WAV с SD-карты: проигрываем звук

Сигнализация перелива в бочке орала зуммером так, что соседи понимали: что-то там пищит — а что именно, не понять. Один тон — это один уровень тревоги, хоть тресни; мне же нужен был голос: файл с записанным сообщением, который лежит на той же карте, куда пишется лог. Загвоздка в железе: у Uno нет цифро-аналогового преобразователя, ни один пин не выдаёт звуковые уровни — только ШИМ с фиксированной частотой.

Библиотека TMRpcm выкручивается из этого через аппаратный таймер: пин D9 дёргается ШИМом с частотой сэмплирования, а скважность каждого импульса берётся из очередного байта WAV-файла на карте. Звучит как трюк, а на слух — нормальная речь и мелодии, если файл в правильном формате. Разберём формат и конвертацию, почему пин именно D9, и главную развилку новичка: почему динамик напрямую к пину — это сожжённый порт, пьезо-пискун — жалкие милливатты, а усилитель LM386 — правильный ответ.

TMRpcm понимает один формат: WAV с несжатым PCM, 8 бит на сэмпл, один канал, частота 16-32 кГц. Всё, что льётся из сети и редакторов, — 16-битное стерео 44,1 кГц — библиотека либо молчит, либо играет треском. Конвертация в Audacity занимает четыре минуты: Дорожки — Свести стерео в моно, слева внизу частота проекта 16000, затем Файл — Экспорт — WAV с кодированием Unsigned 8-bit PCM. Имя файла короткое и латиницей, лежит в корне карты: alarm.wav, siren.wav — файловая система любит формат восемь-точка-три, о котором подробно в уроке про формат FAT16 и FAT32.

Числа для планирования места: 16 кГц по одному байту — это 16 КБ в секунду, минута звука — 960 КБ, карта на 2 ГБ хранит больше тридцати часов. Частота 32000 удваивает расход и требует вызова quality(1) в скетче: без него сэмплы читаются вразнобой и звук плывёт. На карте Class 4 при 32 кГц я слышал запинки — SPI не успевал качать байты; при 16 кГц та же карта играла ровно. Мой стандарт — 16000 Гц, 8 бит, моно: голосовой сигнализации большего не нужно, а запас по карте остаётся на лог.

Про качество звука честно: 8 бит — это около 48 дБ динамического диапазона, и шипение на тихих местах слышно всегда. Для сигнализации это неважно: сообщение записывается с нормальным уровнем, и фон тонет в шуме комнаты. Трюк, который заметно улучшает восприятие: перед конвертацией нормализуйте громкость в Audacity, Effect — Normalize, — поднимите уровень так, чтобы тихие места стояли выше шума квантования. Паузу в начале файла тоже срежьте: TMRpcm начинает играть сразу после вызова play, и секунду тишины никто в скетче не пропустит.

Пин D9 выбран не из красоты: это выход OC1A аппаратного таймера 1 на Uno, и TMRpcm заводит туда частоту сэмплирования, меняя скважность ШИМ вслед за байтами файла. Отсюда запрет, о который ломается половина проектов: пока играет звук, таймер 1 занят, и analogWrite на пины 9 и 10 — это тот же таймер — работать не будет. Библиотека Servo по умолчанию тоже сидит на таймере 1, и звук с сервой на Uno не дружат без правок самих библиотек. Планируйте пины заранее: одному таймеру — один хозяин.

После пина звук сырой: ШИМ несёт огибающую волны, но и несущую частоту таймера тоже. RC-фильтр — резистор 10 кОм с пина и конденсатор 10 нФ на землю — срезает несущую и оставляет звук; без фильтра в динамике слышен высокочастотный фон поверх речи. Для пищалки-подтверждения фильтр не нужен, для голоса — обязателен. И проверьте файл до play: SD.exists() из урока про режимы File отловит опечатку в имени — иначе вместо звука минута тишины и поиск виноватого в проводах.

Вторая серия граблей — питание. SD-карта трёхвольтовая, и модули к ней бывают разные: типовой модуль со стабилизатором и преобразователем уровней ест 5 В от платы — устройство этого модуля разобрано в уроке про модуль изнутри. А есть голые микросборки под 3,3-вольтовые платы вроде ESP: на пятивольтовых пинах Uno они сжигают карту — иногда сразу, иногда после недели работы, что хуже всего для поиска причины. Читайте маркировку на плате модуля до подключения, а не после первого мёртвого лога.

В момент play питание проседает: карта берёт импульсы до 100 мА, усилитель добавляет свои, и без конденсатора 100-470 мкФ на входе модуля звук может начинаться с щелчков и обрывов. Ток пина против громкости — та же песня снизу: даже с фильтром пин отдаёт на нагрузку порядка милливатта, а LM386 с пятёрки питания — до половины ватта на динамик 8 Ом. Разница между слышно у макетки и слышно за стеной стоит 120 рублей и двух конденсаторов — дешевле любой альтернативы.

Схема с LM386 минимальная: вход через конденсатор 10 мкФ на ножку 3, перемычка между ножками 1 и 8 с конденсатором 10 мкФ поднимает усиление до 200, выход с ножки 5 через конденсатор 220-470 мкФ идёт на динамик. Земля общая с Arduino, и это главный источник тресков: динамик возвращает ток импульсами, и если его земля идёт тонким проводом через макетку вместе с сигнальными, в звук лезет фон. Провод земли динамика ведите отдельным и потолще — прямо на GND платы, мимо гребёнки макетки.

В симуляторе мелодия играет тональностями через tone — честная оговорка: настоящий WAV из байтов файла собирает TMRpcm, симулятор показывает только логику плеера. Смотрите на массив частот из файла, нота за нотой, на busy-светодиод и на поведение loop: файл кончился — зуммер молчит, либо крутится заново, если тумблер включён. На реальной плате вместо частот — байты сэмплов, вместо ноты — огибающая речи, а сам порядок play — isPlaying — stop совпадает один в один.

Команды play и stop в скетче ловятся через Serial тем же readStringUntil, каким мы ловили команды в уроке про команды из Serial — плеер без экрана остаётся управляемым. Собрать всё в устройство проще всего поверх логгера: карта уже читает датчики и пишет строки по схеме из урока про логирование, остаётся добавить динамик с LM386 и пару конвертированных файлов — вечер работы и прибор, который разговаривает.