Arduino til en overskæring 1

Som lovet i Reiners tråd om lyd til en overskæring, har jeg lavet et lille projekt med en Arduino: Mere præcist med den variant af Arduino, der hedder Microduino. Det er derfor den løsning, jeg vil præsentere her - men man kan sagtens bruge opskriften til at lave den samme løsning med normale Arduino komponenter, hvis man hellere vil det. Hvis man ikke kan lide lyd, kan man også nøjes med at bruge løsningen til blinklyset - så behøver man blot en Microduino Core til $8, det må vist siges at være temmelig billigt. Det er min hensigt at prøve at forklare, hvordan man selv kan lave et program til Arduinoen - men når jeg er færdig, vil programmerne også kunne downloades, så man kan kopiere løsningen helt uden selv at programmere.

Microduino har flere fordele: Først og fremmest er den meget lille, og så er den også meget billigere end en normal Arduino. Det sidste er der flere grunde til: Selve grundkonstruktionen er simplere med færre stik, men samtidigt har de også delt den normale Arduino op i to dele. En normal Arduino består af nogle delkomponenter, og de to vigtigste er selve CPUen - dvs. den egentlige computer - og så en speciel chip, der bruges til USB kommunikation med en PC. USB chippen er imidlertid meget dyr, og den bruges typisk kun under programmeringen. I Microduino konceptet har man delt Arduinoen i to, så man har et print med selve CPUen og et andet med USB chippen. Her kan man også se prisforholdet: En Microduino Core koster $8, mens USB chippen koster $12. Fidusen i denne sammenhæng er, at man kan nøjes med at have USB chippen på, mens man programmerer, og så tage den af, inden man monterer løsningen på modelbanen. USB chippen kan så bruges til næste projekt, og man har sparet $12. Løsningen fylder også mindre, når man ikke har den ekstra chip på.

Men før jeg kaster mig ud i en længere beskrivelse, vil det nok være på sin plads med en lille video, der viser, hvad det hele går ud på:

Som det kan ses, er der lyd til overskæringen gennem højttaleren, og samtidigt en lysdiode, der blinker rytmisk i takt med klokken. Lysdioden har et blødt blink, hvor lyset fader langsomt ind og ud i stedet for blot at blive tændt og slukket. Endeligt har denne løsning den fordel, at den altid lader såvel klokke som lys slukke, når de har klinget ud - i stedet for at slukke midt i et klokkeslag, som en simplere løsning ville gøre. Jeg kan også bemærke, at selvom jeg indtil videre kun har brugt den viste højttaler uden kabinet, lyder det allerede nu overordentligt godt - jeg var meget positivt overrasket, da jeg fik hul igennem; til gengæld må jeg beklage, at mikrofonen i mit kamera ikke er så god - lyden på videoen er mildest talt ikke prangende.

Man kan arbejde med Arduino på næsten alle platforme: Linux, Macintosh og Windows - men jeg vil i mine artikler her nøjes med at beskrive et Windows-setup. Bruger man en anden platform, må man være lidt mere selvhjulpen - eller spørge! Jeg kan også fortælle, at jeg har lovet at lavet et lignende system til den permanente udstilling på Teknisk Museum: Her skal man bruge en lyd, når et lokomotiv passerer et Giv agt skilt - den løsning vil også komme med her, når den er færdig.

Microduino

Microduino konceptet vinder på flere fronter: De er små, og de er billige. Faktisk er de så små, at en normal Microduino løsning uden problemer kan puttes ind i f.eks. en H0 godsvogn. Derfor er de også velegnede til modelbanen. Men der er faktisk en fordel mere: Microduino udvikles at et enkelt firma, og det betyder, at der er en masse udvidelser - shields - der i temmelig høj grad er tilpasset til at kunne fungere sammen. I den "normale" Arduino verden er der mere anarki, og selvom man kan få en myriade af shields, er det langt fra altid nemt at få dem til at arbejde sammen.

Microduino sælges indtil videre kun direkte fra Kina - man kan se mere på deres hjemmeside. Og jeg kan bemærke, at levering hidtil har været temmelig hurtig og uproblematisk.

