CC BY
62Компоненты и технологии, № 6'2004 Компоненты
Holtek:
в мире музыки и звуков
Звуки музыки окружают человека практически всю жизнь — от рождения и до смерти.
И если несколько лет назад эти локальные источники можно было пересчитать по пальцам: телевизор, радиоприемник, магнитофон и т. п., то сегодня музыкальное сопровождение нашей жизни простирается от игрушек до сотовых телефонов и флэш-памяти со встроенным приемником.
Николай Ракович
ирма Holtek, хорошо известная своими ми-
кросхемами памяти и микроконтроллерами, занимается также выпуском компонен- PA0-PA7Ó++ РВ0-РВ7 (>*-► PF0-2 64 Kxl 6-bit ROM
тов для музыкальной электроники. Для создания и воспроизведения музыкальных и немузыкальных звуков Holtek выпускает различные ИС: 8-разрядные микроконтроллеры для формирования музыкальных мелодий и речи (Music MCU, Voice MCU и Q-Voice); семейства микросхем для создания звуковых эффектов (Sound Effects Series), мелодий (Piano Series), речи (EasyVoice Series).
Начнем с семейства музыкальных синтезаторов НТ36хх (табл. 1, блок-схема на рис. 1 на примере НТ36А0).
Таблица 1
Обозна- чение Напряжение питания, В Память программ Память данных Выводы входа-выхода Таймер Полифония ЦАП Корпус
НТ36А4 2,4х5,0 32Кх 16 208х8 8 8 битх2 8 16 битх1 16DIP, 20SQP
НТ36А3 2,4х5,0 32Кх 16 208х8 20 8 битх2 8 16 битх1 28SOP, 48SSQP
НТ36А2 2,4х5,0 64Кх 16 208х8 20 8 битх2 8 16 битх1 28SQP, 48SSQP
НТ36А1 2,4х5,0 64Кх 16 208х8 24 8 битх2 8 16 битх2 48SSQP
НТ36А0 3,6х5,0 64Кх 16 208х8 28 16 битх2 16 16 битх2 48SSQP
НТ36В2 3,6х5,0 128Кх16 512х8 32 16 битх2 16 16 битх2 28SQP, 56SSQP
НТ36В0 3,6х5,0 256Кх16 768х8 36 16 битх2 16 16 битх2 28SQP, 64QFP
Таблица 2
Регистр Функция Бит 7 Бит 6 Бит 5 Бит 4 Бит 3 Бит 2 Бит 1 Бит 0
20Н Выбор номера канала CH3 CH2 CH1 CH0
20Н Выбор параметра изменения VM FR
21Н Выбор номера блока BL3 BL2 BL1 BL0
21Н Выбор номера частоты FR11 FR10 FR9 FR8
22Н FR7 FR6 FR5 FR4 FR3 FR2 FR1 FR0
23Н Выбор начального адреса ST15 ST14 ST13 ST12 ST11 ST10 ST9 ST8
24Н ST7 ST6 ST5 ST4 ST3 ST2 ST1 ST0
25Н Выбор формата сигнала WBS
25Н Выбор адреса повторения RE14 RE13 RE12 RE11 RE10 RE9 RE8
26Н RE7 RE6 RE5 RE4 RE3 RE2 RE1 RE0
27Н Выбор типа огибающей ENV1 ENV0
27Н Выбор параметров вибрато A_R
27Н Регулировка левого канала VL9 VL8
29Н VL7 VL6 VL5 VL4 VL3 VL2 VL1 VL0
27Н Регулировка правого канала VR9 VR8
2АН VR7 VR6 VR5 VR4 VR3 VR2 VR1 VR0
PD0~PD7Q+>
OSC1 <)—► OSC2CH— "RES Ó—►
8-Bit
MCU
C=>
208x8
RAM
■*—QVDD
•*—Óvss
<—ÓVDDA ■*—ÓVSSA
Multiplier/Phase_____
General
16-B¡t
DAC
ló-Bit
DAC
—►QRCH —►OLCH
Рис. 1
° i
Эти 8-разрядные высокоэффективные RISС-мик-роконтроллеры специально разработаны для музыкальных приложений и совмещают микроконтроллер с 16-канальным синтезатором. В памяти программ хранятся как команды управления, так и коды мелодий (в табличном виде), причем все это легко перепрограммируется. В состав НТ36хх входит встроенный 8-разрядный микропроцессор, с помощью которого программируется синтезатор для формирования мелодий установкой соответствующего специального регистра с адресом 20Н-2АН.
Рассмотрим только те функции микроконтроллера, которые отвечают за мелодии.
В ПЗУ микроконтроллера определенная область отведена под память таблицы мелодий (wаvetаble ROM); 16 ячеек ST(15~0) используются для определения начального адреса каждого образца мелодий из таблицы и чтения данных о форме сигнала. В НТ36А0 реализована 21 выходная адресная шина по адресным шинам WA(16~0), ST(15~0) используются для локализации основных 16 битов, то есть WA(16:5) и неизвестные данные из WA(4~0) всегда устанавливаются в 00000Ь. Таким образом, начальный адрес каждого образца мелодии находится по адресу, кратному 32. С другой стороны, образец мелодии не может быть считан правильно, если стартовый код неверен.
Работа 16-канального синтезатора задается специальными регистрами, расположенными по адресам 20Н-2АН (табл. 2).
Выбор одного из 16 выходных каналов выполняется соответствующими битами выбора номера ка-
Компоненты и технологии, № 6'2004
нала СН (3~0) регистра 20Н. При записи в этот регистр синтезатор будет автоматически выдавать соответствующий код ИКМ (импульсно-кодовой модуляции). Этот регистр используется так же, как ключ начального воспроизведения, и записывается после того, как все другие регистры функций уже определены. Еще два бита (УМ, FR) в этом регистре определяют регистр, который будет модифицироваться в выбранном канале.
Частота выхода задается данными регистров 21Н и 22Н (БЬ3—0, FR11~0), что, кстати, позволяет сформировать шкалу градаций: при FR (11:0), равном 800Н, и БЬ (3:0), равном 6Н, данные каждого образца будут выдаваться последовательно. Если тактовая частота 105С=12,8 МГц, то частота на выходе определяется как:
, 50 кГц БК [11-0]
Іоит—ІМЇСОІШХ^^- х 2(17-ВЬ [3-0])
где ^еС0Га и SR — частота и частота выборки кода образца соответственно.
Определение начального адреса в НТ36хх реализовано двумя способами: через адрес ПЗУ программ и через начальный адрес кода ИКМ. Для определения начального адреса каждого кода ИКМ и чтения данных о форме сигнала используется ST(15—0).
С целью более экономичного использования памяти данных в НТ36А0 предусмотрен выбор с помощью WBS одного из двух форматов данных образцов мелодий каждого кода ИКМ: 8 разрядов или 12. Вид форматов приведен на рис. 2 (В — один байт данных; 1Н — старший полубайт; 1М — средний полубайт; 1Ь — младший полубайт).
100 кОм
0,1 мкФ
Рис.3
^dd
9 ю ом 1
VDD VDDA
U5U
OSCO РА0-РА7
РВ0-РВ7
РС0-РС7
PD0-PD7
LCH
RCH
RES
VSSA
VSS
47мкФ^ =!=0,1 мкФ
<=>
с=>
<=>
<=>
^DD
О
47 мкФ-
а
НТ36А0
I 0,1 мкФ 20 кОмП-4-—| [—^
Vref
~Г~ I
ОмкФ
VDD IN OUT N
1 iY
HT82V733 VSS 7 T\
OUTP
7 4^
SPK 8 Ом
Если выбранный образец необходимо воспроизвести несколько раз, то для этого в регистрах 25Н и 26Н задается адрес точки повторения. При этом на выходе формируется сигнал от начального кода до конечного (один раз), а затем постоянно сигнал в диапазоне от адреса повторения до конца (код 80).
В контроллерах серии НТ36хх реализована независимая регулировка громкости по правому и левому каналам — биты УЬ(9—0) и VR(9—0) соответственно в регистрах 27Н, 29Н, 2АН. Регулировка громкости имеет 1024 уровня; 000Н — максимальная громкость, 3FFН — минимальная.
Программирование огибающей сигнала упрощено установкой соответствующих битов ENV[1—0] и A_R для формирования эффекта вибрато.
Звуковые данные на выходе микроконтроллера выдаются в последовательном режиме в виде 16-разрядного цифрового сигнала, начиная с младшего значащего разряда. Если тактовая частота равна 12,8 МГц, то скорость
выборки составляет 50 кГц для правого и левого каналов, причем передача данных в НТ36хх для работы с ЦАП осуществляется по интерфейсу IIS. Типовая схема включения приведена на рис. 3.
На базе микроконтроллеров серии НТ36хх разработаны микроконтроллеры серии НТ38хх: полифонические музыкальные проигрыватели НТ38А1, НТ38А3 и музыкальный генератор на 12 мелодий НТ38А2.
НТ38А1 представляет собой 16-канальный музыкальный проигрыватель на восемь инструментов и восемь типов ударных. Для связи с внешними устройствами используется 3-проводной интерфейс. Стандартные файлы General MIDI (GM) версии 1,0 преобразуются в исполняемый файл программой преобразования (разработка Holtek). Вставка в MIDI-файл специальных команд позволяет управлять четырьмя светодиодами (типовая схема включения — на рис. 4).
В состав НТ38А1, работающего с тактовой частотой 8 МГц, входит один 16-разрядный ЦАП с потенциальным выходом (по напряжению) и 6-канальный табличный генератор мелодий.
НТ38А3 содержит 18 инструментов и 12 ударных, работает с тактовой частотой 11,059 МГц, имеет два ЦАП на 16 разрядов со стереовыходом по напряжению и 16-канальный генератор мелодий (естественно, табличный). Схема включения аналогична НТ38А1.
Файлы MIDI должны соответствовать спецификации 1,0 GM и сохраняться в формате
MIDI Format 0. Максимальное число треков равно 16, причем десятый трек — резерв для ударных. Временная база файла MIDI должна быть кратна 24, например, 24, 48, 72 и т. д.
С каждым музыкальным инструментом в спецификации GM сопоставляется число от 1 до 128. Кроме этого, имеется 61 ударный инструмент (нумерация от 25 до 85) и 16 треков (нумерация от 1 до 16). Любой ноте в MIDI-файле соответствует число от 0 до 127, причем нота «до» средней октавы равна 60. Диапазон, поддерживаемый программой, можно менять, действительное значение имеется в руководстве пользователя. Максимальное число доступных звуковых каналов — 8.
Величину уровня сигнала (громкость) можно изменять в диапазоне от 0 до 127 изменением параметра громкости (Volume) или быстродействия (Velocity). Диапазон изменения быстродействия — 40x280,
при этом он может меняться незамедлительно, если в состав одного файла входит несколько видов темпа.
Программа преобразования con_midi midfile переведет формат MIDI-файла в файл формата BIN, который после этого будет использоваться проигрывателями НТ38А1/3. Те инструменты или ударные, которые не распознаны, будут заменены первым инструментом или ударным из банка звуков.
Музыкальный генератор НТ38А2 — СБИС, выполненная по КМОП-технологии (блок---------------------------------- 85
Компоненты и технологии, № 6'2004
схема на рис. 5) и предназначенная для использования в телефонах (полифонический звонок), игрушках, дверных звонках и т. п.
Встроенный контроллер и табличный синтезатор мелодий (табл. 3), напряжение питания от 2,4 до 5,0 В, детектор пониженного напряжения, сигнал отбоя, полифония на 8 нот и 16-разрядный ЦАП делают эту ИС достаточно универсальной. Многофункциональность НТ38А2 расширяется и за счет дополнительного режима управления с помощью кнопок (табл. 4). Подключение в режиме управления от кнопок показано на рис. 6.
Таблица 3
Номер мелодии Название мелодии
1 Колокольчики (Jingle bells)
2 Кармен
3 Happy Chinese New Year
4 Эдельвейс (Edelweiss)
5 Going home
6 PAPALA
7 Классика
8 Listen to the rhythm of the falling rain
9 Рок-н-ролл
10 Happy Birthday
11 Do Re ME
12 Штраус
Наиме- нование Напря- жение питания, В Количество кнопок клавиатуры Тембр Ритм и і ® 1*
НТ337С 2,4х5,0 37 16 16 22
НТ337В 2,4х5,0 37 8 8 8
НТ3496 2,4х5,0 49 10 10 8
НТ3497 2,4х5,0 48/54 100 100 10
НТ3612 2,4х5,0 61 20 20 8
НТ3614 2,4х5,0 61 20 20 5
Таблица 4
Вывод для подключения кнопки Функция
РА1: выбор мелодии Этой кнопкой выбирается и проигрывается одна из 12 мелодий. Если кнопка нажата и удерживается, то выбирается и воспроизводится следующая мелодия из списка. При нажатии кнопки Hold на телефоне активируется функция удержания линии и входящим звонком воспроизводится мелодия.
РА2: громкость Управление громкостью мелодии за 8 шагов. Каждое нажатие уменьшает громкость на один уровень. После достижения минимальной громкости следующее нажатие возвращает громкость на максимум.
РАЗ: телефонная кнопка Hold При нажатии этой кнопки во время телефонного разговора линия будет удерживаться, а позвонивший будет слышать мелодию. Если во время воспроизведения мелодии поднимается трубка, то мелодия сразу прекращается. После этого функция Hold блокируется на 2 секунды.
РА6: определение звонка При поступлении сигнала вызова частотой 13^90 Гц через 200 мс начинается автоматическое воспроизведение мелодии, которое прекращается через 6 секунд после прекращения сигнала вызова.
РА7: определение сигнала отбоя Определяется состояние телефонной линии. Когда линия свободна, то возможен выбор мелодии и ее воспроизведение. При снятии трубки воспроизведение прекращается и активизируется функция Hold.
При выборе конкретного типа ИС необходимо учитывать, что серия НТ36хх — масочная, то есть по определению хороша для крупносерийного производства. Минимальное количество микросхем в партии поставки составляет:
HT36A4 — 15 500 шт.
HT36A3 — 15 000 шт.
HT36A2 — 11 500 шт.
HT36A1 — 11 500 шт.
HT36A0 — 8 500 шт.
HT36B2 — 7 500 шт.
Для экспериментальных работ и при мелкосерийном производстве рационально использовать ИС серии НТ38хх.
Номенклатура выпускаемых Holtek ИС для различных музыкальных приложений не ограничивается сериями НТ36хх и НТ38хх. Для клавишных инструментов выпускается серия Piano (табл. 5).
Таблица 5
Завершая краткий обзор ИС фирмы Нокек для музыкальных приложений, необходимо хотя бы упомянуть о микросхемах для обработки голоса (как известно, собственный голос — самая приятная мелодия).
8-разрядные микроконтроллеры серии НТ86ххх (табл. 6) со встроенным синтезато-
Таблица 6
ñ о «о «о Т Н З S3 «о Т Н § S3 «о Т Н 3 «о «о «о Т Н Ґч ІЛ «О «о Т Н «о «о Гч «О «О Т Н
ПЗУ голоса, бит 1536К 3072К 4096К 8192К 12288К 16392К
Длительность воспроизведения, с 72 144 192 384 576 768
ром голоса и генератором тональной частоты предназначены для применения в системах безопасности, генераторах звуковых эффектов, обучающих системах. Минимум внешних элементов не создает проблем при разработке (рис. 7).
Модулятор голоса НТ8950 (блок-схема на рис. 8) сдвигает частоту входного голосового сигнала, создавая на выходе эффекты вибрато (Vibrato) или робота (Robot).
Эффект вибрато заключается в изменении частоты входного сигнала вверх-вниз с частотой 8 Гц. Функция робота — преобразование входного голоса в голос робота: металл в голосе! Каждый из эффектов выбирается нажатием соответствующей кноп-
Компоненты и технологии, № 6'2004
Тби ТвЭ VIВ РОВ
Рис‘8 ТЭ 1АМР
ЬРР1_1Ы 1_РР1_01Л 1РР2_01Л ЬРР2_1Ы 0Р2_01)Т ОР2_1Ы ОР1_1Ы ОР1_Оит ССО СС1
УСС РЕР АО№ РСЫй 05С_0 УСО
Рис. 10
ки, по умолчанию (при включении питания) устанавливается эффект робота. Встроенный микрофонный усилитель, 8-разрядные АЦП и ЦАП позволяют получить на выходе высококачественный сигнал с хорошим соотношением «сигнал — шум», а драйвер светодиодного индикатора управляет вспышками светодиода в зависимости от громкости голоса на входе (один из вариантов включения — на рис. 9). Диапазон применения — от игрушек до аудиосистем и телефонов.
Для различных аудиосистем, включая караоке, телевизоры, видео и звуковое оборудование предназначен процессор для создания эффектов эха и объемного звучания НТ8970. В состав ИС входят предварительный усилитель, статическое ОЗУ на 20 кбайт, АЦП и ЦАП (блок-схема на рис. 10, варианты реализации режимов — на рис. 11, 12).
Описание принципов работы и вариантов применения ИС голосовых серий НТ81хх и НТ86хх будет рассмотрено в следующей статье.
Компоненты и технологии, № 6'2004
e-
Surround mode vik1-H”lpfT
A/D
Delay
D/A
Surround mode
MIC
0,68 Ф 1 Юм 1 Ф
11-------------T—iSF
14,7 Юм
4,7 kOm 9 В О—I h
4,7 Юм I 147 k0m
560 Ом
100 Ф
---- 22 Ф
t=H’ — 5600 пФ 15 kOm 4,7Ф
4,7 Юм f___11 _I-]________
5 BO-
0,1 Ф
4,7 Фм+ 2 3
20 Юм a R
"{
0,1 ф^ 0,1 Ф
777
VCC LPF1JN
REF
AGND
DGND
osc_o
vco LPF2_OUT LPF2JN OP2_OUT
ОС1 OP2 IN
OC2 OP1JN OPl_OUT
10 Юм
r.
si:
12 kOm
]0Ф ЗкОм
=1=560 пФ
T?
15 Юм
“I
560 пФ
I
Юм 0,047 Ф
= 0,047 Ф
Note: i Analog ground, Digital ground Рис. 11
) Output
Echo mode
LPF1 A/D ► Delay ► D/A -► LPF2 -I
Echo mode
MIC D=
0,68 Ф 1 Юм
HZZh
~| 4,7 Юм
1 Ф
1 Юм
-CZh
4,7 Ф
4,7 Юм 9BO—-ГП—
4,7 kOm |^47k0„
560 Ом
100 Ф
— 22 Ф
гЯР-" = 5600 пФ 15 kOm f/7 Ф
4,7 kOm
5 В О 0,1 Ф
I
I 4,7 Фг. ~^100Ф£ < —
J7
20 Юм 4 R .
0,1 Ф = = 0,1 Ф^
777
I
VCC LPF1JN
REF
AGND LPFl_OUT
DGND
osc_o
VCO
LPF2 OUT
LPF2JN
OP2_OUT
OCT OP2 IN
OC2 OP1JN
OP1 OUT
Output
= 0,047 Ф
НТ8970
Note: ^ Analog ground, Digital ground Рис. 12
