Аудио

Для кого этот документ

Студентам курса "Периферийные устройства"
Необходимое ПО: Quartus II

Ввод, обработка и вывод аудиоинформации

Цель работы: изучение использования аудио кодека для записи и воспроизведения звука, а также генерации звука определенной частоты.

1. Подготовка к лабораторной работе

Для выполнения лабораторной работы необходимо изучить по материалам лекций и предложенной литературы:

Способы представления звуковых сигналов в цифровой форме.
Принцип работы и назначение регистров и отдельных полей аудио порта. Эта информация содержится в описании процессорной системы. Включите ее в отчет.
Уясните содержимое программы Media.c и включите ее в отчет.
Уясните пункты заданий методических указаний и напишите программные заготовки для их выполнения.

2. Порядок выполнения лабораторной работы

Часть 1. Запись и воспроизведение звука

Подключите к стенду микрофон и динамики. Микрофон подключается к разъему MIC розового цвета, наушники – к разъему LINE-OUT зеленого цвета.
Напишите программу на языке программирования Си, которая записывает звуки с помощью микрофона и воспроизводит их, используя динамики, подключенные к стенду. Аудио кодек, установленный на стенде, производит оцифровку звукового сигнала каждую 1/48000 секунды. Длительность звуковой записи должна составлять 10 секунд.

При нажатии кнопки KEY1 выполняется очистка входных аудио буферов. Затем программа проверяет, имеются ли данные во входных аудио буферах, и сохраняет их в памяти. Во время записи звука должен гореть светодиод LED0.

При нажатии кнопки KEY2 программа выполняет очистку выходных аудио буферов и осуществляет запись в них данных, сохраненных в памяти при записи звука. Во время воспроизведения записи должен гореть светодиод LED1.

Часть 2. Добавление аудио эффектов

Модифицируйте программу из предыдущей части таким образом, чтобы при установленном в верхнее положение переключателе SW0 воспроизведение аудиозаписи замедлялось, при установленном в верхнее положение переключателе SW1 – ускорялось. Для замедления воспроизведения необходимо повторять запись каждого оцифрованного значения в выходной буфер, для ускорения – пропускать каждое второе значение.
Модифицируйте программу из предыдущего пункта. При установке переключателя SW2 в верхнее положение на воспроизводимую аудиозапись накладывается эффект эхо. Для этого, при записи в выходной буфер оцифрованного значения на него накладывается ранее оцифрованное значение, но имеющее меньшее значение громкости.

Часть 3. Генерация звука определенной частоты

Подключите клавиатуру к разъему PS/2.
Напишите программу, реализующую музыкальный синтезатор. Пока нажата клавиша на клавиатуре, воспроизводится звук определенной частоты. В таблице представлено значение частоты звука и соответствующая ей клавиша на клавиатуре.

Клавиша	Частота звука, Гц
a	262
w	278
s	292
e	310
d	328
f	348
t	370
g	392
y	416
h	440
u	466
j	494

Для генерации синусоидального сигнала заданной частоты необходимо получить набор значений точек синусоиды, полученных через равные промежутки времени. Значения точек вычисляются по формуле:

A * sin(2π * t / T)

где:

A – амплитуда сигнала (громкость звука);
T – период сигнала;
t – время.

Вычисление данных значений можно производить в любых средах программирования. Полученные значения необходимо разместить в заголовочном файле и подключить его в программе для процессора NIOS II с помощью директивы #include. Для размещения значений каждой частоты необходимо создать отдельный массив. Каждый массив содержит 24000 значений.

При нажатии и удерживании клавиши, в выходной аудио буфер записываются значения из соответствующего массива.

Важно: Необходимо в меню Program Settings в поле Additional compiler flags для установки максимального уровня оптимизации указать значение -O3.

3. Отчетные материалы

Отчетные материалы должны содержать:

Цель лабораторной работы.
Материалы, связанные с подготовкой к работе, включая теоретическую часть.
Информацию по выполнению каждого пункта задания. Причем в отчете должны содержаться выполняемые Вами действия, наблюдаемые результаты, и Ваши объяснения.
Написанные Вами фрагменты программ.
Краткое заключение.

4. Приложение

В приложении содержится фрагмент программы media.c, выполняющий запись и воспроизведение звуковых сигналов.

