STM32F401+nRF24L01无线传输音频(对讲机原型)

尝试结合STM32F401的ADC, PWM, SPI(NRF24L01)和TIM, 试验了一下音频的无线传输(对讲机原型)

工作机制

音频采样

因为硬件的限制, 包括STM32F401片内存储, 内存大小, PWM频率, 以及之前实际测试NRF24L01得到的经验数据, 采样使用了最基础的8bit分辨率, 采样频率为16KHz附近

• SYSCLK使用25MHz, APB2CLK使用一半频率, 即12.5MHz
• ADC在APB2CLK基础上8分频, 所以ADC时钟为12.5MHz/8
• ADC使用8bit分辨率, 对应11个ADC时钟, 采样周期设置为84, 所以每次采样为95个ADC周期, 这样实际采样频率为 12500000 / 8 / 95 = 16,447 Hz, 接近16KHz
• 使用ADC2DMA, DMA使用一个32byte大小的uint8_t数组

无线传输

• 使用fastwrite机制, 即一直保持在发状态, 只要FIFO TX队列未满就一直往里写, 如果满了就检查MAX_RT标志位, 如果置位则拉低再拉高CE重置发送状态
• 采样端使用DMA的传输完成中断, 对应32个byte的DMA内存, 每次采集满32个byte都会触发中断, 此时调用NRF24L01进行发送
• 接收端使用IRQ中断接收, 创建一个128Byte的接收数组, 循环写入. 每次接收中断就往里面写32个byte, 往后增长, 到右边界后再从0开始

音频输出

• 接收端也使用25MHz的SYSCLK
• 接收端启用PWM输出, 输出分辨率为8bit
• 接收端启用Prescaler=0, Period=1561的定时器TIM3, 这个配置对应的频率为 25000000 / (0 + 1)(1561 + 1) = 16,005 Hz, 接近16KHz. (注: 这里频率选择有些问题, 应该要比发送端频率略高, 这样才能保证在持续发送中, 播放不被接收打断)
• 每次定时器触发中断, 都会在128byte的接收数组中检查是否有新数据, 有则前进一格并以此值修改PWM占空比, 无则跳过. 如果已经到达数组右边界则返回到数组0下标.

电路

输入端电路

输入端使用一个驻极体二极管加S9014组成简单的放大电路. 电路图取自网图, 元件的取值说明

• R1 取值范围在1KR至3.3KR, 不要超过5KR, 否则声音太小
• C1 取值范围在0.1uF至1uF都可以, 不要太小
• R2 可以用1MR至1.5MR
• R3 取值10KR
• Q1 使用任意小功率NPN三极管均可, 实测过9013, 9014, 8050, 2N222, 基本没区别
• C2 10uF的独石电容或更大的47uF的电解电容都可以

输出端电路

输出端先经过以及RC低通滤波(R=20, C=10uF), 再使用PAM8403进行放大

项目代码

项目代码在Github: https://github.com/IOsetting/stm32f4-hal-projects/tree/main/Projects/WalkieTalkieDemo

可以使用Keil5 MDK打开和编译

测试记录

1. 采样: 采样工作正常, 观察输出可以看到有动静时采样值的变化
2. 传输: 仅在10米以内距离测试, 出现MAX_RT标志的比例很小, 至少从16KHz采样, 32byte一个package的发送速率看, 发送和接收都不是瓶颈. 当有墙体阻挡时错误率上升明显
3. 播放: 背景噪音大, 在近距离时容易互相干扰产生啸叫. 播放效果较差, 沙沙声明显. 在加入低通滤波后能听清人声, 但是依然未能达到"能听"的水平.

电路部分原型

电路部分原型

发送端

下一步

因为传输不是瓶颈, 所以改进的方向主要是音质. 可能需要从几个方面进行排查:

1. 播放方面. 这块是比较容易排查的, 比如使用单频音源输出, 使用预录的音源输出, 需要评估使用多高的PWM频率以及RC滤波参数能达到可接受的播放效果
2. 采样方面. 如果有示波器会很方便, 没有示波器的话, 只能通过ADC采样的输出来判断, 需要写代码将数组输出到存储, 需要加一些片外存储

参考

• 驻极体话筒电路 http://mynixworld.info/2017/09/01/simple-electret-microphone-circuit/
• 如何用软件录制语音并转为代码数组 https://srituhobby.com/how-to-make-an-arduino-based-text-speech-project/
• 用STM32CubeMX配置DMA+PWM输出 https://blog.csdn.net/qq_30267617/article/details/109466698
• DMA+PWM输出的开始和停止 https://blog.csdn.net/Hot_Ant/article/details/107252154