InfraWave 1 - czyli mój opto-theremin

[ethanak]

Jakoś tak przed dwoma miesiącami mój kochany synuś przy okazji wizyty w domu stwierdził, że jest mu niesłychanie potrzebny theremin i to szybko. Jako że oryginalne instrumenty są conieco przydrogie postanowiłem po konsultacji zrobić odpowiednik instrumentu samodzielnie.

Początkowo myślałem, że mam czas do Gwiazdki - okazało się że zamiast dwóch miesięcy mam na zrobienie wszystkiego dwa tygodnie. W tej sytuacji nie było szans na jakąś bardziej skomplikowaną konstrukcję - postanowiłem jak zwykle wykorzystać w większości elementy które miałem w domu i postawić na czysto cyfrową wersję. Z uwagi na krótki termin musiałem pracować praktycznie bez planu, metodą "kolejnych przybliżeń", stąd trochę  nietypowa kolejność prac.

Jako "serce" instrumentu postanowiłem wykorzystać ESP32 (płytka DevKit miała zawiadywać konstruowanym właśnie robotem, który na razie został odłożony na półkę). DAC ze wzmacniaczem został na razie wyjęty z "Ciapka".

Przede wszystkim musiałem sprawdzić, jaki dźwięk mogę uzyskać z tego zestawu. Po prowizorycznym podłączeniu okazało sie, że mój pecet na gnieździe USB ma ok. 4.3 V, a po podłączeniu ośmioomowego głośniczka próba wyemitowania jakiegokolwiek sensownego dźwięku kończy się brownoutem ESP. Cóż - lutownica w dłoń, znalazłem jakieś luźne gniazdko 5.5/2.5, porządny zasilaczyk 5V, diodę dla bezpieczeństwa... no i zagrało. Nawet całkiem nieźle.

Teraz przyszła kolej na sensory. Wypróbowałem kilka różnych, począwszy od zwykłego zestawu dioda/fototranzystor, poprzez HC-SR04, laserowe TOF aż po czujniki odległości Sharpa. O ile lasery sprawdziłyby się pewnie bardzo dobrze - o tyle ESP ma poważne problemy z jednoczesnym generowaniem dźwięku i gadaniem po I2C (niestety, nie doszedłem do tego skąd się tak naprawdę biorą ale nie miałem czasu sprawdzać), pozostałem więc przy Sharpach.

W tym momencie mogłem już założyć, że coś mi wyjdzie. Jeszcze nie bardzo wiedziałem co, ale ważne, aby wyszło - mogłem się więc zająć czymś, co szumnie nazwałem "projektowaniem".

Przede wszystkim, po policzeniu nóżek w ESP32 oraz przejrzeniu zawartości szuflad doszedłem do wniosku, że instrument będzie miał:

• klawiaturę matrycową 4x4 (do czego miałaby służyć miałem wymyślić pisząc program)
• cztery potencjometry regulujące różne ciekawe rzeczy (jakie - to miałem rozstrzygnąć później)
• cztery dodatkowe klawisze (dwa do przełączania oktaw i po jednym do zakresu sensora PITCH i trybu DUAL)
• pięć diod LED sygnalizujących różne mądre rzeczy
• mały wyświetlacz OLED 128 x 64

Dodatkowo docelowo miałem wykorzystać inny przetwornik DAC, ale to już musiałem dodatkowo zamówić; ponieważ ten przetwornik już znałem i miałem go w radyjku internetowym postanowiłem, że zamówię go później (być może coś jeszcze będzie potrzebne), a w razie konieczności (np. skończą sie w magazynie w Botlandzie) jakoś przeżyję jakiś czas bez radyjka. Na szczęście nic to na tym etapie nie zmieniało, więc pozostałem na razie przy podłączonym moim przetworniko-wzmacniaczykiem od Ciapka i głośnikiem (chyba) od jakiegoś taniego gramofonu.

