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[2019参赛作品] 【脑洞大赛】Sparrow 开发板化身电脑音量调节器 [已更新]

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Sparrow

前言

原创文章,转载引用务必注明链接,水平有限,如有疏漏,欢迎指正。
之前的新浪不能用啦,这次部分图片用的sm.ms的图床,加载慢,请耐心,准备换图床。  

1、开箱简介

来填坑了!这次是 Sparrow 可穿戴微控制器(以下称S板), 产品页面wiki页面
S板主控芯片使用的是与Arduino Leonardo相同的ATmega32u4主芯片,那么它和经典爆款Arduino UNO使用的ATmega328主芯片的有何不同呢?我们来瞅一瞅:

这只是官方提供的介绍,真正应用上的区别,可以参考这篇文章《Arduino各开发板的比较》,综合可知Leonardo的优劣势:

  • 优点: Leonardo与所有先前的板子不同之处在于ATmega32u4具有内置的USB通讯,无需使用类似UNO上的16u2辅助处理器。这允许Leonardo作为鼠标和键盘出现在连接的计算机上,以及虚拟(CDC)串口或 COM端口。
  • 缺点: 编译原理和其他arrduino的avr主控不太一样,深层开发有些麻烦。

    UNO 是使用额外的16u2芯片来实现USB 串口功能的,就是板子上那块小芯片,注意它也是可编程的,相信有很多玩家改造过了。

1.1 硬件规格

800px-DFR0589_Overview_Front
如图所示,一眼望去,供电途径很多样,板子很小,有硬件输出(四枚LED+BUILTIN LED),硬件输入(Potentiometer),感觉怪怪的,好像都不是传统的输入输出手段,可能镊子也挺好用的吧。

1.2 引脚定义与注意点

pinout.png

  1. 官方wiki介绍
  2. 参考官方电位器读取例程,发现不对,找到原理图,最后确定如下:
    • 电位器接在A2
    • BulitIn LED接在D13引脚,板上丝印是D8,D代表二极管,可以看出这整体是有点混乱的,希望后续可以改进。
    • LED灯带接在D10引脚
    • 自锁开关单纯用于控制供电(microUSB除外),没有接到MCU上,所以无法作为输入;红绿led用于显示锂电池充电情况。
    • microusb有串口调试功能

1.3 出厂程序

下载地址
led.jpg
需要安装Adafruit NeoPixel库,效果就是拨动电位器,四颗灯珠颜色逐渐变化。默认亮度着实瞎眼,另外大家能告诉我为啥子是菱形发散的光,摄像头(iphone6)问题?通过第1个示例可知电位器输出0-1023。

题外话:为啥胃酸是盐酸,而不是硫酸、醋酸啊什么的。

1.4 尚能饭否?

Arduino Leonardo,发布去今有好多年了,彼时物联网概念并不热门,但是随着ESP8266的出现,无线能力几乎成了标配,现在出这么一款产品,无疑限制了它的应用范围。
此外,对于S板有以下建议:

  • 电池接口:我感觉用的多的是PH2.0接口,比如DF商城的锂电池、micro:bit等,默认焊接2.54的有点难受
  • 板载一个按钮作为输入手段是否更好
  • 丝印有待改进

power
另外看到注意事项关于电源的内容有很多,这个能否傻瓜一点,我这种小白记不住boom了咋办。
那么,Sparrow究竟如何呢?我们接着往下看。

2、开展便民服务

2.1 项目设想

最近配了一台台式机(见前文),没有之前Thinkpad笔记本电脑的物理音量调节按钮,就想自己搞一个,于是看着手头的Sparrow,计上心头。
S板主要有两点优势:

  1. 32u4内置USB通讯,适合模拟HID (Human Interface Device)设备
  2. S板上有个电位器角度传感器,是不是很像音量调节旋钮?

原理是这么回事:现在常用的键盘属于HID设备的一种,而很多键盘上都有多媒体键,可以方便地调节音量、打开执行程序甚至自定义功能,我们利用S板模拟出键盘上的多媒体按键即可。看起来比较简单,下面动手看看如何实现。大致拆分了一下,流程拢共分两步:一是模拟成键盘;二是使用电位器调节音量。

2.2 环境需求

  • 软件:Arduino IDE
  • 硬件:MicroUSB Cable,Builtin Potentiometer

哇,引脚都不用焊接!

