基於Realtek RTL8761AVT + ST STM32F407 開發的智慧電吉他音效器的設計方案

一、前言
音樂家在音樂會演奏時通常需要一台能夠修改音效配置的設備。 這個工作通常交給專門的“演出管理員”進行調整。現在我們通過建立一款通用放大器電路，旨在能夠增加標準吉他音箱的放大功能且允許遠端控制放大器的各個方面的聲音效果。因此有兩個方法。 第一個是採用一個經典的吉他放大器,用戶通過連接到模擬電位器旋鈕控制模擬效果。第二個是放大器通過MCU來實現各種綜合數位音效的效果。 這些音效包括合唱,鑲邊,移相器,顫音,延遲,混響等各種組合。專案拓展功能是無線部分,我們採用常用的RF標準即藍牙標準（由IEEE 802.15.1制定，標準設定了MAC位址以及頻率受限制的2.4 --2.485 GHz ISM波段可供我們免費使用）。我們的數位電吉他專案系統設計使用ST微控制器（本列採用STM32F407單片機控制）,我們建立了一個從智慧手機通過藍牙的控制與吉他放大器的數位效果功能。該專案特別需要在吉他的信號處理器上產生效果。 音符應由吉他產生，並發送到處理器進行數位化處理以產生各種效果。 處理器應包含許多創建效果的數位濾波器。 這些效果應由用戶選擇決定，因此可以繞過不想要的效果，並利用所需的效果，然後通過處理器發送信號到吉他放大器和揚聲器進行聽覺再現，以達到預期的目標。

二、專案設計
該專案的實施分為兩個階段：
第一階段，硬體設計，包括各子系統功能的調試以及藍牙無線模組的設計及調試
第二階段，軟體設計，包括為以下專案增加效果：
預先錄製的吉他音符，以及包含即時效果的生成
2.1. 目標 該專案具有以下目標：
●濾除單線圈拾音器雜訊（約60 Hz）
●雜訊濾波器之後的所有效果都是用戶定義的，這意味著使用者不需要的效果可繞過
●失真模型，可將信號增強和削波為特定的最大值和最小值
●創建音訊混響模擬
●創建數字延遲和回聲
●將信號更改為比播放的高八度
●生成自動音量膨脹，並根據達到最大音量的速度進行修改
●產生合唱效果，使吉他聽起來像多把吉他
●使用延遲線（翻邊）或移動信號相位（相位器），如果時間允許可以稍後添加其他效果。 未來可能的影響是聲學模擬，用於單線圈拾音器的humbucker建模，用於單線圈拾音器的單線圈模型，管狀失真和自動哇音。

2.2. 系統功能原理 信號來自吉他，並到達STM32F407ZET6 混合型MCU。首先將其轉換為數位信號，然後它通過雜訊濾波器。從雜訊篩檢程式轉到用戶定義的效果篩檢程式。之後，修改後的信號將轉換回類比信號，並發送到吉他放大器以獲取聲音。

2.3. 音效驗證（吉他說明） 選擇兩把不同的吉他是用於主要的信號發生器作用。一個是Squier Stratocaster，另一個是Squier Telecaster。 Stratocaster包含三個單線圈拾音器。這些拾音器存在聲音清晰細膩，但會產生60 Hz的嗡嗡聲，處理器會消除這種嗡嗡聲。Telecaster包含兩個humbucker拾音器；基本上兩個極性相反的單線圈取消嗡嗡聲，嗡嗡聲會發出更溫暖，更廣闊的聲音。

2.4. STM32F407ZET6 混合型MCU說明 STM32F407ZET6 混合型MCU包含轉換器，因此信號可以被數位化以進行效果處理和然後返回模擬形式進行音訊表示（一個A / D轉換器和一個D / A轉換器：注意為了簡化程式的設計，本設計這部分採用的是外接硬體ADC與DAC）。雜訊濾波器跟隨A / D轉換器，消除了單線圈拾音器固有的雜訊。效果連接濾鏡以允許在選擇時使用某些效果，並使用其他效果未選擇時繞過。計畫的效果數量為八，但時間可能會更多要設計的效果濾鏡。效果濾鏡通向D / A轉換器。

2.5. 吉他放大器說明 我們使用Fender Frontman 15R吉他放大器輸出音訊。它有一個混響電位器，但是將其設置為0，以便可以設計混響效果被測試。它也有一個失真通道，但是在測試設計的濾波器時將忽略它。 2.6. 在下面中，討論了所提出系統中的一些數位音效效果。 數位音效