Tak więc pod względem elektroniki całość przedstawiałaby się następująco:

A więc Eagle, projekt, laminat, termotransfer... i tu zonk: moja nowiutka drukarka nie nadaje się do tych celów, a wysłużona Kyocera właśnie się wyprowadziła do nowego właściciela  Nie ma problemu. Telefon do kumpla od frezarki, zrobisz mi... A tak, zrobi. Za dwa tygodnie bo akurat swoją frezarkę przerabia (co u niego jest normalne). Dlatego właśnie na zdjęciu widzimy płytkę uniwersalną.

Wyprzedzę trochę bieg wydarzeń: co prawda sprawę zasilania rozwiązałem na samym końcu (chciałem koniecznie mieć akumulator ale gdyby mi nie starczyło czasu podłączyłbym zwykły zasilacz), ale jako że pokazuję urządzenie praktycznie przed ostatnim zamknięciem obudowy - pokażę również jak mam to zrobione:

Ponieważ zarówno przetwornicę, jak i ładowarkę miałem nie było sensu wysilać się na jakieś poważniejsze rozwiązania. Jeśli ktoś mi podpowie jak to zrobić lepiej (najchętniej bez przełącznika zasilacz/akumulator) będę bardzo wdzięczny.

Skoro sprawę kabelków miałem już rozwiązaną, przyszedł czas na zaprojektowanie jakiejś obudowy. Oczywiście mógłbym całą obudowę wydrukować, ale z uwagi na termin i na to, że pewnie będzie fafnaście poprawek postanowiłem zrobić to inaczej: dolna i górna płyta wycięte ze spienionego PCW 4mm,a wydrukowane tylko ramka i boki. Ponieważ obróbka PCW jest prosta i zajmuje niewiele czasu (w sumie kwestia przycięcia ostrym nożem) mogłem pozwolić sobie na wydrukowanie jedynie szkieletu, mocując doń obie płyty. Powiem szczerze że był to dobry pomysł; co prawda górna płyta wyszła "nieco" krzywo (tak to jest, jak się tnie i wierci w ręku), ale nie traciłem czasu na wielokrotne próby. Dzięki temu jedyne co mnie ograniczało to wielkość stołu mojej Anetki (ramka musiała być wydrukowana w całości). Co prawda ktoś może twierdzić że mógłbym wydrukować jakąś wersję finalną - ale na to naprawdę nie było już czasu (całość skończyłem na kilka godzin przed oddaniem maszynki w ręce użytkownika, w związku z tym nawet drukarka by się nie wyrobiła w czasie).

Wyszło jak wyszło - wygląda to tak:

Z przodu instrument nie wygląda za ciekawie, ale chciałem pozostawić dostęp do przycisków RESET i BOOT na płytce.

I mała dygresja: program pisałem na komputerze z zainstalowanym Ubuntu 18.04, od paru dni robiłem ostatnie poprawki używając lapka z Debianem Stretch. Ta sama wersja Arduino IDE, ta sama wersja definicji ESP32. Na Ubuntu wymagane było wciśnięcie BOOT do zaprogramowania płytki - na Debianie nie trzeba. Ktoś wie może o co chodzi? Bo chciałbym, aby moje Ubuntu zachowywało sie tak samo

I to by było na tyle jeśli chodzi o kabelki, śrubki i plastiki - warto sobie przypomnieć, że cały czas równolegle powstawała część najważniejsza, czyli PROGRAM.

Ponieważ napisanie w ciągu dwóch tygodni od zera programu na płytkę, którą pierwszy raz trzymam w ręku i to z dziedziny, w której akurat mistrzem wcale nie jestem to bardzo ryzykowny pomysł - postanowiłem nie wygłupiać się i użyć sprawdzonych rozwiązań. Jako że grałem kiedyś na małym Moogu (Rouge) naturalne dla mnie było zasymulowanie właśnie analogowego syntezatora.

