捕捉音頻 - Wio Terminal
在這部分課程中，你將編寫代碼來捕捉 Wio Terminal 上的音頻。音頻捕捉將由 Wio Terminal 頂部的一個按鈕控制。
編程設備以捕捉音頻
你可以使用 C++ 代碼從麥克風捕捉音頻。Wio Terminal 只有 192KB 的 RAM，不足以捕捉超過幾秒鐘的音頻。它還有 4MB 的閃存，因此可以用來保存捕捉到的音頻。
內建的麥克風捕捉的是模擬信號，這些信號會被轉換為 Wio Terminal 可以使用的數字信號。在捕捉音頻時，數據需要在正確的時間捕捉 - 例如，要以 16KHz 捕捉音頻，則需要每秒精確地捕捉 16,000 次音頻，每次樣本之間的間隔相等。與其使用你的代碼來完成這個工作，你可以使用直接內存存取控制器 (DMAC)。這是一種電路，可以從某處捕捉信號並寫入內存，而不會中斷處理器上運行的代碼。
✅ 在 維基百科上的直接內存存取頁面 閱讀更多關於 DMA 的內容。
DMAC 可以以固定的間隔從 ADC 捕捉音頻，例如每秒 16,000 次以捕捉 16KHz 的音頻。它可以將這些捕捉到的數據寫入預分配的內存緩衝區，當這個緩衝區滿了，會通知你的代碼來處理它。使用這些內存可能會延遲捕捉音頻，但你可以設置多個緩衝區。DMAC 會寫入緩衝區 1，然後當它滿了，通知你的代碼來處理緩衝區 1，同時 DMAC 會寫入緩衝區 2。當緩衝區 2 滿了，它會通知你的代碼，然後回到寫入緩衝區 1。這樣，只要你在填滿一個緩衝區的時間內處理每個緩衝區，你就不會丟失任何數據。
一旦每個緩衝區被捕捉到 ，它可以被寫入閃存。閃存需要使用定義的地址來寫入，指定寫入的位置和大小，類似於更新內存中的字節數組。閃存具有粒度，這意味著擦除和寫入操作不僅依賴於固定的大小，還需要對齊到該大小。例如，如果粒度是 4096 字節，而你請求在地址 4200 處擦除，它可能會擦除從地址 4096 到 8192 的所有數據。這意味著當你將音頻數據寫入閃存時，必須以正確大小的塊來寫入。
任務 - 配置閃存
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使用 PlatformIO 創建一個全新的 Wio Terminal 項目。將此項目命名為
smart-timer。在setup函數中添加代碼來配置串行端口。 -
將以下庫依賴項添加到
platformio.ini文件中，以提供對閃存的訪問：lib_deps =
seeed-studio/Seeed Arduino FS @ 2.1.1
seeed-studio/Seeed Arduino SFUD @ 2.0.2 -
打開
main.cpp文件，並在文件頂部添加以下包含指令以使用閃存庫：#include <sfud.h>
#include <SPI.h>🎓 SFUD 代表串行閃存通用驅動程序，是一個設計用於所有閃存芯片的庫
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在
setup函數中，添加以下代碼來設置閃存存儲庫：while (!(sfud_init() == SFUD_SUCCESS))
;
sfud_qspi_fast_read_enable(sfud_get_device(SFUD_W25Q32_DEVICE_INDEX), 2);這會循環直到 SFUD 庫初始化完成，然後打開快速讀取。內建的閃存可以使用隊列串行外設接口 (QSPI) 訪問，這是一種 SPI 控制器，允許通過隊列進行連續訪問，最小化處理器使用。這使得讀取和寫入閃存更快。
-
在
src文件夾中創建一個新文件，名為flash_writer.h。 -
在此文件頂部添加以下內容：
#pragma once
#include <Arduino.h>
#include <sfud.h>這包括 一些需要的頭文件，包括 SFUD 庫的頭文件以與閃存交互
-
在這個新頭文件中定義一個名為
FlashWriter的類：class FlashWriter
{
public:
private:
}; -
在
private部分中添加以下代碼：byte *_sfudBuffer;
size_t _sfudBufferSize;
size_t _sfudBufferPos;
size_t _sfudBufferWritePos;
const sfud_flash *_flash;這定義了一些用於在寫入閃存之前存儲數據的緩衝區字段。有一個字節數組
