【脑洞大赛】Sparrow 开发板化身电脑音量调节器 [已更新] DF创客社区

pATAq 发表于 2019-7-2 21:24:25

【脑洞大赛】Sparrow 开发板化身电脑音量调节器 [已更新]

# 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 (https://www.dfrobot.com.cn/goods-1929.html)（以下称S板）， [产品页面](https://www.dfrobot.com.cn/goods-1927.html)，(https://wiki.dfrobot.com.cn/index.php?title=(SKU:DFR0589)Sparrow_%E5%BE%AE%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8)。
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：
![](https://mc.dfrobot.com.cn/data/at ... g4c1r74frdd973g.png)
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》](https://www.arduino.cn/thread-42417-1-1.html)，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
!
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
!(https://mc.dfrobot.com.cn/data/at ... zxxfwacif5gi4i2.png)
1. [官方wiki介绍](https://wiki.dfrobot.com.cn/index.php?title=(SKU:DFR0589)Sparrow_%E5%BE%AE%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8)
2. 参考官方`电位器读取`例程，发现不对，找到[原理图](https://www.dfrobot.com.cn/images ... 104172324xdtx59.pdf)，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](https://www.dfrobot.com.cn/images ... 104172504qazc7x.zip)
!(https://mc.dfrobot.com.cn/data/at ... 2gc5c9ucu7crm79.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

!(https://mc.dfrobot.com.cn/data/at ... jg2gwzplgy2pdyj.png)
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(https://www.instructables.com/id/USB-Volume-Control/)，顺蔓摸瓜找到这个(https://learn.adafruit.com/trinket-usb-volume-knob/overview)，研究一下。
* 主控板使用Adafruit开发的 (https://www.adafruit.com/product/1500)，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(https://github.com/adafruit/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(https://github.com/NicoHood)，此外还看到了大佬的IR库：[IRLremote
](https://github.com/NicoHood/IRLremote), `This library is way more efficient than the "standard" IR library from Ken Shirriff.`
我们这里用到(https://github.com/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。
!(https://mc.dfrobot.com.cn/data/at ... wksfwkhnthtrntf.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：

```c
/*
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。
!(https://i.loli.net/2019/07/16/5d2deafa6011649711.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：
![](https://ws.dfrobot.com.cn/FrBThtZGs3UF-ibvcsRMWJt1Eu2X)
编码器：
![](https://ws.dfrobot.com.cn/Fh12o50HHBALl32Xk_h1rmRX-mmZ)

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](https://www.elecfans.com/d/799722.html)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》](https://study.163.com/course/courseMain.htm?courseId=600002)，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(https://github.com/NicoHood/HID/wiki/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(https://github.com/NicoHood/HID/wiki/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：
* https://www.usb.org/sites/default/files/documents/hid1_11.pdf
* https://www.usb.org/sites/default/files/documents/hut1_12v2.pdf
第2个是具体实现，可以看到0x1c是consumer。

下面思考的内容：
* 需要用到(https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/math/map/)，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](https://www.instructables.com/id ... otentiometer-Based/)的代码进行修改。
```c
#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：
!(https://mc.dfrobot.com.cn/data/at ... v84s9skkzkkvd40.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
* 录制软件：(https://github.com/NickeManarin/ScreenToGif/) | 开源免费，功能强大
* 音量控制：(https://github.com/File-New-Project/EarTrumpet) | 开源免费，[介绍页面](https://www.appinn.com/eartrumpet-for-windows/)

### 更进一步
* **更多功能键**
我们[从这里](https://github.com/NicoHood/HID/ ... -APIs/ConsumerAPI.h)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
* (https://cal-eng.com/?page_id=579)
* (https://www.arduino.cc/reference ... tions/usb/keyboard/)
* (https://github.com/NicoHood/Nico ... ega-and-HID-Project)
* (https://www.arduino.cn/thread-5107-1-1.html)

ASH腻 发表于 2019-7-5 10:09:28

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gada888 发表于 2019-7-6 10:03:10

鼓励一下

pATAq 发表于 2019-7-16 23:29:47

ASH腻发表于 2019-7-5 10:09
啥时候fill

已经更新啦！
@ASH腻

pATAq 发表于 2019-7-16 23:30:10

gada888 发表于 2019-7-6 10:03
鼓励一下

感谢支持

pATAq 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

#嘉诚欧巴# 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~~{:5_155:}

江宇瀚 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----

牛

韩俊发表于 2019-8-1 13:23:05

鼓励一下

汤果发表于 2019-8-13 16:39:14

果然 Geek 的世界就是不一样！

URvj0KkE 发表于 2019-9-6 21:18:15

加油。

岑剑伟 发表于 2019-9-9 15:07:31

发现了一个精彩的世界

岑剑伟 发表于 2019-9-9 15:07:45

为什么我现在才来呢

岑剑伟 发表于 2019-9-9 15:08:39

膜拜大神的动手能力

EmSECpn6 发表于 2019-9-15 17:23:19

jzzgb 发表于 2019-11-1 15:54:27

这创意很棒。

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