Hi-Fi аудиоплеер на базе миникомпьютера «Raspberry Pi». Часть 5, заключительная

Всем привет. Эта не последняя статья о моем аудиоплеере. Время разработки составило четыре года, и мне кажется, что это не конец, я его не закончу никогда. Все равно будут модернизации, обновления ПО и прочее. Кто знает, может, и вторая версия.

Плеер одномодульный, с пассивным, естественным охлаждением. На борту мини-компьютер, жесткий диск, дисплей, цап, регулятор громкости, встроенный усилитель мощности 2×45 Вт. Доступ к аудио-данным на жестком диске организован по сети с помощью Samba-сервера, никаких USB для флешек. Для настройки машины — SSH сервер, собственный клиент под Android для удаленного управления со смартфона.

↑ Поддержтваемые форматы аудио

flac (Free Lossless Audio Codec)
wav (PCM)
m4a (Apple Lossless Audio Codec)
ape (Monkey’s Audio) (44K/16b)
ogg (vorbis)
mp3 (mpeg layer-3)
aac (Advanced Audio Coding)
ac3 (Audio Codec 3)
wv (WavPack)
wma (Windows Media Audio)
mpc (MusePack SV8)
cue (Плейлисты типа Cue Sheet)

↑ Структурная схема плеера

Зеленым цветом на структурной схеме я отметил части которые были рассмотрены ранее. Из нерассмотренных — видеоадаптер с дисплеями и подключение Raspberry Pi к устройствам. К сожалению, у малинки нет SATA портов, поэтому жесткий диск подключен через переходник USB ->SATA.

Скорость загрузки файлов в аудиоплеер по сети при этом составила в среднем 8 МБайт/c. Это, как запись на флешку. Чтобы иногда закинуть новый альбом — вполне хватает, а само наличие переходника — конечно, не красит устройство.

Клавиатура плеера — обычные кнопки, подключенные к GPIO малинки. SPI интерфейс регулятора громкости — программный, видеоадаптера — аппаратный.

↑ Видеоадаптер

Сейчас для миникомпьютеров полно полноценных HDMI дисплеев, маленьких, компактных. Но, когда я начинал этот проект, в Китае были только SPI дисплеи, на которых можно было получить максимум 3 кадра в секунду. Для отображения статической информации, как у меня, пожалуй сойдет, но для этого надо было бы устанавливать одну из графических надстроек Линукса, а это лишняя нагрузка на Raspbyrry Pi, который и без нее не шустрый.

И я подумал, что нужно сделать отдельное устройство, которое будет заниматься графикой. Да какой там графикой, напечатать десяток строк текста и пару иконок. А что, в этом случае можно и два дисплея прикрутить, что я и сделал. Корпус — широкий, надо было чем-то занять пространство, чтоб и красиво было и ничего лишнего. Под руку попался китайский дисплей 400×240 точек на контроллере ILI9327 и еще маленький 320 на 240 точек (ILI9328).

Вообще, потом, когда я написал клиент под Андроид, я понял, что дисплеи в принципе необязательны и смотреть я на них практически перестал. Падаешь на диван — запускаешь клиент на телефоне и все, слушаешь музыку.


Малинка отсылает по SPI таблицу данных, фиксированного размера, с текстом (cp1251), который надо отобразить на дисплеях. А задача видеоадаптера — все напечатать на дисплее, вот и весь принцип. Шрифт и иконки находятся в памяти микроконтроллера, в таблице — только номера иконок. Шрифт консольный 10×18 из Windows, немножко скорректированный к 8×16 пикселей.

Список с курсором прорисовывается за 55. 5 ms, вся информация — за 65,4 ms. Что касается списка, 50 ms — на мой взгляд, это минимум, при котором процесс смены текста еле заметен. Кадры меняются не постоянно, а по требованию, например, сместил курсор вниз или начал воспроизводиться другой файл. Но и не реже одного раза в секунду, так как надо отсылать время воспроизведения.