Листинг 1

Исходный файл программы media.c

#define BUF_SIZE 500000			// примерно 10 секунд записи (@ 48K samples/sec)
#define BUF_THRESHOLD 96		// 75% заполненности аудио буфера

void HEX_PS2(char, char, char);
void check_KEYs( int *, int *, int * );

int main(void)
{
  	volatile int * green_LED_ptr = (int *) 0x10000010;		
	volatile int * audio_ptr = (int *) 0x10003040;			
	volatile int * PS2_ptr = (int *) 0x10000100;				

	/* Используется для аудио записи/воспроизведения */
	int fifospace, leftdata, rightdata;
	int record = 0, play = 0, buffer_index = 0;
	int left_buffer[BUF_SIZE];
	int right_buffer[BUF_SIZE];

	/* Используется для PS/2 порта */
	int PS2_data, RVALID;
	char byte1 = 0, byte2 = 0, byte3 = 0;

	record = 0;
	play = 0;
	
	*(PS2_ptr) = 0xFF;		// Сброс PS/2 порта
	while(1)
	{
		check_KEYs ( &record, &play, &buffer_index );           //Определяем, какая клавиша была нажата
		if (record)
		{
			*(green_LED_ptr) = 0x1;					// Зажигаем светодиод LEDG[0]
			fifospace = *(audio_ptr + 1);	 			// читаем fifospace регистр
			if ( (fifospace & 0x000000FF) > BUF_THRESHOLD ) 	// проверяем значение поля RARC
			{
				// Сохраняем данные из аудио буферов
				while ( (fifospace & 0x000000FF) && (buffer_index < BUF_SIZE) )
				{
					left_buffer[buffer_index] = *(audio_ptr + 2); 		
					right_buffer[buffer_index] = *(audio_ptr + 3); 		
					++buffer_index;

					if (buffer_index == BUF_SIZE)
					{
						// Завершаем запись аудио
						record = 0;
						*(green_LED_ptr) = 0x0;				// выключаем светодиод LEDG
					}
					fifospace = *(audio_ptr + 1);	// читаем fifospace регистр
				}
			}
		}
		else if (play)
		{
			*(green_LED_ptr) = 0x2;					// зажигаем светодиод LEDG_1
			fifospace = *(audio_ptr + 1);	 		// читаем fifospace регистр
			if ( (fifospace & 0x00FF0000) > BUF_THRESHOLD ) 	// проверяем поле WSRC
			{
				// Записываем данные в буферы
				while ( (fifospace & 0x00FF0000) && (buffer_index < BUF_SIZE) )
				{
					*(audio_ptr + 2) = left_buffer[buffer_index];
					*(audio_ptr + 3) = right_buffer[buffer_index];
					++buffer_index;

					if (buffer_index == BUF_SIZE)
					{
						// Завершаем вопроизведение
						play = 0;
						*(green_LED_ptr) = 0x0;				// выключаем светодиод LEDG
					}
					fifospace = *(audio_ptr + 1);	// читаем fifospace регистр
				}
			}
		}
	}
}


/****************************************************************************************
 * Определение, какая кнопка на стенде была нажата
****************************************************************************************/
void check_KEYs(int * KEY1, int * KEY2, int * counter)
{
	volatile int * KEY_ptr = (int *) 0x10000050;		
	volatile int * audio_ptr = (int *) 0x10003040;	
	int KEY_value;

	KEY_value = *(KEY_ptr); 				// Считываем значение регистра данных кнопок
	while (*KEY_ptr);					// Ожидаем появления данных

	if (KEY_value == 0x2)					// Если была нажата кнопка KEY1
	{
		// Сбрасываем счетчик
		*counter = 0;
		// Очищаем входные аудио буферы
		*(audio_ptr) = 0x4;
		*(audio_ptr) = 0x0;

		*KEY1 = 1;
	}
	else if (KEY_value == 0x4)				// Если была нажата кнопка KEY2
	{
		// Сбрасываем счетчик
		*counter = 0;
		// Очищаем выходные аудио буферы
		*(audio_ptr) = 0x8;
		*(audio_ptr) = 0x0;

		*KEY2 = 1;
	}
}

Чеклист выполнения

Работа выполнена
Отчет подготовлен

Для кого этот документ​

Ввод, обработка и вывод аудиоинформации​

1. Подготовка к лабораторной работе​

2. Порядок выполнения лабораторной работы​

Часть 1. Запись и воспроизведение звука​

Часть 2. Добавление аудио эффектов​

Часть 3. Генерация звука определенной частоты​

3. Отчетные материалы​

4. Приложение​

Листинг 1​

Чеклист выполнения​