Program symuluje działanie dwóch generatorów (VCO), z których jeden może być lekko odstrojony. Do wyboru są: sinus, prostokąt, piła oraz sześć dodatkowych fal składanych z 32 harmonicznych oraz szumu. Szum przepuszczany jest przez filtr o częstotliwości środkowej odpowiadającej wysokości dźwięku generatora A. Oba generatory mogą pracować z różnymi kształtami fal, dodatkowo zamiast filtrów VCF zastosowałem podwójne fale: fala pomocnicza miksowana jest z podstawową, a stosunek amplitudy obu fal regulowany jest albo poprzez sensor PITCH (najniższy dźwięk to fala podstawowa, najwyższy to pomocnicza, pośrednie wysokości to odpowiednio zmieszane obie fale) albo przez sensor VOLUME (wtedy do połowy odległości od sensora głosność wzrasta do 100%, w miarę dalszego zbliżania się następuje przejście z fali podstawowej na pomocniczą). Daje to dużo większe możliwości niż klasyczne filtry. Oczywiście - ten tryb (czyli Dual Mode) można wyłączyć - wtedy oba generatory pracują z falą podstawową.

Generatory zrealizowane są poprzez przemiatanie z odpowiednim krokiem tablic fal. Każda z 4 tablic składa się z 4096 próbek float. Początkowo zastosowałem typ double do obliczeń - niestety okazało się, że ESP32 po prostu się nie wyrabia w czasie. Szkoda, bo różnica jest w niektórych przypadkach wyraźnie słyszalna; przy pewnych kształtach fal (szczególnie zawierających wysokie harmoniczne) przy odstrojeniu generatorów powstają artefakty, których nie było w wersji double (prawdopodobnie były, ale poniżej granicy słyszalności).

Zakres instrumentu to 7 oktaw, przy czym sensor PITCH reguluje wysokość w zakresie max. dwóch oktaw, przełącznik OCTAVE UP/DOWN zmienia ton podstawowy. Dodatkowo przełącznik transpozycji pozwala na podniesienie skali od zera do 11 półtonów, a precyzer płynnie dostraja skalę o +/- jeden półton z rozdzielczością 5 centów.

Najwięcej kłopotu sprawiły mi te nieszczęsne Sharpy. Generatory są skonstruowane tak, że wysokość dźwięku jest proporcjonalna do wartości sterującej (korzystam z wstępnie przeliczonych tablic dla interwału 5 centów, czyli praktycznie poza zakresem czułości ludzkiego ucha). Niestety - poziom napięcia na wyjściu czujnika jest proporcjonalny do odwrotności odległości (w pewnych granicach), do tego sygnał jest dość mocno zaszumiony. Okazało się jednak, że zastosowanie filtrów Kalmana poskutkowało praktycznie całkowitym usunięciem szumów, a 12-bitowe przetworniki wejściowe ESP32 pozwoliły mi uzyskać na wejściu wystarczającą rozdzielczość.

Ponieważ zabawa z 32 harmonicznymi przy pomocy 16-klawiszowej klawiatury i zabawkowego OLED-a to absolutnie chybiony pomysł - do ustalania fal służy dość prosta aplikacja napisana w Pythonie. Aplikacja łączy się poprzez port Serial z instrumentem oraz uruchamia serwer HTTP na adresie localhosta. Działa bez problemu na Linuksie (Firefox, Chrome, Chromium), na Windows mogłem sprawdzić tylko Chrome i Edge. O dziwo - Edge poradził sobie prawie bez problemu (prawie robi wielką różnicę - okazało się że do odczytu wartości selecta musiałem użyć jQuery zamiat po prostu selectedIndex), natomiast Chrome nie potrafił nawet wyświetlić prawidłowo interfejsu... który wygląda mniej więcej tak:

Oczywiście - konieczność zastosowania tej aplikacji nie oznacza konieczności ciągania za sobą komputera. Ponieważ użytkownik ma do dyspozycji 9 zestawów po 6 fal w każdym i może zapisać je w pamięci Flash urządzenia - powinno wystarczyć na koncert

Minęło kilka dni... jako że w międzyczasie przyszedł z Botlandu DAC mogłem już zabrać Ciapkowy wzmacniaczyk. Ponieważ ta wersja nie posiada własnego wzmacniacza, a podłączenie jakiegoś prostego odsłuchu bywa konieczne - po prostu podłączyłem tam mały moduł wzmacniacza PAM8403 z potencjometrem (widać go na zdjęciu wnętrza urządzenia). W efekcie tylna ściana instrumentu wygląda tak:

I to by było na tyle...