1）合唱效果：音樂用語。兩組以上的歌唱者，各按本組所擔任的聲部演唱同一樂曲。分同聲與混聲兩種：同聲的由男聲或女聲單獨組成；混聲的由男聲和女聲混合組成。按聲部的多少，可分二部合唱、三部合唱、四部合唱等。
2）法蘭效果：法蘭效果就像合唱一樣，區別在於法蘭的延遲約為0–35 ms，合唱的延遲約為35–50 ms。
3）混響效果：聲波在室內傳播時，要被牆壁、天花板、地板等障礙物反射，每反射一次都要被障礙物吸收一些。這樣，當聲源停止發聲後，聲波在室內要經過多次反射和吸收，最後才消失，我們就感覺到聲源停止發聲後聲音還繼續一段時間。這種現象叫做混響，這段時間叫做混響時間。製作混響效果的原理，一共有四部曲，分別是：（1）降噪；（2）外掛程式使用；（3）壓限；（4）混響。
4）失真效果：當將正弦信號用作削波電路的輸入時，將嚴重失真發生，結果輸出就像方波。為了獲得聽覺效果，它使原始的柔和聲音變得不禮貌。這種聲音效果可以認為是最對於某些電吉他演奏者來說很重要。

目前市面上也有專門的數位音效晶片，其價格比較昂貴，其出現的目的是能夠打出16個不同的效果。  通過選擇數位0到15之間,用戶在揚聲器裡可以聽到各種音效效果。 為了測試這個晶片,我們測試了各種變化的影響,在示波器裡可觀察效果。 下圖是一個純正弦信號在數位音效裡的效果。 其他分別顯示效果3和12。 看到這些波形證實晶片的工作。 此外,使用尤克裡裡琴作為輸入,我們能夠聽到各種影響揚聲器輸出的效果。



圖1: 550 Hz正弦信號輸入DSP晶片



圖2: 輸出的數位效果3


圖3: 輸出的數位效果12 A、藍牙模組設計部分 我們採用了基於RTL8761ATV晶片定制的藍牙模組（例如：FSC-BT826）是用於建立與其他藍牙設備連接的相關處理。FSC-BT826 / UART通信可用於圖片傳送和接收資料。 該模組通過發佈一個藍牙服務,允許其他的客戶機-智慧手機進行配對。 通過使用智慧手機上的藍牙終端(如： blu-term)可以發送資料和測試uart連接的圖片。



藍牙部分採用模組設計，主晶片RTL8761ATV，它是Realtek 2.4 GHz的無線SoC。 RTL8761ATV的更多詳細資訊可以在下面看到。 


我們使用基於RTL8761ATV晶片定制的藍牙模組FSC-BT826，藍牙用於控制為該項目構建的其他應用的各個方面。 使用UART介面，藍牙在控制放大器方面非常有效。 它是使用protothreads DMA UART庫實現的。 為了節省時間，我們沒有開發藍牙的前端，而是在Android設備上使用了藍牙終端。 未來的工作將涉及為該音效放大器構建功能全面的前端。 B、STM32F407處理器設計部分 STM32F407處理器是一個32位微控制器。 這是作為吉他音效放大器的主要控制中心及數位音效處理。 使用UART連接藍牙模組,它能夠與智慧手機的藍牙通信。 然後,使用各種數位信號處理作為數位輸出,它可以進行精細合成各種必要的數位信號,以及正確的輸出到揚聲器。 此外,利用SPI,微控制器用來控制各種數位電位計或者類比電位器(100 k)。 因此也是我們採用STM32F407做音效處理的考量，主要基於其強大的CPU 運算能力,CPU時鐘速度可達168 MHz（STM32F407），開發者可以先使用STM32F407 Discovery板結合Audio Weaver工具來進行數位音效設計的驗證工作。 因此我們可申請ST提供的STM32F4系列Cortex-M4處理器的低成本評估板進行專案評估，然後再設計自己的開發系統進一步完善其功能。

STM32F407處理器特點
音訊I / O：2-in USB. mono-Mic. 2 out 經DAC. @ 48 kHz 調試介面：SWD兩線介面 Flash檔案系統支持：是 從快閃記憶體啟動：是 基本塊大小：32個樣本 本機資料類型：浮點數

在本專案開發前，首先下載適當目標的ST板支援套裝程式（BSP）。這些BSP在DSP Concepts網站上提供：https://www.dspconcepts.com。
運行安裝程式並接受授權合約後，BSP將安裝到C：\ DSP Concepts中的目錄中。在電腦上安裝BSP軟體後，將ST Discovery板連接到電腦。
該評估板具有兩個USB連接：
●Mini-USB –用於電源和程式設計
●Micro-USB –用於音訊和控制

