DIY-микрофон i2s для Raspberry Pi

DIY микрофон i2s для Raspberry Pi с компрессором, лимитером, фильтрами НЧ и ВЧ и даже «голосом Буратино» на Teensy 3.6.

В детстве я часами зависал у витрины музыкального магазина на Нижней Масловке: меня гипнотизировали чехословацкие и болгарские гитары, синтезаторы Поливокс, электроорганы, акустические колонки, наушники, микрофоны и катушечные магнитофоны. В музыкальном магазине была особая аура, пусть с запахом скрипичной канифоли и рояльного лака. Разумеется, меня зачаровывали электрогитары (и не только из-за сверкающих звукоснимателей и тяжелой колковой механики, целлулоидных вставок), многочисленные гитарные педали — тогда еще наука музыки не знала слова «гитарный процессор». Были педали-ящички фэйзеры, фланжеры, «исказители» и только-только появившиеся цифровые ревербераторы Лель. Цифровые устройства стоили баснословных денег, но обещали заманчивые дальние дали!

Наверное, любой мальчишка, пожирающий глазами музыкальные витрины, мечтает подключить микрофон к усилителю, пропустить звук через загадочный ящик с цифровыми микросхемами и напевать то голосом Карабаса-Барабаса, то Буратино.

Прошли годы, я уже не посещаю музыкальные магазины, но… Когда на авито я увидел микроконтроллер Teensy, меня накрыла мощная волна ностальгии!

А так как мой домашний компьютер это Raspberry Pi 4, как известно, без микрофонного входа, то музыкальные эльфы и феи подсказали мне идею сделать цифровой микрофон на микроконтроллере… с древними эффектами.

Teensy очень удобный микроконтроллер для музыканта: много памяти, хорошо структурированная аудио библиотека, даже некий графический интерфейс для автоматизации.

Итак, после двух-трех дней изучения форума Teensy, я наконец-то написал первую программу для цифрового микрофона. Да, с возможностью включить фланжер, ревербератор, фильтры НЧ и ВЧ, светодиодами, мигающими разноцветными огнями (пиковые индикаторы «под старину»). Как вишенка на торте — с собственным «генератором огибающей», что позволяет добиться, например, сустейна. Ох, сустейн, сладкое словечко моей юности!

Ниже я привожу код для IDE Arduino микрофона для Raspberry Pi и не только. Хотя это 16-битный микрофон, звук у него неплохой.

