Генерация форм волн RP2040

Создаю код

Разрабатываю код для микроконтроллера RP2040, который генерирует волны различных форм, позволяет переключаться между ними с помощью кнопок, управлять частотой через потенциометр и переключать ноты.

Создание и интеграция

Я работаю над кодом для микроконтроллера RP2040, используя среду разработки Arduino IDE. Код включает генераторы и расчеты форм волн, такие как квадратные, треугольные и синусоиды.

Печатание кода

Сейчас пишу код для RP2040 с формирователями волн и кнопками. Интересно, как автоматизировать это!

Реализую оборудование

Использую микроконтроллер RP2040, чтобы выводить волны через PWM. Кнопки и потенциометр подключены к GPIO и аналогу, управляя генерацией и частотой.

Использую PWM для создания

Я работаю над генерацией синусоиды через таблицу или вычисления, а треугольники и квадраты - через PWM, с интеруптами или таймерами для частоты.

Проверяю интерфейсы

Сейчас я мониторю поддержку Arduino IDE для RP2040 и начинаю писать код для PWM и аналоговых ввода, определяя выводные и входные пины, а также настройки переменных для волны, игры и частоты.

Создаю код

Я пишу код на C++ с комментариями на русском, определяю константы, инициализирую переменные и обрабатываю кнопки и potenciometer.

Использование таблиц и таймеров

Планирую применять таблицы для настройки циклов PWM согласно значениям синусоиды, регулируя частоту обновлений с помощью таймеров или прерываний Arduino для точной генерации.

Создание ПВО

Я думаю о PWM, который можно включить в код. Это приводит к улучшению звуковых форм.

Генерация форм волн через PWM:

• Создаем таблицу значений для синусоиды.
• Формирование массива для треугольной волны.
• Устанавливаем коэффициент заполнения для квадратной волны.

Выбираем частоту и частоту дискретизации, чтобы избежать перегрузки Arduino.

Определяю параметры

Устанавливаю константы, переменные и массивы для настройки вывода PWM и управления волновым сигналом, частотой, октавой и считыванием значений с кнопок и потенциометра.

Перевод кода

Я объясняю процесс перевода кода и комментариев на русский, чтобы они были точными и понятными.

Настройка и активация

Я набираю коды для RP2040 с Arduino IDE. Определяю пины, частоты и октавы, создаю таблицы сэмплов и беру на себя управление кнопками и потенциометром.

defining constants and pwm output, reading buttons and potentiometer, generating waveforms, adjusting pwm duty cycle

cpp
// Код для микроконтроллера RP2040, с использованием Arduino IDE
// Генерация форм волн: квадрат, треугольник и синус
// Переключение форм волн с помощью кнопки
// Вторая кнопка для запуска и остановки генерации
// Третья кнопка для переключения октав
// Потенциометр для изменения частоты в пределах октавы

// Определение пинов
const int PIN_PWM_OUTPUT = 15;       // Пин PWM выхода
const int BUTTON_WAVEFORM = 2;       // Кнопка переключения форм волн
const int BUTTON_PLAY = 3;           // Кнопка запуска/остановки
const int BUTTON_OCTAVE = 4;         // Кнопка переключения октав
const int POTENTIOMETER_PIN = A0;    // Пин потенциометра (ADC0)

// Константы
const int NUM_SAMPLES = 100;         // Количество сэмплов в периоде
const int NUM_OCTAVES = 8;           // Количество октав
const float BASE_FREQUENCY = 440.0;  // Базовая частота (Ля 4 октавы)

// Переменные
int waveformType = 0;    // 0 - квадрат, 1 - треугольник, 2 - синус
bool isPlaying = false;  // Флаг воспроизведения
int octave = 4;          // Текущая октава
float frequency = BASE_FREQUENCY;   // Текущая частота
int sampleIndex = 0;     // Индекс текущего сэмпла
unsigned long lastUpdateTime = 0; // Время последнего обновления сэмпла

// Таблицы сэмплов
uint16_t sineTable[NUM_SAMPLES];
uint16_t triangleTable[NUM_SAMPLES];

// Настройка PWM
const int PWM_FREQUENCY = 500000; // Частота PWM
const int PWM_RESOLUTION = 16;    // Разрешение PWM (до 16 бит)

// Для антидребезга кнопок
unsigned long lastDebounceTime = 0;
const unsigned long debounceDelay = 50; // Задержка для антидребезга

// Состояния кнопок
int lastButtonWaveformState = HIGH;
int lastButtonPlayState = HIGH;
int lastButtonOctaveState = HIGH;

void setup() {
  // Инициализация пинов
  pinMode(PIN_PWM_OUTPUT, OUTPUT);
  pinMode(BUTTON_WAVEFORM, INPUT_PULLUP);
  pinMode(BUTTON_PLAY, INPUT_PULLUP);
  pinMode(BUTTON_OCTAVE, INPUT_PULLUP);
  
  // Настройка PWM
  analogWriteResolution(PWM_RESOLUTION);
  analogWriteFrequency(PIN_PWM_OUTPUT, PWM_FREQUENCY);
  analogWrite(PIN_PWM_OUTPUT, 0);

