В этом туториале (если его можно так назвать) я покажу, как можно быстро и довольно просто организовать проигрывание аудиофайла силами микроконтроллера ESP32.
Немного теории
Как нам сообщает Википедия, ESP32 это серия недорогих микроконтроллеров с низким энергопотреблением. Они представляют собой систему на кристалле (SoC) с интегрированными контроллерами Wi-Fi и Bluetooth, и антеннами. Основаны на ядре Tensilica Xtensa LX6 в вариантах с одним и двумя ядрами. В систему интегрирован радиочастотный тракт. МК создан и разработан китайской компанией Espressif Systems, а производится компанией TSMC по техпроцессу 40 нм. Подробнее о возможностях чипа можно прочитать на странице в Википедии и в официальной документации.
Однажды в рамках освоения этого контроллера мне захотелось воспроизвести на нем звук. Поначалу я думал, что придется использовать ШИМ. Однако, внимательнее почитав документацию, я обнаружил наличие двух каналов 8-битного ЦАПа. Разумеется, это в корне меняло дело.
В Technical Reference сказано, что ЦАП в ESP32 построен на цепочке резисторов (видимо, имеется ввиду R2R цепочка) с применением некоего буфера. Выходное напряжение может изменяться в пределах от 0 вольт до напряжения питания (3,3 вольта) с разрешением 8 бит (то есть 256 значений). Преобразование двух каналов независимое. Также имеется встроенный генератор косинуса (CW generator) и поддерживается DMA.
Я решил пока что не лезть в DMA, ограничившись построением проигрывателя на основе таймера. Как известно, чтобы воспроизвести простейший WAV-файл формата PCM, достаточно с указанной в файле частотой дискретизации читать из него сырые данные и распихивать по каналам ЦАПа, предварительно приводя (при необходимости) разрядность данных к разрядности ЦАП. Мне повезло: у меня нашелся набор звуков в формате WAV PCM 8 bit 11025 Hz mono, выдранный из ресурсов одной старой игры. Значит, будем использовать только один канал ЦАП.
Также нам понадобится таймер, способный генерировать прерывания с частотой 11025 Гц. Согласно все тому же Technical Reference, ESP32 имеет на борту два модуля таймеров по два таймера в каждом, итого четыре таймера. Они имеют разрядность 64 бита, у каждого имеется 16-битный предделитель и возможность генерации прерывания по уровню или фронту.
От теории к практике
Вооружившись примером wave_gen из esp-idf, я отправился писать код. Я не стал упарываться созданием файловой системы: цель была получить звук, а не сделать из ESP32 полноценный плеер.
Для начала перегнал один из WAV-файлов в сишный массив. В этом мне очень помогла встроенная в Дебиан утилита xxd. Простой командой
$ xxd -i file.wav > file.c
получаем сишный файл с массивом данных в шестнадцатеричном виде внутри и даже с отдельной переменной, в которую помещен размер файла в байтах.
Далее я закомментировал первые 44 байта массива заголовок WAV-файла. Попутно я разобрал его по полям и узнал всю необходимую мне информацию о нем:
const uint8_t sound_wav[] = {// 0x52, 0x49, 0x46, 0x46,// chunk "RIFF"// 0xaa, 0xb4, 0x01, 0x00,// chunk length// 0x57, 0x41, 0x56, 0x45,// "WAVE"// 0x66, 0x6d, 0x74, 0x20,// subchunk1 "fmt"// 0x10, 0x00, 0x00, 0x00,// subchunk1 length// 0x01, 0x00,// audio format PCM// 0x01, 0x00,// 1 channel, mono// 0x11, 0x2b, 0x00, 0x00,// sample rate// 0x11, 0x2b, 0x00, 0x00,// byte rate// 0x01, 0x00,// bytes per sample// 0x08, 0x00,// bits per sample per channel// 0x64, 0x61, 0x74, 0x61,// subchunk2 "data"// 0x33, 0xb4, 0x01, 0x00,// subchunk2 length, bytes
Отсюда видно, что наш файл имеет один канал, частоту дискретизации 11025 герц и разрешение 8 бит на семпл. Заметим, что если бы я захотел анализировать заголовок программно, то мне нужно было бы учитывать порядок байт: в WAV это Little-endian, то есть младшим байтом вперед.
В итоге я создал тип структуры для хранения информации о звуке:
typedef struct _audio_info{uint32_t sampleRate;uint32_t dataLength;const uint8_t *data;} audio_info_t;
И создал собственно экземпляр структуры, заполнив ее следующим образом:
const audio_info_t sound_wav_info ={11025, // sampleRate111667, // dataLengthsound_wav // data};
В этой структуре поле sampleRate это значение одноименного поля заголовка, поле dataLength это значение поля subchunk2 length, а поле data это указатель на массив с данными.