_sfudBuffer用於寫入數據，當這個緩衝區滿了，數據會被寫入閃存。_sfudBufferPos字段存儲當前寫入緩衝區的位置，_sfudBufferWritePos存儲寫入閃存的位置。_flash是指向要寫入的閃存的指針 - 一些微控制器有多個閃存芯片。 -
添加以下方法到
public部分來初始化這個類：void init()
{
_flash = sfud_get_device_table() + 0;
_sfudBufferSize = _flash->chip.erase_gran;
_sfudBuffer = new byte[_sfudBufferSize];
_sfudBufferPos = 0;
_sfudBufferWritePos = 0;
}這配置了 Wio Terminal 上的閃存以進行寫入，並根據閃存的粒度設置緩衝區。這是在
init方法中，而不是構造函數中，因為這需要在setup函數中設置閃存之後調用。 -
添加以下代碼到
public部分：void writeSfudBuffer(byte b)
{
_sfudBuffer[_sfudBufferPos++] = b;
if (_sfudBufferPos == _sfudBufferSize)
{
sfud_erase_write(_flash, _sfudBufferWritePos, _sfudBufferSize, _sfudBuffer);
_sfudBufferWritePos += _sfudBufferSize;
_sfudBufferPos = 0;
}
}
void writeSfudBuffer(byte *b, size_t len)
{
for (size_t i = 0; i < len; ++i)
{
writeSfudBuffer(b[i]);
}
}
void flushSfudBuffer()
{
if (_sfudBufferPos > 0)
{
sfud_erase_write(_flash, _sfudBufferWritePos, _sfudBufferSize, _sfudBuffer);
_sfudBufferWritePos += _sfudBufferSize;
_sfudBufferPos = 0;
}
}這段代碼定義了將字節寫入閃存存儲系統的方法。它通過寫入一個內存緩衝區來工作，該緩衝區的大小適合閃存，當這個緩衝區滿了，這些數據會被寫入閃存，擦除該位置的任何現有數據。還有一個
flushSfudBuffer方法來寫入不完整的緩衝區，因為捕捉的數據不會是粒度大小的整數倍，所以需要寫入數據的末尾部分。💁 數據的末尾部分會寫入額外的無用數據，但這沒關係，因為只會讀取需要的數據。
任務 - 設置音頻捕捉
-
在
src文件夾中創建一個新文件，名為config.h。 -
在此文件頂部添加以下內容：
#pragma once
#define RATE 16000
#define SAMPLE_LENGTH_SECONDS 4
#define SAMPLES RATE * SAMPLE_LENGTH_SECONDS
#define BUFFER_SIZE (SAMPLES * 2) + 44
#define ADC_BUF_LEN 1600這段代碼設置了一些音頻捕捉的常量。
常量 值 描述 RATE 16000 音頻的採樣率。16,000 是 16KHz SAMPLE_LENGTH_SECONDS 4 要捕捉的音頻長度。設置為 4 秒。要錄製更長的音頻，增加這個值。 SAMPLES 64000 將要捕捉的音頻樣本總數。設置為採樣率 * 秒數 BUFFER_SIZE 128044 捕捉音頻的緩衝區大小。音頻將被捕捉為 WAV 文件，這是 44 字節的頭部，然後是 128,000 字節的音頻數據（每個樣本是 2 字節） ADC_BUF_LEN 1600 用於從 DMAC 捕捉音頻的緩衝區大小 💁 如果你發現 4 秒太短，無法請求計時器，你可以增加
SAMPLE_LENGTH_SECONDS值，所有其他值將重新計算。 -
在
src文件夾中創建一個新文件，名為mic.h。 -
在此文件頂部添加以下內容：
#pragma once
#include <Arduino.h>
#include "config.h"
#include "flash_writer.h"這包括一些需要的頭文件，包括
config.h和FlashWriter頭文件。 -
添加以下內容來定義一個可以從麥克風捕捉音頻的
Mic類：class Mic
{
public:
Mic()
{
_isRecording = false;
_isRecordingReady = false;
}
