Arduino平臺的Wave Shield是Adafruit早期的一個面罩套裝，一直以來，它依然是那么受歡迎。我們有足夠的理由相信，這是給Arduino添加高質(zhì)量音效的最容易和最便捷的方法。

　　像一瓶好酒，開源項目隨著時間而得到提高。我們被告之這個面罩有一個新的技巧：那就是一個實時的變聲器。發(fā)音就像每個人都喜歡的男中音歌手Sith Lord一樣，或者如Lollipop Guild的跟唱一般。Wave Shield一早成為商家歡迎的萬圣節(jié)項目。最新添加上去的東西也是緊扣這個主題的。

　　核心部分的清單

　　這個項目里面有三個和新型的元件：

　　Arduino Uno（老版本的Arduino Duemilanove或者328 Diecimila也適合，但Arduino Mega或者Leonardo就不適兼容了。）

　　Adafruit Wace Shield

　　Adafruit麥克風(fēng)放大器接頭

　　你還需要基本的焊接工具，電線以及bits & bobs

　　其他部件

　　這是一個可擴(kuò)展的項目，而用什么元器件嘖去決議你打算用它來達(dá)到什么目的。通讀整個過程，留意在一些細(xì)節(jié)部分的觀點以及建議。

　　因為有聲音輸出，因此你需要一個頭戴式耳機(jī)、便攜MP3揚聲器或者我們經(jīng)典的D類功放。示范掃描大概用到一個12鍵鍵盤去觸發(fā)預(yù)錄制的聲音。若果你只是想使用音效。你的應(yīng)用只需要一些簡單的按鍵，又或者什么都不用。

　　如果要添加一些預(yù)錄制的聲音，你需要一個包含有WAV文檔的SD卡。

　　用一個10K的電位計來調(diào)節(jié)音高。又或者你可以進(jìn)行簡單的永久設(shè)置。

　　如果你想撥弄這些電線，一個額外的樣機(jī)面罩和堆棧頭部可以很容易實現(xiàn)。焊接帶有堆棧頭部的wave shield，同時將原型面罩放在上面。

　　為了使其可以像服裝和小道具那樣輕便使用，要添加電池，電池套等。

　　重申一下，細(xì)讀整個流程是很有必要的，因為這樣可以便于購買你項目中所需的元件。我們會展示一些實例。但這些東西并不是最新的。但這些都是Arduino的精華。

　　先強調(diào)一下重要的事情

　　我們強烈建議，應(yīng)該說是要求你在開始這個項目之前完成這個原版的Wave Shield教程的閱讀。這是在添加額外層次的復(fù)雜性之前驗證關(guān)鍵部分能夠正常工作的一個好方法。

　　現(xiàn)在就解析一些令人討厭的背景理論知識。如果你只是想做點東西，那么你就可以跳過一下的文章。

　　音頻樣本

　　不管你是否曾經(jīng)玩弄過父親的LP唱盤，又或者涉獵過最新的PC上面的數(shù)字音頻程序。你在這些現(xiàn)象上面或多或少都應(yīng)該有一些經(jīng)驗。就拿錄音來說，這只不過是一個以特有速度的回放。之后改變速度，或者壓縮、拉伸時間。之后音頻的音高就會隨之改變。壓縮時間會使音高上升，拉伸時間會降低音高。頻率是波長的倒數(shù)。

　　利用錄音是很容易得出這些效果的，但在直播音頻的時候，我們就不能那么奢侈，實時就是實時，我們并不能壓縮或者拉伸。它們沿著自身的狀況發(fā)展。這種情況下，所謂的聲音改變能夠做點什么？

　　在這里設(shè)計一個叫做福利葉變換的復(fù)雜技術(shù)，通過變換可以轉(zhuǎn)變一個函數(shù)（或者可以講是改變音頻流），將其轉(zhuǎn)為一個頻譜。最后的出來的頻率值可以改變，同時一個相反的轉(zhuǎn)變會應(yīng)用來還原這個音頻。這就是純粹的數(shù)學(xué)問題。但除了Arduino的處理之外，我們還需要一些額外的處理和方法。一個相當(dāng)強悍的CPU或者DSP是必須的。我們也需要一些便捷方法或者做一些嘗試。