注意：只能充電的USB電纜不起作用。如果您在閃爍或連接到主機板時遇到問題，請確保您的USB電纜支持資料傳輸。電纜損壞的常見症狀是嘗試連接時出現錯誤消息，內容為“無法創建USB埠-該埠是否正在被其他程式使用？請將兩個USB連接都連接到PC。這將為開發板上電，並且幾個LED將點亮。 注意：USB集線器會導致不可預測的通信錯誤，因此我們建議直接連接到PC。如果PC上只有一個USB埠，請使用外部電源為開發板供電（ST-LINK Micro USB連接器），並使用PC的USB埠進行USB-HS連接。

ST-AudioWea【音訊設計的福音】
它是ST與DSP Concepts合作推出超級強勁的傻瓜式音訊軟體ST-AudioWea，在這裡有必要詳細的說明一下：
1. DSP Concepts是一家比較厲害的嵌入式音訊DSP解決方案開發商，如果不瞭解的話，這裡只說一點，大家就瞭解了。ARM官方中的DSP庫就是找他們開發的，一直是他們在升級維護。
2. 操作這個軟體，不需要使用者具有DSP技能，傻瓜式的，自動生成代碼。
3. 軟體下載位址：https://dspconcepts.com/st 一共有三個版本，初級版本是免費的，大家可以隨意下載，至少有8項功能可以免費使用，已經很給力了，對於一般的用戶來說，初級版本足夠用了。它超過200+的音訊處理模型，用只需拖動拖動控制項就可以使用了。如果初級版不能滿足您的需求，還有將近200個高級版函數供使用者使用的高階版本，ST的官方位址：http://www.st.com/content/st_com ... st-audioweaver.html。

下面我們詳細介紹ST-AudioWeaver，它是一種先進的工具,以方便和優化音訊開發和調優STM32微控制器。它基於PC工具，使用一個圖形化介面,支援創建和優化先進的音訊處理鏈通過簡單的拖放160 +模組。不需要DSP程式設計技能。 當使用運行時核心庫,輸出優化嵌入代碼,準備生產,大大降低開發時間和成本。ST提供了這個特殊的STM32的禮物，讓客戶免費並添加一些ST音訊的支持虛擬化和低音增強等模組。高端升級的ST-AudioWeaver額外或自訂音訊模組和MATLAB®API支援,使用DSP是可能的。欲想瞭解更多合作夥伴產品/服務相關的更多資訊,請訪問:www.dspconcepts.com。 接下來，在其官網上（www.st.com）安裝由STMicroelectronics提供的STM32 ST-LINK Utility（STSW-LINK004）程式設計實用程式。http://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/development-tool-software/stsw-link004.html，然後將Audio Weaver連接到目標板，啟動Audio Weaver Designer應用程式。然後從“伺服器”窗口（而非“設計器”窗口）中選擇功能表項目“目標”→“更改連接”在下拉清單中，選擇“ USB”並根據需要更改PID和VID設置。 對於STM32F407板，點擊“更改”按鈕。該窗口將關閉，“伺服器”視窗將更新以反映與發現板的連接。現在應在AWE_Server中可顯示一些資訊。（具體可參考DSP Concepts STM32F4xx發現板使用者指南），此時，Audio Weaver Server能夠與主機板通信。為了確保Audio Weaver Designer也會看到此更改，請按一下“重新連接到伺服器”按鈕，Audio Weaver Designer中繪製的預設系統如下所示：


此時看到目標的基本塊大小為32個樣本，並以48 kHz的固定取樣速率運行。左輸入引腳“ SYS_in”表示3個輸入通道。前兩個通道是身歷聲USB音訊，這是從PC資料流的音訊。最後一個通道是單聲道麥克風。右側的輸出引腳“ SYS_out”也是身歷聲，這是音訊輸出到DAC。即時處理將僅在Audio Weaver模型運行時發生。完成上述的工作後，我們可在Audio Weaver中創建並運行一個簡單的模型，並將揚聲器插入STM32 Discovery板的3.5毫米音訊輸出插孔。現在您應該可以聽到STM32 Discovery板正在渲染的音訊！注意：stm32f407是一個單獨的BSP， stm32f407的BSP,請下載“AWE_BSP_stm32f407_v1.2_Installer。 進入下載頁面:https://dspconcepts.com/downloads。可以找到以下檔包： AWE_BSP_stm32f407_s1.4_Installer.exe(22.7 MB)，包括了BSP參考原始程式碼,預先構建的引導映射的程式,ST AWE核心庫,構建項目Keil ，IAR, GCC (OpenSTM32)工具鏈,對ST特定模組的支援。


