Synthetiseur

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Synthétiseur

Fichier:PROJET Synthetiseur 2015.zip

Dénomination du sujet par les encadrants

Objectif

Réaliser un synthétiseur "à la soundchip" via un MBED.

Description

La plate-forme MBED utilise un microcontrôleur de type ARM CORTEX-M3. Il possède notamment un DAC et des sorties audios. L'objectif du projet est de réaliser une bibliothèque de programmation permettant de configurer différents paramètres (signal en entrée, VCO, LFO, ...) afin de créer dynamiquement des sons. Une petite carte d'amplification sera éventuellement réalisée. Pour le paramétrage, il faudra réaliser des pages Web qui seront intégrées dans le MBED via SMEWS

Présentation du Projet Synthétiseur

On souhaite réaliser un synthétiseur simple à partir d'une plate-forme microprocesseur de la gamme Cortex M3 de référence LPC1768. Les caractéristiques du micro P seront décrites plus loin. Retenons juste que celui-ci fonctionne à une vitesse CPU maximale de 100Mhz, qu'il possède un DAC et une liaison USB. Pour le commander, nous utiliserons une page web hébergée sur un serveur qui nous enverra les notes de musiques à transmettre vers l'instrument. On ajoutera une partie analogique au projet pour affiner et amplifier le signal final. Ce projet regroupe différents domaines de compétences, ce qui induit une conception simple et pouvant être optimisée.

Représentation du sujet

Représentation de l'interface utilisateur

Segmentation du projet

Cortex M3 mbed NXP LPC1768 et Lab Board

Overview

Type Number	Flash	SRAM in kB				Ethernet	USB	CAN	I²	DAC	Maximum CPU Opérating fequency
		CPU	AHM SRAM0	AHM SRAM1	Total
LPC 1768***/***	512kB	32	16	16	64	yes	Device/host/OTG	2	yes	yes	100Mhz

source page 4

Cortex M3 mbed NXP LPC1768

mbed Lab Board

C'est l'élément principal du projet. Il devra assurer entièrement ces tâches:

• génération de formes d'ondes analogiques.
  On doit pouvoir choisir quelques formes d'ondes dans une bibliothèque qui seront modulées au travers d'un LFO. La fréquence de ces ondes devra évidement correspondre précisément aux notes de musique de la gamme habituelle.
• lecture d'informations quant aux modifications pour le LFO et la forme d'onde
• assurer la communication avec le PC par liaison série USB

Partie réseau

Nous devons générer un code php/ajax qui permet de jouer un clavier maître ou une matrice représentant les notes d'un instrument de musique via une page web.

Partie électronique analogique

Nous devons réaliser un amplificateur audio faible puissance. Nous étudierons quelles sont les caractéristiques de plusieurs montages en termes de qualité. Il est possible d'améliorer le son de ce synthétiseur en ajoutant entre le pré-amplificateur et l'amplificateur de puissance des étages particulier(filtrage, modulation...). On pensera à ajouter des potentiomètres permettant de faire varier la phase, la fréquence et la profondeur du LFO ainsi que des boutons pour choisir la forme de l'onde.

Programme informatique

Le code que nous allons développer devra assurer l'échange entre la page web et le microcontrôleur via la liaison série USB. On sait d'ores et déjà que l'utilisation d'un protocole MIDI serait une amélioration propice (on pourrait jouer avec n'importe quel clavier maître!)

Journal de passerelle

Semaine 1

Lors de la première semaine, nous élaborons le cahier des charges. Par ailleurs, nous travaillons sur la partie microprocesseur et la partie réseau qui nous paraissent être les parties les plus difficiles. Pour l'instant en pratique:

• nous obtenons différentes formes d'ondes
• nous arrivons à moduler le signal avec trois formes de LFO
• nous pouvons synthétiser un la 440Hz avec n'importe quelle forme d'onde périodique (on peut écrire la décomposition en série de Fourier d'un signal périodique).

Forme d'onde obtenue

Forme d'onde obtenue

Forme d'onde obtenue

Étude théorique:

• recherche d'une solution pour ordonnancement des taches
• ajax
• php
• html
• java
• MIDI

Semaine 2

Durant cette semaine 2, nous avons réfléchi à un schéma générale permettant de créer la liste du matériel à commander. Du point de vue technique, nous avons avancé sur la partie réseau. Un code java script nous permet de déclencher une ligne de commande via la technologie activeX. Nous sommes en train de travailler sur une communication série entre le PC et le Cortex M3.

Semaine 3

Nous revenons en arrière sur la partie réseau. Nous nous penchons sur la technologie SMEWS qui avait été utilisé pour le projet e-monotron l'an passé. Nous sommes en train d'installer Fedora21 sur nos machines pour travailler chez nous. On rencontre des problèmes par la suite pour installer l’environnement de développement.

Partie Électronique Numérique:

• Utilisation d'un oscilloscope analogique, d'un accordeur guitare, d'un ampli, de claviers MIDI pour travailler chez soi:

• Le LFO est effectif avec n'importe quelle forme lui aussi.
• Formes d'ondes : carré, sinus, dent de scie.
• Formes de LFO: triangle, carré sinus.
• On a une modulation AM stable et propre du LFO et de la note.
  

Oscillogrammes de la semaine

	LFO = Sinus	LFO = Carré	LFO = Triangle
Forme d'onde = Sinus
Forme d'onde = Carré
Forme d'onde = Dent de Scie			...