2.3 项目实施——轮子的救赎

既往没做过,先找块石头摸着过河,看看有没有人做过类似的,放狗(Google)一搜,看到这个USB Volume Control,顺蔓摸瓜找到这个Trinket USB Volume Knob,研究一下。

  • 主控板使用Adafruit开发的 Trinket,采用ATtiny85主控芯片,额,没事,程序代码可以参考思路
  • 使用Arduino编程语言,借助Adafruit-Trinket-USB库,可能需要移植或者更换

2.3.1 第一部分:模拟HID

理论基础有了,我们说干就干,但是AdaFruit 的Trinket还是存在一些不同,我们直接在Arduino IDE里面搜索看看有木有现成的轮子可用,关键词HID,然后发现了这位大佬NicoHood,此外还看到了大佬的IR库:IRLremote
, This library is way more efficient than the "standard" IR library from Ken Shirriff.
我们这里用到NicoHood/HID库,直接在IDE里面的包管理工具安装即可,话说新版的IDE好像下载东西不用挂代理了。
lib.png
下面实现一个简单的Demo:按下按钮,使电脑切换静音。代码如下:

/*
  Copyright (c) 2014-2015 NicoHood
  See the readme for credit to other people.

  Consumer example
  Press a button to play/pause music player

  You may also use SingleConsumer to use a single report.

  See HID Project documentation for more Consumer keys.
  https://github.com/NicoHood/HID/wiki/Consumer-API
*/

#include "HID-Project.h"

const int pinLed = LED_BUILTIN;
const int pinButton = 9;

void setup() {
  pinMode(pinLed, OUTPUT);
  pinMode(pinButton, INPUT_PULLUP);

  // Sends a clean report to the host. This is important on any Arduino type.
  Consumer.begin();
}

void loop() {
  if (!digitalRead(pinButton)) {
    digitalWrite(pinLed, HIGH);

    // See HID Project documentation for more Consumer keys
    Consumer.write(MEDIA_VOLUME_MUTE);

    // Simple debounce
    delay(300);
    digitalWrite(pinLed, LOW);
  }
}

这里修改自官方例程Consumer,我这里没有按钮,就直接用镊子了,最终效果就是将Sparrow通过MicroUSB线插到电脑上,短接D9和GND(相当于按下了按钮),然后在板上D8上的Builtin灯会闪一下(发白光),电脑就静音啦,再短接一次就会取消静音,如此反复。
btn.jpg
由此第一步就完事了。再来看看第二步,参考下Adafruit的教程,虽然不一样但是思路总能参考吧!但是!结果!发现越发看不懂了,我们的电位器没有ABC脚!大费周章,茅塞顿开,恍然大悟,Encoder编码器和Potentiometer电位器不一样!

电位器和编码器的区别

上文的Adafruit教程原本以为可以参考一下思路,然后发现我这里是电位器(Potentiometer,模拟信号),原文是旋转编码器(Rotary Encoder,数字信号),虽然外观上相似,但本质不同:
电位器:

编码器:

两者的辨别:

电位器与编码器,有着本质的区别,最直接的分辨方法就是:旋转一下,要是旋转角度不足一圈的是电位器,要是可以360度无限旋转的是编码器。

有兴趣可以看这篇电位器和编码器的区别文章,具体还可以移步杜洋的免费公开课《工欲善其事——电子技术探索与教学》,里面有讲解有拆解。

2.3.2 第二部分:旋钮调节音量

首先摸摸情况,夯实基础。我们手头有这些线索:

  1. 电位器输出模拟值,范围0-1024,windows系统的音量控制范围是0-100(应该是百分比)。
  2. 每次按下音量UP/DOWN按钮系统音量变动步进为2。我们参考Consumer API,只有简单的步进。而且我手动测试发现步进为2,即每次按下按钮增加2,这和电脑上的多媒体键一样的,这是在哪定义的呢?我们看看API Documentation,大佬就是大佬,这里找到usb协会的定义。原页面的链接地址失效了,新的是:

下面思考的内容:

  • 需要用到map函数,角度0~270° -> 0-1023 -> 0-100。
    • PLAN A:电位器最大范围和音量范围对应满程,避免出现电位器到底了音量没到底。这就需要接上的时候根据电位器位置初始化音量,模拟按下指定次数。
    • PLAN B:电位器不精确对应音量,仅仅是有调整音量大小的作用。需要电位器范围尽量大于音量范围,2倍?但是此方案无论如何都会出现问题。
  • 能不能实现鼠标即点即改到目标音量?试了一下笔记本上的音量控制键,一次仅增加一点,长按快速按步进增加。也就是UP/DOWN按键没这功能。
  • 另外按键模拟有usb、ps/2接口,后者无论何时都有用,前者是usb hid模拟?bios有用,与系统无关。16进制代码。
  • 看了hut1_12v2.pdf的130页,发现音量控制有两种方案,一是+/-按钮,二是Knob,也就是旋钮式控制。参考Ada的我们再瞅瞅。旋钮仅仅能转270°?不过我们看到的是df有300°,360°和3600°的。大致看了下,S板上的电位器角度传感器大概就是270度。