我們也可以使用默認的例子創建我們的第一個應用程式：
第一步，按一下STMicro 8.C.1.1圖示，打開AWE Server及程式介面。



第二步：打開程式介面後，然後找到合適的參考例子，進行編輯修改成自己項目合適的。


第三步：也可以在原有的程式裡修改參數及流程控制項，其控制項都是拖曳式的，非常的方便,我們打開左手邊的Misc，可以看到有大量的控制項，可以拖曳到工作區進行編輯。



第四步：編譯運行程式



第五步：使用STM32F407 Discovery板設置GPIO輸入和輸出 STM32F407 Discovery板具有各種LED，I / O引腳和藍色的使用者按鈕。 Audio Weaver具有一個GPIO模組，該模組允許輸出到GPIO引腳或led或從GPIO引腳或藍色使用者按鈕輸入。 但是，必須將模組設置為訪問所需的引腳。 板上的每個引腳和引腳都有標籤。 GPIO模組編號從引腳1開始的引腳，這些引腳需要映射到板上的實際引腳。 STM32F407VG-發現板可用的GPIO引腳圖

答疑QA:

1,我在哪裡可以找到這個難以捉摸的檔——神話中的“stm32f407vc.bin”?
2,我想使用STM32F407vg.bin但我找不到, 誰能告訴我在哪裡可以下載?
3,我安裝兩個版本(7. a.0.7和8. b.1.3),但沒有所需的本檔？
4,安裝了AWECore CortexM4 s8.B.3.1-2019.09.18後卻沒有發現STM32F407_Discovery的固件？ 
5,下載一個新版本2.16總階段的USB驅動程式(2.10版本不相容Windows 10)但窗臺上沒有運行？
6，當我試著連接敬畏伺服器通過USB視頻:1155 PID: 407,下面的資訊是顯示:無法創建USB埠,該埠正在使用另一個程式呢?
7，有人知道如何AWE BSP 在W10正常工作嗎? 上面出現的一些問題，大家可以查看這篇文章也有其他一些建議，另外解決USB埠的問題:https://dspconcepts.com/forums/audio-weaver-general/440-stm32f7-discovery-audio-input-and-output

三、結論
本項目旨在幫助用戶更快簡單的實現了一種具有數位集成功能的無線電吉他效應用。首先，無線音訊模組用於傳輸電吉他音樂。其次，介紹了數位集成的效應器，使電子吉他手不需要面對淩亂的電線和許多不同種類的效果器，例如失真，鑲邊和混響。 STM32F407板是用作核心處理器。

最後，讓電吉他手可以更輕鬆，更快捷的方式獲得所需的音訊效果帶鍵盤的鍵盤安裝在電吉他的邊緣。根據原型系統，具有更多實用效果器的集成數位效果器在後續可更進一步的升級中。 四、其他建議 系統裡可能會存在或多或少的小問題或者其他超過需求而添加的功能，這些所有功能的主要目標是最終實現該專案。後續會有一些關鍵的改進,我們的目標取代現有的產品，精簡印刷電路板連接電吉他整合為一體。 標準 我們的設計符合所有相關IEEE標準。 這是這種情況下,因為大多數複雜的信號處理是由行業標準和外部積體電路晶片。 例如,FSC-BT826模組符合所有標準的IEEE藍牙特別興趣小組(團體)。 STM32F407ZEV6核心板是一個包含許多數位吉他放大器的核心音效演算法並符合IEEE的標準。 智慧財產權方面的考慮 對於智慧財產權方面的考慮,所有的原始程式碼是由我們提供並授權使用許可。 同樣所有類比電路設計和外部模組(數位聲音效應,藍牙晶片)改編自開源,公開的圖紙,因此不需要由原來的作者出具法律協議。 因此,我們的設計沒有智慧財產權專利的衝突。 因此開源我們的設計,並容許在任何雜誌或期刊上發表。

 法律方面的考慮 我們的專案包括一個藍牙模組,外置的插座電源（AC220-DC12V)、因此交直流電壓和幾個監管機構都受到FCC標準限制:藍牙模組使用藍牙規範v2.0 + EDR協定,2.4 ghz頻率操作ISM波段,< = -84 dbm的發射功率。 同樣包括身份驗證和加密資料傳輸協議。在本方案包含在一個交流電源適配器,將一個12 v交流電源插座輸出轉換為直流電流與電壓。 此外,一些電壓調節器是用於我們的專案的各種元件。 因為幾個元件需要3.3 v, 5 v, 9-12V電壓,我們使用線性穩壓器輸出。 這些元件和各自的規範都遵守FCC標準限制,因此我們的設計能夠在美國合法經營。