Semaine 4

Partie Réseau

• Installation de gcc et gcc-arm.
• Abandon de l'idée pour programmer chez soi la partie réseau.
• Installation des compilateurs et de l'environnement de développement sur une des machines de l'école grace à l'aide des professeurs encadrants.

Partie Électronique Numérique

• Installation de SciLab pour réaliser des courbes pour l'enveloppe ADSR du synthé.
• Utilisation de LibreOffice Calc dans un premier temps.
• Réalisation d'une enveloppe ADSR à l'aide de l'équation de réponse indicielle d'un système du second ordre.

Methode Du Second Ordre

• recherche de réglages agréables pour l'oreille.
• technique du second ordre est mise en suspend. On risque de choisir une méthode un peu plus simple...

Partie Électronique Analogique

Voltage Controlled Distorsion

Schéma

PCB

Schéma voltage controlled filter
buffer spécial audio

Interface finale

On veut réaliser plusieurs cartes plugables entre elles.

Recherche bibliographique

Étude des noises generators du marché
Étude de "Algorithmique avec MATLAB et SCILAB" de Jean-Pierre GRENIER édition ellipses disponible à la BU

Semaine 5

Réalisation du typon du Voltage Controlled Filter:

Voltage Controlled Filter

Schéma

PCB

Nous avons utilisé Kicad pour réaliser ce typon. C'est un logiciel facile à prendre en main pour faire ce genre de carte.

Semaine 6

Partie Électronique Analogique

• Collecte des composants électroniques.
• Prototypage du VCF sur plaque de test électronique. Le montage fonctionne bien, on voudrait modifier une valeur de condensateur pour changer le fréquence de coupure. On a testé ce montage avec une guitare en entrée, on a, outre un bruit de fond assez bas, un rendu sonore assez bon. On peut imaginer qu'une fois soudé, le circuit sera encore plus stable.
• Gravure du typon par le magasinier Thierry Flamen.

Partie Réseau

• On a put se connecter au serveur sur le MBED depuis un ordinateur distant.
• Allumage d'une led

Semaine 7

Partie Électronique Analogique

• Soudure de la carte.
• Dépannage. Il y a eu une erreur de connexion sur le schéma qui a provoqué une erreur de typon.
• Une fois l'erreur détecté, il a fallut gratter cette piste.
• Modification de quelques valeurs de résistance. La carte fonctionne à merveille.
• Test avec une tension analogique délivré par le mbed: résultat correcte.

Partie Réseau

• Petites avancées.
• Utilisation d'un script Ajax.
• Difficultés de compilation.

Semaine 8

Partie Électronique Analogique

• Avancé des typons de la carte support du mbed, de la carte du VCD et de l'amplificateur.

Partie Réseau/ Électronique Numérique

• Production d'une note au clic sur un bouton de l'interface web.
• Réalisation de la page web finale
• Debug de la compilation permettant d'utiliser le DAC
• Étude du programme final.

Nous avons besoin d'un oscilloscope!

Semaine 9

Partie Électronique Analogique

• Fin de la carte d'amplification.

Partie Réseau/ Électronique Numérique

• Obtention des formes d'ondes et des formes LFO (sauf sinus)
• déblocage des compteurs et de la PWM.

Semaine 10

Partie Électronique Analogique

• Tests sur la PWM

Partie Réseau/ Électronique Numérique

• fin de des tests pour l'architecture finale du programme
• Connections virtuelles entre la page web et le LPC1768
• mise en place de l'enveloppe ADSR.
• On arrive à sortir les carrés LFO et ONDE modulée avec l'ADSR.

Semaine 11

Partie Électronique Analogique

• production de la carte support du LPC1768

Partie Réseau/ Électronique Numérique

• Toutes les fonctions sont opérationnel il ne reste plus à faire un programme qui permet d'utiliser toute les fonctionnalités ensemble.

Semaine 12

• Tournage de la video
• Finalisation du projet: nous avons finit de concevoir le synthétiseur, toute les fonctions sont opérationnelle. Nous avons réussi à jouer toutes les notes de la gamme, à générer une sinusoïde PWM, les différentes formes de modulation, les différentes formes d'onde...

Il ne reste plus qu'à finir les cartes.

Conclusion du projet

Nous avons trouvé que ce projet était enrichissant aussi bien sur le plan technique et théorique que sur le plan relationnel. D'abord parce que le sujet était motivant et que nous voulions entendre un résultat. Puis, parce que nous avons pu travailler ensemble et mettre en avant nos compétences respectives. L'association que nous avons faite nous a permis de progresser et de jouer du synthétiseur.

Matériel

• 2 mbed LPC1768 [fourni le 28/01/2015]
• 1 platine mbed Lab Board [fin 2014]
• Connecteurs téléphoniques STEREO CHROME NOSE [reçu le 06/04/2015]
• Connecteurs téléphoniques Plug 3.5mm mono nickel/silver REAN [reçu le 06/04/2015]
• Connecteurs téléphoniques 3.5MM MONO JACK [reçu le 06/04/2015]
• Connecteurs modulaires / Connecteurs Ethernet 8 TRM NO FLTR LOWPRO [commandé le 18/2/2015 fourni le 09/03/2015]
• Mini usb [commandé le 18/2/2015 fourni le 09/03/2015]

Sources

Article Wah
Freestompboxes.org
Basic Synth
Lab Board Schematic
Web Drum Machine
Connectique RJ45