樹莓派Zero W添加音頻輸出
編譯：陳拓[email protected] 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
爲了保持樹莓派Zero W低成本和儘可能小，Pi Zero W不包括3.5mm音頻插座。也沒有音頻輸出端子。下面我們爲Pi Zero W添加基本的音頻輸出。
本文的另一個重點是GPIO引腳複用，也就是通過設置改變引腳的功能。
1. 原理
在其他的樹莓派上音頻是怎樣工作的呢？用於PI的Broadcom芯片組沒有真正的模擬輸出。作爲替代，用兩個PWM引腳（脈寬調製）以非常高的速度工作，並且有濾波。PWM頻率至少10倍於我們想要重現的音頻最高頻率。然後，通過調整PWM的佔空比，我們就可以“僞造”音頻信號。
音頻是20Hz到20kHz，從PI輸出的PWM是50MHz，所以我們可以很容易地過濾高50MHz輸出（無論如何都聽不到）。
看其他樹莓派音頻輸出示意圖，我們可以看到PWM0OUT和PWM1OUT是左右通道。R21和R20是分壓器，使3.3V信號下降到約1.1V MAX（這是音頻線路電平所需的最大峯值到峯值電壓）。
C20/C26與R21/R27一起工作，產生一個“RC低通濾波器”。你可以用1/(2*pi*RC) = 1/(2*pi*270*33*10-9) = 17865 Hz計算截止頻率，這非常接近20kHz。
C48／C34作爲直流濾波電容器，它只允許交流通過揚聲器和耳機。
BAV99 是ESD保護二極管。保護樹莓派防止來自PWM引腳的靜電。
2. Pi Zero W音頻
[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，沒有引出PIN PWM0（引腳#40）和PWM1（引腳#45）。但是可以通過GPIO#18(ALT5)訪問PWM0，通過GPIO#13(ALT0)或GPIO#19(ALT5)訪問PWM1，請參閱下面的引腳和備用功能的完整列表：https://elinux.org/RPi_BCM2835_GPIOs
BCM2835 GPIO功能
GPIO ALT就像單片機的引腳複用。
2.2 在PI Zero W上實現PWM
- 用ssh登錄到命令行控制檯。
用putty連接電腦和Pi Zero W，看本文最後的參考文檔。Host Name填raspberrypi.local，端口22，用戶名pi，密碼raspberry。
注意：boot分區有一個名爲ssh的空文本文件，這個ssh文件容易丟失，如果ssh不能登錄了，先檢查ssh是否丟失。
- 設置引腳和PWM的方法
有兩種選擇，簡單的方法是使用DTO來設置所有引腳和PWM，但是，我們還沒有測試過。另一種方法是手動設置引腳GPIO alt功能,我們已經測試過了，但難度更大！
選擇1. 使用設備樹覆蓋（Device Tree Overlay - DTO）
有兩個建議的DTO選項，第一個使用了最近加入的DTO：
1) 有一種簡單的方法來配置PWM音頻的PI GPIO引腳。只需將以下行添加到/boot/config.txt，即可在引導是重新配置引腳，無需任何外部軟件或服務：
dtoverlay=pwm-2chan,pin=18,func=2,pin2=13,func2=4
將左通道映射到引腳33（BCM = 13），將右通道映射到引腳12（BCM = 18）。
我們先用這個方法試試：
命令: sudo nano /boot/config.txt
輸入後，使用組合鍵“Ctrl + X”，然後輸入“Y”，回車保存修改。
設置好/boot/config.txt以後，跳轉到2.3 低通濾波器接線。
2) 或者，你可以製作自己的DTO，參考下面的文章
嗨，使用dtoValay，我讓PWM音頻工作在我的pi-zero上：
https://hackaday.io/project/9467-pigrrl-zero/log/35090-pi-zero-pwm-audio-device-tree-overlay
無論哪種方式使用DTO，下一步就是低通濾波器（看本文後面）：[https://learn.adafruit.com/adding-basic-audio-ouput-to-raspberry-pi-zero/pi-zero-pwm-audio#low-pass-filter-wiring]
選擇2. 手動分配PWM引腳
如果您想設置單獨的引腳和用途，則可以手動設置引腳功能。
- 恢復做選擇1時修改的/boot/config.txt
pi@raspberrypi:~ $ sudo nano /boot/config.txt
- 重新啓動Pi Zero W
pi@raspberrypi:~ $ sudo shutdown -h now
等待電源指示燈熄滅後，關閉電源
重新上電，登錄ssh。
- 使用wiringpi的GPIO實用工具
在我們開始之前，先使用wiringpi的GPIO實用工具列出所有GPIO引腳和它們的當前功能/替代設置，請看: http://wiringpi.com/download-and-install/
上的文章：Wiring Pi -GPIO Interface library for the Raspberry Pi。
下載和安裝Wiring Pi請看參考文檔《樹莓派GPIO控制》一文。
讀取所有引腳的狀態
pi@raspberrypi:~ $ gpio readall
這兩個引腳的MODE類型爲IN - 這意味着它們只是簡單的輸入。
- 下載更改GPIO ALT的工具
我們可以在Pi論壇中使用TimG的一個非常方便的工具來手動調整GPIO ALT(https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?f=44&t=39138)。下載地址：https://learn.adafruit.com/pages/6577/elements/1960154/download
以下是完整的代碼：
/*
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，創建一個新文件並進行編輯（不管在什麼目錄）：
pi@raspberrypi:~ $ nano gpio_alt.c
然後粘貼上面的整個代碼。保存...