 #include <Audio.h> #include <Wire.h> #include <SPI.h> // Переменные для фланжера, если он нужен // #define FLANGE_DELAY_LENGTH (8*AUDIO_BLOCK_SAMPLES) // short delayline[FLANGE_DELAY_LENGTH]; // int s_idx = FLANGE_DELAY_LENGTH/8; // int s_depth = FLANGE_DELAY_LENGTH/8; // double s_freq = .0625; // Настройка эффекта "granular", например, "голос Буратино" // #define GRANULAR_MEMORY_SIZE 12800 // 290 ms 44.1 kHz // int16_t granularMemory[GRANULAR_MEMORY_SIZE]; // Объявляем функции лимитера-компрессора void envelope_setup(); void envelope_trigger(); void envelope_limiter(); // На указанные pin's заведены двухцветные светодиоды byte ledFFT1 = 36; byte ledFFT2 = 37; byte ledPeak = 18; byte ledRMS = 19; // Подключение микрофона i2s. В данном случае это микрофон INMP441 AudioInputI2S i2s; // Фильтры. AudioFilterBiquad biquad; AudioFilterStateVariable filter; // Пиковые индикаторы, Фурье и прочее AudioAnalyzePeak peak; AudioAnalyzeRMS RMS; AudioAnalyzeFFT256 FFT; // Усилители. AudioAmplifier ampFFT; AudioAmplifier ampRMS; AudioAmplifier ampPEAK; AudioAmplifier ampOut; AudioAmplifier bypass; // Выход USB AudioOutputUSB usbOut; // Микшер на четыре канала AudioMixer4 mixer; // Генераторы: белый и розовый шумы AudioSynthNoisePink pink; AudioSynthNoiseWhite noise; // Огибающая. AudioEffectEnvelope envelope; // Ревербератор, фланжер и т.д. // AudioEffectFreeverb freeverb; // AudioEffectGranular granular; // AudioEffectFlange flange; // Усилители для настройки индикаторов AudioConnection out0(biquad, ampPEAK); AudioConnection out1(ampOut, ampRMS); AudioConnection out2(ampOut, ampFFT); // Индикаторы FFT, RMS-peak AudioConnection indRMS(ampRMS, RMS); AudioConnection indFFT(ampFFT, FFT); AudioConnection indPeak(ampPEAK, peak); // Выход микрофона, фильтрация ВЧ, НЧ AudioConnection micL(i2s, 0, filter, 0); // Для правого канала // AudioConnection micR(i2s, 1, filter, 0); // Фильтрация AudioConnection filterIn(filter, 2, biquad, 0); // Подключаем устройства AudioConnection pc0(biquad, bypass); // Лимитер или компрессор. AudioConnection pc3(biquad, envelope); // Для "granular" // AudioConnection pc3(biquad, granular); // Микшер AudioConnection mixIn0(bypass, 0, mixer, 0); AudioConnection mixIn1(envelope, 0, mixer, 1); // Генераторы шума, подключаемые к микшеру. AudioConnection mixIn2(noise, 0, mixer, 2); AudioConnection mixIn3(pink, 0, mixer, 3); // Выход микшера на усилитель AudioConnection ampIn(mixer, ampOut); // Выход на USB. Правый и левый каналы AudioConnection usbL(ampOut, 0, usbOut, 0); AudioConnection usbR(ampOut, 0, usbOut, 1); // Настройка индикаторов-светодиодов, Фурье void fft_meter(const float fft) {     if (fft > 0.50) {         digitalWrite(ledFFT2, HIGH);         digitalWrite(ledFFT1, LOW);     } else {         digitalWrite(ledFFT1, HIGH);         digitalWrite(ledFFT2, LOW);     }     delay(fft*100); } // Светодиоды, RMS void rms_meter(const float rms) {     analogWrite(ledRMS, 0 + rms*100);     for (int i; i < rms*100; i++) {     }     delay(rms*100); } void setup() { // Инициализация светодиодов перегрузки и уровня     pinMode(ledFFT1, OUTPUT);     pinMode(ledFFT2, OUTPUT);     pinMode(ledPeak, OUTPUT);     pinMode(ledRMS, OUTPUT);     digitalWrite(ledFFT1, HIGH);     digitalWrite(ledFFT2, HIGH);     analogWrite(ledPeak, 0); // Выделение памяти     AudioMemory (320); // Фильтры     filter.frequency(60); // Устанавливаем частоту среза фильтра // Резонанс фильтра. Q от 0,7 до 5,0, если > 0,707 усилит сигнал около частоты     filter.resonance(0.7); // В октавах управляющий сигнал изменяеть частоту угла фильтра // Диапазон от 0 до 7 октав // Можно выбрать фильтры Butterworth или Linkwitz-Riley и др.     filter.octaveControl(-0.5); // Срезает все, что выше указанной частоты // biquad.setHighpass(0, 80, 0.26); // Срезает все, что ниже указанной частоты // biquad.setBandpass(stage, frequency, Q); // Полоса пропускания - разница между верхней и нижней частотами среза.     