　　在數(shù)字音樂圈，顆粒合成是一個將大量的短音頻樣本糅合和分層的技術(shù)。這也是為了建造更多更復(fù)雜的聲音或者樂器合成。現(xiàn)在圖片是一個單獨的聲音樣本，十毫秒左右。同時我們持續(xù)從直播麥克風(fēng)更新這個聲音樣本。通過實踐壓縮或者延伸這個微小的環(huán)，重復(fù)或者丟棄短小的片段去跟上實時。我們以實時音高轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)。這個看起來是不能工作的，但實際上是有效的。語音波形在短期內(nèi)會重復(fù)，同時我們可以丟棄或者重復(fù)一些波形。

　　這種方法總體上是適合于Arduino的有限處理能力和RAM，得出的結(jié)果是不符合好萊塢品質(zhì)的。但這比架子上大部分的聲音改變玩具好很多。現(xiàn)在你將要去制造它了，很酷是吧。

　　聲音采樣

　　人的聲音頻率范圍大約是300HZ到3500HZ。奈奎斯特抽樣定理有如下的闡述：要如實重建一個信號必須需要至少兩倍的采樣率。對于人聲來說，那就是7KHZ的采樣率。但多一點的話也無妨。

　　在一個循環(huán)里重復(fù)調(diào)用Arduino的標(biāo)準(zhǔn)模擬Read（）函數(shù)是一種方法，這種方法對這個項目來說也太慢了。我們需要Arduino的ADC、特別儲存器和模式有一個更深入的了解。一個叫做自由震蕩的模式以快速、固定間隔，同時并不反復(fù)查詢代碼的方式快速收集模擬采集信號。每當(dāng)一個新的采樣信號準(zhǔn)備好了，一個中斷處理程序會被自動調(diào)用。這個會有規(guī)律的進(jìn)行。全速的運行，一個16MHZ的Arduino每秒可以捕獲9615個10位的樣本。這對于聲音采樣來說足夠了。

　　聲音樣本存儲在一個環(huán)形緩沖器里面，這是計算機(jī)科學(xué)里面的“當(dāng)你到達(dá)緩沖器末端的時候，回調(diào)到最初，并重寫”的一種美妙的描述。但從概念上說，這只是幫助理解文字上所說的循環(huán)。

　　錄音的頻率會很少精準(zhǔn)符合緩沖長度。同時聲音樣本是被存儲和以不同速率讀取。這會產(chǎn)生一個明顯的間斷。每次輸入和輸出點交匯時，會產(chǎn)生一個間歇性的噪音。現(xiàn)在用一個小型的額外緩沖器存儲一些優(yōu)先的音頻樣本，同時在邊界編碼交錯單變的音頻可以減少噪音。

　　因為我們的音頻樣本是相當(dāng)短，大概只有10毫秒，RAM則需要適中的，大概幾百字節(jié)。問題是，因為Wave shield的設(shè)計目的的緣故，我們經(jīng)常會持續(xù)做采樣的工作。也就是，回放WAV文件。這需要從一個SD卡讀取文件，這會需要比較大的RAM，很幸運的是這個WAV播放編碼的設(shè)計使我們獲得訪問庫存儲的權(quán)利，同時回收滿足我們需要。

　　源代碼的這個技術(shù)細(xì)節(jié)備受好評。因此如果你對執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)有所好奇，查看源代碼。

　　限制

　　當(dāng)把Arduino介紹給新用戶的時候，我通常將其描述為“具有足夠能力去處理好任何一件事”。嚼口香糖的時候走路是一個挑戰(zhàn)。因此對這個項目來說，它是很完美的。記住以下的限制：