При передаче никакого протокола нет, таблицы просто идут одна за другой. По сигналу CS chip select интерфейса SPI, после завершения передачи таблицы данных, происходит дополнительная синхронизация кадра, то есть, если даже произойдет какой-то сбой при передаче данных, то на следующем кадре таблица будет принята корректно.





Печатная плата изначально разрабатывалась как тестовая, на скорую руку, а потом я решил, что она очень даже ничего и оставил ее. Дисплей на отдельной плате, а можно было все разместить на одной. И второй дисплей тоже. Два стабилизатора, даже не помню почему я поставил их два.

↑ Схема плеера

Все платы установлены на алюминиевом основании 3 мм (см. рис. 8). Корпус пластмассового плеера видеомагнитофона был неровный, со всякими выступами и арматурами, алюминиевый фундамент позволил устанавливать платы любым образом, обеспечить удобное заземление некоторых узлов. По поводу заземления: платы аналогового тракта соединены с землей только в регуляторе громкости и ЦАП-е, фактически через цифровую землю i2s шины и SPI шины у регулятора громкости, которые далее на разъем малинки и соединяются с землей через крепежные отверстия Raspbery PI.

Железо силового трансформатора для усилителя мощности также заземлено. В усилителе мощности конструктивно заземлены только радиаторы (прикручены к фундаменту), которые за счет диэлектрика не контактируют с микросхемами усилителя. Общий провод акустических систем подключается непосредственно к блоку питания, а не к плате усилителя мощности.

Пятивольтовый блок питания заземлен с обеих сторон через крепежные отверстия, важно подключение Y- конденсаторов импульсного блока питания к земле. Жесткий диск запитан не по шнурку USB, а отдельными проводами.

У Raspbery очень нежные GPIO поэтому резисторы R1-R6 у клавиатуры исключают вариант замыкания на землю пина, при теоретически возможной, неправильной его конфигурации, вместо входа на выход. Я старался на каждый GPIO повесить по резистору, на всякий случай. Почти все провода идут под фундаментом — красота правда?

↑ Программное обеспечение

↑ Mplayer

Писать свой плеер полностью смысла не вижу, врят ли он получится лучше чем существующие. Поэтому, в качестве инструмента воспроизведения выступает mplayer — не путать с Mplayer2. Если у вас установлен mplayer, то скорее всего это mplayer2.

На мой взгляд, этот плеер лучшее что есть под Линукс. Он консольный, существуют даже версии для Windows. Собственно ОС Линукс — это консольная операционная система по своей природе. Графических оболочек — надстроек над mplayer очень много, но видео мы смотреть не будем. Нас интересует аудио.

В плане аудио у него тоже все в порядке: можно менять выходной формат аудиоданных для разных ЦАП, передискретизация, размер данных сэмпла, разные фильтры. Корректно работает с ALSA и не только. А главное выдает информацию о текущем режиме и мы знаем, что в действительности попадает на наш ЦАП. Эквалайзер тоже есть. Читает любые кодеки, так как в него входит исходный код библиотеки ffmpeg полностью. Именно поэтому, сборка из исходников занимает приличное время.

Признаться, все же руку я к нему тоже приложил. Когда пришло время сделать поддержку CUE-файлов в своем ПО, я заметил, что позиционирование именно в flac файлах работает некорректно. Плеер писал ошибку и немного мазал мимо, от 5 до 10 секунд. Это была катастрофа.

Начал разбираться, нашел версию под windows, которая работала исправно. Затем нашел исходный код именно этой версии. Сравнив исходные коды библиотеки ffmpeg (часть которая отвечает за flac), понял, что придется пересобрать плеер с последней версией ffmpeg. С последней — не получилось, но получилось — с не самой последней. И то, не на ARM, а на обычном ПК. Но все равно, радовался я как ребенок. Запустил сборку на raspberry.