biquad.setLowpass(0, 16000, 0.54); // Режектор. Q контролирует ширину отклоняемых частот     biquad.setNotch(0, 50, 0.3); // Полочный фильтр нижних частот ослабляет или усиливает сигналы ниже указанной частоты. // Частота управляет средней точкой наклона, усиление установлено в дБ // Последний параметр управляет крутизной перехода усиления. // Значение 1 дает максимальную крутизну     biquad.setLowShelf(0, 60, -1.5, 0.54); // Фильтр верхних частот ослабляет или усиливает сигналы выше указанной частоты.     biquad.setHighShelf(0, 16000, -0.5, 0.25); // Усилитель перед usb-выходом // «Уровень» - любое число с плавающей запятой от 0 до 32767.0 // От 0 до 1.0 ослабляет сигнал, а выше 1.0 усиливает // Отрицательные числа инвертируют сигнал     ampOut.gain(5.5);     bypass.gain(1.2);     mixer.gain(0, 0); // Индикация     ampFFT.gain(4);     ampRMS.gain(3);     ampPEAK.gain(1); // Микшер огибающей     mixer.gain(1, 4); // Каналы микшера розового или белого шума // noise.amplitude(0); // От 0 (off) до 1.0. По умолчанию выключено     mixer.gain(2, 0);     pink.amplitude(0.02);     mixer.gain(3, 0.02); // Включить ревербератор // freeverb.roomsize(0); // дампинг-фактор от 0 до 1.0 // freeverb.damping(1); // Включить фланжер // flange.begin(delayline,FLANGE_DELAY_LENGTH,s_idx,s_depth,s_freq); // flange.voices(s_idx,s_depth,s_freq); // Здесь можно встроить "granular" - сделать голос Буратино или наоборот // granular.begin(granularMemory, GRANULAR_MEMORY_SIZE); // granular.beginFreeze(grainLength); // granular.beginPitchShift(grainLength); // granular.stop(); } elapsedMillis fps; void loop() {     float Peak = 0;     float fft, rms; // Светодиодные индикаторы     if(fps > 24) {         if (peak.available()) {             fps = 0;             Peak = peak.read();             if (Peak >= 0.1) {                 envelope_limiter();                 peak_meter(Peak);             } else envelope_trigger();         }     }      if (FFT.available()) {         fft = FFT.read(1,126);         if (fft >= 0.1) {             fft_meter(fft);         }     } else {         digitalWrite(ledFFT1, HIGH);         digitalWrite(ledFFT2, HIGH);     }      if (RMS.available()) {         rms = RMS.read();         if (rms >= 0.1) {             rms_meter(rms);         }     } else {         analogWrite(ledRMS, 255);     } } // Включаем "granular" // granular.beginPitchShift (32); // granular.setSpeed(1.3); // Настройка генератора огибающей void envelope_setup() {     if (!envelope.isActive() || !envelope.isSustain()) {         envelope.noteOn();         envelope.attack(0); // Время удержания, по умолчанию 2,5 миллисекунды, макс. 11880 миллисекунд // envelope.hold(milliseconds);         envelope.decay(0); // Время затухания, по умолчанию 35 миллисекунд, максимум 11880 миллисекунд         envelope.sustain(0.3);         envelope.release(600);     } } void envelope_trigger() {     if (!envelope.isActive() || !envelope.isSustain()) { // Истина, если фильтр находится в любой из своих 6 фаз // envelope.isActive(); // Истина, когда огибающая находится в фазе сустейна // envelope.isSustain(); // Включаем генератор         envelope.noteOn(); // Задержка от noteOn() до attack(), по умолчанию 0 // envelope.delay(0); // Время атаки, по умолчанию 10,5 миллисекунды, макс. 11880 миллисекунд         envelope.attack(0); // Время удержания, по умолчанию 2,5 миллисекунды         envelope.hold(1); // Время затухания, по умолчанию 35 миллисекунд         envelope.decay(1); // Уровень сустейна. От 0 до 1,0 // Усиление будет поддерживаться после decay(), но до вызова noteOff() // Фаза сустейна определяется вызовом release()         envelope.sustain(0.8); // Время спада, по умолчанию 300 миллисекунд         envelope.release(200); // Фаза отключения         envelope.noteOff();     } } void envelope_limiter() { // Время спуска, огибающая передает сигнал // 0 - отключение функции (без дополнительной задержки) // По умолчанию 5 миллисекунд     envelope.releaseNoteOn(5); // Фаза отключения     envelope.noteOff(); }