A nie, wyjaśniam, że:

1. Klawiatura służy do obsługi generatorów (przyciski A i B), zmiany transpozycji (przycisk C) i presetu/zestawu fal (przycisk D)
2. LED-y sygnalizują tryb działania klawiatury (A, B, C i D) oraz włączenie stroju temperowanego
3. Potencjometry regulują odstrojenie generatora B, balans generatorów, precyzyjne strojenie oraz czas portamento
4. Wyświetlacz pokazuje:

• Fale generatora A (podstawowa 1, pomocnicza 2), tryb synchronizacji (LFO), fale generatora B (1 i 2), strój generatora B (Prima)
• Transpozycja (tonacja C, oktawa 2)
• tryb Double Mode (Vl - volume)
• Zakres sensora PITCH (1 oktawa)
• Numer presetu (Pg - zero)
• Numer zestawu fal (W - zero)
• Numer pasma głównego filtra dolnoprzepustowego (F - 8 )

A skąd nazwa InfraWave?

Bo theremin (na falach eteru) produkcji Mooga nazywa się Etherwave, a mój jest a podczerwień Mam nadzieję że Moog nie opatentował jeszcze słowa Wave...

I kilka słów o możliwej przyszłości.

O ile powstanie następna wersja instrumentu (zależnie od zamówienia i widzimisię synka) należałoby poprawić kilka rzeczy. Przede wszystkim - trzeba by było zająć się generatorami. Może udałoby się zmusić je do pracy w arytmetyce double (potrzebne cztery mnożenia i trzy dodawania), a resztę (filtry, szumy itp.) robić na floatach. Prawdopodobnie jest to możliwe - ale na razie nie miałem czasu a eksperymenty.

Ilość przeróżnych manipuladeł jest stanowczo za mała. Bezwzględnie konieczne są potencjometry do regulacji częstotliwości LFO, głośności ogólnej oraz dobroci głównego filtra szumów. Licząc potrzebne klawisze na razie wychodzi mi 22 (mam cztery) i 26 sztuk LED (mam pięć)... Warto by było pozbyć się pecetowej aplikacji - do tego potrzebny jest co najmniej enkoder obrotowy z przyciskiem i większy ekran (jakiś TFT, przynajmniej 320x240 albo i więcej). O ile czujnik Sharpa bardzo dobrze nadaje się na sensor VOLUME, o tyle sensor PITCH mógłby być nieco lepszy. Wymaga trochę eksperymentowania...

Ogólnie jestem otwarty na propozycje - może ktoś ma jakieś lepsze pomysły

Natomiast świetnie się sprawdza DAC od Adafruit, a więcej czasu pomogłoby mi w lepszym opanowaniu ESP32 (to on ma słuchać mnie, a nie ja jego!)

Kody programów w załączniku: infrawave.zip. Nie jest potrzebna żadna dodatkowa biblioteka (drivery wyświetlacza i audio są zawarte w programie).

Jak zwykle pozostaję do dyspozycji w razie pytań.

[FilipK]

Ciekawy pomysł!

 

[SOYER]

@ethanak brawo Ty. Jednak w opisie brakuje mi jednej rzeczy, jak ten Infra gra!!! 

Domagamy się linka do filmu, niech przemówi muzyka, najlepiej niech wykonawcą będzie sam konstruktor tego cuda. Piszę cuda bez przekory, bo od czasu jak dzięki Tobie dowiedziałem się, że jest coś takiego jak theremin, to to urządzenie mnie zachwyca pomysłowością twórcy...

[Chumanista]

@ethanak  Świetnie wyszło, przyłączam się do próśb o demonstrację działania.

Ja bym przy tej złożoności interfejsu pomyślał o przeniesieniu wszystkiego co nie ma być zmieniane na żywo na aplikację na Androida.

No i klawiaturę zrobiłbym na niskich podświetlanych przełącznikach mechanicznych.

