编译:陈拓 chentuo@ms.xab.ac.cn 2018.06.07/2018.07.14

原文:Adding Basic Audio Ouput to Raspberry Pi Zero
https://learn.adafruit.com/adding-basic-audio-ouput-to-raspberry-pi-zero

0.  概述

为了保持树莓派Zero W低成本和尽可能小,Pi Zero W不包括3.5mm音频插座。也没有音频输出端子。下面我们为Pi Zero W添加基本的音频输出。

1. 原理

在其他的树莓派上音频是怎样工作的呢?用于PI的Broadcom芯片组没有真正的模拟输出。作为替代,用两个PWM引脚(脉宽调制)以非常高的速度工作,并且有滤波。PWM频率至少10倍于我们想要重现的音频最高频率。然后,通过调整PWM的占空比,我们就可以“伪造”音频信号。

音频是20Hz到20kHz,从PI输出的PWM是50MHz,所以我们可以很容易地过滤高50MHz输出(无论如何都听不到)。

看其他树莓派音频输出示意图,我们可以看到PWM0OUT和PWM1OUT是左右通道。R21和R20是分压器,使3.3V信号下降到约1.1V MAX(这是音频线路电平所需的最大峰值到峰值电压)。

C20/C26与R21/R27一起工作,产生一个“RC低通滤波器”。你可以用1/(2*pi*RC) = 1/(2*pi*270*33*10-9) = 17865 Hz计算截止频率,这非常接近20kHz。

C48/C34作为直流滤波电容器,它只允许交流通过扬声器和耳机。

BAV99 是ESD保护二极管。保护树莓派防止来自PWM引脚的静电。

 

2. Pi Zero W音频

[https://learn.adafruit.com/adding-basic-audio-ouput-to-raspberry-pi-zero/pi-zero-pwm-audio]

2.1 BCM2835 GPIO功能

在PI Zero W的PCB板上,没有引出PIN PWM0(引脚#40)和PWM1(引脚#45)。但是可以通过GPIO#18(ALT5)访问PWM0,通过GPIO#13(ALT0)或GPIO#19(ALT5)访问PWM1,请参阅下面的引脚和备用功能的完整列表:https://elinux.org/RPi_BCM2835_GPIOs

BCM2835 GPIO功能

 

GPIO ALT就像单片机的引脚复用。

2.2 在PI Zero W上实现PWM

  • 用ssh登录到命令行控制台。

用putty连接电脑和Pi Zero W,看本文最后的参考文档。Host Name填raspberrypi.local,端口22,用户名pi,密码raspberry

注意:boot分区有一个名为ssh的空文本文件,这个ssh文件容易丢失,如果ssh不能登录了,先检查ssh是否丢失。

  • 设置引脚和PWM的方法

有两种选择,简单的方法是使用DTO来设置所有引脚和PWM,但是,我们还没有测试过。另一种方法是手动设置引脚GPIO alt功能,我们已经测试过了,但难度更大!

选择1. 使用设备树覆盖(Device Tree Overlay - DTO)

有两个建议的DTO选项,第一个使用了最近加入的DTO:

1)  有一种简单的方法来配置PWM音频的PI GPIO引脚。只需将以下行添加到/boot/config.txt,即可在引导是重新配置引脚,无需任何外部软件或服务:

dtoverlay=pwm-2chan,pin=18,func=2,pin2=13,func2=4

将左通道映射到引脚33(BCM = 13),将右通道映射到引脚12(BCM = 18)。

我们先用这个方法试试:

命令: sudo nano /boot/config.txt

 

输入后,使用组合键“Ctrl + X”,然后输入“Y”,回车保存修改。

设置好/boot/config.txt以后,跳转到2.3 低通滤波器接线。

2)  或者,你可以制作自己的DTO,参考下面的文章

嗨,使用dtoValay,我让PWM音频工作在我的pi-zero上:

https://hackaday.io/project/9467-pigrrl-zero/log/35090-pi-zero-pwm-audio-device-tree-overlay

无论哪种方式使用DTO,下一步就是低通滤波器(看本文后面):[https://learn.adafruit.com/adding-basic-audio-ouput-to-raspberry-pi-zero/pi-zero-pwm-audio#low-pass-filter-wiring]

选择2. 手动分配PWM引脚

如果您想设置单独的引脚和用途,则可以手动设置引脚功能。

  • 恢复做选择1时修改的/boot/config.txt

pi@raspberrypi:~ $ sudo nano /boot/config.txt

  • 重新启动Pi Zero W

pi@raspberrypi:~ $ sudo shutdown -h now

等待电源指示灯熄灭后,关闭电源

重新上电,登录ssh。

  • 使用wiringpi的GPIO实用工具

在我们开始之前,先使用wiringpi的GPIO实用工具列出所有GPIO引脚和它们的当前功能/替代设置,请看: http://wiringpi.com/download-and-install/

