Audio Board

Ein Projekt, welches Lichter oder sonstige Geräte in Abhängigkeit von einem Audiosignal ansteuern kann. Die ursprüngliche Idee war es eine Matrix aus RGB-LEDs so anzusteuern, dass eine Lichtshow abläuft, welche durch die Frequenz und Geschwindigkeit eines Liedes beeinflusst wird.

Idee

Ich wollte eine Beleuchtung haben, welche je nach Takt bzw. Frequenz einer Melodie ihre Farbe ändert. Es gibt zwar einige Projekte, welche LEDs aufblinken lassen, wenn ein Beat innerhalb eines Frequenzbandes vorliegt (z.B. diese Lichtorgel). Jedoch gibt es kein Projekt, welches komplexere zusammenhänge zwischen Licht und Musik erlaubt und vollkommen autark, ohne z.B. einen PC, arbeitet.

Konzept und Vorüberlegungen

Ein analoges Audiosignal von einem Klinkenstecker wird durch einen Mikrocontroller eingelesen. Die Daten werden ausgewertet und folgende Parameter berechnet: Amplitude, Beats und Intensität verschiedener Frequenzen. Diese Werte werden benutzt, um Farbveränderungen bzw. Animationen auf einer LED-Matrix zu steuern.

In einem ersten Test wurde eine Eingangs- und Filterstufe aufgebaut, welche ein Mono-Audiosignal aufbereitet. Ein atmega328 hat dieses Abgetastet und eine FFT des Signals durchgeführt. Damit wurde eine einzelne RGB-LED angesteuert. Diese hat ihre Farbe in Abhängigkeit der Frequenz geändert. Mit diesem System wurden die Grenzen des 16MHz schnellen atmega328 ausgetestet. Da dieser Controller nut mit 16MHz läuft waren diese Grenzen zwar schnell erreicht, jedoch waren die Ergebnisse schon sehr schön. Das Einlesen der Daten und die FFT wurde 10x pro Sekunde durchgeführt, so dass die resultierenden Daten für eine flüssige Animation gesorgt hat. Für ein Stereo-Signal wären jedoch nur noch 5 Updates der Daten pro Sekunde und Kanal möglich.

Für das fertige System sollte also ein anderer Controller zum einsatz kommen. Die Anforderungen waren: 2 ADC, DMA, auch für Hobby-Bastler leicht zu beschaffen, programmieren und löten. Daher wurde ein atxmega128-A3U gewählt. Dieser ist durch den Bootloader von diesem Projekt einfach zu programmieren, auch ohne Programmiergerät. Vorprogrammierte Controller sind bei ebay durch den Händler matrixprog erhältlich. Durch die Kombination aus 2 unabhängigen ADC und DMA kann ein Stereo-Audiosignal problemlos umgewandelt werden. Es sind genügend Pins und Hardwareresourcen vorhanden, um weitere Geräte, wie z.B. Taster und LCD anzuschliessen. Auch die Audio-Eingangsstufe wurde leicht angepasst.

Hardware

Schematics der momentanen Version

Das Audiosignal wird über einen Stereo-Klinkenstecker in das System eingegeben. Die Audio-Eingangsstufe beinhaltet eine AGC, welche die maximale Amplitude des Signales so begrenzt, dass es einem Überseuern entgegen wirkt. Ausserdem wird ein Bandpass-Filter eingesetzt, welcher alle Signale zwischen ca. 16Hz und 16kHz durchlässt. Der Aufbau der Eingangsstufe orientiert sich an diesem Projekt.

Als Controller wird ein atxmega128A3U eingesetzt. Die Hauptgründe dafür sind, dass er über 2 unabhängige ADC verfügt, damit linker und rechter Kanal gleichzeitig in ein digitales Signal umgewandelt werden kann, und dass DMA vorhanden ist, damit dieses Umwandeln komplett von der Hardware erledigt werden kann. Durch die Pinkompatibilität ist es möglich alle Controller der atxmega A3U Reihe einzusetzten. Je nach Anwendung ist jedoch mindestens der 128A3U anzuraten, da die kleineren Controller über weniger RAM verfügen. Alle nicht benutzten Leitungen sind herausgeführt und können frei verwendet werden.

Die Spannungsversorgung erfolgt entweder über USB oder ein anderes externes 5V Signal. Dieses wird über einen Spannungsregler auf 3,3V heruntergesetzt. Es ist jedoch auch möglich das Board direkt mit 3,3V zu versorgen.

Technische Details und Anmerkungen

• Der Controller arbeitet mit 3,3V, daher niemals mehr an den Signalleitungen anlegen
• Den internen Spannungsregler niemalsmit mehr als 5V betreiben
• Jumper JP1 offen lassen, wenn mit Stereo-Signalen gearbeitet wird. Schliessen, um aus einem Stereo-Signal ein Mono-Signal zu machen
• Benutzte Pins:
  • Port A, Pin 7: Audio Input
  • Port B, Pin 0: Analoge Referenz Spannung
  • Port B, Pin 1: Audio Input
  • Port D, Pin 6 und 7: USB
• Pin Header P17 "Stereo Pot" war vorgesehen, um ein Potentiometer anzuschliessen, damit die Empfindlichkeit der Eingangsstufe eingestellt werden kann. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dieses nicht notwendig ist. An P17 können Pin 1 und 3 bzw. Pin 2 und 4 direkt mit einem 100 Ohm Widerstand verbunden werden. (Wichtig für Nachbau!)
• Taster SW1 ist nicht verbunden. Dieser kann, je nach verwendetem Bootloader oder anderen Ansrpüchen frei benutzt werden