Собирал я день, ночь, просыпаюсь — ошибка сегментации в компиляторе. Компилятор лег. Что делать? Думаю, может, проблема в малинке? Запускаю сборку на Allwinner A20, на нем у меня торрент качалка и DLNA. Собирает быстрее, но та же проблема, компилятор падает и пишет, что в какой-то там функции произошел сбой при компиляции.

Исходный код исправный, так как успешно компилится под x86. Смотрю код и понимаю, что это зловещая функция отвечает за какой-то видеокодек. Долго не думая, вытираю в ней все и return 0. Видео мы им смотреть точно не будем. Еще таких пару функций и полдня компиляции и вот он, заветный бинарник, который корректно позиционирует в формате flac. Запускаем . . . ммм! Звучать стало лучше, точно лучше. А может, самовнушение. Переутомился я.

↑ Мой Аudio Сommander

Мое основное ПО — это тоже надстройка над mplayer. Только не совсем графическая. Я назвал его Audio Commander, имя, как потом оказалось, уже занято — ну да и фиг с ним.

Мой Audio Commander управляет всем плеером: клавиатура, регулятор громкости, и обработка команд от клиента реализована в основном потоке (функция main). Основной функционал- это открывать папки и запускать mplayer для воспроизведения. При запуске mplayer в нашем распоряжении его стандартные потоки ввода-вывода.

В stdout mplayer любезно предоставляет всю необходимую информацию: частота дискретизации файла, разрядность, битрейт, также выходной формат, который идет в ALSA. Он естественно сответствует формату на шине i²S и является входным для нашего ЦАП.

В stdin отправляются команды управления для mplayer-а, например, pause, seek. Данные из stdout попадают в текстовый парсер, результат которого далее идет на дисплей и по сети клиенту (время воспроизведения напимер). Парсер stdout мплеера, парсер CUE-файлов, парсер файла настроек, парсер команд от клиента, все они сгенерированы замечательной связкой — flex и bison, что сэкономила кучу времени при написании кода.

Audio Commander у меня находится в папке /programs/ac там же, файл настроек ac_settings. conf и папка logs. Папка logs по факту в RAMFS в ней файл stderr. log в него пишется всякая информация в процессе работы программы.

Исходный код Audio Commander — это проект в netbeans IDE. Для компиляции надо подключится к удаленному узлу 192. 168. 0. 83, то есть, к аудиоплееру, пользователь root, пароль pi (SSH). Адрес аудиоплеера в сети я задал статически. После компиляции результат можно найти в /root/.nebeans, эта папка тоже в RAMFS. Поэтому, до перезагрузки свежескомпилированный бинарник надо скопировать в /programs/ac.

↑ Операционная система

ОС raspbian (debian) с ядром реального времени. Есть от него прок или нет, не знаю, но говорят, что круто, для всяких серьезных систем. Для более быстрой загрузки ОС лучше применить хорошую SD карту, объемом не менее 1 Gb.
Жесткий диск плеера должен быть отформатирован в EXT4, монтируется в /mnt/sound. Но это не обязательно, в файле настроек плеера ac_settings. conf, можно поменять путь к музыкальному каталогу.

↑ Эксплуатация. Клиент С83

Плеер представляет собой плеер по папкам. Слушаю музыку обычно я в режиме альбома, или подборки лучших композиций какой-то конкретной группы. Следовательно, вся музыка у меня структурирована по папкам: буква алфавита/группа/альбом.
Например Eng/P/Papa Roach/02. Time for Annihilation/ Следовательно, список воспроизведения строится из открытой папки. Также существует возможность открывать папку с вложенными подпапками, из всех каталогов формируется один единственный список воспроизведения. CUE-файлы представляются также в виде папок. А одноименные файлы-образы в списке не отображаются, чтобы не смущать обычного пользователя.



