Noise Nugget是一款紧凑型数字合成器，基于180MHz Cortex－M4和带耳机放大器的高品质音频DAC。

我在这个项目中的目标是创造一个音频合成的“瑞士军刀”。 在最小和最便宜的板上包装最大功能。

凭借其所有连接（USB，2 x音频输出，1 x音频输入，I2C，UART，GPIO），它可用于许多不同的任务：

数字合成器，带MIDI接口或其他一些控制手段

吉他踏板或合成器的音频效果（延迟，混响，失真）

音频FX触发板，播放预先录制的声音

音频播放，从输入录制声音，然后按一下按钮即可播放

USB声音接口

硬件设计

硬件设计的主要目标是简单和占用空间小。

该系统的核心显然是STM32F446微控制器。 它基于ARM Cortex－M4内核，浮点单元运行频率为180MHz，还有大量外设。

在STM32F4周围，我们有：

USB micro－B连接器

一个电源稳压器，可从USB连接器的5V提供3．3V电压

用于STM32F4时钟的晶体振荡器

一个用户按钮和一个按钮进入设备固件更新（DFU）模式

用于存储样本数据的闪存

自定义IO

一个调试头

一个耳机插孔

音频数模转换器（DAC）

我本来可以使用STM32F4的DAC，但一方面它们只有12位而16位用于正确的音频DAC，另一方面它需要额外的电路来驱动耳机。 因此，使用SGTL5000可提供更高的音质和简单性。

SGTL5000还有很多IO选项：

耳机输出

线路输出

线路输入

麦克风输入

这意味着不同应用程序有很多选项。

在Noise Nugget的rev－B上，我没有使用麦克风输入。 我认为这是一个错误，因为电路板上有一些用于MEMS麦克风的空间，这将开启更多可能性。 例如实时语音效果或样本录制。

DFU按钮的设计灵感来自Numworks开放式计算器。 如果在插入USB电缆时按下按钮，STM32F4将自动进入DFU模式。 然后，在不使用任何调试探针的情况下安装不同的固件非常容易。

软件设计

Noise Nugget的软件是用Ada编写的。 Ada编程语言都是关于功能安全的，也就是说，检测软件何时没有做到应该做的事情（错误！）。 使用Ada，您可以快速准确地知道出现了什么问题，而不是在缓冲区溢出或未初始化的驱动程序上搔痒几个小时。 这意味着减少调试时间。 由于我没有足够的时间来开发这个软件，因此每分钟都很重要。

该软件最重要的方面是生成音频样本并将其发送到DAC。

样本是16位有符号整数，表示给定时间点的音频信号的值。

DAC配置为每秒44＿100个样本（CD质量）。 如果软件无法以适当的速度传送样本，音频将出现故障（响亮的砰砰声和咔嗒声）。 所以这是系统真正的实时要求。

样本不是一个接一个地发送，而是在512个样本的缓冲区中＊每个样本2个字节＊ 2个通道（立体声），所以2048个字节。 缓冲器B在发送缓冲器A时被填充，反之亦然（触发器缓冲器）。 来自音频输入的样本以类似的方式接收。 缓冲区的传输是通过DMA完成的，因此在该操作期间不使用CPU，这意味着生成样本的时间更长。

为了确保实时要求，我使用了Ada Ravenscar运行时。 您可以将其视为集成在Ada编程语言中的实时操作系统（RTOS）。 如果你想看看它的样子，我写了一篇关于它的博客文章。

系统中有两个任务：

音频任务，它具有最高优先级，因为它负责填充音频缓冲区。 这意味着只要有要填充的音频缓冲区，就会执行此任务。

另一项任务是在轮询循环中处理USB请求。 在将来，这可以移动到并中断处理程序。

在依赖性方面，驱动程序来自Ada＿Drivers＿Library ，这是我几年前开始的一个项目，旨在鼓励在微控制器上使用Ada。 音频合成器基于Raphael Amiard的ada－synth－lib 。

Noise Nugget的未来

我对Noise Nugget的未来有一些想法。 其中之一是拥有一个GUI，让用户可以使用基本模块（如振荡器，滤波器，效果等）构建声音。类似于青少年音频工具，但实时，不需要为用户提供任何代码。 这可以成为一个有趣和多功能的微型合成器。