void startRecording()
{
_isRecording = true;
_isRecordingReady = false;
}
bool isRecording()
{
return _isRecording;
}
bool isRecordingReady()
{
return _isRecordingReady;
}
private:
volatile bool _isRecording;
volatile bool _isRecordingReady;
FlashWriter _writer;
};
Mic mic;這個類目前只有 幾個字段來跟踪錄音是否已經開始，以及錄音是否準備好使用。當 DMAC 設置好後，它會不斷地寫入內存緩衝區，所以
_isRecording標誌決定這些緩衝區是否應該被處理或忽略。當需要的 4 秒音頻被捕捉到時，_isRecordingReady標誌將被設置。_writer字段用於將音頻數據保存到閃存。然後聲明了一個
Mic類的實例的全局變量。 -
添加以下代碼到
Mic類的private部分：typedef struct
{
uint16_t btctrl;
uint16_t btcnt;
uint32_t srcaddr;
uint32_t dstaddr;
uint32_t descaddr;
} dmacdescriptor;
// 全局變量 - DMA 和 ADC
volatile dmacdescriptor _wrb[DMAC_CH_NUM] __attribute__((aligned(16)));
dmacdescriptor _descriptor_section[DMAC_CH_NUM] __attribute__((aligned(16)));
dmacdescriptor _descriptor __attribute__((aligned(16)));
void configureDmaAdc()
{
// 配置 DMA 以定期從 ADC 取樣（由計時器/計數器觸發）
DMAC->BASEADDR.reg = (uint32_t)_descriptor_section; // 指定描述符的位置
DMAC->WRBADDR.reg = (uint32_t)_wrb; // 指定寫回描述符的位置
DMAC->CTRL.reg = DMAC_CTRL_DMAENABLE | DMAC_CTRL_LVLEN(0xf); // 啟用 DMAC 外設
DMAC->Channel[1].CHCTRLA.reg = DMAC_CHCTRLA_TRIGSRC(TC5_DMAC_ID_OVF) | // 設置 DMAC 在 TC5 計時器溢出時觸發
DMAC_CHCTRLA_TRIGACT_BURST; // DMAC 突發傳輸
_descriptor.descaddr = (uint32_t)&_descriptor_section[1]; // 設置循環描述符
_descriptor.srcaddr = (uint32_t)&ADC1->RESULT.reg; // 從 ADC0 RESULT 寄存器中取結果
_descriptor.dstaddr = (uint32_t)_adc_buf_0 + sizeof(uint16_t) * ADC_BUF_LEN; // 將其放入 adc_buf_0 數組中
_descriptor.btcnt = ADC_BUF_LEN; // 範圍計數
_descriptor.btctrl = DMAC_BTCTRL_BEATSIZE_HWORD | // 範圍大小為 HWORD（16 位）
DMAC_BTCTRL_DSTINC | // 增加目標地址
DMAC_BTCTRL_VALID | // 描述符有效
DMAC_BTCTRL_BLOCKACT_SUSPEND; // 在塊傳輸後暫停 DMAC 通道 0
memcpy(&_descriptor_section[0], &_descriptor, sizeof(_descriptor)); // 將描述符複製到描述符部分
_descriptor.descaddr = (uint32_t)&_descriptor_section[0]; // 設置循環描述符
_descriptor.srcaddr = (uint32_t)&ADC1->RESULT.reg; // 從 ADC0 RESULT 寄存器中取結果
_descriptor.dstaddr = (uint32_t)_adc_buf_1 + sizeof(uint16_t) * ADC_BUF_LEN; // 將其放入 adc_buf_1 數組中
_descriptor.btcnt = ADC_BUF_LEN; // 範圍計數
_descriptor.btctrl = DMAC_BTCTRL_BEATSIZE_HWORD | // 範圍大小為 HWORD（16 位）
DMAC_BTCTRL_DSTINC | // 增加目標地址
DMAC_BTCTRL_VALID | // 描述符有效
DMAC_BTCTRL_BLOCKACT_SUSPEND; // 在塊傳輸後暫停 DMAC 通道 0
memcpy(&_descriptor_section[1], &_descriptor, sizeof(_descriptor)); // 將描述符複製到描述符部分
// 配置 NVIC
NVIC_SetPriority(DMAC_1_IRQn, 0); // 將 DMAC1 的嵌套向量中斷控制器（NVIC）優先級設置為 0（最高）
NVIC_EnableIRQ(DMAC_1_IRQn); // 將 DMAC1 連接到嵌套向量中斷控制器（NVIC）
// 啟用 DMAC 通道 1 上的暫停（SUSP）中斷
DMAC->Channel[1].CHINTENSET.reg = DMAC_CHINTENSET_SUSP;
// 配置 ADC
ADC1->INPUTCTRL.bit.MUXPOS = ADC_INPUTCTRL_MUXPOS_AIN12_Val; // 將模擬輸入設置為 ADC0/AIN2（PB08 - Metro M4 上的 A4）
while (ADC1->SYNCBUSY.bit.INPUTCTRL)
; // 等待同步
ADC1->SAMPCTRL.bit.SAMPLEN = 0x00; // 將最大採樣時間長度設置為一半的分頻 ADC 時鐘脈衝（2.66us）
while (ADC1->SYNCBUSY.bit.SAMPCTRL)
; // 等待同步
ADC1->CTRLA.reg = ADC_CTRLA_PRESCALER_DIV128; // 將 ADC GCLK 時鐘分頻 128（48MHz/128 = 375kHz）
ADC1->CTRLB.reg = ADC_CTRLB_RESSEL_12BIT | // 將 ADC 分辨率設置為 12 位
ADC_CTRLB_FREERUN; // 將 ADC 設置為自由運行模式
while (ADC1->SYNCBUSY.bit.CTRLB)
; // 等待同步
ADC1->CTRLA.bit.ENABLE = 1; // 啟用 ADC
while (ADC1->SYNCBUSY.bit.ENABLE)
; // 等待同步
ADC1->SWTRIG.bit.START = 1; // 啟動軟件觸發以開始 ADC 轉換
while (ADC1->SYNCBUSY.bit.SWTRIG)
; // 等待同步
// 啟用 DMA 通道 1
DMAC->Channel[1].CHCTRLA.bit.ENABLE = 1;
// 配置計時器/計數器 5
GCLK->PCHCTRL[TC5_GCLK_ID].reg = GCLK_PCHCTRL_CHEN | // 啟用 TC5 的外設通道
GCLK_PCHCTRL_GEN_GCLK1; // 連接 0 號通用時鐘，頻率為 48MHz
TC5->COUNT16.WAVE.reg = TC_WAVE_WAVEGEN_MFRQ; // 將 TC5 設置為匹配頻率（MFRQ）模式
TC5->COUNT16.CC[0].reg = 3000 - 1; // 將觸發設置為 16 kHz：（4Mhz / 16000）- 1
while (TC5->COUNT16.SYNCBUSY.bit.CC0)
; // 等待同步
// 啟動計時器/計數器 5
TC5->COUNT16.CTRLA.bit.ENABLE = 1; // 啟用 TC5 計時器
while (TC5->COUNT16.SYNCBUSY.bit.ENABLE)
; // 等待同步
}
uint16_t _adc_buf_0[ADC_BUF_LEN];
uint16_t _adc_buf_1[ADC_BUF_LEN];這段代碼定義了一個
configureDmaAdc方法，該方法配置 DMAC，將其連接到 ADC 並設置為填充兩個不同的交替緩衝區_adc_buf_0和_adc_buf_1。💁 微控制器開發的一個缺點是與硬件交互所需代碼的複雜性，因為你的代碼在非常低的層次上運行，直接與硬件交互。這段代碼比你為單板計算機或桌面計算機編寫的代碼更複雜，因為沒有操作系統的幫助。有一些庫可以簡化這個過程，但仍然有很多複雜性。
-
在這段代碼下面，添加以下內容：
// WAV 文件有一個頭部。這個結構體定義了這個頭部
struct wavFileHeader
{
char riff[4]; /* "RIFF" */
long flength; /* 文件長度（字節） */
char wave[4]; /* "WAVE" */
char fmt[4]; /* "fmt " */
long chunk_size; /* FMT 塊的大小（字節）（通常為 16） */
short format_tag; /* 1=PCM, 257=Mu-Law, 258=A-Law, 259=ADPCM */
short num_chans; /* 1=單聲道，2=立體聲 */
long srate; /* 採樣率（每秒樣本數） */
long bytes_per_sec; /* 每秒字節數 = 採樣率*每樣本字節數 */
short bytes_per_samp; /* 2=16 位單聲道，4=16 位立體聲 */
short bits_per_samp; /* 每樣本位數 */
char data[4]; /* "data" */
long dlength; /* 數據長度（字節）（文件長度 - 44） */
};
void initBufferHeader()
{
wavFileHeader wavh;
strncpy(wavh.riff, "RIFF", 4);
strncpy(wavh.wave, "WAVE", 4);
strncpy(wavh.fmt, "fmt ", 4);
strncpy(wavh.data, "data", 4);
wavh.chunk_size = 16;
wavh.format_tag = 1; // PCM
wavh.num_chans = 1; // 單聲道
wavh.srate = RATE;
wavh.bytes_per_sec = (RATE * 1 * 16 * 1) / 8;
wavh.bytes_per_samp = 2;
wavh.bits_per_samp = 16;
wavh.dlength = RATE * 2 * 1 * 16 / 2;
wavh.flength = wavh.dlength + 44;
_writer.writeSfudBuffer((byte *)&wavh, 44);
}這段代碼將 WAV 頭部定義為一個佔用 44 字節內存的結構體。它寫入有關音頻文件速率、大小和聲道數的詳細信息。然後將這個頭部寫入閃存。
-
在這段代碼下面，添加以下內容來聲明一個在音頻緩衝區準備好處理時調用的方法：
void audioCallback(uint16_t *buf, uint32_t buf_len)
{
static uint32_t idx = 44;
if (_isRecording)
{
for (uint32_t i = 0; i < buf_len; i++)
{
int16_t audio_value = ((int16_t)buf[i] - 2048) * 16;
_writer.writeSfudBuffer(audio_value & 0xFF);
_writer.writeSfudBuffer((audio_value >> 8) & 0xFF);
}
idx += buf_len;
if (idx >= BUFFER_SIZE)
{
_writer.flushSfudBuffer();
idx = 44;
_isRecording = false;
_isRecordingReady = true;
}
}
}音頻緩衝區是包含來自 ADC 的音頻的 16 位整數數組。ADC 返回 12 位無符號值（0-1023），因此需要將這些值轉換為 16 位有符號值，然後轉換為 2 個字節以存儲為原始二進制數據。
這些字節被寫入閃存緩衝區。寫入從索引 44 開始 - 這是從作為 WAV 文件頭部寫入的 44 字節的偏移量。一旦捕捉到所需長度的所有字節，剩餘數據會被寫入閃存。
-
在
Mic類的public部分，添加以下代碼：void dmaHandler()
{
static uint8_t count = 0;
if (DMAC->Channel[1].CHINTFLAG.bit.SUSP)
{
DMAC->Channel[1].CHCTRLB.reg = DMAC_CHCTRLB_CMD_RESUME;
DMAC->Channel[1].CHINTFLAG.bit.SUSP = 1;