　　1.它可以處理聲音效果或者WAV回放，但你不能同時做到。

　　2.當(dāng)聲音效果在運行的時候，你不能讀取其他模擬輸入。（例如，你不能用一個電位計持續(xù)轉(zhuǎn)換音高）。如果用到模擬穿高企作為聲音觸發(fā)器，考慮工作的時候就如在數(shù)字輸入時用一個精心調(diào)整過的分壓器，或者另一個MCU去處理數(shù)字輸入，透過串行或者I2C連接進(jìn)行正向觸發(fā)。

　　建造過程

　　步驟一：

　　參照原版本的Wave Shield教程

　　再強調(diào)一遍，在做聲音轉(zhuǎn)換器之前通讀原版本的Wave Shield教程！

　　這個項目有很多獨立的部分，其中的任何一次過失會導(dǎo)致整個項目的失敗，因為在所有可能性之間查出問題所在是一個很復(fù)雜的工作。現(xiàn)在花一些時間去使最基本的Wave Shield實例工作，尤其是“Pi Speak”樣本。這會讓你明白到這個shield是正確裝配的，SD卡是正確格式化等等。之后我們會添加額外的特征。

　　開始的時候要下載Arduino的WaveHC庫，這并不只是為WAV回放，同時使為了編碼過程中的聲音轉(zhuǎn)變。我們有一個Arduino庫安裝指南，下載PI的包含WAV文件的壓縮文件，然后依照教程直至Wave Shield工作。

　　步驟二：

　　添加聲音效果和一個聲音觸發(fā)器鍵盤

　　基本的Wave Shield工作的時候，我們可以添加聲音轉(zhuǎn)換和聲音觸發(fā)器鍵盤，你可以在你的工作臺利用一塊模擬板完成這個步驟。遲點我會使這些變成可攜帶的。之后，確認(rèn)它是能工作的。

　　下載Arduino的Adavoice擴(kuò)展，這個時候你應(yīng)該完成了上一步驟提到的WaveHC庫的安裝。

　　Arduino的地線和3.3V線需要連接到幾個不同的點，因此你可能需要一個工作臺電源軌來完成這個。Arduino的3.3V線連接到駐極體麥克風(fēng)功放的VCC接口，同時連接到一個10K的電位計輸出腳，還要連接到Arduino的AREF端口。Arduino的接地線應(yīng)該連接到麥克風(fēng)功放的接地點，同時接到電位計的反向輸出腳。

　　PS：別忘記連接到AREF，否則整個電路不會工作。

　　麥克風(fēng)功放的輸出連接到模擬的pin0，同時電位計的中心腳連接到模擬的pin1。

　　如果你打算利用數(shù)顯錄音的音頻效果（一些樣本儲存在WAV的文件夾里），你需要一個FAT格式的SD卡，并把文件放置到根目錄里，。一個12鍵的鍵盤連接到數(shù)字的PIN6、PIN7和PIN8（列）。同時連接到模擬的PIN2、3、4、5（行）。對這個草案還需要一些調(diào)整，這就適合于應(yīng)用一些按鍵或者其他的觸發(fā)器。

　　一個小型揚聲器可以直接連到Wave Shield的功放輸出，為了獲取更大音量，我們建議使用類似ipod和MP3

　　一樣的便攜式功放喇叭，或者是一些經(jīng)典的D類音頻放大器輸出。

　　如果你還沒完成以上工序，上傳Adavoice到Arduino。如果所有的東西已經(jīng)接通并裝載正確，你應(yīng)該在設(shè)計圖開始的時候啟動鳴響。如果沒有聲音，用Arduino動態(tài)監(jiān)測同時留意診斷信息。

　　一旦運轉(zhuǎn)以后，你可以對著麥克風(fēng)說話，同時你應(yīng)該透過揚聲器或者頭戴式耳機(jī)聽到轉(zhuǎn)換過的聲音（麥克風(fēng)應(yīng)該遠(yuǎn)離揚聲器，避免干擾）。按下任何按鍵會停止聲音效果，并播出響應(yīng)的聲音，然后重新開始。