- 編譯並安裝
編譯
pi@raspberrypi:~ $ gcc -o gpio_alt gpio_alt.c
改變所有者
pi@raspberrypi:~ $ sudo chown root:root gpio_alt
給gpio_alt以suid權限，可以像root用戶一樣操作
pi@raspberrypi:~ $ sudo chmod u+s gpio_alt
將gpio_alt移動到/usr/local/bin/
pi@raspberrypi:~ $ sudo mv gpio_alt /usr/local/bin/
- 現在你可以設置兩個GPIO 的ALT功能了！
pi@raspberrypi:~ $ gpio_alt -p 13 -f 0
pi@raspberrypi:~ $ gpio_alt -p 18 -f 5
現在回到wiringPi檢查我們是否做到了！
pi@raspberrypi:~ $ gpio readall
你可以看到新的ALT設置。當然，用選擇1，設置/boot/config.txt的方法也可以看到這張圖，殊途同歸嘛。
2.3 低通濾波器接線
現在按照第1節的電路原理圖，將低通濾波電路連接到GPIO＃13和GPIO＃18上，作爲PWM1和PWM0。4個二極管可以忽略，跳過二極管。元件的參數不用太嚴格。
不必做的這麼正規，我利用手頭的元件，用洞洞板焊了一個低通濾波器，用起來挺好。看，就是這個：
3.5mm音頻插座，左右聲道和地接線。
用杜邦線和Pi Zero W連接起來，插上耳機：
2.4 設置音頻輸出
你還需要設置Pi Zero W，這樣音頻纔會通過“耳機插孔”（PWM輸出）流出，而不是HDMI。從控制檯運行：
pi@raspberrypi:~ $ sudo raspi-config
轉到Advanced Options
然後是音頻
強制3.5mm耳機
選擇OK，回車，然後Finish退出。這個過程你只需要做一次。
2.5 測試
你現在可以播放音頻了！要重新啓動一下Pi Zero W，注意，不要用reboot命令重啓，容易丟失ssh文件！
關機：
- pi@raspberrypi:~ $ sudo shutdown -h now
- 等待電源指示燈熄滅後，關閉電源
插入有源揚聲器或耳機，重新上電，登錄ssh。
我們使用內置的aplay（該命令是ALSA系統的一部分）音頻播放器播放內置的音頻文件。運行：
pi@raspberrypi:~ $ aplay /usr/share/sounds/alsa/Front_Center.wav
你聽到聲音了嗎，音質還不錯哦。
2.6 調整音量
你可能會注意到一點點嗡嗡聲，或者可能只是聲音不大。要獲得最佳音質，你需要調節音頻電平。你可以用alsamixer或amixer調節音量，但我認爲alsamixer更容易。
運行pi@raspberrypi:~ $ alsamixer
在終端上，音量是用ascii字符排列的圖像界面來表現的，用4個方向箭頭鍵調節，點擊Esc保存並退出。
現在我們再回過頭去試試第二種方法，雖然有點麻煩，但是對於機制的理解更好。
3. 自動化
如果你希望在啓動時自動設置alt，我可以這樣做。
- 首先創建一個shell腳本pwmaudio.sh
pi@raspberrypi:~ $ sudo nano /root/pwmaudio.sh
內容：
#!/bin/bash
/usr/local/bin/gpio_alt -p 13 -f 0
/usr/local/bin/gpio_alt -p 18 -f 5
- 修改權限
運行：
pi@raspberrypi:~ $ sudo chmod +x /root/pwmaudio.sh
- 創建另一個腳本pwmaudio.service
sudo nano /lib/systemd/system/pwmaudio.service
內容：
[Unit]
Description=PWM Audio Service
[Service]
ExecStart=/root/pwmaudio.sh
StandardOutput=null
[Install]
WantedBy=multi-user.target
Alias=pwmaudio.service
保存文件。
- 啓用該服務enable
pi@raspberrypi:~ $ sudo systemctl enable pwmaudio.service
- 啓動該服務start
pi@raspberrypi:~ $ sudo systemctl start pwmaudio.service
- 重新啓動pi
注意：慎用sudo reboot，容易丟失文件，ssh文件很容易丟失。
pi@raspberrypi:~ $ sudo shutdown -h now
等待電源指示燈熄滅後，重新上電。
- 測試
重新登錄。運行gpio readall命令來驗證是否已設置了alts
成功！
參考文檔
- 樹莓派介紹https://blog.csdn.net/chentuo2000/article/details/81051241
- 電腦連接樹莓派Zero W
https://blog.csdn.net/chentuo2000/article/details/81051308 - 樹莓派GPIO控制https://blog.csdn.net/chentuo2000/article/details/81051645
- 樹莓派 Zero W+溫度傳感器DS18B20
https://blog.csdn.net/chentuo2000/article/details/81051701 - Pi Zero PWM Audio - device tree overlay
https://hackaday.io/project/9467-piboy-zero/log/35090-pi-zero-pwm-audio-device-tree-overlay