Пока поддерживаются только классические простые CUE-файлы. При открытии папок с подпапками, CUE-файлы которые попадутся на пути, также будут открыты.
Клиент написал для Android, для Windows хотел, но потом передумал.
Это мое первое приложение для ОС Android, но не первое в среде Embarcadero RAD Studio (С++ Builder). Почему? Потому что я пишу на Си, с Java я не знаком, только поэтому.



Итак, основной экран разделен на две вкладки: плеер и опции. На вкладке Плеер снизу кнопки управления, громкость и время воспроизведения. Здесь всё как обычно: список можно прокрутить вверх и вниз, двойной клик — «дабл тап» открывает папки, запускает воспроизведение, «лонг тап» — контекстное меню для элементов списка. Можно прокрутить время воспроизведения. Существует возможность запланировать выключение плеера.

В регуляторе громкости сделал защиту от резкого увеличения громкости при случайном прикосновении. После 40% громкость добавляется по 10% при прикосновении. Или можно выбрать любую при перетаскивании ползунка, что не может произойти случайно, почти.
Плеер помнит воспроизведенные файлы, в клиенте они меняют цвет, немножко темнеют.

Не трудно заметить, что функция случайный порядок у меня организована перемешиванием самого списка. Сразу видно, что за чем будет играть. Алгоритм воспроизведения прост — по порядку, сверху вниз, но слушатель может вмешиваться в этот алгоритм, например, начать воспроизведение списка с середины. Или например, если во время воспроизведения переставить курсор на трек 15. Stars (см. рис 10, левый снимок экрана), то после воспроизведения 02. Chances запоет 15. Stars.

После воспроизведения остатка списка плеер доиграет все пропущенные, непрослушанные треки сверху вниз по списку. Пользователь также может установить курсор на уже прослушанный трек, с желанием прослушать его еще раз, после его прослушивания, воспроизведение вернется к не прослушанным композициям. Смена директории во время прослушивания — это создание нового списка. После завершения композиции из старого списка воспроизведение начнется с композиции, отмеченной курсором. Если курсор не на аудиофайле, то воспроизведение начнется с первого в списке файла.


В опциях свалено все в кучу, потому что их пока еще немного (все что есть видны на скриншоте), еще буду добавлять, потом может быть посортирую — это первое, а второе — я ими практически не пользуюсь. Вверху «случайный порядок» и «повтор списка», а кнопка «Завершение работы» внизу и всегда видна. Все остальные опции, также как и список, прокручиваются вверх и вниз, если развернуть все.
Общается клиент и плеер с помощью текстовых сообщений, похожих на XML синтаксис.

↑ Выводы

Надо было делать не так. К фигам эти GPIO, надо было делать все на USB. Клавиши, регулятор громкости — это USB клавиатура — самодельная разумеется. USB ЦАП — не проблема, USB дисплей, а почему бы и нет! Это позволило бы взять мини-ПК без HDMI, они дешевле. И вообще, все это можно было бы провернуть на любой материнской плате, и только потом подобрать современный мини-ПК. Надо осваивать USB!

Блок питания ЦАПа надо было разместить на одной плате с ЦАПом. Для лучшего охлаждения днище корпуса надо делать перфорированным, а платы размещать вертикально. Жаркое лето плеер успешно пережил. Измерял, трансформатор был нагрет до температуры 50 градусов. Нормально, но все же надо делать как-то так:

↑ Видео в работе

Напоследок посмотрите видео. Ну что за статья без видоса на десерт. Сразу предупрежу, режиссер с меня не важный, я не красноречив и не многословен.

↑ Файлы

1. Мой образ SD карты с ОС Raspbian
2. 🎁Исходный код AC  362.23 Kb ⇣ 77
3. 🎁Исходный код С83  15.84 Mb ⇣ 340
4. 🎁Исходный код для видеоадаптера  288.86 Kb ⇣ 78
5. 🎁Плата и схема видеоадаптера  100.68 Kb ⇣ 101
6. 🎁Схемы  31.64 Kb ⇣ 108

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации