树莓派Zero W添加音频输出
编译：陈拓 chentuo@ms.xab.ac.cn 2018.06.07/2018.07.14
原文：Adding Basic Audio Ouput to Raspberry Pi Zero
https://learn.adafruit.com/adding-basic-audio-ouput-to-raspberry-pi-zero
0. 概述
为了保持树莓派Zero W低成本和尽可能小，Pi Zero W不包括3.5mm音频插座。也没有音频输出端子。下面我们为Pi Zero W添加基本的音频输出。
1. 原理
在其他的树莓派上音频是怎样工作的呢？用于PI的Broadcom芯片组没有真正的模拟输出。作为替代，用两个PWM引脚（脉宽调制）以非常高的速度工作，并且有滤波。PWM频率至少10倍于我们想要重现的音频最高频率。然后，通过调整PWM的占空比，我们就可以“伪造”音频信号。
音频是20Hz到20kHz，从PI输出的PWM是50MHz，所以我们可以很容易地过滤高50MHz输出（无论如何都听不到）。
看其他树莓派音频输出示意图，我们可以看到PWM0OUT和PWM1OUT是左右通道。R21和R20是分压器，使3.3V信号下降到约1.1V MAX（这是音频线路电平所需的最大峰值到峰值电压）。
C20/C26与R21/R27一起工作，产生一个“RC低通滤波器”。你可以用1/(2*pi*RC) = 1/(2*pi*270*33*10-9) = 17865 Hz计算截止频率，这非常接近20kHz。
C48／C34作为直流滤波电容器，它只允许交流通过扬声器和耳机。
BAV99 是ESD保护二极管。保护树莓派防止来自PWM引脚的静电。
2. Pi Zero W音频
[https://learn.adafruit.com/adding-basic-audio-ouput-to-raspberry-pi-zero/pi-zero-pwm-audio]
2.1 BCM2835 GPIO功能
在PI Zero W的PCB板上，没有引出PIN PWM0（引脚#40）和PWM1（引脚#45）。但是可以通过GPIO#18(ALT5)访问PWM0，通过GPIO#13(ALT0)或GPIO#19(ALT5)访问PWM1，请参阅下面的引脚和备用功能的完整列表：https://elinux.org/RPi_BCM2835_GPIOs
BCM2835 GPIO功能
GPIO ALT就像单片机的引脚复用。
2.2 在PI Zero W上实现PWM
- 用ssh登录到命令行控制台。
用putty连接电脑和Pi Zero W，看本文最后的参考文档。Host Name填raspberrypi.local，端口22，用户名pi，密码raspberry。
注意：boot分区有一个名为ssh的空文本文件，这个ssh文件容易丢失，如果ssh不能登录了，先检查ssh是否丢失。
- 设置引脚和PWM的方法
有两种选择，简单的方法是使用DTO来设置所有引脚和PWM，但是，我们还没有测试过。另一种方法是手动设置引脚GPIO alt功能,我们已经测试过了，但难度更大！
选择1. 使用设备树覆盖（Device Tree Overlay – DTO）
有两个建议的DTO选项，第一个使用了最近加入的DTO：
1) 有一种简单的方法来配置PWM音频的PI GPIO引脚。只需将以下行添加到/boot/config.txt，即可在引导是重新配置引脚，无需任何外部软件或服务：
dtoverlay=pwm-2chan,pin=18,func=2,pin2=13,func2=4
将左通道映射到引脚33（BCM = 13），将右通道映射到引脚12（BCM = 18）。
我们先用这个方法试试：
命令: sudo nano /boot/config.txt
输入后，使用组合键“Ctrl + X”，然后输入“Y”，回车保存修改。
设置好/boot/config.txt以后，跳转到2.3 低通滤波器接线。
2) 或者，你可以制作自己的DTO，参考下面的文章
嗨，使用dtoValay，我让PWM音频工作在我的pi-zero上：
https://hackaday.io/project/9467-pigrrl-zero/log/35090-pi-zero-pwm-audio-device-tree-overlay
无论哪种方式使用DTO，下一步就是低通滤波器（看本文后面）：[https://learn.adafruit.com/adding-basic-audio-ouput-to-raspberry-pi-zero/pi-zero-pwm-audio#low-pass-filter-wiring]
选择2. 手动分配PWM引脚
如果您想设置单独的引脚和用途，则可以手动设置引脚功能。
- 恢复做选择1时修改的/boot/config.txt
pi@raspberrypi:~ $ sudo nano /boot/config.txt
- 重新启动Pi Zero W
pi@raspberrypi:~ $ sudo shutdown -h now
等待电源指示灯熄灭后，关闭电源
重新上电，登录ssh。
- 使用wiringpi的GPIO实用工具
在我们开始之前，先使用wiringpi的GPIO实用工具列出所有GPIO引脚和它们的当前功能/替代设置，请看: http://wiringpi.com/download-and-install/
上的文章：Wiring Pi -GPIO Interface library for the Raspberry Pi。
下载和安装Wiring Pi请看我的《树莓派ZeroW的GPIO控制》一文。
读取所有引脚的状态
pi@raspberrypi:~ $ gpio readall
这两个引脚的MODE类型为IN – 这意味着它们只是简单的输入。
- 下载更改GPIO ALT的工具
我们可以在Pi论坛中使用TimG的一个非常方便的工具来手动调整GPIO ALT(https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?f=44&t=39138)。下载地址：https://learn.adafruit.com/pages/6577/elements/1960154/download
以下是完整的代码：
/*
Utility to switch Raspberry-Pi GPIO pin functions
Tim Giles 01/04/2013
Usage:
$ gpio_alt -p PIN_NUMBER -f ALT_NUMBER
Based on RPi code from Dom and Gert, 15-Feb-2013, <http://elinux.org/RPi_Low-level_peripherals#C_2>
and Gnu getopt() example <http://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/Example-of-Getopt.html#Example-of-Getopt>
*/
#include <ctype.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#define BCM2708_PERI_BASE 0x20000000
#define GPIO_BASE (BCM2708_PERI_BASE + 0x200000) /* GPIO controller */
#define PAGE_SIZE (4*1024)
#define BLOCK_SIZE (4*1024)
int mem_fd;
void *gpio_map;
volatile unsigned *gpio;
void setup_io();
// GPIO setup macros. Always use INP_GPIO(x) before using OUT_GPIO(x) or SET_GPIO_ALT(x,y)
#define INP_GPIO(g) *(gpio+((g)/10)) &= ~(7<<(((g)%10)*3))
#define OUT_GPIO(g) *(gpio+((g)/10)) |= (1<<(((g)%10)*3))
#define SET_GPIO_ALT(g,a) *(gpio+(((g)/10))) |= (((a)<=3?(a)+4:(a)==4?3:2)<<(((g)%10)*3))
#define GPIO_SET *(gpio+7) // sets bits which are 1 ignores bits which are 0
#define GPIO_CLR *(gpio+10) // clears bits which are 1 ignores bits which are 0
int main (int argc, char **argv) {
int opt, flag, n_pin, n_alt;
flag=0;
while ((opt = getopt (argc, argv, “hp:f:”)) != -1) {
switch (opt) {
case \’h\’:
break;
case \’p\’:
n_pin = atoi(optarg); flag |= 0b0001; break;
case \’f\’:
n_alt = atoi(optarg); flag |= 0b0010; break;
case \’?\’:
// getopt() prints error messages, so don\’t need to repeat them here
return 1;
default:
abort ();
}
}
if (flag != 0b0011) {
fprintf (stderr, “Usage:\n$ gpio_alt -p PIN_NUM -f FUNC_NUM\n”);
return 1;
}
setup_io(); // Set up gpi pointer for direct register access
INP_GPIO(n_pin); // Always use INP_GPIO(x) before using SET_GPIO_ALT(x,y)
SET_GPIO_ALT(n_pin, n_alt);
printf(“Set pin %i to alternative-function %i\n”, n_pin, n_alt);
return 0;
}
void setup_io() {
/* open /dev/mem */
if ((mem_fd = open(“/dev/mem”, O_RDWR|O_SYNC) ) < 0) {
printf(“can\’t open /dev/mem \n”);
exit(-1);
}
/* mmap GPIO */
gpio_map = mmap(
NULL, //Any adddress in our space will do
BLOCK_SIZE, //Map length
PROT_READ|PROT_WRITE,// Enable reading & writting to mapped memory
MAP_SHARED, //Shared with other processes
mem_fd, //File to map
GPIO_BASE //Offset to GPIO peripheral
);
close(mem_fd); //No need to keep mem_fd open after mmap
if (gpio_map == MAP_FAILED) {
printf(“mmap error %d\n”, (int)gpio_map);//errno also set!
exit(-1);
}
// Always use volatile pointer!
gpio = (volatile unsigned *)gpio_map;
}
在Pi ZeroW上，创建一个新文件并进行编辑（不管在什么目录）：
pi@raspberrypi:~ $ nano gpio_alt.c
然后粘贴上面的整个代码。保存…
- 编译并安装
编译
pi@raspberrypi:~ $ gcc -o gpio_alt gpio_alt.c
改变所有者
pi@raspberrypi:~ $ sudo chown root:root gpio_alt
给gpio_alt以suid权限，可以像root用户一样操作
pi@raspberrypi:~ $ sudo chmod u+s gpio_alt
将gpio_alt移动到/usr/local/bin/
pi@raspberrypi:~ $ sudo mv gpio_alt /usr/local/bin/
- 现在你可以设置两个GPIO 的ALT功能了！
pi@raspberrypi:~ $ gpio_alt -p 13 -f 0
pi@raspberrypi:~ $ gpio_alt -p 18 -f 5
现在回到wiringPi检查我们是否做到了！
pi@raspberrypi:~ $ gpio readall
你可以看到新的ALT设置。当然，用选择1，设置/boot/config.txt的方法也可以看到这张图，殊途同归嘛。
2.3 低通滤波器接线
现在按照第1节的电路原理图，将低通滤波电路连接到GPIO＃13和GPIO＃18上，作为PWM1和PWM0。4个二极管可以忽略，跳过二极管。元件的参数不用太严格。
不必做的这么正规，我利用手头的元件，用用洞洞板焊了一个低通滤波器，用起来挺好。看，就是这个：
3.5mm音频插座，左右声道和地接线。
用杜邦线和Pi Zero W连接起来，插上耳机：
2.4 设置音频输出
你还需要设置Pi Zero W，这样音频才会通过“耳机插孔”（PWM输出）流出，而不是HDMI。从控制台运行：
pi@raspberrypi:~ $ sudo raspi-config
转到Advanced Options
然后是音频
强制3.5mm耳机
选择OK，回车，然后Finish退出。这个过程你只需要做一次。
2.5 测试
你现在可以播放音频了！要重新启动一下Pi Zero W，注意，不要用reboot命令重启，容易丢失ssh文件！
关机：
- pi@raspberrypi:~ $ sudo shutdown -h now
- 等待电源指示灯熄灭后，关闭电源
插入有源扬声器或耳机，重新上电，登录ssh。
我们将使用内置的aplay音频播放器播放内置的音频文件。运行：
pi@raspberrypi:~ $ aplay /usr/share/sounds/alsa/Front_Center.wav
你听到声音了吗，音质还不错哦。
2.6 调整音量
你可能会注意到一点点嗡嗡声，或者可能只是声音不大。要获得最佳音质，你需要调节音频电平。你可以用alsamixer或amixer调节音量，但我认为alsamixer更容易。
运行pi@raspberrypi:~ $ alsamixer
在终端上，音量是用ascii字符排列的图像界面来表现的，用4个方向箭头键调节，点击Esc保存并退出。
现在我们再回过头去试试第二种方法，虽然有点麻烦，但是对于机制的理解更好。
3. 自动化
如果你希望在启动时自动设置alt，我可以这样做。
- 首先创建一个shell脚本pwmaudio.sh
pi@raspberrypi:~ $ sudo nano /root/pwmaudio.sh
内容：
#!/bin/bash
/usr/local/bin/gpio_alt -p 13 -f 0
/usr/local/bin/gpio_alt -p 18 -f 5
- 修改权限
运行：
pi@raspberrypi:~ $ sudo chmod +x /root/pwmaudio.sh
- 创建另一个脚本pwmaudio.service
sudo nano /lib/systemd/system/pwmaudio.service
内容：
[Unit]
Description=PWM Audio Service
[Service]
ExecStart=/root/pwmaudio.sh
StandardOutput=null
[Install]
WantedBy=multi-user.target
Alias=pwmaudio.service
保存文件。
- 启用该服务enable
pi@raspberrypi:~ $ sudo systemctl enable pwmaudio.service
- 启动该服务start
pi@raspberrypi:~ $ sudo systemctl start pwmaudio.service
- 重新启动pi
注意：慎用sudo reboot，容易丢失文件，ssh文件很容易丢失。
pi@raspberrypi:~ $ sudo shutdown -h now
等待电源指示灯熄灭后，重新上电。
- 测试
重新登录。运行gpio readall命令来验证是否已设置了alts
成功！
参考文档
- 树莓派介绍
- 电脑连接树莓派PiZeroW
- 树莓派ZeroW的GPIO控制
- 树莓派 Zero W+温度传感器DS18B20
- Adding Basic Audio Ouput to Raspberry Pi Zero
https://learn.adafruit.com/adding-basic-audio-ouput-to-raspberry-pi-zero