术

大部分低端MCU不带DAC转换, 但是可以使用PWM模拟, 对于音频传输

人普通谈话的声波频率在500-2000Hz之间, 人耳可以听到的声波的频率范围在20Hz至20kHz之间

用于通话, 8kHz的带宽就能达到较好的语音传输效果

通过PWM模拟DAC, 因为PWM是方波, 其频率会引入底噪, 底噪的频率是PWM频率的倍数

PWM频率在8KHz时, 在听感上底噪很大, 与传输的音频一样明显, 将PWM的频率调节到16kHz以上才能有效抑制底噪

无线音频传输的实现

发送部分

接收部分

以下实现的是单声道 8kHz 8bit 采样的音频信号传输

发送部分

发送部分需要实现的是8kHz采样, 并通过NRF24L01将每秒的8000字节数据发送出去.

语音输入

语音输入可以使用驻极体话筒加S9013放大输入或者直接使用MAX9814. 在测试阶段建议使用后者, 可以保证采样输入不失真, 在调通后再用驻极体话筒电路替换.

ADC音频采样

因为ADC采样需要实现准确的每秒8000采样, 所以不能用DMA方式, 在STC8H(包括STM32等其它MCU)下, 无法在DMA情况下精确调节每秒的采样个数, 因为ADC的采样频率, 采样周期和转换周期在不同MCU中都是固定的, 所以很难正好做到8kHz的采样. 具体的实现中有两种方式:

1.定时器驱动采集

通过定时器设置为8kHz, 在中断中发起ADC转换, 是比较容易实现的. 这时候需要将ADC也实现为中断方式, 因为ADC的转换时间比较长, 如果在定时器中断中做同步的ADC转换, 容易影响主进程. 需要有定时器的中断处理和ADC的中断处理, 定时器的中断处理单纯用于发起转换, ADC的中断才用于读出结果.

2.连续采集定时读取

通过定时器设置为8kHz, 将ADC的采集设置为循环方式(中断采集, 但是在中断时再次发起), 在定时器中断中仅仅读取采集结果. 这种方式也能实现8kHz的采样. 因为这种方式实际上会多消耗电量, 所以实际使用中还是采用了前一种方法.

NRF24L01发送

NRF24L01在设置为1Mbps带宽时实际传输速度能达到23k字节每秒, 因此对于8bit 8kHz采样的传输是没问题的. 因为NRF24L01传输时的响应和重发机制, 在信号不好时, 容易导致发送中断, 为了避免传输时间的波动影响, 在实现中使用了双数组做缓冲. 采样到发送之间的逻辑为

两个256字节数组作为全局变量, 同时定义变量指向当前写入的数组编号和写入位置

ADC中断读取结果时, 往当前编号的数组和位置中写入并移动位置, 当写满一个数组时, 将此数组标记为可发送, 并切换到下一个数组继续写入

在主进程中, 判断当前是否有可发送的数组, 如果可发送, 则在循环中按32个字节一组将数据全部发送.

因为在正常收发的信号强度下, NRF24L01的发送速度是比采样速度快的, 所以基本上NRF24L01的发送是发送 -> 等待 -> 发送的状态

接收部分

接收部分要实现的是将NRF24L01接收到的数据进行存储, 并按照8kHz的频率, 将每个值设为PWM输出的占空比, 实现DAC模拟

RNF24L01接收

因为NRF24L01发送是集中发送, 而PWM还原是匀速的, 所以在接收也需要有缓冲, 接收的机制和发送相似

两个256字节数组作为全局变量, 同时定义变量指向当前写入的数组编号和写入位置

NRF24L01通过中断接收数据, 在接收时, 往当前编号的数组和位置中写入并移动位置, 当写满一个数组时, 将此数组标记为可用, 并切换到下一个数组继续写入

PWM模拟DAC还原

初始化一个PWM输出, PWM周期为256对应8bit的占空比调节范围, 确保PWM频率不低于16kHz. 在8kHz定时器的中断中, 判断当前读取的数组和位置, 每次读取一个值, 并将其设置为PWM占空比. 如果数组不可用, 就不做任何操作, 如果此时将占空比设为0, 会产生噪音.

音频输出

测时阶段, 可以在PWM输出上串联一个200R的电阻后值连喇叭, 可以听到输出的音频. 这个电阻不能太小, 测试中如果阻值小于100R, 会导致MCU供电不足反复重启. 在确定音频输出没问题后, 可以替换为 PAM8403 音频放大模块.

在使用 PAM8403 模块时

模块需要独立供电, 测试中如果与MCU都使用USB2TTL供电, 会使MCU供电不足而导致声音输出异常

模块与MCU的输出可以不共地, 即模块MCU的PWM输出和地, 可以直接接入PAM8403的音频输入

因为是单声道信号, 所以只能用PAM8403的一个声道, L或者R都可以

演示代码

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

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

接线说明

在测试中发送部分使用的是 STC8H3K32S2, 接收部分使用的是 STC8H1K08, 你可以使用STC8H系列的任意一个型号

共同的连接部分(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

发送部分

STC8H3K32S2         MAX9814

   P11(ADC1)        => MIC

   3.3V             => VDD

   3.3V             => GAIN

   GND              => A/R

   GND              => GND

ADC, 如果是STC8H3K32S2, 使用ADC采样需要将AVcc, AGnd 和 ADC_Vref+ 正确连线

   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:

MCU的pin脚布局不一定相同, STC8H3K32S2和STC8H1K08都是20pin的封装, 但是pin脚布局就不一样

烧录发送部分和接收部分时, 注意要调换 nrf24l01.c 中的 RX_ADDRESS 和 TX_ADDRESS

效果演示

B站视频 https://www.bilibili.com/video/BV1kZ4y1Z78v

调试说明

因为这个演示实际上包含了定时器, ADC采样, NRF24L01发送, 接收, PWM调制这几个环节, 任一个环节出问题, 都会导致演示失败. 在调试中, 需要遵循化整为零, 逐个确认的原则, 对每个节点是否工作正常进行确认.

定时器调试

因为8kHz的输出较难观测, 可以用一个uint16_t的全局变量自增到8000后串口输出观察时间间隔是否正确

ADC调试

先通过同步模式, 查看ADC采集是否正确, STC8H1K和STC8H3K的ADC接线是不一样的, 如果接线不正确, 输出的就是噪音.

同步采样没问题后, 再通过中断方式采集检查是否正确

中断没问题后, 就可以结合定时器, 通过定时器发起采样

NRF24L01 调试

可以参考前面的例子SPI驱动nRF24L01无线模块 单独运行 NRF24L01 进行收发是否功能正常

PWM 调试

有条件的可以用逻辑分析仪, 输出正常后, 用音频进行测试, 可以参考PWM输出音频这个例子, 循环播放一段8bit音频检查PWM输出是否正确, 因为音频较大, 测试这个需要使用Flash容量至少32K字节的芯片, 例如STC8H3K32S2.

最小系统联调

最小系统的发送端先不使用ADC, 使用固定的8bit音频作为输入进行发送, 接收端先不外接音频放大, 直接用200欧串联小喇叭进行检查, 工作正常的情况下, 音频播放效果应当是非常好的

在最小系统联调没问题后, 就可以开始调试ADC, 没问题后最后加入音频放大模块.