　　注意到這個音高撥號并不是實時工作！這個很正常，同時這是我們?nèi)龠\行的這個ADC方式的一個限制。為了得到新的音高讀取，你需要去回放一個聲音或者按下重置按鍵。

　　步驟三：

　　實現(xiàn)電池供電，使其能夠攜帶

　　為了簡化布線圖，我們在以下部分的說明將會忽略掉鍵盤。但如果你愿意的話，你仍然可以將其包括在里面。連接如上所述。

　　因為模擬板電路對于便攜式應(yīng)用來說太脆弱，我們會直接添加一些元器件。

　　Wave Shield自身能夠驅(qū)動一個小型揚聲器，但這并不提供足夠的吸引力。聚會和漫畫展通常都是很嘈雜的，因此你們可能需要一個推動！我們利用我們帶有一對4歐姆揚聲器的D類功放。同時也有很多為ipod和其他MP3準(zhǔn)備好的電源揚聲器也適合Wave Shiled的接口。只不過用我們的D類功放有一種訂做的感覺。

　　最好分別給Arduino和音頻功放供電。尤其是在大聲的時候，音頻功放會產(chǎn)生很大的電流，會引起電壓的瞬間下降導(dǎo)致Arduino重啟。而給Arduino提供獨立電源可以避免這樣的情況發(fā)生。我們將一個9V的電源連接到DC接口，或者將6個AA電池組連上。無論如何，在Arduino和音頻功放部分的地線連接是一致的，電路的3.3V部分的連接也是一致的。

　　
??? 下圖我們將所有的零件用雙層泡沫膠帶固定在一塊有機(jī)玻璃上面，然后用尼龍繩固定，以使其固定在人的胸口。我們用膠帶是為了方便，你們也可以用螺絲之類的東西。

　　你可以將麥克風(fēng)連接到面具或者偷窺，一個伺服電機(jī)擴(kuò)展線提供一個方便的3分離點。因此你可以武裝你的頭部并安裝。將伺服電纜剪成兩段，將一段焊接到麥克風(fēng)功放，另一端焊接到Arduino電路。

　　關(guān)于這個服裝的一些TIPS

　　1.提前讓你的系統(tǒng)跑一段時間，不要一做好就在聚會上使用。知道電池的續(xù)航時間。檢查導(dǎo)線和接口。確保元器件是焊接好的。微調(diào)音頻，降低反饋干擾。

　　2.將系統(tǒng)做到最好，絞線比實心線的可折性高，要用結(jié)實的。NASA標(biāo)準(zhǔn)的連接。執(zhí)行拉力測試避免連接斷開。模擬板易于原型測試。但你要焊接并進(jìn)行調(diào)整。

　　3.不要大喊大叫，要輕生說話，讓功放擴(kuò)大你的聲音。你需要人們聽到你“變異”的聲音，而不是原聲。

　　4.將揚聲器和麥克風(fēng)分開，避免干擾。一些小的角度都會造成干擾的很大區(qū)別。

　　5.汗的腐蝕性很強，因為它基本是鹽水，更慘的是它有導(dǎo)電性。因此將所有的部件密封。熱縮管保護(hù)所有的接口。在服裝里面的所有電子器件上用塑料外殼或者環(huán)氧樹脂。如果在面距離阿敏用到一個麥克風(fēng)。用氣球?qū)Ⅺ溈孙L(fēng)保護(hù)起來。

　　6.可以的話，帶上備用電池、安全別針、一些尼龍扣條和一些管道膠帶。

　　7.絕不讓技術(shù)妨礙良好的性能。樣品用到按鍵很小的薄膜鍵盤，這對于桌面印版樂器來說是很好的。但對動來動去哥斯拉服裝來說是一個悲劇，因為要不停的尋找特別的小按鍵。多的未是好的，在一個手套里面有一兩個按鍵就足夠了。在參加聚會之前要熟習(xí)按鍵操作。