Далее я подключил заголовочные файлы
#include "driver/timer.h"#include "driver/dac.h"
и создал прототипы функций для инициализации таймера и обработчика его прерывания Alarm, как это сделано в примере wave_gen:
static void IRAM_ATTR timer0_ISR(void *ptr){}static void timerInit(){}
После чего принялся за наполнение функции инициализации.
Таймеры в ESP32 тактируются в конечном итоге от APB_CLK_FREQ, равного 80 МГц:
driver/timer.h:
#define TIMER_BASE_CLK (APB_CLK_FREQ) /*!< Frequency of the clock on the input of the timer groups */
soc/soc.h:
#define APB_CLK_FREQ ( 80*1000000 ) //unit: Hz
Чтобы получить значение счетчика, при котором нужно генерировать прерывание Alarm, нужно частоту тактирования таймера поделить на значение предделителя, а затем на требуемую частоту, с которой должно срабатывать прерывание (у нас это 11025 Гц). В обработчик прерывания мы будем передавать указатель на структуру с данными, которые мы хотим воспроизводить.
Таким образом, функция инициализации таймера получает следующий вид:
static void timerInit(){timer_config_t config = {.divider = 8, // Предделитель.counter_dir = TIMER_COUNT_UP, // Считать вверх.counter_en = TIMER_PAUSE, // Состояние - пауза.alarm_en = TIMER_ALARM_EN, // Включить прерывание Alarm.intr_type = TIMER_INTR_LEVEL, // Прерывание по уровню.auto_reload = 1, // Автоматически перезапускать счет};// Применить конфигESP_ERROR_CHECK(timer_init(TIMER_GROUP_0, TIMER_0, &config));// Установить начальное значение счетчикаESP_ERROR_CHECK(timer_set_counter_value(TIMER_GROUP_0, TIMER_0, 0x00000000ULL));// Установить значение счетчика для срабатывания прерывания AlarmESP_ERROR_CHECK(timer_set_alarm_value(TIMER_GROUP_0, TIMER_0, TIMER_BASE_CLK / config.divider / sound_wav_info.sampleRate));// Разрешить прерыванияESP_ERROR_CHECK(timer_enable_intr(TIMER_GROUP_0, TIMER_0));// Зарегистрировать обработчик прерыванияtimer_isr_register(TIMER_GROUP_0, TIMER_0, timer0_ISR, (void *)&sound_wav_info, ESP_INTR_FLAG_IRAM, NULL);// Запустить таймерtimer_start(TIMER_GROUP_0, TIMER_0);}
Частота тактирования таймера не делится нацело на 11025, какой бы предделитель мы не установили. Поэтому я подобрал такой делитель, при котором частота максимально близка к требуемой.
Теперь переходим к написанию обработчика прерывания. Здесь все просто: берем очередной байт из массива, скармливаем его ЦАПу, продвигаемся по массиву дальше. Однако прежде всего нужно очистить флаги прерываний таймера и перезапустить прерывание Alarm:
static uint32_t wav_pos = 0;static void IRAM_ATTR timer0_ISR(void *ptr){// Очистить флаги прерыванийtimer_group_clr_intr_status_in_isr(TIMER_GROUP_0, TIMER_0);// Перезапустить прерывание Alarmtimer_group_enable_alarm_in_isr(TIMER_GROUP_0, TIMER_0);audio_info_t *audio = (audio_info_t *)ptr;if (wav_pos >= audio->dataLength) wav_pos = 0;dac_output_voltage(DAC_CHANNEL_1, *(audio->data + wav_pos));wav_pos ++;}
Да, работа со встроенным ЦАПом в ESP32 сводится к вызову одной встроенной функции dac_output_voltage (на самом деле нет).
Собственно, все. Теперь нужно внутри функции app_main() разрешить работу нужного нам канала ЦАП и инициализировать таймер:
void app_main(void){ ESP_ERROR_CHECK(dac_output_enable(DAC_CHANNEL_1)); timerInit();
Собираем, прошиваем, слушаем :) В принципе, можно подключить динамик напрямую к ножке контроллера играть будет. Но лучше все же воспользоваться усилителем. Я использовал завалявшуюся у меня в закромах TDA7050.
На этом все. Да, когда у меня наконец запело, я тоже подумал, что все оказалось гораздо проще, чем я думал. Однако может быть, эта статья чем-нибудь поможет тем, кто только начал осваивать ESP32.
Может быть, когда-нибудь (и если эта недо-статья кому-нибудь понравится) я заведу ЦАП ESP32 с использованием DMA. Там все еще интереснее, потому что в этом случае работать придется со встроенным модулем I2S.