那么用电位器就不行了吗,当然不是,只是逻辑上有区别,我们参考这个项目的代码进行修改。

#include <HID-Project.h>                    //include HID_Project library
#include <HID-Settings.h>

#define REVERSED false                      //if your controller is reversed change it to true

int val = 0;
int previousval = 0;
int val2 = 0;

void setup() {
  Consumer.begin();                         //initialize computer connection
  delay(1000);                              //wait for computer to connect
  for(int a = 0; a < 52; a++) {
    Consumer.write(MEDIA_VOLUME_DOWN);      //set the volume to 0
    delay(2);
  }
}

void loop() {
  val = analogRead(2);                      //read potentiometer value
  val = map(val, 0, 1023, 0, 101);          //map it to 102 steps
  if(REVERSED) {
    val = 101 - val;
  }
  if(abs(val - previousval) > 1) {          //check if potentiometer value has changed
    previousval = val;
    val /= 2;                               //divide it by 2 to get 51 steps
    while(val2 < val) {
      Consumer.write(MEDIA_VOLUME_UP);      //turn volume up to appropiate level
      val2++;
      delay(2);
    }
    while(val2 > val) {
      Consumer.write(MEDIA_VOLUME_DOWN);    //turn volume down to appropiate level
      val2--;
      delay(2);
    }
  }
  delay(301);                               //wait at least 300ms between changing volume levels
}                                           //if it will change faster Windows can sometimes 
                                            //increase or decrease volume by 10 steps at once

简单的代码要点介绍:

  • 判断电位器正接反接(reversed),这里S板的电位器是固定的,我们不用管
  • 初始化,将音量调到0,再增大到电位器目前所在位置音量,这样才可以完整用到电位器全程。前面介绍过,每次up/down的音量步进为2,所以最多51次降到0,实测降到0后继续down无影响。
  • 检测电位器值变化,每次间隔300ms+,否则可能一次变动步进为10。

效果演示及注意:
demo.gif

  • 可以看到接上S板之后系统响了一下识别音(current 45)->系统音量降到0->增大到电位器目前位置对应音量(46)->开始拨动电位器调整音量,最小步进2。
  • 由于板载电位器最大角度270°,加上阻尼小,所以拨动有点快,对于我这种强迫症不到整数不舒服的实在不友好,以后可以使用角度比较大的电位器,或者干脆使用旋转编码器。

这里使用以下软件

更进一步

  • 更多功能键
    我们从这里可以看到其他功能按键的定义,对源码稍加改动就可以做一个自定义的专属键盘了。
  • 其他用法
    BadUSB之类的,有兴趣的自己搜搜。
  • USB协议分析软件
    Bus Hound/USBlyzer/USBTrace等,不过都收费,而且有段时间没更新了。

后记

这里实现了一个小功能,后续再把其他做的东西整理分享出来,此外micro:bit的东西也拖了好久了。

Reference

ASH腻  管理员

发表于 2019-7-5 10:09:28

啥时候fill-----前排发广告----
截图201907171649227636.png
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gada888  版主

发表于 2019-7-6 10:03:10

鼓励一下
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pATAq  版主
 楼主|

发表于 2019-7-16 23:29:47


已经更新啦!
@ASH腻
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pATAq  版主
 楼主|

发表于 2019-7-16 23:30:10


感谢支持
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pATAq  版主
 楼主|

发表于 2019-7-16 23:31:20

本帖最后由 pATAq 于 2019-7-16 23:44 编辑

顺便 @KIKIYA
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#嘉诚欧巴#  中级技师

发表于 2019-7-17 20:38:53

也有想法用Leonardo做个电脑输入设备,你这个调音量物理按键角度不错!!支持一波~~
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江宇瀚  见习技师 来自手机

发表于 2019-7-26 17:41:37

ASH腻 发表于 2019-7-5 10:09
啥时候fill-----前排发广告----


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韩俊  见习技师

发表于 2019-8-1 13:23:05

鼓励一下
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汤果  初级技匠

发表于 2019-8-13 16:39:14

果然 Geek 的世界就是不一样!
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URvj0KkE  见习技师

发表于 2019-9-6 21:18:15

加油。
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岑剑伟  见习技师

发表于 2019-9-9 15:07:31

发现了一个精彩的世界
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岑剑伟  见习技师

发表于 2019-9-9 15:07:45

为什么我现在才来呢
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岑剑伟  见习技师

发表于 2019-9-9 15:08:39

膜拜大神的动手能力
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EmSECpn6  见习技师

发表于 2019-9-15 17:23:19

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