  // Заполнение таблиц сэмплов
  for (int i = 0; i < NUM_SAMPLES; i++) {
    // Синусоида
    sineTable[i] = (uint16_t)((sin(2 * PI * i / NUM_SAMPLES) + 1.0) * ((1 << PWM_RESOLUTION) -1 ) / 2);
    // Треугольник
    if (i < NUM_SAMPLES / 2) {
      triangleTable[i] = (uint16_t)(i * ((1 << PWM_RESOLUTION) -1 ) / (NUM_SAMPLES / 2));
    } else {
      triangleTable[i] = (uint16_t)(((NUM_SAMPLES - i) * ((1 << PWM_RESOLUTION) -1 )) / (NUM_SAMPLES / 2));
    }
  }
}

void loop() {
  // Чтение состояний кнопок
  int buttonWaveformState = digitalRead(BUTTON_WAVEFORM);
  int buttonPlayState = digitalRead(BUTTON_PLAY);
  int buttonOctaveState = digitalRead(BUTTON_OCTAVE);

  unsigned long currentTime = millis();

  // Обработка кнопки переключения форм волн
  if (buttonWaveformState != lastButtonWaveformState) {
    if (buttonWaveformState == LOW) {
      waveformType = (waveformType + 1) % 3; // Переключение формы волны
    }
    delay(50); // Задержка для антидребезга
  }
  lastButtonWaveformState = buttonWaveformState;

  // Обработка кнопки запуска/остановки
  if (buttonPlayState != lastButtonPlayState) {
    if (buttonPlayState == LOW) {
      isPlaying = !isPlaying; // Переключение состояния воспроизведения
      if (!isPlaying) {
        analogWrite(PIN_PWM_OUTPUT, 0); // Отключение выхода
      }
    }
    delay(50); // Задержка для антидребезга
  }
  lastButtonPlayState = buttonPlayState;

  // Обработка кнопки переключения октав
  if (buttonOctaveState != lastButtonOctaveState) {
    if (buttonOctaveState == LOW) {
      octave = (octave - 1 + NUM_OCTAVES) % NUM_OCTAVES; // Переключение октавы
    }
    delay(50); // Задержка для антидребезга
  }
  lastButtonOctaveState = buttonOctaveState;

  // Чтение потенциометра
  int potValue = analogRead(POTENTIOMETER_PIN);
  float potFraction = potValue / 1023.0;

  // Расчет частоты
  float octaveMultiplier = pow(2, octave - 4); // Октава 4 - базовая
  frequency = BASE_FREQUENCY * octaveMultiplier * (0.5 + potFraction); // Частота в пределах октавы

  // Генерация формы волны
  if (isPlaying) {
    unsigned long currentMicros = micros();
    float samplePeriod = (1.0 / frequency) / NUM_SAMPLES * 1000000.0; // Период сэмпла в микросекундах

    if (currentMicros - lastUpdateTime >= samplePeriod) {
      lastUpdateTime = currentMicros;

      uint16_t pwmValue = 0;

      switch (waveformType) {
        case 0: // Квадрат
          if (sampleIndex < NUM_SAMPLES / 2) {
            pwmValue = (1 << PWM_RESOLUTION) -1; // Максимальное значение
          } else {
            pwmValue = 0; // Минимальное значение
          }
          break;
        case 1: // Треугольник
          pwmValue = triangleTable[sampleIndex];
          break;
        case 2: // Синус
          pwmValue = sineTable[sampleIndex];
          break;
      }

      analogWrite(PIN_PWM_OUTPUT, pwmValue);

      sampleIndex = (sampleIndex + 1) % NUM_SAMPLES;
    }
  }
}

Объяснение кода:

• Настройка пинов: Устанавливаются пины для PWM выхода, кнопок и потенциометра.
• Таблицы сэмплов: Заполняются таблицы сэмплов для синусоидальной и треугольной волн.
• Основной цикл (loop):
  • Обрабатываются нажатия кнопок с антидребезгом.
  • Переключаются формы волн, состояние воспроизведения и октавы.
  • Читается значение потенциометра для настройки частоты в пределах октавы.
  • Расчитывается текущая частота на основе выбранной октавы и положения потенциометра.
  • Если генерация активна, обновляется значение PWM для создания выбранной формы волны на заданной частоте.

Подключение компонентов:

• Кнопки: Подключены между соответствующим пином и землей. Используются встроенные подтягивающие резисторы (INPUT_PULLUP).
• Потенциометр: Один конец на 3.3В, другой на землю, средний вывод (ползунок) подключен к A0.
• PWM Выход: Пин PIN_PWM_OUTPUT подключен к фильтру низких частот для сглаживания PWM сигнала, затем к выходному устройству (например, динамику через усилитель).

Примечания:

• Для улучшения качества сигнала рекомендуется использовать фильтр низких частот на выходе PWM.
• Частота PWM установлена достаточно высокой (500000 Гц) для обеспечения более плавного аналогового выхода после фильтрации.
• Значения PWM рассчитываются с использованием высокого разрешения (16 бит) для более точного представления формы волны.
• Код рассчитан на использование с Arduino IDE и платой на базе RP2040 (например, Raspberry Pi Pico).

Важное замечание: При работе с аудиосигналами и динамиками необходимо использовать соответствующие усилители и фильтры, чтобы предотвратить повреждение компонентов и обеспечить качественное воспроизведение звука.