For at bygge denne løsning, skal man bruge en højttaler på 8Ω, en håndfuld lysdioder til at blinke og følgende Microduino komponenter:

Microduino Core

Da jeg begyndte at flikke denne løsning sammen, startede jeg med en Microduino Core+ CPU - men det virkede ikke. Det tog mig ret lang tids eksperimenter at acceptere dette, og i bar desperation skiftede jeg så til en Core - hvorefter det hele virkede som en leg. Microduino bruger en modificeret udgave af det normale Arduino SD-kort bibliotek, og det er kun modificeret til Core og ikke Core+ - fandt jeg ud af på den hårde måde...

Microduino USBTTL

Microduino USBTTL er modulet med USB interface, så man kan programmere CPUen på Core modulet.

Microduino Amplifier

Microduino Amplifier er et modul med en klasse D stereoforstærker, der kan drive en eller to 8Ω højttalere.

Microduino SD

Microduino SD er et modul med en MicroSD læser, så man kan gemme lydene på et SD-kort.

Alt det nødvendige (bortset fra lysdioderne) kan købes i en samlet pakke fra Microduino under navnet Microduino Amplifier Music Player - det vil være en fin pakke for begynderen:

Installation i IDEen

Man bruger den sædvanlige Arduino IDE, når man arbejder med Microduinoerne: IDE står i denne sammenhæng for Integrated Development Environment, og er den normale betegnelse for en softwarepakke, der kan bruges til software udvikling. Installationen er relativt nem - selvom letheden nok afhænger en del af, hvor meget erfaring man har med software-udvikling. Under alle omstændigheder er der to måder at komme i gang: Hvis man kun vil arbejde med Microduino, kan man downloade og installere en fuld udgave af Arduino IDEen fra Microduino, der er tilpasset Microduino miljøet. Vil man gerne arbejde blandet med Arduino og Microduino, er det nok en bedre idé at hente det almindelige Arduino IDE på Arduinos hjemmeside, og så tilføje Microduino komponenterne bagefter.

Den nemme måde er beskrevet på Microduinos hjemmeside, så den vil jeg ikke gøre meget ud af her.

Den lidt mere avancerede måde starter med at hente IDEen fra Arduinos hjemmeside, hvor det også er beskrevet, hvordan man installerer den. Herefter skal man installere support for Microduino hardware og forskellige biblioteker, der er tilpasset Microduino miljøet. Det nemmeste er nok at hente hele Microduino IDE miljøet, og så fiske de nødvendige filer ud af pakken. Microduino koden ligger på GitHub, så hvis man ved, hvad det går ud på, kan man lave forskellige fiksfakserier, så det bliver nemt at holde sin kode up-to-date. For de, der ikke kender til dette, følger her den lette opskrift:

Hent Microduino IDEen fra GitHub med følgende link: https://github.com/wasdpkj/Microduino-IDE/archive/master.zip. Pak zipfilen ud et eller andet sted. Hvis du ikke har haft Arduino IDEen startet endnu, så start den og luk den igen med samme. Nu burde der være en mappe i din dokumentmappe med navnet Arduino. I Arduino mappen skal der være en undermappe med navnet hardware - hvis den ikke er der, kan du selv oprette den. I zip-filen fra GitHub findes en lignende struktur - mere præcist stien arduino-1.0.6-windows\hardware. Her finder man mappen Microduino og kopierer den fra zip-filen til den tilsvarende sti i dokument-mappen. Hvis filerne er lagt korrekt ind, bør sortimentet af Microduino CPUer dukke op i Arduino IDEen:

Herefter gøres det samme med mappen libraries - blot skal man dennegang kopiere hele indholdet. Når det er på plads, kan man også nå de forskellige biblioteker inde fra IDEen:

Man kan også placere filerne sammen med selve Arduino IDEen: Men i så fald risikerer de at gå tabt, når man opgraderer IDEen - ved at lægge dem i ens dokumentmappe, undgår man at miste dem under en opgradering.

Lydfilen

Nu skal vi så til at se på lydfilen. Der følger en demo med Microduinos SD bibliotek - den findes i Arduino\libraries\_06_Microduino_SD_SimpleSDAudio\examples med navnet EXAMPLE.AFM. Jeg har til gengæld lavet filen Klokke.afm - den er vedhæftet dette indlæg både som WAV-fil (så man kan høre den direkte på computeren) og som AFM-fil, der skal bruges af Arduinoen. Lyden har jeg sakset direkte fra det Youtube-klip, Reiner har brugt som eksempel i hans originale indlæg, jeg har klippet den til og konverteret den til AFM. Hele den proces er en lidt større mundfuld, der derfor vil få sit eget blogindlæg.

