Memainkan suara 4-bit ADPCM langsung dari arduino

Rancangan bangun berbasis arduino kurang lengkap tanpa adanya suara. Fungsi suara tergantung kebutuhan, yang paling diutamakan adalah informasi audio. Perangkat audio arduino yang umum digunakan adalah mp3 shield, dan data suara mp3 disimpan dalam kartu memori/SDCard.

Untuk memainkan file suara dengan Arduino atau musik arduino memiliki permasalahan :

  1. Arduino memiliki memori flash yang kecil (Uno 32KB, Mega 256KB)
  2. Port yang hanya mampu mengeluarkan (source/sink) arus sebesar 40mA setiap pin.
  3. Kecepatan clock arduino yang hanya 16MHz, membatasi sampling rate dan ukuran sample.

Untuk menyimpan data suara lebih panjang kita bisa menggunakan data terkompresi, Salah satu sistem kompresi sederhana adalah 4-bit ADPCM (Adaptive differential pulse-code modulation), yaitu kompresi data suara kedalam 4-bit sehinggan file suara PCM yang umumnya 8-bit atau 16-bit bisa diperkecil menjadi 4-bit. Arduino adpcm juga bisa digunakan sebagai alternatif penggunaan modul suara WTV020SD yang juga bisa memainkan file dalam format 4-bit adpcm (.ad4)

Dalam contoh ini saya menggunakan sample rate 8KHz dan ukuran(size) sample 9 bit, alternatif yang disediakan 16KHz – 8 bit. Dengan properti 8KHz-9Bit, kompresi 4-bit ADPCM hanya menggunakan 4Kb setiap detiknya, sehingga uno mampu menyimpan 6 detik data suara (ruang memory lainnya digunakan oleh program), sedangkan mega mampu menampung 62 detik data suara.

untuk memaksimalkan arus port Arduino, saya menggunakan speaker 32Ohm.

Urusan memperhalus suara yang akan dihasilkan saya menggunakan metode bridge (tanpa kapasitor kopling) dengan menggunakan pin 9 dan 10 yang terhubung ke Timer1.

komponen:

  1. Arduino Uno
  2. Speaker 32ohm/head phone

skema:

Sketch / program :

 
#include "Selamat datang 8000.h"

#define speakerA 9
#define speakerB 10

const int8_t IndexTable[16] = {
    -1, -1, -1, -1, 2, 4, 6, 8,
    -1, -1, -1, -1, 2, 4, 6, 8
};
int16_t StepSizeTable[89] = {
    7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 16, 17,
    19, 21, 23, 25, 28, 31, 34, 37, 41, 45,
    50, 55, 60, 66, 73, 80, 88, 97, 107, 118,
    130, 143, 157, 173, 190, 209, 230, 253, 279, 307,
    337, 371, 408, 449, 494, 544, 598, 658, 724, 796,
    876, 963, 1060, 1166, 1282, 1411, 1552, 1707, 1878, 2066,
    2272, 2499, 2749, 3024, 3327, 3660, 4026, 4428, 4871, 5358,
    5894, 6484, 7132, 7845, 8630, 9493, 10442, 11487, 12635, 13899,
    15289, 16818, 18500, 20350, 22385, 24623, 27086, 29794, 32767
};
struct AD4Header
{
  byte ad4Code;
  char ad4Sign[4];
  uint16_t ad4SampleRate;
};
#define ad4DataOffset 6

long predsample;
int8_t index;
uint16_t panjangSuara;
uint16_t sampleCounter;
byte *dataSuara;
bool PWMUpdate;
bool swap;
AD4Header ad4Header;
bool suaraDimainkan;

void setup(void)
{
  pinMode(speakerA, OUTPUT);
  pinMode(speakerB, OUTPUT);

  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Memainkan suara 4-bit ADPCM dengan arduino");
  Serial.println("https://www.semesin.com/project/");
}

void loop(void)
{
  if(!suaraDimainkan)
  {
    mainkanSuara(dataSuaraSelamatDatang8000, sizeof(dataSuaraSelamatDatang8000));
  }
  else
  {
    lanjutkanSuara();
  }
}

void mainkanSuara(const byte *fileSuara, uint16_t ukuranFileSuara)
{
  dataSuara = (byte*)fileSuara;
  
  ad4Header.ad4Code = pgm_read_byte_near(dataSuara + 0);
  ad4Header.ad4Sign[0] = pgm_read_byte_near(dataSuara + 1);
  ad4Header.ad4Sign[1] = pgm_read_byte_near(dataSuara + 2);
  ad4Header.ad4Sign[2] = pgm_read_byte_near(dataSuara + 3);
  ad4Header.ad4Sign[3] = 0;
  ad4Header.ad4SampleRate = pgm_read_word_near(dataSuara + 4);

  Serial.println();
  Serial.println("Memainkan file suara");
  Serial.print("Sample Rate : ");
  Serial.print(ad4Header.ad4SampleRate);
  Serial.println("Hz");
  Serial.print("Ukuran : ");
  Serial.println(ukuranFileSuara);

  if(ad4Header.ad4SampleRate == 16000)
  {
    ICR1 = 512;
  }
  else if(ad4Header.ad4SampleRate == 8000)
  {
    ICR1 = 1024;
  }

  TCCR1A = _BV(COM1A1) | _BV(COM1B1);
  TCCR1B = _BV(WGM13) | _BV(CS10);

  panjangSuara = ukuranFileSuara;
  sampleCounter = ad4DataOffset;
  predsample = 0;
  index = 0;
  swap = false;
  suaraDimainkan = true;
}

void lanjutkanSuara()
{
  if(TIFR1 & _BV(TOV1))
  {
    TIFR1 |= _BV(TOV1);
    if (sampleCounter > panjangSuara)
    {
      stopPlayback();
    }
    else
    {
      byte data = pgm_read_byte_near(dataSuara + sampleCounter);
      if(!swap)
      {
        data >>= 4;
      }
      else
      {
        sampleCounter++;  
      }
      swap = !swap;
  
      int16_t sample;
      if(ad4Header.ad4SampleRate == 16000)
      {
        sample = (ADPCMDecoder(data & 0x0F)/128) + 256;
        OCR1B = 512 - sample;
      }
      else if(ad4Header.ad4SampleRate == 8000)
      {
        sample = (ADPCMDecoder(data & 0x0F)/64) + 512;
        OCR1B = 1024 - sample;
      }
      OCR1A = sample;    
    }            
  }
}
int16_t ADPCMDecoder(byte code)
{
  uint16_t sample;
  int16_t diffq;
  uint16_t step;

  step = StepSizeTable[index];

  diffq = step >> 3;
  if( code & 4 )
    diffq += step;
  if( code & 2 )
    diffq += step >> 1;
  if( code & 1 )
    diffq += step >> 2;
  
  if( code & 8 )
    predsample -= diffq;
  else
    predsample += diffq;

  index += IndexTable;

  if( index < 0 )
    index = 0;
  if( index > 88 )
    index = 88;

  if( predsample > 32767 )
    predsample = 32767;
  else if( predsample < -32768 )
    predsample = -32768;

  return predsample;
}

void stopPlayback()
{
  TIMSK1 &= ~_BV(OCIE1A);
  TCCR1B &= ~_BV(CS10);
  if(ad4Header.ad4SampleRate == 16000)
  {
    OCR1A = 256;
    OCR1B = 256;
  }
  else if(ad4Header.ad4SampleRate == 8000)
  {
    OCR1A = 512;
    OCR1B = 512;
  }
  digitalWrite(speakerA, LOW);
  digitalWrite(speakerB, LOW);

  suaraDimainkan = false;
}

contoh file suara (copy-kan ke folder sketch arduino)

Selamat datang 8000.h

untuk mengkonversi file .wav atau .mp3 ke file .ad4 bisa menggunakan software 4D-SOMO-Tool (tidak direkomendasikan menggunakan ad4Converter karena software ini tidak menyertakan header). kemudian file .ad4 tersebut dijadikan .h dengan software bin2c.

suara bilangan hingga 999.999 dengan arduino

Modul suara arduino yang ada sudah memenuhi kebutuhan perancangan multimedia saat ini, seperti modul suara WTV020SD, mini TF MP3 player, MP3 shield dan lain-lain. Suara arduino bisa digunakan sebagai alarm peringatan, pengisi suara, suara latar, pemberitahuan dan keperluan lainnya.

Dalam perancangam suara dengan arduino kali ini diperuntukkan sebagai pembilang angka dan bisa diterapkan dalam berbagai proyek arduino. Angka/bilangan berasal dari pembacaan sensor dan dikirim ke modul suara.

Pada modul suara sudah disimpan dalam memorinya (microSD) berbagai macam kemungkinan suara angka dengan urutan tertentu. Arduino berfungsi sebagai pengatur suara angka yang akan diputar.

Suara pembilang arduino dimulai dengan kata pembuka contohnya “nomor antrian”, kemudian diikuti suara deret angka dan terakhir satuannya misalnya “di loket 1”.

Suara bilangan sampai 999.999 dengan komponen :

  1. arduino mega 2560
  2. MP3 DFPlayer
  3. Ampli modul LM386 (bila ada)

Bisa dikombinasikan sebagai pemberi suara :

  1. Mesin timbangan yang menginformasikan berat terukur
  2. Pemberi tahu bila jarak terlalu dekat pada sistem keamanan parkir
  3. Pengingat suhu dan kelembaban dengan sensor humidity
  4. Informasi kecepatan kendaraan kecepatan
  5. Suara antrian pada mesin antrian di perkantoran
  6. Pembilang total belanja
  7. dll

Video:

skema suara informasi arduino:

sketch/program:


#include <miniMP3.h>

#define belas 12 //belas.mp3
#define puluh 13 //puluh.mp3
#define seratus 14 //seratus.mp3
#define ratus 15 //ratus.mp3
#define seribu 16 //seribu.mp3
#define ribu 17 //ribu.mp3
#define koma 18 //Koma.mp3

#define berat 110 //berat.mp3
#define gram 111 //gram.mp3
#define kiloGram 112 //kilogram.mp3
#define jarak 120 //jarak.mp3
#define sentiMeter 121 //sentimeter.mp3
#define meter 122 //meter.mp3
#define suhu 130 //suhu.mp3
#define derajat 131 //derajat_celsius.mp3
#define ph 140 //P_H.mp3
#define kelembaban 150 //Kelembaban.mp3
#define persen 151 //Persen.mp3
#define kecepatan 160 //kecepatan.mp3
#define meterPerDetik 161 //meter_per_detik.mp3
#define kilometerPerJam 162 //kilometer_per_jam.mp3
#define nomorantrian 170 //nomor antrian.mp3
#define totalBelanja 180 //total belanja.mp3
#define rupiah 181 //rupiah.mp3

void setup() {
  mp3_set_serial (Serial1, 17);
  mp3_set_volume(30);

  uint32_t beratTimbangan = 0;
  
  mp3_play(berat);
  suaraBilangan(beratTimbangan);
  mp3_play(gram);
}

void loop() {

}

void suaraBilangan(uint32_t Bilangan)
{
  if(Bilangan < 100)
  {
    suaraPuluhan(Bilangan);
  }
  else if(Bilangan < 1000)
  {
    suaraRatusan(Bilangan);
  }
  else
  {
    suaraRibuan(Bilangan);
  }
}
void suaraPuluhan(uint8_t Bilangan)
{
  if(Bilangan < 12)
  {
    mp3_play(Bilangan);
  }
  else if(Bilangan < 20)
  {
    mp3_play(Bilangan - 10);
    mp3_play(belas);
  }
  else
  {
    uint8_t puluhan = Bilangan/10;
    mp3_play(puluhan);
    mp3_play(puluh);

    puluhan *= 10;
    if(Bilangan - puluhan != 0)
    {
      mp3_play((Bilangan - puluhan));
    }
  }
}
void suaraRatusan(uint16_t Bilangan)
{
  uint8_t ratusan = (uint8_t)(Bilangan/100);
  if(ratusan == 1)
  {
    mp3_play(seratus);
  }
  else
  {
    mp3_play(ratusan);
    mp3_play(ratus);
  }
  if(Bilangan % 100)
  {
    suaraPuluhan(Bilangan - (ratusan*100));
  }
}
void suaraRibuan(uint32_t Bilangan)
{
  uint16_t ribuan= (uint16_t)(Bilangan/1000);
  if(ribuan == 1)
  {
    mp3_play(seribu);
  }
  else if(ribuan < 100)
  {
    suaraPuluhan(ribuan);
    mp3_play(ribu);   
  }
  else
  {
    suaraRatusan(ribuan);
    mp3_play(ribu);   
  }
  if(Bilangan % 1000)
  {
    suaraRatusan(Bilangan - (ribuan*1000));
  }
}

file pendukung:
Suara : Suara bilangan mp3
Library : miniMP3