上的文章:Wiring Pi -GPIO Interface library for the Raspberry Pi。

下载和安装Wiring Pi请看我的《树莓派ZeroW的GPIO控制》一文。

读取所有引脚的状态

pi@raspberrypi:~ $ gpio readall

 

这两个引脚的MODE类型为IN - 这意味着它们只是简单的输入。

  • 下载更改GPIO ALT的工具

我们可以在Pi论坛中使用TimG的一个非常方便的工具来手动调整GPIO ALT(https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?f=44&t=39138)。下载地址:https://learn.adafruit.com/pages/6577/elements/1960154/download

以下是完整的代码:

    /*

    Utility to switch Raspberry-Pi GPIO pin functions

    Tim Giles 01/04/2013

 

    Usage:

    $ gpio_alt -p PIN_NUMBER -f ALT_NUMBER

 

    Based on RPi code from Dom and Gert, 15-Feb-2013, <http://elinux.org/RPi_Low-level_peripherals#C_2>

    and Gnu getopt() example <http://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/Example-of-Getopt.html#Example-of-Getopt>

    */

 

    #include <ctype.h>

    #include <stdio.h>

    #include <stdlib.h>

    #include <unistd.h>

    #include <fcntl.h>

    #include <sys/mman.h>

 

    #define BCM2708_PERI_BASE        0x20000000

    #define GPIO_BASE                (BCM2708_PERI_BASE + 0x200000) /* GPIO controller */

    #define PAGE_SIZE (4*1024)

    #define BLOCK_SIZE (4*1024)

 

    int  mem_fd;

    void *gpio_map;

    volatile unsigned *gpio;

    void setup_io();

 

    // GPIO setup macros. Always use INP_GPIO(x) before using OUT_GPIO(x) or SET_GPIO_ALT(x,y)

    #define INP_GPIO(g) *(gpio+((g)/10)) &= ~(7<<(((g)%10)*3))

    #define OUT_GPIO(g) *(gpio+((g)/10)) |=  (1<<(((g)%10)*3))

    #define SET_GPIO_ALT(g,a) *(gpio+(((g)/10))) |= (((a)<=3?(a)+4:(a)==4?3:2)<<(((g)%10)*3))

 

    #define GPIO_SET *(gpio+7)  // sets   bits which are 1 ignores bits which are 0

    #define GPIO_CLR *(gpio+10) // clears bits which are 1 ignores bits which are 0

 

    int main (int argc, char **argv) {

      int opt, flag, n_pin, n_alt;

      flag=0;

 

      while ((opt = getopt (argc, argv, "hp:f:")) != -1) {

        switch (opt) {

        case 'h':

          break;

        case 'p':

          n_pin = atoi(optarg); flag |= 0b0001; break;

        case 'f':

          n_alt = atoi(optarg); flag |= 0b0010; break;

        case '?':

        // getopt() prints error messages, so don't need to repeat them here

          return 1;

        default:

          abort ();

        }

      }

    

      if (flag != 0b0011) {

        fprintf (stderr, "Usage:\n$ gpio_alt -p PIN_NUM -f FUNC_NUM\n");

        return 1;

      }

    

      setup_io(); // Set up gpi pointer for direct register access

      INP_GPIO(n_pin);  // Always use INP_GPIO(x) before using SET_GPIO_ALT(x,y)

      SET_GPIO_ALT(n_pin, n_alt);

    

      printf("Set pin %i to alternative-function %i\n", n_pin, n_alt);

    

      return 0;

    }

 

    void setup_io() {

       /* open /dev/mem */

       if ((mem_fd = open("/dev/mem", O_RDWR|O_SYNC) ) < 0) {

          printf("can't open /dev/mem \n");

          exit(-1);

       }

 

       /* mmap GPIO */

       gpio_map = mmap(

          NULL,             //Any adddress in our space will do

          BLOCK_SIZE,       //Map length

          PROT_READ|PROT_WRITE,// Enable reading & writting to mapped memory

          MAP_SHARED,       //Shared with other processes

          mem_fd,           //File to map

          GPIO_BASE         //Offset to GPIO peripheral

       );

 

       close(mem_fd); //No need to keep mem_fd open after mmap

 

       if (gpio_map == MAP_FAILED) {

          printf("mmap error %d\n", (int)gpio_map);//errno also set!

          exit(-1);

       }

 

       // Always use volatile pointer!

       gpio = (volatile unsigned *)gpio_map;

    }

在Pi ZeroW上,创建一个新文件并进行编辑(不管在什么目录):

pi@raspberrypi:~ $ nano gpio_alt.c

然后粘贴上面的整个代码。保存...