W sumie sprawdziłem cenę i może jednak nie xD https://www.aliexpress.com/item/32838369089.html

Edytowano Grudzień 30, 2019 przez Chumanista

[ethanak]

1 godzinę temu, Chumanista napisał:

przyłączam się do próśb o demonstrację działania.

Z tym może być gorzej - instrument miałem w ręku przez dwa dni (trochę poprawek i walka z Windowsowym Edge), skończyłem późnym wieczorem a synek razem z urządzeniem rano wyjechał do siebie na drugi koniec Polski. W dodatku (obaj byliśmy na "gruncie neutralnym" czyli na święta u moich rodziców) żaden z nas nie wziął kabla jack, a nagrywanie tego na mikrofoniku komórki i patefonowym głośniczku odsłuchowym mijałoby się z celem.

Mogę zasymulować dźwięk theremina (tzn. użyć dokładnie tego samego kodu części audio i nagrać jakiegoś wava albo mida), ale znowu jest problem: nie mogę na forum wrzucić mida, wav tym bardziej, pakowanie tego w jakieś zipy mija się z celem (brak możliwości bezpośredniego odtworzenia), linki do zewnętrznych serwerów są niemile widziane, a na youtubie samego dźwięku nie wrzucę Jak podpowiecie co mam zrobić to zrobię.

1 godzinę temu, Chumanista napisał:

Ja bym przy tej złożoności interfejsu pomyślał o przeniesieniu wszystkiego co nie ma być zmieniane na żywo na aplikację na Androida.

Najgorsza możliwość. Przede wszystkim: w studio zawsze jakiś kawałek komputera się znajdzie, telefony są niemile widziane. W dodatku ograniczałoby to możliwość do jednego OS-a (a co z iOS-em?) podczas gdy pythonowa aplikacja pójdzie na Windowsie, Macu, Linuksie, BSD, pewnie również na jakimś Solarisie. Druga sprawa: czy to aby na pewno wygodne? To już lepiej by było odpalić serwer HTTP na ESP32 (gdyby nie to, że WiFi/BT plus rdzeń 0 zajęty non-stop w prawie 100% to nie jest pomysł na sprawnie działającą aplikację na ESP32).

Poza tym wolałbym w ogóle uniezależnić instrument od jakichkolwiek zewnętrznych aplikacji, nawet jeśli miałbym do środka wsadzić drugi procek tylko do obsługi wyświetlacza i ustawiania fal.

Zresztą spójrz na jakikolwiek analogowy syntezator - mnóstwo gałek, przełączników, wajch i innych kółek i do tego doczepiona mała klawiaturka

1 godzinę temu, Chumanista napisał:

No i klawiaturę zrobiłbym na niskich podświetlanych przełącznikach mechanicznych.

Nie tyle klawiaturę (tę matrycową) a przyciski do operowania instrumentem. Coś podobnego do klawiszy w droższych magnetofonach z końca poprzedniego tysiąclecia (bardzo wygodne, płaskie i estetyczne, z reguły zapis był podświetlany) albo w mikserach (kolorowe, podświetlane, również płaskie i łatwo trafić nawet w złych warunkach oświetleniowych). Nawet sobie zacząłem coś takiego projektować na wszelki wypadek

(to jest sama klawiaturka pod spodem zwykłe mikroswitche i ledy, na klawisze kolorowe nakładki)

[felirobo]

Bardzo fajny pomysł. wcześniej nawet nie wiedziałem że jest coś takiego jak theremin

Sam bym pomyślał że zrobić coś takiego w domu jest NIEMOŻLIWE! A tu proszę! 

 

jescze raz - świetne!

Edytowano Kwiecień 28, 2020 przez felirobo

[MKJB]

Jak to jest projekt na szybko to strach się bać jak wyglądają Twoje projekty na wolno...

Audio jest skrajnie trudne bo każdy błąd, potknięcie, detal słychać...

"w ogóle uniezależnić instrument od jakichkolwiek zewnętrznych aplikacji" - bardzo PRO podejście, tak trzymać!