Her vil jeg fortælle lidt om selve den lydfil, Arduinoen skal bruge. Som før omtalt er en Arduino meget dum, og den har ikke megen CPU-kraft; den kan derfor ikke læse noget så kompliceret som en MP3-fil - vi har brug for noget mere grundlæggende. Mere præcist en fil i et format, der normalt omtales som RAW - den indeholder simpelthen præcist de bit, der skal skabe lyden i forstærkeren; på den måde behøver CPUen slet ikke røre filen, den skal blot transportere den fra SD-kortet og direkte til forstærkeren. Det gør den via en bus kaldet SPI - men det behøver vi heldigvis ikke tage stilling til, det klarer de forskellige biblioteker for os.

Til gengæld er det nødvendigt at konvertere ens lydfil fra et eller andet "normalt" format til RAW: Microduino folkene foreslår et program, der kaldes SOX, og det ligger til download i en speciel Microduino udgave på Microduino wikien. Når man har downloadet og pakket zip-filen ud, får man en mappe kaldet _tools; inde i denne finder man to nye mapper, der er til henholdsvis 8 MHz og 16 MHz Arduinoer. I Microduino kontekst er alle 3,3 V modeller på 8 MHz, mens alle 5 V modeller er på 16 MHz. I de relevante mapper finder man nogle bat-filer, hvor man kan trække en WAV-fil hen og droppe den: Jeg har brugt FullRate@8MHz_Mono.bat - den snurrer lidt, og så ligger resultatet i undermappen converted - for mig en konvertering fra Klokke.wav til Klokke.afm.

Det er denne fil, Microduinoen skal bruge - og derfor den fil, der skal kopieres over på SD-kortet. Bemærk, at der er to AFM filer - en til 8 MHz og en til 16 MHz. Man bør skifte navn på filen til f.eks. Klokke.afm, før man kopierer den over på SD-kortet.

SD-kortet

En af de ting, jeg ventede at få problemer med, var SD-kortet: Alle release-noter og readme-filer til SD biblioteket advarer om, at det er "bedst" at bruge SD-kort på 2 GB og derunder. Det sender mig en masse faresignaler, men omvendt er det i dag stort set umuligt at købe så små SD-kort. Jeg kunne ikke finde nogen mindre end 4 GB, så dem købte jeg en stak af og håbede det bedste. Priserne på den slags varierer vildt, jeg endte med at købe dem hos en svensk forhandler, hvor der er mange til en meget rimelig pris: 24HShop. Jeg købte også en smart æske til mine kort - den har jeg været meget glad for.

Når 2 GB er en kritisk grænse, skyldes det formatteringen: Det gamle FAT16 system kunne ikke håndtere diske større end 2 GB, mens større diske kræver det nyere - og mere avancerede - FAT32 system. Forfatteren til SDAudio biblioteket ligger ikke skjul på, at hans kode er meget primitiv, og jeg frygtede derfor for, at den ikke kunne håndtere FAT32 formatterede diske: Det kunne den heldigvis godt, så jeg slap med skrækken og var straks videre.

Til gengæld er der en anden udfordring i den primitive løsning: De, der er gamle nok, kan huske de gode, gamle DOS-dage, hvor filnavne skulle overholde 8.3 konventionen: Et filnavn skulle bestå af et "fornavn" på maksimalt otte bogstaver, herefter et punktum, og endeligt et efternavn, der normalt blev brugt til at beskrive filtypen. Efternavnet måtte maksimalt være på tre bogstaver - deraf navnet 8.3. De fleste tror nok, at dette er fortid - men det er det desværre ikke helt: Så længe vi snakker FAT-filsystemer er løsningen, der tillader lange filnavne, et påklistret tillæg - det er ikke en del af det basale filsystem; og når man så har med så primitiv en løsning at gøre, som vi har her, er vi tilbage i 8.3-tiden. Arduino-løsningen kan kun forstå 8.3 filnavne, og de må kun indeholde ASCII-tegn - dvs. bogstaverne fra A-Z og tal.

De fleste computere, min incl., har ikke noget MicroSD stik, men min bærbare har et SD stik; og heldigvis leveres langt de fleste MicroSD kort med en adapter, så man kan sætte dem i et almindeligt SD stik. I med kortet og filen kopieres over. Igen lyder det simpelt - og igen er det desværre lidt mere kompliceret: Første gang, man lægger filen over, er der ingen problemer - men hvis man begynder at bruge SD-kortet "rigtigt", så man har flere filer på kortet og sletter nogle af dem - ja, så kan det gå galt. Biblioteket er ikke intelligent nok til at kunne læse filer, der ligger spredt flere steder på disken - det kræver, at lydfilen ligger som én samlet fil uden "huller". Det er muligvis sort snak for nogle, men det er nu ikke så svært at håndtere: Hvis det lyder rigtigt, er det ikke nogen grund til alarm - hvis lyden er forkert, bør man formattere SD-kortet forfra, og så lægge filerne på igen.

Opsætning

Når alle stumperne er i hus, skal det hele samles. Som det kan ses på videoen ovenfor, har jeg brugt et standard breadboard til at lave eksperimenter; Microduinoen kan ikke puttes direkte i sådan et board, men jeg har købt en Microduino Plug, og så kan man bruge sit breadboard. Plug boardet har et USB stik - og et par irriterende røde lysdioder - men det betyder ikke, at man kan undvære USBTTL modulet ovenfor, USB-stikket på plug boardet er kun til strømforsyning, man kan ikke uploade programmer fra PCen.

Før man samler Microduino modulerne, skal man muligvis tilpasse sit forstærkermodul. Forstærker modulet kan få sit input fra flere steder, og ifølge dokumentationen skal man placere en loddeklat på to små øer, hvis man vil bruge de normale Arduino-ben til at levere lyden:

På mit modul ser det ud, som om de allerede er forbundne og snarere skal skæres op, hvis man ikke vil bruge dem - men for en sikkerheds skyld har jeg puttet en lille loddeklat på. Det kan også bemærkes her, at jeg kun har lavet lyden som mono - det giver for mig ingen mening at lave lyde som denne i stereo - og når man kører mono, kommer der kun lyd ud af stikket til venstre kanal.

De fire Microduino moduler presses sammen - rækkefølgen er ligegyldig, men det kan godt betale sig at tænke sig lidt om, så det ikke bliver for bøvlet at få stik og SD-kort ind og ud. Når modulerne er presset sammen og man har forbundet en højttaler til venstre udgang, er man klar til at prøve systemet af: I første omgang handler det om at få lyd på. Microduinoen forbindes til PCen med et USB-kabel af den type, der bruges til moderne mobiltelefoner, og da PCen også leverer den nødvendige strøm gennem USB-kablet, er det ikke nødvendigt med mere.

Den første test

Ovre på PCen kan man nu hente et eksempel ind i IDEen: Under eksempler finder man _06_Microduino_SD_SimpleSDAudio, og i denne mappe findes et program med navnet MostFunctionDemo. Hent det ind, vælg COM-port og Microduino model som altid, og upload programmet til Arduinoen. Herefter sker der - ingenting!

Dette demo-program er nemlig skrevet til at udnytte Arduinoens debug-funktion, og den har jeg endnu ikke omtalt her på Sporskiftet: Under menupunktet Værktøjer findes punktet Seriel overvågning - vælg det, og et nyt vindue dukker op:

Det er ikke sikkert, det fungerer i første forsøg: SimpleSDAudio programmet er sat til at køre med en hastighed på 9600 baud - det skal vælges korrekt i nederste, højre hjørne. I øverste linie kan man skrive kommandoer, dvs. tekst, og den kan sendes til Arduinoen ved at klikke på Send eller trykke på Enter på tastaturet.

Som man kan se på skærmbilledet, har den fundet to filer på mit SD-kort. Jeg har tastet KLOKKE.AFM<Enter>, programmet har fundet filen og er klar til at spille den. De mulige kommandoer vises i linien, der starter med Press... - og jeg har skrevet v<Enter> for at få vist en status. Skriver man p<Enter> begynder programmet at spille den fil, man har valgt i første step.

Og nu, hvor der gerne skulle være hul igennem, vil jeg afslutte dette indlæg. Der er et stykke vej endnu til en brugbar løsning, men det tager vi hul på i de kommende indlæg.