  • 编译并安装

编译

pi@raspberrypi:~ $ gcc -o gpio_alt gpio_alt.c

改变所有者

pi@raspberrypi:~ $ sudo chown root:root gpio_alt

给gpio_alt以suid权限,可以像root用户一样操作

pi@raspberrypi:~ $ sudo chmod u+s gpio_alt

将gpio_alt移动到/usr/local/bin/

pi@raspberrypi:~ $ sudo mv gpio_alt /usr/local/bin/

  • 现在你可以设置两个GPIO 的ALT功能了!

pi@raspberrypi:~ $ gpio_alt -p 13 -f 0

pi@raspberrypi:~ $ gpio_alt -p 18 -f 5

 

现在回到wiringPi检查我们是否做到了!

pi@raspberrypi:~ $ gpio readall

 

你可以看到新的ALT设置。当然,用选择1,设置/boot/config.txt的方法也可以看到这张图,殊途同归嘛。

2.3 低通滤波器接线

现在按照第1节的电路原理图,将低通滤波电路连接到GPIO#13和GPIO#18上,作为PWM1和PWM0。4个二极管可以忽略,跳过二极管。元件的参数不用太严格。

  

不必做的这么正规,我利用手头的元件,用用洞洞板焊了一个低通滤波器,用起来挺好。看,就是这个:

 

3.5mm音频插座,左右声道和地接线。

用杜邦线和Pi Zero W连接起来,插上耳机:

2.4 设置音频输出

你还需要设置Pi Zero W,这样音频才会通过“耳机插孔”(PWM输出)流出,而不是HDMI。从控制台运行:

pi@raspberrypi:~ $ sudo raspi-config

转到Advanced Options

 

然后是音频

 

强制3.5mm耳机

 

选择OK,回车,然后Finish退出。这个过程你只需要做一次。

 

2.5 测试

你现在可以播放音频了!要重新启动一下Pi Zero W,注意,不要用reboot命令重启,容易丢失ssh文件!

关机:

  • pi@raspberrypi:~ $ sudo shutdown -h now
  • 等待电源指示灯熄灭后,关闭电源

插入有源扬声器或耳机,重新上电,登录ssh。

我们将使用内置的aplay音频播放器播放内置的音频文件。运行:

pi@raspberrypi:~ $ aplay /usr/share/sounds/alsa/Front_Center.wav

 

你听到声音了吗,音质还不错哦。

2.6 调整音量

你可能会注意到一点点嗡嗡声,或者可能只是声音不大。要获得最佳音质,你需要调节音频电平。你可以用alsamixer或amixer调节音量,但我认为alsamixer更容易。

运行pi@raspberrypi:~ $ alsamixer

 

在终端上,音量是用ascii字符排列的图像界面来表现的,用4个方向箭头键调节,点击Esc保存并退出。

现在我们再回过头去试试第二种方法,虽然有点麻烦,但是对于机制的理解更好。

3. 自动化

如果你希望在启动时自动设置alt,我可以这样做。

  • 首先创建一个shell脚本pwmaudio.sh

pi@raspberrypi:~ $ sudo nano /root/pwmaudio.sh

内容:

#!/bin/bash

/usr/local/bin/gpio_alt -p 13 -f 0

/usr/local/bin/gpio_alt -p 18 -f 5

 

  • 修改权限

运行:

pi@raspberrypi:~ $ sudo chmod +x /root/pwmaudio.sh

  • 创建另一个脚本pwmaudio.service

sudo nano /lib/systemd/system/pwmaudio.service

内容:

[Unit]

Description=PWM Audio Service

[Service]

ExecStart=/root/pwmaudio.sh

StandardOutput=null

[Install]

WantedBy=multi-user.target

Alias=pwmaudio.service

 

保存文件。

  • 启用该服务enable 

pi@raspberrypi:~ $ sudo systemctl enable pwmaudio.service

 

  • 启动该服务start 

pi@raspberrypi:~ $ sudo systemctl start pwmaudio.service

  • 重新启动pi

注意:慎用sudo reboot,容易丢失文件,ssh文件很容易丢失。

pi@raspberrypi:~ $ sudo shutdown -h now

等待电源指示灯熄灭后,重新上电。

  • 测试

重新登录。运行gpio readall命令来验证是否已设置了alts

 

成功!

参考文档

    1. 树莓派介绍
    2. 电脑连接树莓派PiZeroW
    3. 树莓派ZeroW的GPIO控制
    4. 树莓派 Zero W+温度传感器DS18B20
    5. Adding Basic Audio Ouput to Raspberry Pi Zero
      https://learn.adafruit.com/adding-basic-audio-ouput-to-raspberry-pi-zero
posted on 2018-07-13 11:35  晨之请风  阅读(1328)  评论(0编辑  收藏  举报