if (count)
{
audioCallback(_adc_buf_0, ADC_BUF_LEN);
}
else
{
audioCallback(_adc_buf_1, ADC_BUF_LEN);
}
count = (count + 1) % 2;
}
}這段代碼將由 DMAC 調用，以告訴你的代碼處理緩衝區。它檢查是否有數據需要處理，並調用
audioCallback方法處理相關緩衝區。 -
在類外部，在
Mic mic;聲明之後，添加以下代碼：void DMAC_1_Handler()
{
mic.dmaHandler();
}DMAC_1_Handler將由 DMAC 調用，當緩衝區準備好處理時。這個函數通過名稱找到，只需要存在即可被調用。 -
在
Mic類的public部分，添加以下兩個方法：void init()
{
analogReference(AR_INTERNAL2V23);
_writer.init();
initBufferHeader();
configureDmaAdc();
}
void reset()
{
_isRecordingReady = false;
_isRecording = false;
_writer.reset();
initBufferHeader();
}init方法包含初始化Mic類的代碼。這個方法設置麥克風引腳的正確電壓，設置閃存寫入器，寫入 WAV 文件頭部，並配置 DMAC。reset方法在音頻被捕捉和使用後重置閃存並重新寫入頭部。
任務 - 捕捉音頻
-
在
main.cpp文件中，添加mic.h頭文件的包含指令：#include "mic.h" -
在
setup函數中，初始化 C 按鈕。當按下這個按鈕時，將開始捕捉音頻，並持續 4 秒：pinMode(WIO_KEY_C, INPUT_PULLUP); -
在這段代碼下面，初始化麥克風，然後打印到控制台，表示音頻準備好捕捉：
mic.init();
Serial.println("Ready."); -
在
loop函數上方，定義一個處理捕捉到的音頻的函數。現在這個函數什麼也不做，但在這節課的後面，它會將語音轉換為文本：void processAudio()
{
} -
在
loop函數中添加以下代碼：void loop()
{
if (digitalRead(WIO_KEY_C) == LOW && !mic.isRecording())
{
Serial.println("Starting recording...");
mic.startRecording();
}
if (!mic.isRecording() && mic.isRecordingReady())
{
Serial.println("Finished recording");
processAudio();
mic.reset();
}
}這段代碼檢查 C 按鈕，如果按下這個按鈕並且錄音尚未開始，則將
Mic類的_isRecording字段設置為 true。這將導致Mic類的audioCallback方法存儲音頻，直到捕捉到 4 秒的音頻。當捕捉到 4 秒的音頻後，_isRecording字段設置為 false，_isRecordingReady字段設置為 true。然後在loop函數中檢查這個字段，當為 true 時，調用processAudio函數，然後重置mic類。 -
構建這段代碼，將其上傳到你的 Wio Terminal，並通過串行監視器進行測試。按下 C 按鈕（左側最靠近電源開關的那個），然後說話。將捕捉 4 秒的音頻。
--- Available filters and text transformations: colorize, debug, default, direct, hexlify, log2file, nocontrol, printable, send_on_enter, time
--- More details at http://bit.ly/pio-monitor-filters
--- Miniterm on /dev/cu.usbmodem1101 9600,8,N,1 ---
--- Quit: Ctrl+C | Menu: Ctrl+T | Help: Ctrl+T followed by Ctrl+H ---
Ready.
Starting recording...
Finished recording
💁 你可以在 code-record/wio-terminal 文件夾中找到這段代碼。
😀 你的音頻錄製程序成功了！